氣候變化背景下海-氣CO2通量獲取方法綜述

姜亦飛，呂洪剛，季軒梁，喬然，劉桂梅

（國(guó)家海洋環(huán)境預(yù)報(bào)中心，北京100081）

氣候變化背景下海-氣CO2通量獲取方法綜述

姜亦飛，呂洪剛，季軒梁，喬然，劉桂梅

（國(guó)家海洋環(huán)境預(yù)報(bào)中心，北京100081）

摘要：綜述了國(guó)內(nèi)外海-氣CO2通量測(cè)量和估算方法的研究進(jìn)展，對(duì)各方法的原理、應(yīng)用及優(yōu)缺點(diǎn)做了簡(jiǎn)要介紹，著重介紹了海洋碳循環(huán)數(shù)值模式的研究現(xiàn)狀、原理方法等，并對(duì)海-氣CO2通量研究的發(fā)展趨勢(shì)作了展望。

關(guān)鍵詞：CO2通量；海氣交換；氣候變化

1　引言

全球變暖是當(dāng)今人類面臨的最嚴(yán)峻挑戰(zhàn)之一，是國(guó)際社會(huì)公認(rèn)的全球型環(huán)境問題。自IPCC第四次評(píng)估報(bào)告發(fā)布以來，氣候變化研究在碳循環(huán)反饋?zhàn)饔谩⒌乇碜兣?、海平面上升和氣候預(yù)估等方面有諸多新認(rèn)識(shí)[1]。根據(jù)美國(guó)國(guó)家海洋和大氣管理局（NOAA）分布在全球的監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)顯示：截至2014年5月，Mauna Loa觀測(cè)站顯示的大氣CO2濃度值為401.85 ppm[2]，比去年同期增長(zhǎng)了2.09 ppm，1958年有系統(tǒng)記錄數(shù)據(jù)以來，全球CO2年平均增長(zhǎng)速率為1.74 ppm/a；Goddard空間研究所發(fā)布的資料表明：1880—2013年，地表平均溫度從-0.21℃上升到了0.61℃，上升了0.82℃，目前仍呈快速上升趨勢(shì)；衛(wèi)星高度計(jì)資料的平均結(jié)果顯示：1993年1月全球海平面高度為-13.95 mm，到2014年1月上升為56.74 mm，共上升了70.69 mm，平均上升速率為3.16 mm/a[3]；此外，Grace衛(wèi)星資料顯示：2013年夏季北極海冰面積比1979年減少了約13%，2007年7—8月北極海冰快速融化，到2012年9月北極海冰面積出現(xiàn)了觀測(cè)以來的最小值，全球冰川正在加速退縮；到2012年，主要溫室氣體CO2,、CH4和N2O的濃度比工業(yè)革命前分別增加了40%、150%和20%，引起的人為總輻射的增加，直接導(dǎo)致氣候系統(tǒng)吸收能量[1]。

當(dāng)前，科學(xué)界普遍認(rèn)為，人類活動(dòng)排放的溫室氣體是引起全球氣候變暖的最主要因素。而陸地或海洋與大氣之間的物質(zhì)和能量交換研究是生物地球化學(xué)循環(huán)的重要內(nèi)容，海-氣CO2交換通量的監(jiān)測(cè)、估算對(duì)我們深刻理解碳的生物地球化學(xué)循環(huán)以及全球氣候變遷有重大意義[4]。國(guó)際上眾多大型研究計(jì)劃（SOLAS、IGBP、WCTP、IHDP、IMBER等）的諸多核心問題均涉及海-氣CO2交換通量。

迄今為止，無論是陸地還是海洋，碳循環(huán)的研究依然存在諸多不確定性，陸架邊緣海的CO2源匯之爭(zhēng)依然存在。全球變暖、海平面升高、冰川融化、海洋酸化、珊瑚礁死亡……，應(yīng)對(duì)氣候變化刻不容緩。了解氣候變化現(xiàn)狀，查明大氣CO2的源匯量級(jí)和機(jī)制，有助于了解人為CO2在當(dāng)前全球氣候背景下的歸宿，在應(yīng)對(duì)全球氣候變化、保障社會(huì)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展等方面具有重要意義[5]。

