東海及黃海南部海域走航海-氣CO2通量季節(jié)性變化*

胡登輝，高郭平*，翟惟東，張春玲

(1.上海海洋大學(xué) 海洋科學(xué)學(xué)院，上海 201306；2.大洋漁業(yè)資源可持續(xù)開發(fā)省部共建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)，上海 201306；3.國家海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)中心，遼寧 大連 116023)

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東海及黃海南部海域走航海-氣CO2通量季節(jié)性變化*

胡登輝1,2，高郭平1,2*，翟惟東3，張春玲1,2

(1.上海海洋大學(xué) 海洋科學(xué)學(xué)院，上海 201306；2.大洋漁業(yè)資源可持續(xù)開發(fā)省部共建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)，上海 201306；3.國家海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)中心，遼寧 大連 116023)

根據(jù)2003—2008年東海及黃海南部海域多個(gè)航次現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)獲得的海表溫度、鹽度及海水表層pCO2觀測(cè)數(shù)據(jù)，分析該海域海水表層pCO2及海-氣CO2通量的季節(jié)變化特征，探討了海-氣界面CO2轉(zhuǎn)移與海表溫度、鹽度分布之間的聯(lián)系。結(jié)果表明：該海域海水表層pCO2及海-氣CO2通量具有顯著的季節(jié)性差異。近海區(qū)域，春季受海表溫度上升、生物作用加強(qiáng)的影響黃海南部、東海近岸區(qū)及陸架中部、東海南部表現(xiàn)為大氣CO2匯，其海-氣界面季平均通量分別為(-7.77±6.59)，(-11.08±8.99)，(-2.94±6.78) mmol·m-2·d-1。夏季黃海南部區(qū)域表現(xiàn)為大氣CO2源(2.99±6.09) mmol·m-2·d-1，與該海域的下層海水涌升有關(guān)，東海中部陸架區(qū)及東海南部近岸區(qū)由于淡水輸入，形成躍層阻礙水體混合，再加上光合作用增強(qiáng)等的綜合作用為大氣CO2匯，通量為(-4.81±8.92)，(-0.75±12.14) mmol·m-2·d-1。秋季北風(fēng)逐漸增強(qiáng)水體混合加劇，向冬季格局轉(zhuǎn)變，底層富含CO2的海水上涌，致使海表pCO2升高，整個(gè)海區(qū)表現(xiàn)為大氣CO2源。在年際變化上，春季碳匯呈減弱趨勢(shì)，而秋季碳源則逐漸增強(qiáng)。

海-氣CO2通量； 二氧化碳分壓； 季節(jié)性變化； 影響因素

全球氣候變化背景下，海洋與大氣之間氣體交換通量，特別是對(duì)二氧化碳通量的監(jiān)測(cè)、估算，對(duì)深刻理解生物地球化學(xué)循環(huán)以及全球氣候變遷具有重大意義[1]。但迄今為止，全球海洋碳循環(huán)研究仍存在諸多不確定性，其中之一就是陸架邊緣海碳通量及其控制因素不確定性問題，并逐漸被人們所重視[2]。東海及黃海南部是西北太平洋以陸架區(qū)為特征的邊緣海，具有較為復(fù)雜的物理、化學(xué)和生物過程，長江攜帶的大量淡水和陸源無機(jī)物注入該海域，并顯著影響該海域的物理、化學(xué)、生物過程[3]。由于長江沖淡水、沿岸流、臺(tái)灣暖流的相互作用，黑潮的持續(xù)入侵以及東亞季風(fēng)等的影響，使該海域呈現(xiàn)生產(chǎn)力高、環(huán)流復(fù)雜、陸海作用強(qiáng)烈的特點(diǎn)，是全球物質(zhì)循環(huán)“源-匯”效應(yīng)的過渡區(qū)。

