南海北部春季非水華期的CO2分壓及其調(diào)控

翟惟東

(1. 國家海洋環(huán)境監(jiān)測中心，遼寧 大連116023; 2. 廈門大學(xué) 近海海洋環(huán)境科學(xué)國家重點實驗室，福建 廈門361102)

南海北部春季非水華期的CO2分壓及其調(diào)控

翟惟東1，2

(1. 國家海洋環(huán)境監(jiān)測中心，遼寧 大連116023; 2. 廈門大學(xué) 近海海洋環(huán)境科學(xué)國家重點實驗室，福建 廈門361102)

針對南海北部和呂宋海峽附近海域的海-氣CO2通量及其調(diào)控問題，研究了2009年3月底至4月中旬在這些海域通過走航觀測的方法取得的海-氣CO2分壓和海表溫度、鹽度等相關(guān)數(shù)據(jù)。結(jié)果表明，在河口、沿岸流以外的南海北部開闊海域，與大氣平衡的CO2分壓分布在368～380 μatm，南低北高，平均值為371 μatm；而海表CO2分壓分布在293～405 μatm，南高北低。南海北部開闊海域的海表CO2分壓主要受溫度效應(yīng)調(diào)控，也在一定程度上受水團混合、海-氣交換、生物活動等非溫度效應(yīng)的影響。在相同水溫條件下，黑潮區(qū)的海表CO2分壓比南海北部的海表CO2分壓低。本研究和大多數(shù)前人研究的結(jié)果都表明，南海北部海盆區(qū)域和呂宋海峽西側(cè)海域在春季與大氣CO2接近源匯平衡，而非大氣CO2的顯著源區(qū)。

CO2分壓；溫度效應(yīng)；南海北部；呂宋海峽

1 引言

當(dāng)前人類活動造成的大氣CO2濃度升高及其相關(guān)的全球升溫效應(yīng)已對地球生態(tài)系統(tǒng)、人類生存環(huán)境和經(jīng)濟社會可持續(xù)發(fā)展構(gòu)成嚴(yán)重威脅，這是各國政府、科學(xué)家及公眾共同關(guān)注的一個重大環(huán)境問題[1]。海洋每年吸收人類排放CO2總量的25%[2—4]，對緩解大氣CO2升高和全球變暖起著重要作用。但迄今海洋碳循環(huán)研究仍面臨許多挑戰(zhàn)，例如，海洋碳源碳匯的空間分布很不均勻[5—7]，季節(jié)變化顯著，存在年際變化，并且受到一些事件性過程的影響[8]；此外，諸如海洋層化加劇、大氣氮沉降加強、海洋酸化凸顯等全球變化因素將如何影響海洋碳循環(huán)，尚不得而知。因此，進(jìn)一步加強海洋與大氣之間CO2交換通量的監(jiān)測、估算和研究工作，對我們深刻理解全球碳循環(huán)，及時把握全球氣候的未來變遷仍具有重大意義。

最近，文獻(xiàn)[16]根據(jù)2013年4月在南海東北部(相當(dāng)于圖1的D區(qū))調(diào)查的結(jié)果，提出該海域在春季是大氣CO2顯著的源，并解釋為黑潮水入侵、局地次表層水上涌等過程所致。然而按照廈門大學(xué)2008年4月調(diào)查的結(jié)果，該海域在春季應(yīng)該與大氣CO2接近源匯平衡[13]。為什么會有這樣的差別？東北季風(fēng)期間的黑潮表層水入侵南海能導(dǎo)致南海東北部向大氣釋放CO2嗎？針對這些問題，作者根據(jù)2009年3、4月份搭載“東方紅2”號船在南海北部和呂宋海峽附近海域調(diào)查所取得的海-氣CO2走航觀測數(shù)據(jù)(圖1)，分析這一帶海域春季CO2分壓的分布格局及其調(diào)控，并對當(dāng)前主流的海-氣CO2通量評估方法學(xué)，特別是海-氣CO2走航觀測的注意事項與數(shù)據(jù)處理做一評述。

圖1 南海北部研究區(qū)域及2009年春季走航觀測得到的海表CO2分壓數(shù)據(jù)Fig.1 Area map and the springtime sea surface partial pressure of CO2 obtained in 2009

2 材料與方法

2.1 方法概述

當(dāng)前實證研究海洋-大氣界面間CO2交換大都先獲取海-氣CO2分壓差，然后根據(jù)界面?zhèn)髻|(zhì)的膜擴散理論來估算[18-19]。計算通量時可將界面雙膜擴散模式忽略氣膜，從而簡化得到液膜擴散模式。據(jù)此將經(jīng)典的菲克第一定律變形，就得到海-氣CO2凈通量的計算公式：

(1)

按照膜擴散模式的假設(shè)，CO2只在海-氣界面10～100 μm厚度的液膜中存在濃度梯度，而在界面兩側(cè)則充分混勻，所以水樣抽取的深度無須嚴(yán)格要求，根據(jù)實際情況可以從水下1 m直到5 m。

水-氣平衡器是決定這種方法數(shù)據(jù)可靠性的核心設(shè)備，務(wù)必要精心設(shè)計，確保水封良好不漏氣。只要做到這兩點，通常其型制和尺寸對測定結(jié)果影響不大[32—33]。水-氣平衡器進(jìn)水和抽氣的流速對測定結(jié)果也影響不大[32]，可能的情況下應(yīng)盡可能采用比較高的進(jìn)水流速，以降低平衡器與海表抽水口之間的溫度差[32]，這樣對減小溫度校正的誤差[28]有利。此外，縮短海水在管路中的停留時間，也有助于降低輸運途中耗氧過程釋放CO2所引入的誤差[34]。

