海-氣界面氣體交換速率和全球海洋CO2通量的初步研究*

董原旭， 趙棟梁， 鄒仲水

(中國(guó)海洋大學(xué)物理海洋實(shí)驗(yàn)室，山東 青島 266100)

海-氣界面氣體交換速率和全球海洋CO2通量的初步研究*

董原旭， 趙棟梁**， 鄒仲水

(中國(guó)海洋大學(xué)物理海洋實(shí)驗(yàn)室，山東 青島 266100)

在全球氣候變暖的背景下，準(zhǔn)確估計(jì)海-氣界面CO2通量顯得非常重要。海-氣界面CO2通量通常利用塊體公式，由氣體交換速率與大氣和海洋的CO2分壓差(ΔpCO2)的乘積來(lái)計(jì)算。影響氣體交換速率的因素很多，但一般經(jīng)驗(yàn)性地與風(fēng)速相聯(lián)系，其測(cè)量方法通常有物質(zhì)平衡法和渦相關(guān)法，后者給出的結(jié)果比前者大?；谇叭说膬深愑^測(cè)數(shù)據(jù)，提出了一個(gè)以風(fēng)速為函數(shù)的氣體交換速率新方案。在此基礎(chǔ)上，基于最新的SOCATv2(Surface Ocean CO2Atlas version 2)的ΔpCO2數(shù)據(jù)集，計(jì)算了1982—2011年海洋對(duì)CO2的凈吸收量及其年變化，發(fā)現(xiàn)2001年海洋凈吸收量存在一個(gè)最小值，2001年之后，海洋凈吸收量迅速增加，而這一年變化特征主要由ΔpCO2的年變化特征所決定，風(fēng)速的影響可以忽略。

氣體交換速率；風(fēng)速；海洋凈吸收量；海-氣界面CO2通量；塊體公式

人類每年向大氣釋放約65億噸CO2，使得大氣中的CO2濃度不斷增加，溫室效應(yīng)不斷增強(qiáng)，造成全球氣候變暖；海洋可吸收30%～40%人類排放到大氣中的CO2，并通過(guò)海洋生物地球化學(xué)循環(huán)過(guò)程貯存于海洋內(nèi)部[1]。因此，海-氣界面CO2交換對(duì)全球碳循環(huán)和全球氣候的變化十分重要。

海-氣界面CO2通量常通過(guò)塊體方法進(jìn)行估算，塊體參數(shù)化公式為[2]：

F=sSc-nk(pCO2w-pCO2a)。

式中：F為CO2通量；k為CO2氣體交換速率；s為CO2在海水中的溶解度；pCO2w-pCO2a為CO2在海洋和大氣中的分壓差(ΔpCO2)；Sc為施密特?cái)?shù)，定義為：Sc=ν/D。其中：ν為運(yùn)動(dòng)黏滯系數(shù)；D為分子擴(kuò)散系數(shù)；Sc的大小與氣體的種類有關(guān)，也與溫度和鹽度有關(guān)，如果不考慮海水溫度變化，通常用海溫20 ℃時(shí)Sc=660來(lái)代替CO2的施密特?cái)?shù)；指數(shù)n的大小主要與表面湍流狀況有關(guān)，對(duì)于光滑的海面，n通常取2/3[3]，當(dāng)海面因?yàn)椴ɡ俗兊么植跁r(shí)，n通常取1/2[4]。

其中ΔpCO2和s的測(cè)量和參數(shù)化都有非常成熟的方法和方案，但是氣體交換速率的測(cè)量和參數(shù)化目前仍存在著很大的問(wèn)題。氣體交換速率可以通過(guò)物質(zhì)平衡法(mass balance techniques)測(cè)量得到，但是物質(zhì)平衡法測(cè)量的氣體交換速率通常是一個(gè)較長(zhǎng)時(shí)間的平均量，應(yīng)用到具體通量的計(jì)算時(shí)會(huì)產(chǎn)生一定的誤差[1]；渦相關(guān)法(eddy correlation technique)是一種基于通量的定義直接測(cè)量氣體湍流通量的方法，但是相關(guān)研究表明，渦相關(guān)法測(cè)量的海-氣界面CO2通量比物質(zhì)平衡法的測(cè)量結(jié)果大1～2個(gè)量級(jí)[5-6]，所以目前還存在比較大的爭(zhēng)議。

