高分辨率海水表层二氧化碳分压重构以大西洋为例

海洋是自然界中重要的碳汇,海−气二氧化碳通量通常利用大气和海水表层的二氧化碳分压（pCO₂）差进行估算。受制于时空分布不均匀的观测样本和预测数据,目前已有海水表层二氧化碳分压的重构结果在空间分辨率上仍有较大可提升空间。为在高空间分辨率下更好地拟合时空变化,基于表层大洋二氧化碳地图（SOCAT）的海水表层二氧化碳逸度（f CO₂）数据集和遥感卫星等多源数据,利用XGBoost模型建立了海水表层二氧化碳分压值与海洋物理、生物、光学等要素的非线性关系,并根据样本时空频率构建权重模型,最终重构了2000−2018年大西洋0.041 7°×0.041 7°下月度海水表层二氧化碳分压分布。预测结果的相关系数为0.966,均方根误差为8.087 μatm,平均偏差为4.012 μatm,与同类重构结果相比,海水表层二氧化碳分压的时空变化趋势一致性强,且在空间分辨率上具有优势。     

东海冬、夏两季表层海水的二氧化碳分压

１９９７ 年冬、１９９８ 年夏在东海进行了两个航次的调查,采用气相色谱一喷洒式平衡器系统,现场测定了表层海水和大气的ＣＯ２ 分压。东海表层海水ＣＯ２ 分压受东海环流、生物活动、季节等因素影响而变化。冬季受垂直混合作用的影响,陆架区是ＣＯ２ 的源;黑潮水是ＣＯ２ 的汇,夏季受生物活动的影响,陆架区水系是ＣＯ２ 的汇;黑潮及影响区域是ＣＯ２ 的源。     

夏季渤海表层海水pCO2分布特征

依据2006年8月对渤海的大面调查和2005年7月对莱州湾的现场实测得到的渤海表层海水二氧化碳分压(pCO2)数据,结合水文、化学和生物等要素的同步观测资料,重点分析了夏季渤海表层海水pCO2的分布特征,并讨论了CO2的源/汇影响机制.调查结果表明:夏季渤海水-气界面pCO2在313～1 118 μatm之间,平均值为537 μatm,在渤海中西部沿岸区域(119°E～120.5°E,38.5°N～40°N)和辽东湾外东部沿岸(120.7°E～121.2°E,39.9°N～40.1°N)存在大气CO2的汇区,其面积大约占渤海面积的1/5,而渤海整体表现为大气CO2的源.河流等陆源输入支持了源区pCO2高值,而部分海域内水质较好,透明度高,浮游植物的生物活动是形成汇区的主要原因.     

海水二氧化碳分压（Pco2）的取样手段和分析计算方法

前言 由于大气二氧化碳（CO_2）逐年增加,已影响到近年来全世界的气候变化,从而越来越受到世界科学界和各国政府的重视。CO_2的增加是由全球工业迅速发展,CO_2气体不断大量排放到地球大气中所致。从工业化前的大约280（ppm）,增长到1988年的350（ppm）这是指大洋上CO_2的变化。陆地和城市大气CO_2的浓度最高可达380（ppm）左右。预计2050年CO_2浓度将是工业化前的2倍多,因此将大大改变地球的气候。 海洋是一个大的CO_2贮存库,对于调节大的时间尺度（一年至许多年）大气CO_2的浓     

海水二氧化碳分压测量用水-气平衡器

水-气平衡法被广泛地应用于海水CO₂分压(partial pressure,pCO₂)的测定。该方法采用水-气平衡器,使海水与平衡器上部顶空中的空气进行CO₂交换,达到平衡后测定该顶空空气中CO₂的浓度,再换算成海水pCO₂。水-气平衡器是海水pCO₂测量仪器的关键部件,其性能在很大程度上决定所获得的pCO₂数据的准确度和可靠性。本文介绍了水-气平衡器的平衡原理、平衡器时间常数的测量方法及影响因素,归纳了现有的4种用于海水pCO₂测量的水-气平衡器即喷淋式、鼓泡式、层流式及混合式平衡器的结构与特点,着重介绍了两种新型的水-气平衡器即基于射流器的鼓泡式平衡器和基于球形降膜的层流式平衡器,比较了不同水-气平衡器的尺寸、运行参数及时间常数,分析了设计和应用水-气平衡器时需考虑的因素。本文可为使用水-气平衡器测定海水pCO₂的技术人员提供技术参考。     