與水-氣平衡器相配合的CO2檢測方法可采用氣相色譜法或非分散紅外法，前者是將平衡空氣中的CO2用催化劑還原為CH4，然后用氫火焰離子檢測器檢測，在南海海域應(yīng)用此方法的例子有文獻(xiàn)[35]；后者是用小氣泵將平衡后的氣體平穩(wěn)地抽出，干燥，充分除去水氣，然后送入通用非分光紅外檢測器檢測，在南海海域應(yīng)用此方法的例子有文獻(xiàn)[8，12—13，36]，以及文獻(xiàn)[16]。如果所有檢測器都以合格標(biāo)準(zhǔn)氣通過正確的方法和流程進(jìn)行校準(zhǔn)，那么氣相色譜法和非分散紅外法檢測的結(jié)果應(yīng)該是一致的[37]。目前非分光紅外檢測是國際上開展海表CO2分壓調(diào)查的主流方法。隨著光腔衰蕩光譜技術(shù)的日趨成熟[38—39]和相應(yīng)儀器的快速商業(yè)化，此類技術(shù)也正應(yīng)用于海-氣CO2通量監(jiān)測和研究[40]。

多數(shù)商業(yè)化的檢測儀器都具有扣除水蒸氣信號的功能，但是現(xiàn)場比對實驗的結(jié)果表明，利用儀器自帶的扣除水蒸氣信號功能的濕法檢測不是很理想[32]。通常應(yīng)采用干法檢測，即對氣樣先脫除水氣再送入檢測器檢測[31]。20世紀(jì)90年代采用水-氣平衡聯(lián)合非分光紅外檢測的方法，現(xiàn)場實測CO2分壓所達(dá)到的分析精密度和準(zhǔn)確度分別為 ±0.5 μatm(1 atm等于101 325 Pa)和 ±2 μatm[28]。在我國，受限于標(biāo)準(zhǔn)氣的精度不足，儀器對氣樣脫水不充分，以及現(xiàn)場工作條件不理想(由于海水在管路各個分支中輸運存在時間差，而儀器分時檢測各個參數(shù)也造成時間差，所以，看起來“同時”記錄的相關(guān)參數(shù)實際上并不完全同步)等因素，實測海水CO2分壓的不確定度往往只能控制在1%水平[13，41—42]，應(yīng)用于邊緣海研究報告該不確定度水平時應(yīng)特別謹(jǐn)慎，不要過于樂觀。

當(dāng)前國際海洋碳循環(huán)研究領(lǐng)域?qū)τ诤１鞢O2分壓測定已趨于標(biāo)準(zhǔn)化、常規(guī)化和業(yè)務(wù)化[43]，大批量的高質(zhì)量走航觀測數(shù)據(jù)不斷涌現(xiàn)，使得全球海表CO2分壓的分布圖日益更新[7，37，44—46]，極大地促進(jìn)了海洋碳源碳匯研究的精細(xì)化和定量化。

2.2 實驗設(shè)計與儀器安裝

本研究以呂宋海峽121°E線為界，將這條線以西設(shè)為所研究的南海北部海域(見圖1)。所用的“東方紅2”號調(diào)查船于3月28日凌晨抵達(dá)呂宋海峽東側(cè)海域，3月29日至4月20日凌晨在南海北部海域，之后從呂宋海峽離開南海，并于4月20日晚離開呂宋海峽附近海域北上。在南海北部作業(yè)期間除了4月1日至3日在廈門補給，4月14日至16日在珠江口外徘徊以外，大部分時間都在南海北部海盆和呂宋海峽附近的南海東北部海域航測(見圖1)。

所用儀器是廈門大學(xué)2007年購置的美國General Oceanics公司8050型船載海-氣CO2分壓全自動連續(xù)觀測系統(tǒng)[42]，該儀器曾長期安裝在“東方紅2”號船豎井實驗室，可在軟件的幫助下實現(xiàn)儀器校準(zhǔn)、工作曲線制作、海表/大氣CO2分壓測定、管路清洗等環(huán)節(jié)的全自動切換[43]，并在80 s左右的測定周期內(nèi)完成各個相關(guān)參數(shù)傳感器數(shù)據(jù)的分時記錄與實時整編，相當(dāng)方便并節(jié)省人力。系統(tǒng)包括濕箱、干箱和衛(wèi)星通訊箱3個單元，其中濕箱主要包括水-氣平衡器、水流傳感器、精密溫度傳感器、多參數(shù)水質(zhì)分析儀、氣泵、粗濾器、冷凝除水器、Naphion干燥管和一個多通道電子選擇開關(guān)；干箱主要包括CO2檢測器(Li-7000，美國LI-COR公司出品)、RS485通訊模塊、操控和記錄用的通用計算機、多通閥等；衛(wèi)星通訊箱主要包括GPS接收器和精密氣壓計。該套系統(tǒng)的多參數(shù)水質(zhì)分析儀使用意大利Idronaut公司出品的“Flow Through”溫鹽儀，其中水溫、電導(dǎo)率傳感器的讀數(shù)精度分別為約0.001℃和約0.001 mS/cm。

本次調(diào)查期間，通過安裝在通海井底部的水泵連續(xù)抽取水面以下4～5 m處的表層海水，然后在分水管的調(diào)節(jié)下實時地將海水送入儀器的濕箱，多余的水流提升至主甲板，再自流入海；水-氣平衡器的出水則收集到污水艙中，定期排海。航次期間在4月8日至12日和4月17日至19日期間共設(shè)置20個水文測站。利用這些測站的原位CTD數(shù)據(jù)，對所用走航觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行了質(zhì)控檢驗。大部分測站的數(shù)據(jù)比對結(jié)果表明，本系統(tǒng)泵水做功及管路輸送導(dǎo)致的溫升在正常情況下僅為0.13℃；有3個站的溫升相當(dāng)明顯，可能是停船期間直接受到船體污染的影響。據(jù)此，本研究剔除所有停船期間的觀測數(shù)據(jù)，只使用船速超過2節(jié)的航行期間的數(shù)據(jù)。

本研究所用的標(biāo)準(zhǔn)氣由國家標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)研究中心制備，以空氣為底氣，8 L鋁合金鋼瓶承裝，出海前、后由作者在廈門大學(xué)實驗室復(fù)核其標(biāo)稱值。復(fù)核所用的系列基準(zhǔn)氣(CO2/空氣)也由國家標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)研究中心制備，并由作者于2007年底在中國氣象科學(xué)研究院周凌晞研究組重新標(biāo)定，使其定值與世界氣象組織全球大氣本底觀測網(wǎng)的標(biāo)準(zhǔn)相一致。本研究所用標(biāo)準(zhǔn)氣的濃度序列經(jīng)確認(rèn)為199.9、403.0、594.6、813.5 μmol/mol(CO2/空氣)，其不確定度水平優(yōu)于1 μmol/mol。