由于海-氣界面氣體交換在不同空間和時(shí)間尺度上的物理機(jī)制還不是很清楚，導(dǎo)致了氣體交換速率的參數(shù)化十分困難。風(fēng)浪槽實(shí)驗(yàn)表明，風(fēng)速是影響海-氣界面氣體交換的主要因素[7]，而且風(fēng)速易于測(cè)量，使用比較方便，所以海-氣界面氣體通量的計(jì)算幾乎都以風(fēng)速作為參數(shù)。但是風(fēng)速本身并不直接控制氣體交換，而是通過(guò)影響表面湍流間接影響氣體交換，海-氣邊界層的穩(wěn)定性、波浪破碎、氣泡、表面活性物質(zhì)、降雨等其它因素都能影響表面湍流過(guò)程[8-15]，所以只使用風(fēng)速對(duì)氣體交換速率進(jìn)行參數(shù)化是存在缺陷的。近些年，隨著高風(fēng)速下觀測(cè)數(shù)據(jù)的增多以及對(duì)波浪破碎研究的深入，越來(lái)越多的學(xué)者開(kāi)始考慮波浪對(duì)海-氣界面氣體交換的影響，但是對(duì)氣體交換速率進(jìn)行參數(shù)化時(shí)多數(shù)學(xué)者還是把波浪的影響歸結(jié)到風(fēng)速上，并假設(shè)波浪破碎控制下的海面氣體交換速率與風(fēng)速的立方成比例[16-18]。盡管氣體交換速率的參數(shù)化方案很多，但彼此之間的差異較大，所以存在很大的不確定性。氣體交換速率的不確定性限制了我們對(duì)全球或局部海域CO2通量的精確估計(jì)，降低了我們對(duì)未來(lái)大氣中CO2含量的預(yù)測(cè)能力。

本文簡(jiǎn)要總結(jié)了氣體交換速率的測(cè)量方法，并對(duì)兩種常用的測(cè)量方法的測(cè)量結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比；介紹了幾種典型的氣體交換速率的參數(shù)化方案，并提出了一種新的參數(shù)化方案，與前人不同的是，該方案是基于不同方法測(cè)量的氣體交換速率的數(shù)據(jù)提出的；在此基礎(chǔ)上，根據(jù)最新的海-氣界面ΔpCO2數(shù)據(jù)集計(jì)算了1982—2011年的全球海-氣界面CO2通量；分析了海洋對(duì)CO2凈吸收量的年變化特征及其產(chǎn)生原因。

1 測(cè)量方法

物質(zhì)平衡法是基于物質(zhì)守恒原理，測(cè)量由于海-氣界面氣體交換導(dǎo)致的海水中的氣體密度的變化，進(jìn)而計(jì)算氣體交換速率和氣體通量的方法，主要包括天然和核爆炸14C守恒法、222Rn失衡法、SF6示蹤法和雙氣體示蹤法(dual-tracer technique)等。其中雙氣體示蹤法是目前使用比較多的一種測(cè)量開(kāi)闊海域氣體交換速率的方法，該方法的空間尺度為幾十公里，時(shí)間尺度為幾天。Watson等[19]在北海南部沿岸海域首次使用SF6和3He兩種示蹤氣體測(cè)量了海-氣界面的氣體交換速率；Ho等[20]在開(kāi)闊的南大洋使用雙氣體示蹤法測(cè)量高風(fēng)速下(最高風(fēng)速達(dá)16 m·s-1)的氣體交換速率，測(cè)量結(jié)果清楚地顯示了氣體交換速率與風(fēng)速的平方函數(shù)關(guān)系。雙氣體示蹤法的主要缺陷是必須使用經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算絕對(duì)的氣體交換速率，這在一定程度上增加了計(jì)算結(jié)果的不確定性[21]。

海-氣界面氣體交換是一種十分迅速的湍流交換過(guò)程，而物質(zhì)平衡法測(cè)量氣體交換速率的時(shí)間尺度相對(duì)較長(zhǎng)，沒(méi)法從數(shù)學(xué)上分析控制氣體交換的復(fù)雜物理過(guò)程；另外物質(zhì)平衡法測(cè)量的氣體交換速率必須借助一些經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行不同氣體之間的轉(zhuǎn)化，而這些經(jīng)驗(yàn)公式又存在很大的不確定性。為了克服這兩方面的缺陷，人們提出了一種直接測(cè)量氣體湍流通量的方法，即渦相關(guān)法。