2　海-氣CO2通量獲取方法研究進(jìn)展

2.1測(cè)量觀測(cè)法

2.1.1基于物質(zhì)守恒估算全球尺度海-氣CO2通量（1）14C示蹤法

Matthews[6]根據(jù)14C在海水中的垂向分布，假設(shè)工業(yè)革命以前，海氣間CO2通量處于穩(wěn)態(tài)，且近4—5萬年內(nèi)，宇宙輻射強(qiáng)度不變，即大氣層中14C產(chǎn)生速率不變，那么海洋衰變的14C與大氣輸入的14C相等，如公式(1)所示：

因此，工業(yè)革命以來，化石燃料燃燒等人類活動(dòng)引起的大氣CO2濃度增加打破了原有的平衡，14C就成為示蹤C(jī)O2交換、校準(zhǔn)碳循環(huán)模型的最佳工具，GEOSECS調(diào)查結(jié)果得出的全球海洋碳匯約2.0Pg C/a[7]。

（2）13C/12C比值法

Matthews[6]依據(jù)同位素分餾現(xiàn)象，即植物優(yōu)先吸收較輕的12C，而化石燃料燃燒釋放較多的12C這一現(xiàn)象，利用大氣中13C相對(duì)濃度低的特點(diǎn)，通過測(cè)量13C/12C的比值，估算大氣CO2進(jìn)入海洋的通量。該方法忽略了CO2在海氣交換過程中也會(huì)發(fā)生同位素分餾現(xiàn)象，因此誤差較難校正。

（3）O2法

Keeling[8]假設(shè)工業(yè)革命前，地球各碳庫(kù)間處于動(dòng)態(tài)平衡，而人為活動(dòng)產(chǎn)生的CO2是打破平衡的驅(qū)動(dòng)因素；基于化石燃料燃燒產(chǎn)生的CO2和消耗的O2固定的比例關(guān)系，根據(jù)觀測(cè)到的大氣中O2變化量和從化石燃料燃燒計(jì)算的CO2變化量來估算海洋與陸地生物圈的碳收支。由于大氣中O2含量比CO2高3個(gè)數(shù)量級(jí)，計(jì)算誤差較大，較難校正。

上述方法適用于全球尺度上對(duì)CO2的通量大小進(jìn)行估算，具有一定的空間局限性，在研究中小區(qū)域尺度范圍時(shí)具有誤差較大、難以校正等缺點(diǎn)，在愈來愈關(guān)注海洋碳循環(huán)規(guī)律、源匯格局、機(jī)制及影響因子的今天，上述方法的發(fā)展略顯局限性。

2.1.2海氣界面CO2分壓差法

分壓差法是當(dāng)前觀測(cè)、估算海-氣CO2通量最常用的方法。包括直接測(cè)量法（紅外分光、激光）和間接測(cè)量法（海水碳酸鹽體系的相關(guān)關(guān)系計(jì)算）；觀測(cè)形式又可分為斷面采樣觀測(cè)、走航觀測(cè)、錨系定點(diǎn)觀測(cè)等。海氣界面CO2分壓差法建立的基礎(chǔ)是雙模擴(kuò)散模型，如圖1所示。

（1）斷面采樣觀測(cè)

定點(diǎn)采集大氣和表層海水樣品，利用氣相色譜系統(tǒng)分析測(cè)量大氣和海表CO2濃度[9]，參考Feely、 Takahashi和Wanninkhof[10-12]計(jì)算公式可以獲得大氣/海水pCO2數(shù)據(jù)。依據(jù)雙模擴(kuò)散模型和Fick定率，利用二者之差結(jié)合海氣交換速率即可對(duì)其通量進(jìn)行估算，如公式（2）所示：最后根據(jù)采樣區(qū)域估算調(diào)查海域海氣CO2通量[13]。

圖1　海-氣交換液膜擴(kuò)散模式示意圖

式中，F(xiàn)為海氣CO2凈通量，k為海氣交換系數(shù)，KH為CO2在海水中的溶解度[14]。

大氣、海水的采樣觀測(cè)都有相對(duì)成熟可靠的方法，但在河口海岸帶、邊緣海、珊瑚礁海域等pCO2日變化明顯的區(qū)域，這樣的結(jié)果時(shí)空差異性較明顯，呈現(xiàn)的結(jié)果往往稍欠代表性。