東海及南海海域CO2源/匯分布及其通量得到較多的關(guān)注和研究。國外，Cai等[4]和Borges等[5]對(duì)全球邊緣海海-氣CO2通量進(jìn)行了研究，認(rèn)為全球中、高緯度的陸架邊緣?？傮w表現(xiàn)為大氣CO2匯，而低緯則表現(xiàn)為大氣CO2源。Tsunogai等[6]基于PN斷面提出大陸架碳泵機(jī)制—冬季高密度水團(tuán)對(duì)CO2的輸運(yùn)。Shim等在長江口北部海水表層pCO2研究認(rèn)為，在近岸區(qū)主要受海水混合及上升流影響，而外海則受對(duì)馬暖流影響較顯著[7]。Oliveira等通過數(shù)值模型得出淡水輸入、表層流等因素對(duì)塔霍河河口區(qū)域內(nèi)冬季pCO2分布有很大影響[8]。以上在對(duì)近岸區(qū)及深水區(qū)海水表層pCO2影響因素直接的差異可以得出，近岸區(qū)主要由生物作用和陸源因素的影響;外海，除上升流區(qū)外，海水混合對(duì)海水表層pCO2起重要影響[9]。國內(nèi)，在東海及黃海海域，張龍軍、宋金明、翟惟東等對(duì)東海、黃海海域內(nèi)化學(xué)及生物作用對(duì)近海海-氣pCO2的影響機(jī)制也進(jìn)行了比較全面的研究，得出夏季受生物和長江沖淡水影響較大，冬季則受海水混合影響較顯著[10-14]。由于近海海域生物化學(xué)作用強(qiáng)烈，其對(duì)海-氣CO2通量也有著決定性影響。翟惟東等通過對(duì)2005—2008年長江口河口及外海海水表層pCO2同溶解氧間年際變化得出，該海域較暖季節(jié)(4—10月)在初級(jí)生產(chǎn)力較強(qiáng)區(qū)域出現(xiàn)pCO2降低，溶解氧增強(qiáng)，為大氣CO2匯。其他月份則主要受海水混合影響，為大氣CO2源。并且長江口外海-氣CO2年平均通量約為長江口北部2倍，為(-1.9±1.3) mol·m-2·a-1[15]。在此基礎(chǔ)上，對(duì)黃海南部東海北部碳酸鹽與海水表層pCO2間相關(guān)關(guān)系進(jìn)行研究，并提出碳酸鹽體系能夠減緩CO2達(dá)到平衡的過程[16]。以上研究充分說明陸架邊緣海區(qū)CO2源、匯問題的復(fù)雜性。但目前大多聚集于較小區(qū)域的單一季節(jié)性研究，無法從大的范圍內(nèi)系統(tǒng)地研究多種因素對(duì)海-氣CO2通量的變化及其影響。

本研究在多年東海及黃海南部海域走航海-氣CO2觀測(cè)資料的基礎(chǔ)上，系統(tǒng)地研究該海域CO2源/匯分布問題，并對(duì)該海域走航斷面上海-氣CO2通量的季節(jié)性變化及其控制因素進(jìn)行分析，以及其通量年際變化進(jìn)行初步探討。為進(jìn)一步研究陸架邊緣海在全球碳循環(huán)系統(tǒng)中對(duì)CO2吸收、轉(zhuǎn)移的物理、生物和化學(xué)機(jī)制提供基礎(chǔ)。

1 資料來源及計(jì)算方法

1.1 研究區(qū)域劃分及觀測(cè)數(shù)據(jù)

整個(gè)調(diào)查區(qū)域覆蓋60 m水深附近的大部分東海海域(約70%)及部分黃海海域(約50%)。由于陸架邊緣海的CO2體系受到陸地、海洋等多種生物地球化學(xué)過程的共同作用，具有顯著的區(qū)域性差異，如北部的黃海暖流(主要在冬季)、蘇北沿岸流(主要在夏季)，中部的長江沖淡水以及南部的沿岸流和臺(tái)灣暖流等。故根據(jù)水文及氣候特點(diǎn)，將研究海域分為黃海南部海域(Ⅰ區(qū)，范圍：120°00′～ 124°00′E , 32°30′～35°00′N)、東海近岸及中部陸架區(qū)域(Ⅱ區(qū)，范圍：120°00′～124°00′E , 30°00′～32°30′N)、東海南部海域(Ⅲ區(qū)，范圍:120°00′～124°00′E, 26°00′～30°00′N)三個(gè)局部區(qū)域(圖1)，進(jìn)而分別計(jì)算各個(gè)區(qū)域的海-氣CO2通量，并分析其季節(jié)變化特征。