本次調(diào)查所用GO8050系統(tǒng)的工作流程為：每隔6 h測試工作曲線，工作曲線上的每一點都測定5個周期；每隔1 h測定大氣CO2，每次測定5個周期；其他時間均測定海水CO2。對于大氣CO2測定，為了排除煙氣等船體污染的影響，對每次大氣CO2測定的5個平行觀測值算出平均值和標(biāo)準(zhǔn)偏差，二者任何一個偏高都說明該次測定可能受到煙氣影響，據(jù)此剔除了約30%的大氣CO2測定結(jié)果。對于海表CO2測定結(jié)果，則刪除所有停船期間的數(shù)據(jù)。

本次調(diào)查所用GO8050系統(tǒng)的衛(wèi)星通訊箱安裝在船頂，其氣壓數(shù)據(jù)與船上氣象站的氣壓數(shù)據(jù)高度一致(差別約0.3 hPa)，而所用CO2檢測器測定的氣壓則視工況(驗標(biāo)、測空氣、測海水)不同與上述兩個氣壓計發(fā)生一定偏差(不超過±3 hPa)；此外，水-氣平衡器內(nèi)部的氣壓變化一般在0.2 hPa以下。本研究只采用GO8050系統(tǒng)船頂氣壓計提供的數(shù)據(jù)(因其比較平穩(wěn))，這樣處理可能引起的不確定度低于0.3%，處在可以接受的水平。

2.3 數(shù)據(jù)處理

通過干法觀測流程得到的原始數(shù)據(jù)須經(jīng)過圖2所示的兩步轉(zhuǎn)換和兩步校正[31，43]，才能得到海-氣CO2分壓及其差值。這一流程包括：響應(yīng)轉(zhuǎn)換——依據(jù)儀器校準(zhǔn)工作曲線，轉(zhuǎn)換出檢測器內(nèi)干空氣下CO2的摩爾分?jǐn)?shù)(xCO2dry)；壓力轉(zhuǎn)換——依據(jù)同步觀測的大氣壓數(shù)據(jù)(P)，轉(zhuǎn)換出檢測器內(nèi)干空氣中CO2的分壓(pCO2dry)；水氣校正——依據(jù)同步觀測的水-氣平衡器溫度(T，攝氏溫標(biāo))，以及鹽度(S)數(shù)據(jù)，通過文獻(xiàn)[47]的公式計算出飽和水汽壓(VPH2O)，進(jìn)而得到從平衡器出來水氣飽和空氣中的CO2分壓(pCO2wet)；溫度校正——依據(jù)同步觀測的水-氣平衡器溫度和現(xiàn)場的海表面溫度(SST，攝氏溫標(biāo))，還有經(jīng)典的溫度效應(yīng)系數(shù)[48]，計算得到海表原位的CO2分壓(pCO2in situ)。

圖2 水-氣平衡法觀測海表和大氣CO2的數(shù)據(jù)處理與校正流程(根據(jù)文獻(xiàn)[9]整編)Fig.2 Data processing and corrections for the equilibrator-based pCO2 measuring(based on reference [9])

其中，壓力轉(zhuǎn)換和水氣校正的理論基礎(chǔ)是道爾頓分壓定律(P=pN2wet+pO2wet+pArwet+…+pCO2wet+VPH2O)，即水-氣平衡器中的氣壓等于各氣體組分分壓之和，這里假設(shè)其中的水氣是飽和的。干燥之后儀器檢測到的是xCO2dry，根據(jù)上述道爾頓分壓定律，xCO2dry=pCO2wet/ (P-VPH2O)，變形之后即可得到如下轉(zhuǎn)換與校正的計算公式：

(2)

(3)

公式(3)所需的VPH2O按照文獻(xiàn)[47]的公式計算：

VPH2O(atm)=

(4)

此外，溫度校正的計算公式為：

(5)

本研究將泵水做功及管路輸送導(dǎo)致的溫升統(tǒng)一設(shè)為0.13℃(參閱2.2節(jié))，按照圖2的流程，利用不包含宏的Excel表格完成海-氣CO2分壓的數(shù)據(jù)處理。海表CO2分壓數(shù)據(jù)的總的不確定水平為1%[42]。

3 結(jié)果

在呂宋海峽以西的南海北部海域，與大氣平衡的CO2分壓分布在368～391 μatm，呈現(xiàn)出南低北高的分布格局(見圖3a)。以21°30′N為界，南邊均為開闊海域，其與大氣平衡的CO2分壓都在380 μatm以下，平均值為371 μatm；而北邊則為臺灣海峽西南部海域，在東北季風(fēng)期間處于大氣CO2濃度較高的陸地氣團控制之下，與大氣平衡的CO2分壓大都超過380 μatm。

海表CO2分壓的分布格局則與大氣平衡值不同，最高值出現(xiàn)在廈門附近的九龍江口水域(鹽度26.0～31.8)，海表CO2分壓達(dá)到400～767 μatm(見圖1)；最低值出現(xiàn)在23°25′N附近，為顯著低于大氣平衡值的293～320 μatm(見圖3a)。海表CO2分壓最低處的鹽度出現(xiàn)明顯轉(zhuǎn)折，水溫的空間變率也發(fā)生改變(見圖3b)，說明這里是兩個水團交匯的鋒面位置[49]。在這個鋒面以南，鹽度變化在33.2～34.4這一狹小范圍，海表溫度則從23°25′N附近的18.3℃緩緩升高到17°15′N附近的29.9℃(見圖3b)，相應(yīng)地，海表CO2分壓從23°25′N附近的比較低的293～320 μatm穩(wěn)步升高到17°15′N附近高于大氣平衡值的390～405 μatm(見圖3a)。在鋒面以北的臺灣海峽西南側(cè)近岸水域，海表CO2分壓越往北越高(見圖3a)，海表溫鹽卻同步下降(見圖3b)。到了水溫低達(dá)15.7～17.1℃的沿岸水域，海表CO2分壓升至略低于大氣平衡值的330～360 μatm(見圖3a)，而相應(yīng)鹽度卻只有31.8～32.8(見圖3b)，顯示出浙閩沿岸流的影響(見圖1)。