（2）走航觀測(cè)

CO2走航觀測(cè)是近年來廣泛使用的方法，該方法具有數(shù)據(jù)量大、誤差較小、操作方便和及時(shí)性等優(yōu)點(diǎn)。調(diào)查船在行駛過程中，通過潛水泵和真空泵交替抽取海表和大氣樣品（其中海水經(jīng)過濾裝置和淋噴裝置進(jìn)入平衡器），干燥后通過紅外CO2分析儀或激光檢測(cè)器獲取實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)的校正采用公式（3）：

式中，pCO2(Corr)指修正后的樣品測(cè)量值；pCO2(Raw)指樣品的直接測(cè)量值；pCO2(R1)指1號(hào)基準(zhǔn)氣體的測(cè)量值；pCO2(S2)指2號(hào)基準(zhǔn)氣體標(biāo)準(zhǔn)值；pCO2(S1)指1號(hào)基準(zhǔn)氣體標(biāo)準(zhǔn)值；pCO2(R2)指2號(hào)基準(zhǔn)氣體的測(cè)量值。

對(duì)溫度的修正則采用陳立奇[15]推薦的公式：

式中，SST是指取樣點(diǎn)海面溫度（℃），Teq是指系統(tǒng)中平衡器內(nèi)平衡時(shí)的溫度（℃）。

不管是現(xiàn)場(chǎng)采樣觀測(cè)還是走航觀測(cè)，確定氣體交換系數(shù)（k）是關(guān)鍵，目前確定k的假設(shè)大多為風(fēng)速的函數(shù)，Liss、Tans、Woolf、Wanninkhof、Jacob、Nightingale、David等學(xué)者根據(jù)研究區(qū)域的不同，得出了不同的交換速率計(jì)算公式，諸多學(xué)者也已經(jīng)對(duì)此進(jìn)行了對(duì)比和討論[16-22]，但是當(dāng)風(fēng)速大于12 m/s時(shí)，考慮到風(fēng)速保持時(shí)間較短，因此較難獲得有效精確的數(shù)據(jù)。為了準(zhǔn)確估算全球海洋CO2通量，減少模型預(yù)測(cè)不確定性，有必要探索更合適的通量測(cè)量方法并采用統(tǒng)一、準(zhǔn)確的CO2交換系數(shù)應(yīng)用于模型設(shè)計(jì)[4]。

（3）錨系觀測(cè)

斷面采樣觀測(cè)和走航觀測(cè)在觀測(cè)的覆蓋度方面具有優(yōu)勢(shì)，但其測(cè)定的是特定空間的瞬間值，鑒于眾多海洋理化參數(shù)均具有顯著的年際變化，甚至是周、日、時(shí)的變化，因此上述觀測(cè)方法在時(shí)空尺度上的代表性無疑會(huì)受到影響[23]，且儀器系統(tǒng)的維護(hù)也相對(duì)比較困難?？紤]到溫度、鹽度、pH、葉綠素含量、生物活動(dòng)等是影響該海域pCO2值的重要因素，定點(diǎn)對(duì)海氣pCO2進(jìn)行同步、即時(shí)觀測(cè)對(duì)于更好的理解海域碳循環(huán)，研究不同海域pCO2控制因子，制定更加合理的采樣方案等具有重要意義。

一套完整的浮標(biāo)pCO2觀測(cè)系統(tǒng)一般包括浮標(biāo)體、傳感器（參數(shù)包括CO2、溫鹽、溶解氧、營(yíng)養(yǎng)鹽、葉綠素、ADCP、CTD、濁度儀等）、自動(dòng)氣象裝置、供電系統(tǒng)（蓄電池、太陽能電池板）、數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)等。目前而言，全球范圍內(nèi)HOT(Hawaii Ocean Timeseries)和BATS(Bernuda Atlantic Time-series Study)等海洋觀測(cè)站已經(jīng)開展了較長(zhǎng)時(shí)間的多參數(shù)序列觀測(cè)[24-25]。