渦相關(guān)法是基于湍流通量的定義直接測(cè)量各物理量的湍流脈動(dòng)值，進(jìn)而計(jì)算氣體通量的一種微氣象學(xué)方法。渦相關(guān)法是陸地CO2通量的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量方法[22]，但是由于海洋和陸地環(huán)境的巨大差異，渦相關(guān)法應(yīng)用到海-氣界面氣體通量的觀測(cè)時(shí)仍存在著諸如船體運(yùn)動(dòng)、觀測(cè)平臺(tái)對(duì)氣流的撕裂、稀釋效應(yīng)、水汽的交叉感應(yīng)等問(wèn)題[23-26]。雖然人們對(duì)這些問(wèn)題提出了不同的校正方法，但是不少學(xué)者還是發(fā)現(xiàn)渦相關(guān)法測(cè)量的海-氣界面CO2通量比塊體方法(塊體公式中的氣體交換速率由物質(zhì)平衡法的測(cè)量結(jié)果得到)計(jì)算的CO2通量大1～2個(gè)量級(jí)[5-6, 27]。盡管如此，由于渦相關(guān)法測(cè)量通量的時(shí)間尺度比物質(zhì)平衡法測(cè)量氣體交換速率的時(shí)間尺度小得多，而且渦相關(guān)法不基于任何假設(shè)和經(jīng)驗(yàn)公式，所以理論上渦相關(guān)法仍然是測(cè)量海-氣界面CO2通量的最理想方法。

渦相關(guān)法測(cè)量的氣體通量代入塊體公式可得到氣體交換速率，為了比較物質(zhì)平衡法和渦相關(guān)測(cè)量的氣體交換速率的異同，本文收集了13篇文獻(xiàn)中的觀測(cè)數(shù)據(jù)[6, 16-21, 28-33]，共173個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，圖1呈現(xiàn)了這些數(shù)據(jù)點(diǎn)的分布，其中菱形、正方形、圓形和十字形點(diǎn)表示物質(zhì)平衡法測(cè)量的氣體交換速率，6種不同的三角形點(diǎn)為渦相關(guān)法測(cè)量的氣體交換速率。

(圖中菱形、正方形、圓形和十字形點(diǎn)表示物質(zhì)平衡法的測(cè)量結(jié)果，6種不同的三角形點(diǎn)表示渦相關(guān)法的測(cè)量結(jié)果。本文所有圖像中的氣體交換速率都是標(biāo)準(zhǔn)化為Sc= 660后的結(jié)果。The diamond、square、circle and plus are for the measurement results by mass balance techniques. The six different forms of trianges are for the measurement results by eddy correlation technique. In this paper, thegas transfer velocity in all pictures is normalized toSc= 660.)

圖1 氣體交換速率的測(cè)量數(shù)據(jù)

Fig.1 Measured values of thegas transfer velocity from several different articles

從圖1可以看出，渦相關(guān)法的觀測(cè)結(jié)果包含了很多風(fēng)速大于12 m·s-1的數(shù)據(jù)(占所收集的渦相關(guān)法測(cè)量數(shù)據(jù)的28%)，而物質(zhì)平衡法在此風(fēng)速范圍內(nèi)的觀測(cè)數(shù)據(jù)則很少(占所收集的物質(zhì)平衡法測(cè)量數(shù)據(jù)的9%)，這主要是由于渦相關(guān)法的測(cè)量試驗(yàn)多是在開(kāi)闊的大洋，而且該方法能夠在較短的時(shí)間內(nèi)捕捉到海-氣界面的氣體交換信息，而物質(zhì)平衡法則多是在近岸或湖中進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)且測(cè)量的時(shí)間尺度相對(duì)較長(zhǎng)。分別將這兩種方法測(cè)量的氣體交換速率按照1 m·s-1的風(fēng)速間隔進(jìn)行區(qū)間平均，結(jié)果如圖2所示。圖中空心正方形點(diǎn)表示物質(zhì)平衡法測(cè)量數(shù)據(jù)的平均結(jié)果，實(shí)心三角形點(diǎn)表示渦相關(guān)法測(cè)量數(shù)據(jù)的平均結(jié)果。從圖2可以看出渦相關(guān)法測(cè)量的氣體交換速率總體比物質(zhì)平衡法的測(cè)量結(jié)果大，但是并沒(méi)有量級(jí)的差異，而且這種差異主要體現(xiàn)在高風(fēng)速條件下。通過(guò)上面的介紹可以知道渦相關(guān)法是直接對(duì)CO2通量進(jìn)行測(cè)量，不涉及其它氣體；而物質(zhì)平衡法是先對(duì)一些諸如SF6、3He等示蹤氣體的交換速率進(jìn)行測(cè)量，然后再根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式轉(zhuǎn)化成CO2的氣體交換速率，涉及到了幾種不同的氣體；研究表明，低風(fēng)速下水側(cè)的分子擴(kuò)散和湍流對(duì)海-氣界面氣體交換起主要作用，高風(fēng)速下，通過(guò)波浪破碎產(chǎn)生的氣泡介質(zhì)進(jìn)行的交換會(huì)變得越來(lái)越重要，而通過(guò)氣泡介質(zhì)進(jìn)行交換的速率與氣體的種類有關(guān)[34]，所以這可能是造成高風(fēng)速下渦相關(guān)法比物質(zhì)平衡法的測(cè)量結(jié)果大的原因。