基于广义回归神经网络的全球表层海水1°×1°二氧化碳分压数据推演

表层海水二氧化碳分压是评估海洋碳源汇强度的关键参数,但其实测数据较少、时空分布极不均匀,导致二氧化碳交换通量的估算有很大的不确定性,海洋源汇特征就不能确切获取。为了解决这个难题,在收集的表层大洋二氧化碳地图(Surface Ocean CO₂ Atlas,SOCAT)实测数据集基础上,运用广义回归神经网络建立二氧化碳分压与经纬度、时间、温度、盐度和叶绿素浓度间的非线性关系,构建了1998-2018年间全球1°×1°经纬度的表层海水二氧化碳分压格点数据,其标准误差为16.93μatm,平均相对误差为2.97%,优于现有研究中的前反馈神经网络、自组织映射神经网络和机器学习算法等方法。根据构建的数据所绘制的全球表层海水二氧化碳分压的分布与现有研究有较好的一致性。     

南黄海夏季表层海水中pCO2分布的初步探讨

作者在 1 999年夏季的航次中 ,获得了南黄海表层海水 p CO2 的实测数据。本文结合水文、化学和生物等要素的同步观测资料 ,对影响 p CO2 分布和变化的某些重要现象进行了初步探讨。研究表明南黄海表层海水 p CO2 的分布存在较大的不均匀性 ,这是边缘海区海水中生物、物理和化学因素复合作用的结果。除长江口门外的 p CO2 高值区外 ,南黄海表层海水的 p CO2 值与叶绿素、水温大体呈负相关 ,而与海水的盐度基本上呈正相关。     

夏季东海西部表层海水中的pCO_2及海-气界面通量

根据 2 0 0 1年夏季长江口及东海西部海域表层海水pCO2 的实测数据 ,结合水文、化学和生物等要素的同步观测资料 ,对该海域pCO2 分布和变化的重要影响因素进行了探讨。结果表明 ,长江冲淡水是造成东海西部海域表层海水pCO2 分布不均匀的主要原因。利用Wan ninkhof( 1 992 )提出的通量模式计算 ,长江口口门附近海域和浙江近岸海域为CO2 的源区 ,1 2 3°E以东的调查海域表现为大气CO2 的汇 ,尤其是以 1 2 3°E ,32°N为中心 ,存在着一个极强的大气CO2 汇区。就整个东海西部海域而言 ,夏季可从大气净吸收 1 5 3× 1 0 4 tC。     

夏季东海西部表层海水中的pCO2及海-气界面通量

根据2001年夏季长江口及东海西部海域表层海水pCO     

琼州海峡表层沉积物元素地球化学特征

通过对琼州海峡表层沉积物中54项指标统计、元素组合特征分析、沉积物环境质量评价、锆英石资源潜力评价和元素比值研究,结果表明,SiO₂、Al₂O₃和TFe₂O₃是研究区表层沉积物中的最主要组分,元素的含量与粒度存在明显的相关性;元素组合以亲粘土组合为主;海峡沉积物环境质量良好,锆英石资源潜力巨大;海峡东部和中部海域海流动力较强,属氧化沉积环境。     

台湾海峡南部夏季的颗粒有机碳

根据2004年夏季、2005年夏季和2006年夏季3个航次观测的颗粒有机碳(POC)数据,表层POC含量的分布表现出近岸高、远岸低的特点,表层和次表层POC含量的高值区出现在东山以东以及南澳附近上升流区。沿岸流较强的2005年和2006年航次具有相对丰富的总悬浮颗粒物(TSM)含量。浮游植物是该区POC的主要来源。各航次的POC含量与叶绿素a(Chl a)含量正相关,所有航次统计的Chl a/POC与Chl a呈正相关,上升流区Chl a/POC偏小,上升流较强的航次高Chl a区的Chl a/POC也偏小,反映了上升流与高营养转换效率浮游生物生态在空间和时间上的联系。根据Chl a/POC~Chl a关系图判断,台湾海峡南部海域1988年、1998年和2004年夏季航次的浮游生物营养转换效率受到相对抑制,而在上升流信号较强的2005年和2006年夏季航次,上升流区的浮游生物高营养转换效率状态得以强化。各航次的POC含量和Chl a/POC比值与TSM含量正相关,POC/TSM比值与TSM负相关,沿岸流带来的陆源悬浮颗粒物通量波动,并没明显干扰台湾海峡南部以海洋浮游生物生态主导的颗粒有机碳生物地球化学循环格局。     