2.1.3渦動(dòng)相關(guān)法

渦動(dòng)相關(guān)法不同于海氣界面CO2分壓差法，它是根據(jù)通量的定義直接測(cè)量氣象要害的湍流脈動(dòng)量，計(jì)算其二階矩而得出，是目前國(guó)際上最精確的通量觀測(cè)和計(jì)算方法[26]，一般使用超聲風(fēng)溫儀和二氧化碳水汽分析儀，結(jié)合數(shù)據(jù)采集器和溫濕度傳感器組成渦動(dòng)通量觀測(cè)系統(tǒng)。其計(jì)算公式是：

式中，τ為動(dòng)量通量，H為感熱通量，LE為潛熱通量，F(xiàn)c是二氧化碳通量，ρ為空氣密度，cp為空氣定壓熱容，L為水的蒸發(fā)潛熱，w'、u'、T'、q'、c'分別是垂直風(fēng)速、水平風(fēng)速、氣溫、比濕、二氧化碳濃度的脈動(dòng)值，上劃線表示計(jì)算平均值。

這種方法在陸地上使用較廣，尤其在農(nóng)田氣象、生態(tài)通量網(wǎng)等領(lǐng)域。但在海上移動(dòng)平臺(tái)，比如船舶或者浮標(biāo)，則面臨一些困難，最主要的是平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)對(duì)周圍風(fēng)場(chǎng)的影響及對(duì)儀器本身傳感器測(cè)量的影響?，F(xiàn)在常用的辦法是渦動(dòng)通量觀測(cè)系統(tǒng)結(jié)合船舶姿態(tài)矯正系統(tǒng)對(duì)即時(shí)的風(fēng)矢量進(jìn)行修正[27]，這樣船舶在走航過程中也能進(jìn)行海氣通量觀測(cè)，圖2為船載渦動(dòng)相關(guān)觀測(cè)系統(tǒng)。

三維超聲風(fēng)速儀的數(shù)據(jù)經(jīng)過船體運(yùn)動(dòng)修正后，結(jié)合動(dòng)態(tài)修正后水汽CO2分析儀數(shù)據(jù)，進(jìn)行協(xié)方差計(jì)算得到動(dòng)量、感熱、潛熱和CO2通量，其計(jì)算流程如圖3所示。

2.2遙感觀測(cè)反演法

海洋遙感觀測(cè)具有覆蓋范圍廣、實(shí)時(shí)同步等優(yōu)勢(shì)，逐漸成為觀測(cè)海氣CO2通量的重要技術(shù)，隨著越來越多海洋水色衛(wèi)星的業(yè)務(wù)化運(yùn)行，海表溫度（T）、葉綠素濃度、初級(jí)生產(chǎn)力、海面風(fēng)場(chǎng)等海洋遙感產(chǎn)品已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了全球產(chǎn)品的業(yè)務(wù)化運(yùn)行。

圖2　船載渦動(dòng)相關(guān)法觀測(cè)系統(tǒng)

圖3　走航通量數(shù)據(jù)處理流程圖

目前，國(guó)際上在一些海區(qū)開展的海表pCO2的遙感反演，主要通過建立海水pCO2與海表溫度、葉綠素濃度等因子的單參數(shù)或多參數(shù)擬合關(guān)系進(jìn)行估算，該方法在開闊的大洋適用性較廣，而在離岸較近的邊緣海，影響因子較多，水動(dòng)力環(huán)境較復(fù)雜，反演效果稍顯不足。pCO2的反演解析表達(dá)式如公式(9)所示：

Sarma利用衛(wèi)星海表溫度、Chl-a濃度、鹽度數(shù)據(jù)反演了北太平洋春、夏季海表pCO2分布[28]，詳細(xì)的介紹了如何通過遙感觀測(cè)來反演CO2通量；國(guó)內(nèi)廈門大學(xué)、中科院海洋所、海洋三所、海洋二所等單位也先后開展了遙感CO2通量觀測(cè)技術(shù)[29-31]。