圖3 2009年3-4月121°E以西海-氣CO2分壓、海表鹽度和溫度與緯度的關(guān)系Fig.3 Latitudinal distributions of springtime air-sea pCO2，sea surface salinity and temperature in the northern South China Sea (SCS) in 2009

圖1顯示，在B分區(qū)和D分區(qū)，大多數(shù)測點的海表CO2分壓為與大氣接近平衡的360～380 μatm；而高于或低于大氣平衡值的測點在這兩個分區(qū)都比較少。因此，這兩個分區(qū)在本次調(diào)查期間都處于接近碳源碳匯平衡的狀態(tài)(圖3a)，這與文獻(xiàn)[13]給B分區(qū)定位在春季是大氣CO2的弱源[(1.7±0.8)mmol/(m2·d)]，給D分區(qū)定位在春季是大氣CO2極弱的匯[(-1.1±1.5) mmol/(m2·d)]，基本上是一致的。由于春季是南海北部海盆區(qū)域從大氣CO2的冬季匯區(qū)向夏季源區(qū)過渡的季節(jié)[10，13—15]，因而年際變化和調(diào)查月份的不同都可能導(dǎo)致調(diào)查結(jié)果不盡相同。由此，此前對于呂宋海峽西側(cè)或鄰近的南海北部海盆區(qū)域的春季海-氣CO2通量，不同研究給出弱匯[13]、弱源[13]，或者接近源匯平衡[14—15]等略有不同的結(jié)果，都是正常的。本研究圖3a所指示的結(jié)果只與文獻(xiàn)[16]顯示南海東北部海區(qū)在春季是大氣CO2顯著的源[平均海-氣CO2通量高達(dá)6.7 mmol/(m2·d)]的結(jié)果明顯不同。

圖1和圖3a還顯示，在珠江口外海區(qū)，海表CO2分壓為338～360 μatm，這與2005年4月底在這附近觀測到的339～378 μatm[13]相當(dāng)接近，而與2001年5月下旬在一次珠江沖淡水引起的水華過程中觀測到低達(dá)200 μatm左右CO2分壓的結(jié)果[12，50]則不可比。在本研究期間，盡管我們接近過珠江口(見圖1)，然而最低鹽度仍高達(dá)33.24(圖3b的22°N附近)，這顯然有別于典型珠江沖淡水的信號(鹽度為25～32)。

4 討論

4.1 海表CO2分壓的調(diào)控機制

為了揭示調(diào)查期間海表CO2分壓的調(diào)控機制，需要研究海表CO2分壓與水溫的關(guān)系[12—13]。該關(guān)系在研究區(qū)域呈現(xiàn)出多樣化的分布格局(見圖4)。河口和沿岸流區(qū)域的CO2分壓與水溫呈負(fù)相關(guān)，即，CO2分壓在溫度較低的岸邊反而比在溫度較高的沿岸流外側(cè)水域更高，這應(yīng)當(dāng)是陸源輸入的高CO2地表水的效應(yīng)。不過這一帶并非本研究的關(guān)注點。本次調(diào)查在南海北部開闊海域測到的海表CO2分壓基本落在(370±20) μatm×e[0.042 3×(SST-26)]的范圍(圖4)，式中370 μatm可視為與大氣平衡的CO2分壓的中位值，±20 μatm表示一個比較寬松的不確定度水平，26℃是南海北部表層水的多年平均溫度[9]，其他符號的意義都與公式(5)相同。因此，南海北部開闊海域的海表CO2分壓呈現(xiàn)溫度主控的特征[12—13]。

圖4 海表CO2分壓與水溫的關(guān)系。深灰色圓圈表示2009年春季121°E以西的南海北部全部數(shù)據(jù)；三角形表示本研究期間121°E以東的黑潮區(qū)數(shù)據(jù)；矩形表示2008年4月在圖1分區(qū)D獲取的數(shù)據(jù)[13]，菱形表示南海北部海盆SEATS站的多年四季數(shù)據(jù)[15]。兩條灰色實線指示兩個熱力學(xué)控制關(guān)系，分別為pCO2=350 μatm×e[0.042 3×(SST-26)]和pCO2=390 μatm × e[0.042 3×(SST-26)]，參閱文獻(xiàn)[12-13]；水平虛線則表示南海北部開闊海域與大氣平衡的CO2分壓Fig.4 Scatter plots of sea surface pCO2 as a function of temperature. Circles show springtime data obtained in the northern South China Sea (SCS) in 2009. Triangles show springtime data obtained in the region east of the Luzon Strait in 2009. Rectangles show springtime data obtained in the domain D of Fig. 1 in 2008 [13]. Diamonds show multi-year seasonal data obtained at the SEATS station in the northern SCS [15]. Grey lines represent functions of pCO2 (μatm)=390 × e[0.042 3×(SST-26)] (the upper line) and of pCO2 (μatm)=350 × e[0.042 3×(SST-26)] (the lower line)，according to references [12-13]. The gradient dashed line shows data repor-ted in reference [16]，while the horizontal dashed line denotes the atmospheric pCO2 level