西江磨刀门水道枯季咸淡水混合特征和二氧化碳分压分布

为了探讨珠江三角洲西江磨刀门水道枯季咸淡水混合特征与水体二氧化碳分压变化的关系,2006年12月18日沿磨刀门水道实测了36个样点表层水体的理化参数。采用相关分析和曲线拟合的方法,分析了表层水体二氧化碳分压的分布特征,结果表明,水体二氧化碳分压值介于147~364 Pa,平均值为201 Pa,随航距呈现出复杂多变的减小趋势,其复杂突变发生在航距24~38 km(即盐度3~6)内。分析认为,咸淡水混合及其潮汐冲刷作用影响了理化参数的时空变化,控制着河流碳的生物地球化学行为。     

琼州海峡冬季水量输运计算

琼州海峡是海南省与雷州半岛之间重要交通通道,也是南海与北部湾2个海区水交换通道。其最大涨落潮流速位于海峡北部,且涨潮流速大于落潮流速;海峡中间和南部的流速都小于北部,涨潮流速小于落潮流速;余流方向基本都是由东指向西,量值北部最大,中间次之,南部最小;冬季平均水量通量为0.055 Sv。输运方向自东向西。     

琼州海峡潮流能资源的数值模拟评估

近年来,我国能源消耗量不断的增长使我们更加重视可再生能源的开发利用,而我国近海拥有复杂的海岸线和广阔的大陆架,其中许多海域蕴藏着丰富的潮流能资源。潮流能资源评估则是其电站站址选择、发电量预测等工程设计的首要工作。结合两个站位的潮流实测数据,本文利用FVCOM海洋环流数值模式较好的模拟了琼州海峡潮波传播状况,分析了该海域潮流能资源水平分布规律和时间变化特征,初步估算了该水道的潮流能的理论蕴藏量,并采用FLUX方法对该水道的技术可开发量进行了评估。结果表明,琼州海峡中心海域功率密度高,两岸资源低;可能最大流速、大潮年平均最大功率密度、小潮年平均功率密度和年平均功率密度等特征值分布基本相似;其丰富区域出现在海峡东口南部海域以及海峡中部海域,其中东口南部海域可能最大流速可达4.6 m/s,表层流大潮年平均最大功率密度为5996 W/m²,小潮平均最大功率密度仅为467 W/m²,年平均功率密度为819 W/m²,代表点超过0.7 m/s的潮流流速年统计时间约为4717 h;海峡潮流能资源理论蕴藏量为189.55MW,利用FLUX、FARM、GC方法得到该水道的潮流能可开发量分别为249GW/yr、20.2GW/yr和263GW/yr。     

琼州海峡东口底形平衡域谱分析

1993年用GPY浅地层剖面仪对琼州海峡东口中水道两个水深18～40m的浅段进行网格状探测，通过对探测记录的平衡域谱分析近似计算底形运动速率。探测、分析和计算结果表明：分布在深处的大型不对称沙波平均波长416m、平均波高8．8m，平均运动速率0．92cm/h；分布在浅处的小型对称、不对称沙波平均波长144m、平均波高4．9m，平均运动速率5．13cm/h。虽然这些底形运动速率大于用经验公式和其它理论公式的计算值，却接近于近年来的原位观测值和相似尺度底形风洞实验值，所以平衡域谱分析是一种相对简便准确的小尺度底形稳定性评估方法。     