(區(qū)間平均的風(fēng)速間隔為1 m·s-1，誤差棒線表示平均數(shù)據(jù)點(diǎn)的標(biāo)準(zhǔn)差。圖中的空心正方形點(diǎn)表示物質(zhì)平衡法的測(cè)量結(jié)果，實(shí)心三角形點(diǎn)表示渦相關(guān)法的測(cè)量結(jié)果。The averages are computed from 1 m·s-1wind speed bins. The error bars represent the standard error about the mean. The open square is for the measurement results by mass balance techniques. The solid triangle is for the measurement results by eddy correlation technique.)

圖2 渦相關(guān)法和物質(zhì)平衡法測(cè)量的氣體交換速率區(qū)間平均后的數(shù)據(jù)

Fig.2 The bin-averaged values for the measurement results by eddy correlation technique and mass balance techniques

2 氣體交換速率參數(shù)化方案

2.1 典型的氣體交換速率參數(shù)化方案

Liss等[2]根據(jù)風(fēng)浪槽和湖中的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)提出了一種氣體交換速率與風(fēng)速的線性分段參數(shù)化方案。該方案根據(jù)海面以上10 m處風(fēng)速的大小將海面狀況分為三個(gè)階段：光滑段、粗糙段和波浪破碎段，每一個(gè)階段對(duì)應(yīng)一個(gè)不同的函數(shù)關(guān)系式，其具體表達(dá)式為：

(2)

其中：k600表示CO2在20℃淡水Sc=600時(shí)的氣體交換速率，單位為cm·h-1；風(fēng)速U10的單位為m·s-1，該參數(shù)化方案簡(jiǎn)稱為L(zhǎng)M86。

Wanninkhof等[7]根據(jù)風(fēng)浪槽實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合，得到了氣體交換速率與風(fēng)速的平方成正比的函數(shù)關(guān)系。Wanninkhof[35]利用全球天然和核爆炸14C數(shù)據(jù)和紅海核爆炸14C數(shù)據(jù)確定了系數(shù)，即：

(3)

該參數(shù)化方案簡(jiǎn)稱為WA92。

Nightingale等[21]在北海南部沿岸海域進(jìn)行雙氣體示蹤實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，氣體交換速率與風(fēng)速有十分明顯的相關(guān)關(guān)系。利用觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，得到了氣體交換速率和風(fēng)速的函數(shù)關(guān)系式：

(4)

該參數(shù)化方案簡(jiǎn)稱為NI00。Ho等[20]使用雙氣體示蹤法在開(kāi)闊的南大洋進(jìn)行觀測(cè)實(shí)驗(yàn)，根據(jù)觀測(cè)數(shù)據(jù)提出的新的參數(shù)化公式與(4)式十分接近。

McGillis等[18]在北大西洋使用渦相關(guān)法測(cè)量海-氣界面CO2通量，然后利用塊體參數(shù)化公式(1)計(jì)算出了氣體交換速率，結(jié)果發(fā)現(xiàn)中低風(fēng)速下渦相關(guān)法的測(cè)量結(jié)果與(3)式的計(jì)算結(jié)果符合得很好，但是風(fēng)速大于12 m·s-1時(shí)，渦相關(guān)法的測(cè)量結(jié)果比(3)式的計(jì)算結(jié)果大。根據(jù)觀測(cè)數(shù)據(jù)并考慮波浪破碎對(duì)氣體交換速率的影響，他們提出了氣體交換速率與風(fēng)速的立方成比例的函數(shù)關(guān)系式：

(5)