受制于海水碳酸鹽體系的化學(xué)緩沖特性，海-氣交換對CO2分壓發(fā)生作用是一個相當(dāng)慢的過程[36，51]，對于短時間尺度過程研究而言可以忽略[52]。因此，當(dāng)水團穩(wěn)定(即，鹽度、堿度和溶解無機碳一定)，沒有生物活動影響時，如果海水碳酸鹽體系僅受CO2氣體溶解平衡、碳酸解離平衡等熱力學(xué)過程調(diào)控的話，那么海表CO2分壓就應(yīng)該主要是溫度的正相關(guān)函數(shù)，溫度效應(yīng)系數(shù)在通常海表溫度、鹽度范圍內(nèi)為4.23%℃-1[28，48]。就現(xiàn)實情況而言，通常海表CO2分壓不僅受溫度效應(yīng)的調(diào)控，還受水團混合、生物活動等非溫度效應(yīng)的影響[45]。例如，作者曾于2006年12月的一次強寒潮天氣過程中，在南海東北部海域觀測到海表CO2分壓異常升高的現(xiàn)象，此時海表CO2分壓與水溫呈負(fù)相關(guān)[13]，表明低溫、高CO2的次表層水上涌到表層，并與原來的表層水(相對高溫、低CO2)發(fā)生混合。此外，若要分析海表CO2分壓的月際變化或者更長時間尺度的分布特征，則仍需考慮海-氣交換的影響[52—53]。

在世界大洋不同海域，海表CO2分壓影響因素中溫度效應(yīng)的相對重要性有從高緯度向低緯度增加的趨勢[45]。因此，在地處低緯度并且寡營養(yǎng)鹽的南海北部海盆區(qū)域，海表CO2分壓主要受溫度效應(yīng)的調(diào)控[12—14]，這并非特殊現(xiàn)象(見圖5)。

圖4和圖5說明，盡管水溫主導(dǎo)著南海北部CO2分壓的基本格局，但其他影響因素也可發(fā)揮重要作用。在河口和沿岸流以外的開闊海域，低溫區(qū)(19～23℃)的海表CO2分壓比單純通過水溫預(yù)測的數(shù)值略高(見圖4)，是由于這里低溫的海水從大氣吸收CO2的緣故，此外，這里依然處于冬季混合的狀態(tài)，富含CO2的次表層水影響到表層，也可能對這一CO2分壓增量有所貢獻(xiàn)；在南海高溫(超過29℃)高CO2分壓區(qū)域，海表CO2分壓比通過水溫預(yù)測的分壓數(shù)值略低(見圖4)，這應(yīng)該是由于較長時間的微弱初級生產(chǎn)過程[54—55]或者海氣交換作用消耗掉一些CO2，而水體層化作用又阻止次表層高CO2水的補充。如前所述本研究并未觀測到諸如水華之類強烈初級生產(chǎn)過程的影響，也沒有在南海北部開闊海域和呂宋海峽附近發(fā)現(xiàn)陸源輸入造成的低鹽信號。

圖5 不同海域海表CO2分壓季節(jié)變化中溫度效應(yīng)與非溫度效應(yīng)的相對重要性(根據(jù)文獻(xiàn)[14]和[45]整編)Fig.5 Relative importance of the temperature and non-temperature effects (on seasonal variations of sea surface pCO2) as a function of latitude (based on references [14] and [45])

4.2 黑潮表層水入侵對南海東北部海表CO2分壓的潛在影響

圖1顯示，呂宋海峽外側(cè)區(qū)域(121°E以東)的海表CO2分壓并沒有超過大氣平衡水平，這一帶的海表CO2分壓甚至比相同水溫的南海北部CO2分壓更低(見圖4)。在2009年3月28日的呂宋海峽外側(cè)測線上，水溫為26.35～26.73℃，相應(yīng)CO2分壓為338～345 μatm，比相同水溫的南海北部CO2分壓(364～375 μatm)低30 μatm左右；而在2009年4月20日的呂宋海峽外側(cè)測線上遠(yuǎn)離南海的位置，水溫可達(dá)27.80～28.72℃，相應(yīng)CO2分壓為355～364 μatm，比相同水溫的南海北部CO2分壓(383～393 μatm)也低30 μatm左右。

呂宋海峽外側(cè)海區(qū)的水文環(huán)境主要受控于北赤道流的延伸體——黑潮。如果假設(shè)這支海流的表層水溫在流經(jīng)呂宋海峽外側(cè)海域之前為29℃，相應(yīng)海表CO2分壓為與大氣平衡的370 μatm，那么，當(dāng)該水體降溫至2009年3月份和4月份呂宋海峽外側(cè)測線的水溫，海表CO2分壓將分別為370 μatm × e[0.042 3×(26.5-29)]=333 μatm(3月份)和370 μatm × e[0.042 3×(28-29)]=354 μatm(4月份)，都與實測數(shù)據(jù)基本吻合。因此，我們可以合理地將呂宋海峽外側(cè)測線上比較低的海表CO2分壓解釋為，黑潮源區(qū)與大氣接近平衡的表層海水在向北輸運途中通過向大氣輻射熱量而降溫，進(jìn)而通過溫度效應(yīng)使得CO2分壓降低。這種情況不僅在春季會發(fā)生，在同為東北季風(fēng)控制的冬季條件下也應(yīng)該如此。

事實上，作者在呂宋海峽南海一側(cè)屢屢觀測到這種在水溫標(biāo)尺上比較低的海表CO2分壓數(shù)據(jù)，無論是2009年4月還是2008年4月都是如此(見圖4)。也就是說，盡管黑潮是一支暖流，然而其表層水入侵南海看來并不導(dǎo)致南海北部向大氣釋放CO2，至少在春季如此。只有當(dāng)黑潮以中層水的形式侵入南海，才能在比較長的時間尺度上驅(qū)動南海向大氣釋放CO2[10—11]。對于黑潮水入侵如何影響南海碳源碳匯格局的問題，仍需要開展更多研究才能完滿回答。

4.3 對文獻(xiàn)[16]的評論

圖4顯示，本研究所報告的呂宋海峽西側(cè)海表CO2分壓數(shù)據(jù)與2008年4月的觀測結(jié)果[13]基本一致，海表CO2分壓與水溫的關(guān)系也與多數(shù)文獻(xiàn)報道的基本一致。而文獻(xiàn)[16]報告的南海東北部CO2分壓結(jié)果則比本研究的海表CO2分壓數(shù)據(jù)高50 μatm左右(在相同水溫條件下)，這正是文獻(xiàn)[16]得出所研究區(qū)域“在春季是大氣CO2顯著的源”的原因。需要指出的是，文獻(xiàn)[16]的CO2數(shù)據(jù)處理流程并不完整，只做了響應(yīng)轉(zhuǎn)換和溫度校正，卻忽略了壓力轉(zhuǎn)換和水氣校正兩步。從數(shù)值來看，由于南海表層水在水溫19～30℃范圍內(nèi)飽和水氣壓分布在0.02～0.04 atm，因而省略水氣校正這一步將導(dǎo)致他們的數(shù)值偏高2%～4%，這在大氣平衡情況下相當(dāng)于7～15 μatm，也即實際數(shù)值差別(50 μatm)的14%～30%。