琼州海峡东部水进入北部湾对广西沿海环流的影响

本文通过对琼州海峡东部水域温盐资料和沿岸海洋站同步观测资料的对比发现：夏季,广西涠洲岛盐度变化规律和琼州海峡东部、中部变化规律一致,广西北海略受影响,而远离琼州海峡的龙门和白龙尾两站,则更多反映夏季陆地水文规律。同时,采用琼州海峡多年海流资料和涠洲岛定点站及近期测流站的海流观测资料对比看出,琼州海峡冬夏季余流方向仍然是自东向西。结合数值模拟计算结果,同样得出琼州海峡东部水自东向西进入北部湾的事实。这些温盐分布特征和余流观测结果进一步证实：粤西沿岸流是琼州海峡水向西输运的主要来源,形成粤西沿岸流这种现象的根源在于珠江冲淡水的西向流,它们通过琼州海峡进入北部湾,加强了北部湾北部气旋式环流的形成。夏季,在强的西南风作用下,产生较强北部湾西岸北向沿岸流,促使低盐冲淡水向外海输运,然后在东部涠洲岛附近形成更大范围内气旋式环流。琼州海峡东部水进入北部湾对广西沿海环流影响的研究,直接向琼州海峡冬夏季水体输运方向的传统结论提出了新的挑战。     

渤海海峡冬季表层海水中溶解无机碳分布特征分析

根据2010 年2 月—2010 年3 月的调查数据, 探讨了冬季渤海海峡及其附近表层海水中溶解无机碳体系的分布特征。结果表明: 表层水体中TA、DIC 和HCO₃^- 的浓度分布总体上呈现出海峡西南部高东北部低的分布趋势。西南部出现的高值区, 与该区域靠近莱州湾, 受莱州湾水体污染影响有关。调查海域TA 与表层水的温度相关性明显, pH 与叶绿素的相关性较高。水温和Chl-a 浓度是影响水体中无机碳体系分布变化的重要因素。其中, 水温对HCO₃^- 的影响要明显强于DIC。海峡南北两侧水体交换的差异, 是导致海峡南部东西两端无机碳体系各参数监测数值的差异明显大于海峡北部的主要原因。     

东印度洋海—气二氧化碳分压差及其通量研究

本文研究了第七、八次中国南极科学考察航渡中所观测到的海-气二氧化碳分压资料。结果表明，航线上20°N以北、20°～40°S之间及60°S以南的海域是大气二氧化碳的汇区，其间碳通量平均约为5.17mg／（m2·h）；20°N至20°S及40°～60°S则为大气二氧化碳的源区，其间碳通量平均约为3．70mg／（m2·h）。     

琼州海峡海口站近岸风暴增水概率风险分析

基于海口站1976~1997年逐时潮位和逐日最大风速资料,利用阿基米德Copula函数构建海口年最大增水与相应日期最大风速的联合概率分布模型。结果表明:1)广义极值分布可作为海口站年最大增水和相应日期最大风速的边缘分布。两个序列之间存在强正相关关系,G-H Copula函数更适用于作为海口站年最大增水和相应日期的最大风速联合概率分布的连接函数。2)两变量联合作用的同频率增水高度设计值与增水的单变量边缘分布设计值之间的相对差值约为7.5%。3)条件概率1(P(Y≥y|X≥x))中同频率的年最大增水和相应风速的遭遇概率介于78.2%~80.9%,条件概率2(P(Y≥y|X≤x))中同频率的年最大增水和相应风速两者的遭遇概率小于4.8%。     

琼州海峡内潮流场对冬季风浪场影响的数值研究

利用COAWST数值模式就琼州海峡内潮流场对冬季风浪场的影响进行了研究。经实测数据验证,模型可较好的刻画海峡内的强潮流场。选定东、西向最大潮流时刻为典型案例分别就水位场及潮流场对波浪场的作用展开探讨。在琼州海峡东口处,西向最大潮流时刻下的正水位场增加了承载波浪运动的有效水深,有利于波浪能量的西向传播,进而使得当地有效波高增加。东、西向最大潮流均有利于琼州海峡东口处有效波高的增大,但前者主要通过流致辐聚效应实现,而后者主要经由流致波数位移生效。通过流致折射作用,东向（西向）最大潮流可在海峡中轴线以北的海区引起谱峰波向的逆时针（顺时针）旋转,而在以南的海区触发顺时针（逆时针）旋转。