圖1 研究海區(qū)走航觀測(cè)航線和調(diào)查站位Fig.1 Cruise routes and survey stations

文中所使用的觀測(cè)數(shù)據(jù)由廈門大學(xué)以及國家海洋環(huán)境中心提供，包括2003—2008年的多個(gè)航次收集的走航調(diào)查數(shù)據(jù)(圖1a和表1)以及2006-09—10的站位調(diào)查數(shù)據(jù)(圖1b)。調(diào)查航次觀測(cè)數(shù)據(jù)包括海表溫度、鹽度、海水表層CO2摩爾分?jǐn)?shù)(xCO2)、大氣CO2摩爾分?jǐn)?shù)(xCO2)、海表大氣壓、風(fēng)速等多個(gè)觀測(cè)要素。但數(shù)據(jù)主要集中在春季、夏季和秋季。海水表層pCO2由干空氣下海水表層CO2摩爾分?jǐn)?shù)、海表大氣壓、水汽平衡器內(nèi)飽和水汽壓計(jì)算獲得[17]：

pCO2(干空氣下)=(P-VP(H2O,s/w))×xCO2，

(1)

式中，P為海表大氣壓；VP(H2O,s/w)為水汽平衡器內(nèi)飽和水汽壓，由水汽平衡器內(nèi)溫度和鹽度計(jì)算獲得。并且，通過((αpCO2/αT)/pCO2=0.042 3 ℃-1)[18]對(duì)水汽平衡器內(nèi)海水表層pCO2校正到現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)溫度。

表1 調(diào)查數(shù)據(jù)分布情況Table 1 Observational data

1.2 海-氣CO2通量計(jì)算

目前海-氣CO2通量是表征單位面積、時(shí)間的海-氣CO2轉(zhuǎn)移速率，一般通過如下塊體公式[20]進(jìn)行計(jì)算。

FCO2=K×L×ΔpCO2，

(2)

式中，F(xiàn)CO2為海-氣CO2通量(mmol·m-2·d-1)；K為水-氣氣體交換輸送率(mmol·m-2·d-1·μatm-1)；L為CO2在與溫度、鹽度有關(guān)的溶解度(mmol·L-1·μatm-1)；ΔpCO2為海-氣CO2偏壓差，常用uatm為單位，由ΔpCO2=pCO2water-pCO2air計(jì)算獲得。由于水-氣交換速度較難獲得，目前使用的K值大多采用Wanninkhof 1992年提出的水-氣氣體交換輸送率計(jì)算模式[21]：

(3)

式中，U10是離海面10 m高處的風(fēng)速(m/s)；Sc是一定溫度下CO2的Schmidt常數(shù)；660是指在20 ℃下的Schmidt常數(shù)。

1.3 補(bǔ)充缺失數(shù)據(jù)

由于觀測(cè)數(shù)據(jù)中部分航次風(fēng)速數(shù)據(jù)缺失，本文使用QuikSCAT衛(wèi)星風(fēng)速計(jì)在相應(yīng)位置、時(shí)刻的風(fēng)速數(shù)據(jù)對(duì)缺失數(shù)據(jù)進(jìn)行補(bǔ)充。為驗(yàn)證QuikSCAT風(fēng)速計(jì)數(shù)據(jù)精度，以船載氣象站獲得2008-04的航測(cè)風(fēng)速數(shù)據(jù)(時(shí)間分辨率為1 min)同QuikSCAT風(fēng)速數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果見圖2。同實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)相比，QuikSCAT日分辨率數(shù)據(jù)雖然在時(shí)間上存在一定的延遲，但較好地保留了風(fēng)速大小的變化趨勢(shì)。而月平均數(shù)據(jù)則完全過濾掉中、高風(fēng)速數(shù)據(jù)，對(duì)計(jì)算水-氣交換速度結(jié)果的精確性具有重要影響[22]，因此，選用日分辨率數(shù)據(jù)對(duì)缺失數(shù)據(jù)進(jìn)行補(bǔ)充。并且使用最鄰近差值法對(duì)大氣pCO2air進(jìn)行差值，計(jì)算水-氣氣體交換輸送率以及海-氣CO2通量。在此基礎(chǔ)上探討東海北部及黃海南部海域海-氣CO2通量的季節(jié)性變化及其控制因素。