根據(jù)4.2節(jié)的討論，文獻(xiàn)[16]所報道的偏高的海表CO2分壓結(jié)果不能通過黑潮表層水入侵南海來解釋。如果文獻(xiàn)[16]調(diào)查期間南海東北部曾經(jīng)發(fā)生局地次表層水上涌的話，則其時海表CO2分壓應(yīng)該與水溫呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)[13]，然而文獻(xiàn)[16]的報道并非如此。因此，文獻(xiàn)[16]的觀測結(jié)果并不能代表通常的自然狀況，是否由于南海東北部及呂宋海峽附近發(fā)生其他環(huán)境變異造成，尚需進(jìn)一步研究。根據(jù)本研究的結(jié)果，結(jié)合相關(guān)的文獻(xiàn)分析，至少可以得出：在目前可以理解的非特異自然條件下，無論南海北部海盆區(qū)域還是呂宋海峽西側(cè)海域，在春季都不大可能表現(xiàn)為大氣CO2顯著的源。

5 結(jié)論

根據(jù)2009年春季調(diào)查的結(jié)果和對文獻(xiàn)資料的分析，南海北部海盆區(qū)域和呂宋海峽西側(cè)海域在春季應(yīng)該是與大氣CO2接近源匯平衡的，并非大氣CO2顯著的源，文獻(xiàn)[16]所報道的結(jié)果需要謹(jǐn)慎對待。南海北部開闊海域的海表CO2分壓主要受溫度效應(yīng)調(diào)控，也在一定程度上受水團混合、海-氣交換、生物活動等非溫度效應(yīng)的影響。春季黑潮表層水入侵南海并不增加南海東北部向大氣釋放CO2的通量。

致謝：時任廈門大學(xué)近海海洋環(huán)境科學(xué)國家重點實驗室研究助理的蘇元成參加航次現(xiàn)場維護儀器并搜集數(shù)據(jù)，航次首席科學(xué)家田紀(jì)偉教授、中國海洋大學(xué)船舶中心，以及“東方紅2”號船的船員在航次中提供很多幫助，中國氣象局大氣成分觀測與服務(wù)中心溫室氣體及相關(guān)微量成分實驗室的劉立新博士和溫民工程師協(xié)助將本研究所用的標(biāo)準(zhǔn)氣溯源至世界氣象組織全球大氣本底觀測網(wǎng)絡(luò)的標(biāo)準(zhǔn)，3位評審專家提出建設(shè)性的修改意見，在此一并致謝。

[1] IPCC. Climate Change 2013: The Physical Science Basis: Working Group I Contribution to the Fifth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change[R]. Cambridge: Cambridge University Press，2013.

[2] Brasseur G，Denman K，Chidthaisong A，et al. Couplings between changes in the climate system and biogeochemistry[C]//Solomon S，Qin Dahe，Manning M，et al. Climate Change 2007: The Physical Science Basis，Contribution of Working Group I to the Fourth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change. Cambridge: Cambridge University Press，2007: 499-587.

[3] Khatiwala S，Primeau F，Hall T. Reconstruction of the history of anthropogenic CO2concentrations in the ocean[J]. Nature，2009，462(7271): 346-349.

[4] Le Quéré C，Andres R J，Boden T，et al. The global carbon budget 1959-2011[J]. Earth System Science Data，2013，5: 165-185.

[5] Sabine C L，F(xiàn)eely R A，Gruber N，et al. The oceanic sink for anthropogenic CO2[J]. Science，2004，305(5682): 367-371.

[6] Gruber N，Gloor M，Mikaloff Fletcher S E，et al. Oceanic sources，sinks，and transport of atmospheric CO2[J]. Global Biogeochemical Cycles，2009，23(1): GB1005.

[7] Takahashi T，Sutherland S C，Wanninkhof R，et al. Climatological mean and decadal change in surface oceanpCO2，and net sea-air CO2flux over the global oceans[J]. Deep-Sea Research Part Ⅱ: Topical Studies in Oceanography，2009，56(8/10): 554-577.

[8] Sun Qingyang，Tang Danling，Legendre L，et al. Enhanced sea-air CO2exchange influenced by a tropical depression in the South China Sea[J]. Journal of Geophysical Research: Oceans，2014，119(10): 6792-6804.

[9] 翟惟東. 南海北部與珠江河口水域CO2通量及其調(diào)控因子[D]. 廈門: 廈門大學(xué)，2003.

Zhai Weidong. Air-sea fluxes of carbon dioxide and upper ocean biogeochemical processes in the northern South China Sea and the Pearl River Estuary[D]. Xiamen: Xiamen University，2003.

[10] Chen C T A，Wang Shulun，Chou Wenchen，et al. Carbonate chemistry and projected future changes in pH and CaCO3saturation state of the South China Sea[J]. Marine Chemistry，2006，101(3/4): 277-305.

[11] Dai Minhan，Cao Zhimian，Guo Xianghui，et al. Why are some marginal seas sources of atmospheric CO2？[J]. Geophysical Research Letters，2013，40(10): 2154-2158.

[12] Zhai Weidong，Dai Minhan，Cai Weijun，et al. The partial pressure of carbon dioxide and air-sea fluxes in the northern South China Sea in spring，summer and autumn[J]. Marine Chemistry，2005，96(1/2): 87-97.

[13] Zhai W D，Dai M H，Chen B S，et al. Seasonal variations of sea-air CO2fluxes in the largest tropical marginal sea (South China Sea) based on multiple-year underway measurements[J]. Biogeosciences，2013，10(11): 7775-7791.