2.3數(shù)值模擬法

2.3.1海洋碳循環(huán)模型的發(fā)展

海洋數(shù)值模型研究中，物理和生物地球化學(xué)耦合模型是物理、生物、地球化學(xué)循環(huán)過程及其相互作用的定量描述，是有效研究海洋生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)的定量化工具[32]。20世紀(jì)50年代以來，研究學(xué)者開始通過建立各種海洋碳循環(huán)模式來評(píng)定海洋中各過程（如物理過程、生物過程、化學(xué)過程等）與碳循環(huán)之間相互作用的重要性。按海洋生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)數(shù)值模型的發(fā)展，碳循環(huán)模型的發(fā)展主要分為箱式模型[33]、環(huán)流碳循環(huán)模型[34]和海洋生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)模型[35]三個(gè)階段。

箱式模型作為一個(gè)可以估計(jì)碳在海氣間輸運(yùn)的方法，不但可以估算出各系統(tǒng)間（大氣、生物圈、海洋等）的碳收支，還能估算出人為排放CO2的碳通量，但是箱式模型缺乏嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膭?dòng)力學(xué)過程，各均勻箱式模塊間僅僅通過交換系數(shù)進(jìn)行輸運(yùn)交換，因此沒有真實(shí)海洋環(huán)流體系的箱式模型存在較大弊端。

環(huán)流碳循環(huán)模型在先前的研究基礎(chǔ)上，建立了能較為真實(shí)模擬出海洋環(huán)流體系的三維無機(jī)碳循環(huán)模型，但該類模型中加入的生物過程過于簡(jiǎn)單，無法真實(shí)的再現(xiàn)海洋內(nèi)部生態(tài)系統(tǒng)對(duì)碳運(yùn)輸遷移的影響。

海洋生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)模型以真實(shí)的海洋環(huán)流和生物地球化學(xué)過程為基礎(chǔ)，更好的再現(xiàn)了海洋碳循環(huán)過程，不僅可以彌補(bǔ)觀測(cè)資料的不足，還能準(zhǔn)確估算未來大氣中CO2的濃度，并能進(jìn)一步預(yù)測(cè)未來全球氣候的變化趨勢(shì)，以及深入研究海水影響大氣CO2濃度的長(zhǎng)期效應(yīng)。但該類模型對(duì)超級(jí)計(jì)算機(jī)性能要求比較高，較多的生物化學(xué)變量和參數(shù)導(dǎo)致模型計(jì)算時(shí)間較長(zhǎng)，另一方面調(diào)試出適合某種海域的生態(tài)參數(shù)也較為耗時(shí)。

2.3.2區(qū)域海洋碳循環(huán)生態(tài)模型簡(jiǎn)介

Wang耦合了OGCM模型包含大小型浮游植物、浮游動(dòng)物、碎屑、NH4、NO3和鐵等變量的生態(tài)模型，模擬了赤道太平洋海表pCO2和海氣CO2通量的時(shí)空變化[36]；Liu通過耦合區(qū)域海洋模型ROMS （Regional Ocean Modeling System）與生態(tài)模型CoSiNE（Carbon, Si(OH)4, Nitrogen Ecosystem）利用NCEP再分析資料模擬了南海初級(jí)生產(chǎn)力的季節(jié)和年際變化[37]; Palacz通過高分辨率的太平洋ROMS-CoSiNE耦合模型模擬分析了赤道東太平洋營(yíng)養(yǎng)鹽和碳循環(huán)的時(shí)空變化[38]。