圖2 2008-04風(fēng)速對(duì)比分析Fig.2 Comparison of wind speed in April, 2008

2 結(jié)果分析

2.1 海-氣CO2通量的區(qū)域分布特征

從碳循環(huán)角度來說，東海及黃海海域的CO2體系受控于一系列物理和生物地球化學(xué)過程，CO2源/匯分布呈現(xiàn)顯著的時(shí)空差異性[23]。根據(jù)2003—2008年間11個(gè)航次海-氣CO2通量結(jié)果平面分布如圖3所示，從圖中可以看出，整個(gè)研究區(qū)域內(nèi)海-氣CO2通量分布存在著較大的不均勻性，CO2通量變化較大(-29.41～79.15 mmol·m-2·d-1)，這也從側(cè)面反映了邊緣海區(qū)的復(fù)雜性。冬季(1月份)，觀測(cè)數(shù)據(jù)集中在Ⅱ區(qū)區(qū)域內(nèi)，在長江口南支出現(xiàn)海-氣CO2通量最高值(79.15 mmol·m-2·d-1)，表現(xiàn)為大氣CO2較強(qiáng)源，并且隨離岸距離增加而逐漸降低，從122°12′E處開始由大氣CO2源轉(zhuǎn)變?yōu)榇髿釩O2匯(圖4)。但整個(gè)區(qū)域均值為0.22 mmol·m-2·d-1，為大氣CO2弱源。這與李巖等[24]對(duì)河口海域的咸、淡水混合形成的渾濁帶的變化相似，并且相較于李巖等的研究，航線長度更長、變化也更為明顯。

春季(3—5月)，偏北風(fēng)逐漸減弱，溫度逐漸上升，Ⅱ區(qū)區(qū)域內(nèi)鹽度變化較大，整個(gè)海域海-氣CO2通量分布以長江口為界呈現(xiàn)南高北低的分布特征。同一季節(jié)不同區(qū)域海-氣CO2通量差異性較大。3-5月黃海南部海-氣CO2通量變化最為明顯，2008-03和2008-04在(121°30′E，34°30′N)區(qū)域分別出現(xiàn)通量最小、最大值(-23.15，2.41 mmol·m-2·d-1)，該區(qū)域的大氣CO2匯逐漸減弱。并且東海南部由北向南大氣CO2匯強(qiáng)度也呈現(xiàn)逐漸減弱的趨勢(shì)。到5月份，東海南部到26°48′N以南由大氣CO2匯區(qū)轉(zhuǎn)變?yōu)榇髿釩O2源區(qū)(圖4)。東海中部外海區(qū)則表現(xiàn)為大氣CO2匯，并且在30°00′N附近出現(xiàn)最強(qiáng)匯。

夏季(7—8月)，整個(gè)海域海-氣CO2通量分布同春季相似，只是黃海南部CO2源進(jìn)一步加強(qiáng)，并且在33°30′N附近呈現(xiàn)為大氣CO2源。在東海海域，除近岸河口區(qū)為源區(qū)外，其他大部分仍為大氣CO2匯。并且近岸河口區(qū)隨離岸距離越來越大，海-氣CO2源逐漸減弱，在122°36′E以東由CO2源轉(zhuǎn)化為CO2匯區(qū)(圖4)，說明河口區(qū)CO2源面積隨淡水輸入量的增加逐漸擴(kuò)大。

進(jìn)入秋季(09—11月)后，整個(gè)海域海-氣CO2源區(qū)面積達(dá)全年最大，南部CO2通量高于北部。并且，不同區(qū)域內(nèi)CO2源/匯變化較大。從緯向平均變化曲線可以看出，除2007-11外，其他月份僅在中部約28°30′～31°30′N范圍內(nèi)表現(xiàn)為大氣CO2匯，其他大部分區(qū)域?yàn)镃O2弱源(小于10 mmol·m-2·d-1)，并且在2006年表現(xiàn)最為明顯。東西方向上變化較小，整體上表現(xiàn)為大氣CO2源。

圖3 各航次海-氣CO2通量分布Fig.3 Distribution of air-sea CO2 flux

圖4 CO2通量經(jīng)向、緯向平均結(jié)果Fig.4 Meridional and zonal mean of CO2 flux

2.2 海-氣CO2通量變化控制因素分析

從東海及黃海南部海域海-氣CO2通量分布上看，該海域海-氣CO2源、匯分布及其控制因素呈現(xiàn)明顯的季節(jié)變化，并且同溫度、季風(fēng)、生物、淡水輸入等因素的季節(jié)差異密切相關(guān)[25]。其中，溫度是從熱力學(xué)角度影響海水中CO2分布的一個(gè)重要因素，它與鹽度、壓力是表征海水物理過程、化學(xué)過程的基本參數(shù)[26]。并且，溫度的分布與變化，除取決于海區(qū)的熱量平衡外，還與地理環(huán)境、海流強(qiáng)弱、氣象條件等因素變化有關(guān)。而海表鹽度則能夠反映淡水輸入對(duì)陸架邊緣海的影響。因此，可以通過分析實(shí)測(cè)溫度(圖5)、鹽度同海-氣CO2通量間關(guān)系，再結(jié)合海水表層pCO2分布特征(圖6)，分析該區(qū)域CO2源/匯格局的控制因素。