該參數(shù)化方案簡(jiǎn)稱為MC01。

上面介紹的4種參數(shù)化方案是根據(jù)4種不同的測(cè)量方法得到的，圖3畫(huà)出了(2)、(3)、(4)、(5)4個(gè)參數(shù)化公式所表示的函數(shù)曲線。從圖3可以看出，在中低風(fēng)速下，4個(gè)公式所計(jì)算的氣體交換速率差別并不大，但是風(fēng)速大于12 m·s-1時(shí)，隨著風(fēng)速的增大4個(gè)公式所計(jì)算的氣體交換速率之間的差異越來(lái)越大。本文認(rèn)為出現(xiàn)這種差異的原因主要有兩個(gè)：第一與實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)的空間尺度有關(guān)。相關(guān)研究表明，實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)空間尺度的限制會(huì)在一定程度上抑制氣體交換速率的增加[35]。WA92是全球平均的結(jié)果，不在討論之列；LM86是根據(jù)湖中和風(fēng)浪槽中的實(shí)驗(yàn)結(jié)果所提出的，空間尺度最?。籒I00是根據(jù)沿岸海域的觀測(cè)數(shù)據(jù)得到的，空間尺度較大，而MC01是根據(jù)開(kāi)闊海域的觀測(cè)結(jié)果提出的，空間尺度最大。所以在高風(fēng)速下，就各種參數(shù)化方案計(jì)算的氣體交換速率來(lái)說(shuō)，MC01>NI00>LM86。第二與測(cè)量方法有關(guān)。根據(jù)第一部分的對(duì)比可知道，相同風(fēng)速下渦相關(guān)法測(cè)量的氣體交換速率比物質(zhì)平衡法的測(cè)量結(jié)果大，而且這種差異主要體現(xiàn)在高風(fēng)速下。MC01是根據(jù)渦相關(guān)法的觀測(cè)數(shù)據(jù)得到的，LM86、WA92、NI00都是根據(jù)物質(zhì)平衡法的測(cè)量結(jié)果得到的，所以高風(fēng)速下(5)式所表示的曲線位于其余三條曲線之上。另外WA92是根據(jù)全球海洋多年平均的觀測(cè)數(shù)據(jù)得出的，所以(3)式計(jì)算的氣體交換速率介于(2)式和(4)式的計(jì)算結(jié)果之間也是可以理解的。

(青色曲線表示Liss等[2]給出的參數(shù)化關(guān)系，紅色曲線表示W(wǎng)anninkhof[35]給出的參數(shù)化關(guān)系，綠色曲線表示Nightingale等[21]給出的參數(shù)化關(guān)系，藍(lán)色曲線表示Mc Gillis等[18]提出的參數(shù)化關(guān)系。The cyan line is the relationship suggested by Liss et al[2]. The ralationship of Wanninkhof[35]is indicated with a red line. The green line is the relationship ofNightingaleet al[21]. The blue line is from Mc Gillis et al[18].)

圖3 氣體交換速率與風(fēng)速的的典型參數(shù)化關(guān)系
Fig.3 The typical relationships between the gas transfer velocity and the wind speed

2.2 氣體交換速率新參數(shù)化方案

(6)

為了對(duì)比新參數(shù)化公式和前人提出的參數(shù)化公式之間的異同，本文在圖4中分別畫(huà)出了(2)、(3)、(5)、(6)4個(gè)參數(shù)化公式所表示的函數(shù)曲線。從圖4可以看出，整體上來(lái)說(shuō)新參數(shù)化關(guān)系曲線位于LM86參數(shù)化曲線的上方，這主要由于LM86參數(shù)化方案是根據(jù)空間尺度非常有限的風(fēng)浪槽和湖中的物質(zhì)平衡法的測(cè)量數(shù)據(jù)提出的，而這些數(shù)據(jù)與本文提到的其它實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)相比是較小的；風(fēng)速趨于零時(shí)，由于(5)、(6)兩式含有常數(shù)項(xiàng)，所以其計(jì)算的氣體交換速率比另外兩式的計(jì)算結(jié)果大；中低風(fēng)速下，本文所提出的新參數(shù)化曲線基本位于(3)、(5)兩式所表示的曲線下方，但是差別不大；當(dāng)風(fēng)速大于12 m·s-1時(shí)，新參數(shù)化曲線與MC01參數(shù)化曲線基本重合，位于WA92參數(shù)化曲線的上方，而且隨著風(fēng)速的增加，新參數(shù)化曲線與WA92參數(shù)化曲線之間的距離越來(lái)越大，這主要是由于隨著風(fēng)速的增大，指數(shù)N的作用越來(lái)越明顯。