[14] Chou Wenchen，Sheu D D D，Chen C T A，et al. Seasonal variability of carbon chemistry at the SEATS time-series site，Northern South China Sea between 2002 and 2003[J]. Terrestrial，Atmospheric and Oceanic Sciences，2005，16(2): 445-465.

[15] Tseng C M，Wong G T F，Chou W C，et al. Temporal variations in the carbonate system in the upper layer at the SEATS station[J]. Deep-Sea Research Part Ⅱ： Topical Studies in Oceanography，2007，54(14): 1448-1468.

[16] 姜亦飛，王輝，喬然，等. 南海東北部春季海表pCO2分布及海-氣CO2通量[J]. 海洋學(xué)報，2014，36(6): 18-24.

Jiang Yifei，Wang Hui，Qiao Ran，et al. The distribution ofpCO2in surface water and CO2flux at air-sea interface in northeast part of the South China Sea in spring[J]. Haiyang Xuebao，2014，36(6): 18-24.

[17] Hu Jianyu，Kawamura H，Hong Huasheng，et al. A review on the currents in the South China Sea: seasonal circulation，South China Sea warm current and Kuroshio intrusion[J]. Journal of Oceanography，2000，56(6): 607-624.

[18] Liss P S，Merlivat L. Air-sea gas exchange rates: introduction and synthesis[C]//Buat-Menard P. The Role of Air-Sea Exchange in Geochemical Cycling. Norwell: D. Reidel Publishing Company，1986: 113-127.

[19] Wanninkhof R，Asher W E，Ho D T，et al. Advances in quantifying air-sea gas exchange and environmental forcing[J]. Annual Review of Marine Science，2009，1: 213-244.

[20] Wanninkhof R. Relationship between wind speed and gas exchange over the ocean[J]. Journal of Geophysical Research，1992，97(C5): 7373-7382.

[21] Wanninkhof R，McGillis W R. A cubic relationship between air-sea CO2exchange and wind speed[J]. Geophysical Research Letters，1999，26(13): 1889-1892.

[22] Ho D T，Law C S，Smith M J，et al. Measurements of air-sea gas exchange at high wind speeds in the Southern Ocean: implications for global parameterizations[J]. Geophysical Research Letters，2006，33(16): L16611.

[23] Sweeney C，Gloor E，Jacobson A R，et al. Constraining global air-sea gas exchange for CO2with recent bomb14C measurements[J]. Global Biogeochemical Cycles，2007，21(2): GB2015.

[24] Zhao Dongliang，Xie Lian. A practical bi-parameter formula of gas transfer velocity depending on wave states[J]. Journal of Oceanography，2010，66(5): 663-671.

[25] Edson J B，F(xiàn)airall C W，Bariteau L，et al. Direct covariance measurement of CO2gas transfer velocity during the 2008 Southern Ocean gas exchange experiment: Wind speed dependency[J]. Journal of Geophysical Research，2011，161: C00F10.

[26] Wanninkhof R，Knox M. Chemical enhancement of CO2exchange in natural waters[J]. Limnology and Oceanography，1996，41(4): 689-697.

[27] Weiss R F. Carbon dioxide in water and seawater: the solubility of a non-ideal gas[J]. Marine Chemistry，1974，2(3): 203-215.

[28] Millero F J. Thermodynamics of the carbon dioxide system in the oceans[J]. Geochimica et Cosmochimica Acta，1995，59(4): 661-677.

[29] Kanwisher J.pCO2in sea water and its effect on the movement of CO2in nature[J]. Tellus，1960，12(2): 209-215.

[30] Neill C，Johnson K M，Lewis E，et al. Accurate headspace analysis offCO2in discrete water samples using batch equilibration[J]. Limnology and Oceanography，1997，42(8): 1774-1783.

[31] Dickson A G，Sabine C L，Christian J R. Guide to best practices for ocean CO2measurements[R]. PICES Special Publication，(3)，North Pacific Marine Science Organization，2007. http://cdiac.ornl.gov/oceans/Handbook_2007.html.

[32] K?rtzinger A，Mintrop L，Wallace D W R，et al. The international at-sea intercomparison offCO2systems during the R/V Meteor Cruise 36/1 in the North Atlantic Ocean[J]. Marine Chemistry，2000，72(2/4): 171-192.

[33] K?rtzinger A，Thomas H，Schneider B，et al. At-sea intercomparison of two newly designed underwaypCO2system-encouraging results[J]. Marine Chemistry，1996，52(2): 133-145.

[34] Juranek L W，Hamme R C，Kaiser J，et al. Evidence of O2consumption in underway seawater lines: Implications for air-sea O2and CO2fluxes[J]. Geophysical Research Letters，2010，37(1): L01601.

[35] Rehder G，Suess E. Methane andpCO2in the Kuroshio and the South China Sea during maximum summer surface temperatures[J]. Marine Chemistry，2001，75(1/2): 89-108.

[36] Zhai Weidong，Dai Minhan，Cai Weijun. Coupling of surfacepCO2and dissolved oxygen in the northern South China Sea: impacts of contrasting coastal processes[J]. Biogeosciences，2009，6(11): 2589-2598.

[37] Takahashi T，F(xiàn)eely R A，Weiss R F，et al. Global air-sea flux of CO2: an estimate based on measurements of sea-airpCO2difference[J]. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America，1997，94(16): 8292-8299.

[38] Baer D S，Paul J B，Gupta M，et al. Sensitive absorption measurements in the near-infrared region using off-axis integrated-cavity-output spectroscopy[J]. Applied Physics B，2002，75(2/3): 261-265.

[39] Crosson E R. A cavity ring-down analyzer for measuring atmospheric levels of methane，carbon dioxide，and water vapor[J]. Applied Physics B，2008，92(3): 403-408.

[40] Gülzow W，Rehder G，Schneider B，et al. A new method for continuous measurement of methane and carbon dioxide in surface waters using off-axis integrated cavity output spectroscopy (ICOS): an example from the Baltic Sea[J]. Limnology and Oceanography: Methods，2011，9(5): 176-184.