本文以Fennel的Bio_Fennel生態(tài)模型為例[39]，該模型以Fasham的NPZD生態(tài)模型[40]為基礎(chǔ)，建立了包括12個(gè)生態(tài)變量的海洋生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)模型，包括浮游植物（phytoplankton）、葉綠素（Chlorophyll, Chl-a）、浮游動(dòng)物（zooplankton）、硝酸鹽（NO3）、銨鹽（NH4）、含氮大小型碎屑（Large and small DetritusN）、含碳大小型碎屑（Large and smallDetritusC）、溶解氧（Dissolved Oxygen, DO）、堿度（TA）、總無機(jī)碳（Total Inorganic Carbon, TIC）。模型中海洋碳循環(huán)模式框架圖如圖4所示，該模型中含碳的變量主要有總堿度、總無機(jī)碳、含碳大型碎屑和含碳小型碎屑。TA主要來源于浮游植物的生長(zhǎng)過程，在NH4的硝化過程中消耗。TIC主要來源于碎屑的再礦化以及浮游動(dòng)物新陳代謝和排泄，在浮游植物生長(zhǎng)過程中消耗。生態(tài)模型與三維環(huán)流模型耦合，建立了三維物理-生物地球化學(xué)模型，生態(tài)模型通過水動(dòng)力模型（ROMS、FVCOM、POM等）輸出的溫度、鹽度、流場(chǎng)等參數(shù)作為物理背景場(chǎng)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。根據(jù)碳酸鹽體系基本方程，利用模式輸出的溫度、鹽度、堿度和溶解無機(jī)碳可計(jì)算海表pCO2，計(jì)算如公式(10)所示。

式中，K1'為碳酸第一解離常數(shù)，K2'為碳酸第二解離常數(shù)，cKH為溶解度系數(shù)。cKH可根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式11計(jì)算獲得：

圖4　海洋碳循環(huán)模型框架

2.3.3全球海洋碳循環(huán)生態(tài)模型簡(jiǎn)介

全球碳循環(huán)的研究依賴于氣候模式的發(fā)展，隨著氣候模式和計(jì)算資源的發(fā)展，耦合了全球碳循環(huán)過程的地球系統(tǒng)模式成為目前氣候模式發(fā)展的重要方向[41]。目前，先進(jìn)的全球碳循環(huán)模式有NCAR 的CESM1.0（Community Earth System Model version 1.0）[42]，加拿大氣候模式與分析研究中心的地球系統(tǒng)模式CanESM1[43]，海洋一所利用POP環(huán)流模型耦合的OCMIP-2(Ocean Carbon Model Inter Comparison Project Phase 2)[41]等。

BIM主要是指建筑信息模型，在近幾年科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展下，BIM技術(shù)在建筑行業(yè)設(shè)計(jì)、建造、管理中得到了廣泛的應(yīng)用，其中依托計(jì)算機(jī)技術(shù)與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，構(gòu)建模型，實(shí)現(xiàn)了建筑信息模型的全方位與多元化。從另外一個(gè)角度分析，BIM技術(shù)是事前模擬技術(shù)，在建筑設(shè)計(jì)、施工以及運(yùn)維方面意義重大，可以通過預(yù)測(cè)的方式得出問題，并制定有效的改進(jìn)方案，提高質(zhì)量，創(chuàng)造更大的價(jià)值。

論文以中科院大氣物理研究所IAP海洋碳循環(huán)模式為例，該模型是基于海洋環(huán)流模型POP和IAP海洋碳循環(huán)過程（見圖5）建立的一個(gè)全球海洋碳循環(huán)模式。POP模式基于原始的三維海洋運(yùn)動(dòng)方程，采用Boussinesq近似和靜力近似，模式垂向采用z坐標(biāo)，水平網(wǎng)格為B網(wǎng)格，采用球面坐標(biāo)。IAP海洋碳循環(huán)模式主要由3部分構(gòu)成：海表面海氣相互作用，海表面化學(xué)熱力學(xué)過程以及海洋內(nèi)部的物理和生物化學(xué)過程[44]。而生物化學(xué)過程主要考慮的是真光層內(nèi)生物生產(chǎn)過程和真光層以下的礦化輸送過程，此過程包含5個(gè)生態(tài)變量，分別為溶解無機(jī)碳（DIC）、總堿度（TA）、磷酸鹽（PO43-）、溶解有機(jī)碳（LDOC）和溶解氧（DO）。海洋中碳的生物地球化學(xué)過程，即海洋碳循環(huán)的生物泵過程，該過程中浮游植物通過光合作用吸收溶解在海水中的CO2，將其轉(zhuǎn)化為生物體內(nèi)的有機(jī)物，其中一部分經(jīng)分解排泄直接轉(zhuǎn)化為無機(jī)碳，另一部分通過生物傳輸過程將碳向深海輸送，并在深海中部分被礦化再轉(zhuǎn)化成無機(jī)碳，整個(gè)生物化學(xué)過程如圖5所示。碳酸鹽體系參數(shù)和通量的計(jì)算不再贅述。