圖5 各航次海水表層溫度分布Fig.5 Distribution of sea surface temperature

圖6 各航次海水表層pCO2分布Fig.6 Distribution of sea surface pCO2

長江口南支冬季海-氣CO2通量變化趨勢(shì)同觀測(cè)到的海水表層pCO2相同，并且同溫度、鹽度變化呈負(fù)相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為-0.55，-0.86，而李巖[24]得出的pCO2同鹽度的相關(guān)系數(shù)為-0.92，說明河口區(qū)域受陸源無機(jī)物輸入及咸、淡水混合影響比較顯著。在通量最大值區(qū)域出現(xiàn)溫、鹽最小值(6.23 ℃,0.47)。這是由于河口區(qū)冬季受富含無機(jī)物的低溫、低鹽水輸入以及海水混合的影響。淡水的輸入帶來了大量的無機(jī)物，導(dǎo)致海水透明度降低，光合作用減弱，CO2吸收減弱。而淺水區(qū)強(qiáng)烈的海水混合使得富含CO2的底層水上涌，加上冬季低溫抑制浮游植物對(duì)碳的同化，導(dǎo)致海水表層pCO2上升，成為大氣CO2源。隨著離岸距離越遠(yuǎn)，海水溫度、透明度逐漸升高，光合作用逐漸增強(qiáng)，混合減弱，使表層海水中CO2含量逐漸降低，致使河口區(qū)由大氣CO2源逐漸向大氣CO2匯過渡。這些都充分說明，在河口區(qū)冬季源/匯格局主要受淡水輸入和海水混合作用影響，以往研究也表明該區(qū)域內(nèi)受潮致混合影響比較明顯[27]。

隨著春季向夏季的過渡，整個(gè)區(qū)域內(nèi)溫度逐漸上升，南北差異減小。而鹽度受中部海區(qū)長江沖淡水逐漸加強(qiáng)的影響逐漸降低。從局部區(qū)域看，黃海南部(Ⅰ區(qū))3-5月海表溫度平均上升了約6 ℃，而鹽度變化則較小。并且海水表層pCO2同海表溫度間呈現(xiàn)正相關(guān)(0.52 mmol·m-2·d-1)關(guān)系。說明山東半島沿岸南下低溫水水勢(shì)逐漸減弱，導(dǎo)致海水表層增溫明顯，光合作用越來越顯著，從而促進(jìn)生物對(duì)CO2的吸收，影響該區(qū)域源/匯分布格局[28]。最為明顯的是在黃海南部(121°30′E，34°30′N)附近3月份由大氣CO2較強(qiáng)匯，到5月份轉(zhuǎn)換為大氣CO2源區(qū)。根據(jù)目前研究，該區(qū)域除受沿岸流及生物作用的影響外還與底層富含CO2海水涌升作用加強(qiáng)有關(guān)[29-30]。東海近岸及中部陸架區(qū)(Ⅱ區(qū))溫、鹽變化較大，明顯受淡水輸入量增加的影響，海水穩(wěn)定性增加，混合作用減弱，光合作用占主導(dǎo)作用，因而整個(gè)區(qū)域表現(xiàn)CO2匯區(qū)，并呈增強(qiáng)趨勢(shì)。東海南部海域(Ⅲ區(qū))由于受黑潮、臺(tái)灣暖流影響溫度上升，適宜的海水溫度再加上沿岸流營養(yǎng)物的輸入促進(jìn)了光合作用，海表pCO2降低，為CO2匯區(qū)。但舟山群島到臺(tái)州列島海域出現(xiàn)CO2強(qiáng)匯區(qū)(-56.24 mmol·m-2·d-1)，與朱連磊等觀測(cè)結(jié)果差異較大[31]，這可能與沿岸淡水輸入的年際波動(dòng)及海水混合有關(guān)，但具體原因需進(jìn)一步研究。