[41] Zhai Weidong，Dai Minhan，Cai Weijun，et al. High partial pressure of CO2and its maintaining mechanism in a subtropical estuary: the Pearl River estuary，China[J]. Marine Chemistry，2005，93(1): 21-32.

[42] Zhai Weidong，Dai Minhan. On the seasonal variation of air-sea CO2fluxes in the outer Changjiang (Yangtze River) Estuary，East China Sea[J]. Marine Chemistry，2009，117(1/4): 2-10.

[43] Pierrot D，Neill C，Sullivan K，et al. Recommendations for autonomous underwaypCO2measuring systems and data-reduction routines[J]. Deep Sea Research Part Ⅱ: Topical Studies in Oceanography，2009，56(8/10): 512-522.

[44] Tans P P，F(xiàn)ung I Y，Takahashi T. Observational constraints on the global atmospheric CO2budget[J]. Science，1990，247(4949): 1431-1438.

[45] Takahashi T，Sutherland S C，Sweeney C，et al. Global sea-air CO2flux based on climatological surface oceanpCO2，and seasonal biological and temperature effects[J]. Deep-Sea Research Part II: Topical Studies in Oceanography，2002，49(9/10): 1601-1622.

[46] Sabine C L，Hankin S，Koyuk H，et al. Surface Ocean CO2Atlas (SOCAT) gridded data products[J]. Earth System Science Data，2013，5: 145-153.

[47] Weiss R F，Price B A. Nitrous oxide solubility in water and seawater[J]. Marine Chemistry，1980，8(4): 347-359.

[48] Takahashi T，Olafsson J，Goddard J G，et al. Seasonal variation of CO2and nutrients in the high-latitude surface oceans: a comparative study[J]. Global Biogeochemical Cycles，1993，7(4): 843-878.

[49] Chen C T A. Chemical and physical fronts in the Bohai，Yellow and East China seas[J]. Journal of Marine Systems，2009，78(3): 394-410.

[50] Dai Minhan，Zhai Weidong，Cai Weijun，et al. Effects of an estuarine plume-associated bloom on the carbonate system in the lower reaches of the Pearl River estuary and the coastal zone of the northern South China Sea[J]. Continental Shelf Research，2008，28(12): 1416-1423.

[51] Jones D C，Ito T，Takano Y，et al. Spatial and seasonal variability of the air-sea equilibration timescale of carbon dioxide[J]. Global Biogeochemical Cycles，2014，28(11): 1163-1178.

[52] Lu Zhongming，Gan Jianping，Dai Minhan. Modeling seasonal and diurnalpCO2variations in the northern South China Sea[J]. Journal of Marine Systems，2012，92(1): 30-41.

[53] Zhai Weidong，Chen Jianfang，Jin Haiyan，et al. Spring carbonate chemistry dynamics of surface waters in the northern East China Sea: water mixing，biological uptake of CO2，and chemical buffering capacity[J]. Journal of Geophysical Research: Oceans，2014，119(9): 5638-5653.

[54] Liu K K，Chao S Y，Shaw P T，et al. Monsoon-forced chlorophyll distribution and primary production in the South China Sea: observations and a numerical study[J]. Deep-Sea Research Part Ⅰ: Oceanographic Research Papers，2002，49(8): 1387-1412.

[55] Shang Shaoling，Li Li，Li Jun，et al. Phytoplankton bloom during the northeast monsoon in the Luzon Strait bordering the Kuroshio[J]. Remote Sensing of Environment，2012，124: 38-48.

Sea surface partial pressure of CO2and its controls in the northern South China Sea in the non-bloom period in spring

Zhai Weidong1，2

(1.NationalMarineEnvironmentalMonitoringCenter，Dalian116023，China; 2.StateKeyLaboratoryofMarineEnvironmentalScience，XiamenUniversity，Xiamen361102，China)

To clarify air-sea CO2flux and the controls in the northern South China Sea (SCS) and the adjacent open sea areas around the Luzon Strait，a new dataset of sea surface and atmospheric partial pressures of CO2(pCO2) associated with underway temperature and salinity obtained from late March to mid-April in 2009 was investigated. In the northern SCS open sea areas other than those estuaries and the coastal current area，atmosphericpCO2increased from 368 μatm at a south site to 380 μatm at a north site，with the average of 371 μatm，while sea surfacepCO2declined from 405 μatm in the south area to 293 μatm in the north area. The northern SCSpCO2was significantly influenced by sea surface temperature，although non-temperature effects such as water mixing，air-sea exchanges，and biological activities also affected the sea surfacepCO2distribution. In the Kuroshio-influenced area around the Luzon Strait，however，sea surfacepCO2in given water temperature was generally lower than that in the northern SCS. Based on this dataset，the author suggested that，the springtime CO2uptake in the northern SCS basin area and the area west of the Luzon Strait from the atmosphere was nearly equal to CO2release to the atmosphere at the same time，which is similar to the consensus in relevant literatures based on qualified data. The earlier report published inHaiyangXuebaoin 2014 suggesting that the northeast part of the SCS serves as a significant source of the atmospheric CO2in spring is questionable.

partial pressure of CO2; temperature effect; northern South China Sea; Luzon Strait

10.3969/j.issn.0253-4193.2015.06.004

2014-10-08；

2015-03-10。

國家海洋局海洋環(huán)境評價方法研究項目(DOMEP-MEA-01-10); 海洋公益性行業(yè)科研專項(201505003)。

翟惟東(1972—)，男，江蘇省東臺市人，研究員，主要從事海洋碳化學(xué)研究。E-mail:wdzhai@126.com

P734.4

A

0253-4193(2015)06-0031-10

翟惟東. 南海北部春季非水華期的CO2分壓及其調(diào)控[J]. 海洋學(xué)報，2015，37(6)：31—40，

Zhai Weidong. Sea surface partial pressure of CO2and its controls in the northern South China Sea in the non-bloom period in spring[J]. Haiyang Xuebao，2015，37(6)：31—40，doi:10.3969/j.issn.0253-4193.2015.06.004