數(shù)值模擬研究是海洋學(xué)研究的熱點(diǎn)和前沿領(lǐng)域，時(shí)空尺度的寬廣性令其具有無可比擬的優(yōu)勢(shì)，但目前海洋碳循環(huán)的數(shù)值模擬中還存在很多的不確定性，模式間的差異也較大，對(duì)復(fù)雜的生物地球化學(xué)過程較難再現(xiàn)，此外海洋環(huán)流模式的模擬能力對(duì)模擬研究結(jié)果影響也較大[45]。我們必須繼續(xù)重視觀測(cè)資料數(shù)據(jù)的積累，加強(qiáng)對(duì)模擬過程原理的研究，不斷改進(jìn)發(fā)展海洋碳循環(huán)模式。

圖5　IAP海洋碳循環(huán)模式原理圖

3　總結(jié)與展望

海氣CO2通量的獲取方法有多種，各有其適用范圍和優(yōu)缺點(diǎn)，不同方法獲取的值也存在一定差異，在積累了大量基礎(chǔ)觀測(cè)數(shù)據(jù)和資料的同時(shí)，對(duì)各方法也提出了更高的要求。在直接測(cè)量觀測(cè)方法中，渦動(dòng)相關(guān)法應(yīng)用前景較為廣闊，它是目前唯一不需要理論假設(shè)的方法，不需要任何試驗(yàn)參數(shù)，所需數(shù)據(jù)全部基于實(shí)測(cè)，計(jì)算方法也已經(jīng)有完整的理論認(rèn)證；在研究影響因素及原理方面，浮標(biāo)觀測(cè)具有不可比擬的優(yōu)勢(shì)，同步獲取的氣象、水文、理化參數(shù)可以更好的解釋表征的相關(guān)現(xiàn)象，此外，可以通過建設(shè)浮標(biāo)觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)，彌補(bǔ)浮標(biāo)觀測(cè)覆蓋度不夠的缺點(diǎn)；而數(shù)值模擬不僅可以再現(xiàn)海洋碳循環(huán)過程，彌補(bǔ)觀測(cè)的不足，還能預(yù)測(cè)海氣相互作用、海洋碳酸鹽體系變化及生態(tài)系統(tǒng)變化等過程，時(shí)空尺度的寬廣性也具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，我們應(yīng)該以實(shí)時(shí)準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，不斷加強(qiáng)對(duì)海洋碳循環(huán)與全球碳循環(huán)過程的理解，不斷改進(jìn)和發(fā)展海洋碳循環(huán)模式。參考文獻(xiàn)：

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A review of the methods to obtain the air-sea CO2flux under the background of climate change

JIANG Yi-fei，LV Hong-gang，JI Xuan-liang，QIAO Ran，LIU Gui-mei
（National Marine Environmental Forecasting Center，Beijing 100081 China）

Abstract：This paper is attempting to provide an overview and a comparison between various measurement and estimation techniques of sea-air CO2 flux domestic and overseas. Principle，application，merit and demerit are briefly introduced. Our special attention is given to the introduction of research status, theory and method of numerical simulation of the marine carbon cycle, additionally, the trend of its development is prospected.

Key words：CO2flux；air-sea exchange；climate change

通信作者：?jiǎn)倘唬?955-），男，研究員，學(xué)士，主要從事海洋碳循環(huán)研究。E-mail：qr@nmefc.gov.cn

作者簡(jiǎn)介：姜亦飛（1986-），男，實(shí)習(xí)研究員，碩士，主要從事海洋碳循環(huán)研究。E-mail：525251681@qq.com

基金項(xiàng)目：國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃（2010CB950301-04）；國(guó)家優(yōu)秀青年基金（41222038）

收稿日期：2014-05-27

DOI:10.11737/j.issn.1003-0239.2015.03.12

中圖分類號(hào)：P734.4+5

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1003-0239（2015）03-0084-08