夏季，整個(gè)海區(qū)溫度、鹽度分布同春季相似，只是溫度升至全年最高，南北溫度分布較均勻，地區(qū)差異性小。黃海南部夏季由于上升流作用，底層富含CO2海水上涌，導(dǎo)致海表pCO2上升，出現(xiàn)pCO2最高值(813.98 μatm)，表明該區(qū)域物流作用明顯強(qiáng)于生物作用。因而夏季黃海南部表現(xiàn)為CO2弱源(2.99 mmol·m-2·d-1)，這與江春波等[29]提出的南黃海主要受底層水涌升以及長江沖淡水影響而導(dǎo)致夏季呈現(xiàn)為CO2弱源的結(jié)果較為一致的，但他的研究位置更靠近涌升區(qū)，從而他觀測(cè)到的結(jié)果也高于本次計(jì)算的結(jié)果。東海中部及南部陸架區(qū)受沿岸流和長江沖淡水的影響，大量懸浮物及營養(yǎng)物的輸入促進(jìn)了浮游植物的生長、繁殖，吸收大量的碳。并且，密度較低的淡水浮于海水上層，使水體層化加劇，阻礙水體混合。底部生物呼吸產(chǎn)生的CO2無法轉(zhuǎn)移到海表，使得表層pCO2降低，呈現(xiàn)為CO2匯。通過對(duì)比2003-08與2006-01在東海近岸區(qū)CO2通量分布情況可以看出，徑流量大的月份CO2源區(qū)面積越大，說明徑流量的大小對(duì)近岸河口區(qū)CO2源/匯格局轉(zhuǎn)換具有重要影響。但局部如舟山群島(122°00′E,30°30′N)附近由于夏季西南風(fēng)的影響產(chǎn)生上升流導(dǎo)致該區(qū)域呈現(xiàn)為CO2源(38.24 mmol·m-2·d-1)[32]。

受偏北季風(fēng)加強(qiáng)，冷空氣南下的影響，導(dǎo)致表層水溫逐漸下降，南北溫差增大，整個(gè)區(qū)域秋季總體上表現(xiàn)為大氣CO2源區(qū)。在黃海南部黃海沿岸流和黃海暖流，以及東海海域臺(tái)灣暖流北上與長江沖淡水交匯，水體發(fā)生較強(qiáng)混合。溫度較高的黃海暖流以及臺(tái)灣暖流使區(qū)域內(nèi)CO2溶解度降低，使黃海南部以及東海南部總體上秋季呈現(xiàn)為碳源。不僅如此，根據(jù)2006-09(P1，P2，P3斷面)和2006-10(PN，S1斷面)五個(gè)斷面34個(gè)站位觀測(cè)結(jié)果計(jì)算該區(qū)域秋季混合層深度(MLD)、障礙層厚度等水文信息發(fā)現(xiàn)，由于秋季季風(fēng)加強(qiáng)，障礙層厚度較薄，平均為1～2 m，因此在季風(fēng)加強(qiáng)的情況下較容易使海水混合達(dá)到底部。并且從混合層深度與海表pCO2以及海氣CO2通量關(guān)系(圖7a)可以看出。秋季混合層深度達(dá)底部，致使夏季形成躍層被打破，海水底部由春季、夏季生物呼吸作用而產(chǎn)生的富含CO2海水上涌，海水表層pCO2升高，圖7a也證明這一觀點(diǎn)，即混合層達(dá)底部的海表pCO2普遍較高。不同區(qū)域內(nèi)，黃海南部9月混合層深度較淺(平均約15 m),為大氣CO2匯，CO2通量隨著混合層深度的加深而逐漸升高。從S1,P2,PN斷面可以看出(圖7b)，中部受淡水輸入影響，海水穩(wěn)定性較強(qiáng)，混合較弱，2006-10為CO2匯，并且隨混合層深度加深CO2匯逐漸增強(qiáng)，這可能與該區(qū)域浮游植物、海水化學(xué)性質(zhì)以及該區(qū)域不同來源水團(tuán)CO2含量不同等有關(guān)，這也需要對(duì)底層海水的來源及變化做進(jìn)一步研究[33]。東海南部9月份受混合層深度最為明顯，且由于混合層深度較深，表現(xiàn)為CO2源。由此可以認(rèn)為，水體垂直混合是引起東海及黃海南部海域秋季源/匯變化的一個(gè)重要因素。

圖7 混合層深度(MLD)與海表pCO2、FCO2關(guān)系Fig.7 Relationship between mixed layer depth and pCO2 and FCO2

為進(jìn)一步分析東海及黃海南部海域海-氣CO2通量季節(jié)性變化，對(duì)3個(gè)區(qū)域不同季節(jié)海表pCO2及CO2通量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)(表2)。整個(gè)海域的3個(gè)局部區(qū)域，除秋季和黃海南部夏季為大氣CO2源外，其他區(qū)域在春季和夏季均表現(xiàn)為大氣CO2匯。黃海南部主要受長江沖淡水(夏季最強(qiáng))、黃海暖流(冬季最強(qiáng))、黃海沿岸流(冬季)以及底層水涌升的影響，海水表層pCO2波動(dòng)較大，總體上，春季為大氣CO2匯，夏季、冬季為大氣CO2源。東海近岸區(qū)則由于大量富含無機(jī)物淡水的輸入，再加上近岸海水混合阻礙了光合作用，導(dǎo)致該區(qū)域呈現(xiàn)為大氣CO2源，并且源區(qū)面積同淡水輸入量呈正比。另外，由于生物作用及溫躍層的影響，東海部陸架區(qū)，冬季、春季、夏季表現(xiàn)為大氣CO2匯。秋季則由于海水混合導(dǎo)致底層富集的CO2上涌，造成表層pCO2升高，表現(xiàn)為CO2源。東海南部則受臺(tái)灣暖流和沿岸流季節(jié)性變化影響，該海域CO2通量分布也呈現(xiàn)出季節(jié)性變化。

從不同月份海-氣CO2通量變化上可以看出，夏季海-氣CO2通量變化比較平穩(wěn)，而春季和秋季CO2通量波動(dòng)較大。從春季到夏季，CO2匯逐漸增強(qiáng)；從夏季到秋季由于海水混合的影響，整個(gè)海域逐漸由大氣CO2匯轉(zhuǎn)化為CO2源，并且在9月份達(dá)到最高，這可能是由于春季、夏季CO2在底層積累量的變化有關(guān)?？梢灶A(yù)見，冬季該海域大部分區(qū)域?qū)⒊尸F(xiàn)為弱源，這也與冬季海水混合加強(qiáng)、生物作用減弱、溫度降低表層pCO2溶解度增大等因素有關(guān)。這些均與翟惟東[9-10]以及張龍軍等[14]的研究結(jié)果相近，但是從年際變化上看，同一區(qū)域不同年份，春季CO2匯呈減弱趨勢(shì)，秋季CO2匯呈逐漸減弱甚至變?yōu)樵吹内厔?shì)。這可能是陸源污染物使水體富營養(yǎng)化、海表升溫等因素導(dǎo)致。

表2 東海及黃海南部海域CO2通量Table 2 CO2 flux in the East China Sea and the South Yellow Sea

需要引起重視的是，陸架邊緣海復(fù)雜的物理、生物和化學(xué)過程，使得不同年份觀測(cè)的水文、氣象要素間存在著較大差異，這也必然導(dǎo)致不同年份的海-氣CO2通量有一定的波動(dòng)。因此需要我們得到覆蓋范圍更大、精確度更高、時(shí)間尺度更長的CO2參數(shù)來深入研究控制碳循環(huán)的關(guān)鍵生物地球化學(xué)過程[34]。

3 結(jié) 論

依據(jù)東海及黃海南部海域海水表層pCO2走航觀測(cè)結(jié)果，并結(jié)合同步獲取的溫度、鹽度等參數(shù)，對(duì)該海域海-氣CO2通量影響因素進(jìn)行分析。研究結(jié)果表明，近岸河口區(qū)受陸地徑流量季節(jié)性變化和咸淡水混合的影響，總體上表現(xiàn)為大氣CO2源，并且隨徑流量增大，CO2源面積也逐漸擴(kuò)大。春季黃海南部、東海中部及南部海域則由于海水混合較弱，適宜的海水溫度再加上沿岸流營養(yǎng)物的輸入促使光合作用增強(qiáng)，因而整個(gè)海域表現(xiàn)為大氣CO2匯，分別為(-7.77±6.59)，(-11.08±8.99)，(-2.94±6.78) mmol·m-2·d-1。夏季除黃海南部底層富含CO2海水上涌為大氣CO2源，其他區(qū)域均為大氣CO2匯，這主要是由于淡水的輸入使海水穩(wěn)定性增強(qiáng)，生物活動(dòng)產(chǎn)生的CO2因躍層的作用在海底富集，海水表層pCO2較低，大部分海區(qū)為大氣CO2匯。并且通過走航和站位數(shù)據(jù)的分析，秋季由于海表溫度降低、季風(fēng)加強(qiáng)等因素導(dǎo)致該區(qū)域總體上呈現(xiàn)為大氣CO2源，平均通量為(1.31±5.87) mmol·m-2·d-1。而水體垂直混合是引起長江口及其鄰近海域秋季源/匯變化的一個(gè)重要因素。

由于陸架邊緣海物理、化學(xué)、生物過程較為復(fù)雜，致使陸架邊緣碳通量及其控制因素出現(xiàn)不確定性問題。而用于碳收支估算的直接觀測(cè)數(shù)據(jù)往往非常有限。僅僅通過時(shí)空覆蓋度都很局限的斷面調(diào)查來研究近海海域CO2海-氣通量的季節(jié)分布，并進(jìn)而估計(jì)其年度凈通量，可能存在偏歧。因此需要在對(duì)區(qū)域源/匯格局及其影響因素初步認(rèn)識(shí)的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步研究物理、化學(xué)、生物過程對(duì)海-氣CO2通量的影響。把握該海區(qū)CO2海-氣通量調(diào)控機(jī)制，為未來實(shí)現(xiàn)通過數(shù)值模擬以及遙感等技術(shù)進(jìn)行大面、精確、實(shí)時(shí)CO2觀測(cè)、模擬提供可能，也為今后研究陸架邊緣海在全球氣候變化中的作用提供研究基礎(chǔ)。

致謝：廈門大學(xué)及國家海洋監(jiān)測(cè)中心提供CO2相關(guān)數(shù)據(jù)，美國遙感系統(tǒng)(RSS)提供部分風(fēng)速數(shù)據(jù)下載，國家海洋局第二研究所許建平研究員對(duì)本文提出了寶貴意見！

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Received: December 7, 2015

Seasonal Variability of Shipboard Air-Sea CO2Flux in the East China Sea and South Yellow Sea

HU Deng-hui1,2,GAO Guo-ping1,2,ZHAI Wei-dong3,ZHANG Chun-ling1,2

(1.CollegeofMarineSciences,ShanghaiOceanUniversity, Shanghai 201306, China; 2.KeyLaboratoryofSustainableExploitationofOceanicFisheriesResources,MinistryofEducation, Shanghai 201306, China; 3.NationalMarineEnvironmentalMonitoringCenter, Dalian 116023, China)

Seasonal variability of sea surfacepCO2and air-sea CO2flux and relationship among air-sea CO2transfer, sea surface temperature and salinity are analyzed using field observation data from 2003 to 2008 in Yangtze estuary and adjacent sea area. Results show that the sea surfacepCO2and air-sea CO2have significant seasonal variations. The South Yellow Sea, the offshore area and middle continental shelf of the East China Sea, the South East China Sea all demonstrate atmospheric CO2convergence in spring due to the rising sea surface temperature and strengthening biological action, and their seasonal averaged air-sea CO2flux is(-7.77±6.59)，(-11.08±8.99) and(-2.94±6.78)(mmol·m-2·d-1), respectively. While, in summer, the South Yellow Sea is a CO2source(2.99±6.09)(mmol·m-2·d-1) due to weaker upwelling, and the offshore area and middle continental shelf of the East China sea(-4.81±8.92)(mmol·m-2·d-1), the South East China Sea(-0.75±12.14)(mmol·m-2·d-1) are atmospheric CO2convergence zones, because thermocline is formed when fresh water input blocks water mixing, coupled with enhancement of photosynthesis. In autumn, due to enhanced northerly winds and increasing water mixing as well as upwelling of CO2-rich sea water which increases sea surfacepCO2, the entire sea area becomes an atmospheric CO2source. In summary, carbon convergence presents a weakening trend in spring but a gradual increasing trend in autumn.

air-sea CO2flux;pCO2; seasonal variability; factors

2015-12-07

上海市科委重點(diǎn)支撐項(xiàng)目——典型海域海-氣CO2通量分析系統(tǒng)研制及應(yīng)用示范(13230502000)

胡登輝(1990-)，男，湖北黃岡人，碩士研究生，主要從事海-氣CO2交換方面研究.E-mail:hudh_shou@163.com

*通信作者：高郭平(1972-)，男，江蘇泰州人，博士，教授，主要從事海洋觀測(cè)、海洋動(dòng)力學(xué)方面研究.E-mail：gpgao@shou.edu.cn

P734

A

1671-6647(2016)04-0474-12

10.3969/j.issn.1671-6647.2016.04.003