表1 數(shù)據(jù)擬合結(jié)果Table 1 The coefficients obtained from fits to the measurement date

3 全球海洋CO2通量

在全球海-氣界面CO2通量的研究中，Bakker等[36]整合了超過(guò)1千萬(wàn)個(gè)觀測(cè)數(shù)據(jù)，時(shí)間跨度為1968—2011年，給出了SOCATv2數(shù)據(jù)集。Landschutzer等[37]對(duì)SOCATv2進(jìn)行了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)插值，得到了月平均1°×1°分辨率的格點(diǎn)數(shù)據(jù)集，該數(shù)據(jù)集包括全球海洋表面CO2分壓、CO2溶解度和大氣CO2分壓等數(shù)據(jù)，時(shí)間長(zhǎng)度為30年(1982—2011年)，圖5展示了根據(jù)該數(shù)據(jù)集計(jì)算的氣候態(tài)平均ΔpCO2的全球分布。

(空心圓點(diǎn)表示區(qū)間平均后的數(shù)據(jù)，區(qū)間平均的風(fēng)速間隔為1 m·s-1，誤差棒線表示平均數(shù)據(jù)點(diǎn)的標(biāo)準(zhǔn)差。青色曲線表示Liss等[2]給出的參數(shù)化關(guān)系，紅色曲線表示W(wǎng)anninkhof[35]給出的參數(shù)化關(guān)系，藍(lán)色曲線表示McGillis等[18]提出的參數(shù)化關(guān)系，品紅色曲線表示本文提出的新參數(shù)化關(guān)系。The open circle is for the bin-averaged valus. The averages are computed from 1 m·s-1wind speed bins. The error bars represent the standard error about the mean.The cyan line is the relationship suggested by Liss et al[2]. The ralationship of Wanninkhof[35]is indicated with a red line. The blue line is fromMcGillis et al[18].The magenta line is the new ralationship from this study.)

圖4 渦相關(guān)法和物質(zhì)平衡法測(cè)量的氣體交換速率的區(qū)間平均數(shù)據(jù)
Fig.4 The bin-averaged values for the all measurement resultsby eddy correlation technique and mass balance techniques

利用該數(shù)據(jù)集和ECMWF(European Centre for Medium-Range Weather Forecasts)提供的時(shí)間分辨率為1個(gè)月、空間分辨率為1°×1°的全球風(fēng)速數(shù)據(jù)[38]以及本文提出的新參數(shù)化公式(6)，對(duì)全球海-氣界面CO2通量密度進(jìn)行估算，估算結(jié)果如圖6所示。

結(jié)合圖5和6可以看出， CO2的源匯主要由ΔpCO2決定，且CO2在海洋中的源和匯具有很強(qiáng)的區(qū)域性。CO2的源區(qū)主要分布在熱帶海域，尤其是赤道東太平洋的上升流區(qū)和西北印度洋的索馬里海流流域；CO2的匯集中在太平洋、大西洋和印度洋的西風(fēng)帶海域，以及北大西洋的高緯度海區(qū)[39-40]。結(jié)合圖5和6還可以看出，CO2通量密度的大小主要由風(fēng)速?zèng)Q定。圖5表明，與赤道東太平洋相比，西北印度洋的ΔpCO2相對(duì)較小，但是從圖6可以看出，西北印度洋卻比赤道東太平洋的CO2通量密度大，這主要是由西北印度洋相對(duì)較大的風(fēng)速造成的；同樣，赤道東太平洋海域的ΔpCO2比南大洋西風(fēng)帶海區(qū)的ΔpCO2的絕對(duì)值要大，但是南大洋西風(fēng)帶海區(qū)的CO2通量密度的絕對(duì)值明顯比赤道東太平洋海域的CO2通量密度大，這主要也與西風(fēng)帶海區(qū)較大的風(fēng)速有關(guān)。

圖7為海-氣界面凈CO2通量(實(shí)線)和ΔpCO2(虛線)的年變化。從圖中可以看出，1982—1987年海洋對(duì)CO2的吸收量波動(dòng)增加，1987—2001年海洋對(duì)CO2的吸收量脈動(dòng)式減少，2001年凈吸收量達(dá)到最小值，之后開(kāi)始逐年迅速增大。

(該圖根據(jù)Landschutzer等[37]提供的1982—2011年的海-氣界面CO2分壓數(shù)據(jù)計(jì)算得到。正值表示海洋表面CO2分壓較大，負(fù)值表示大氣中的CO2分壓較大。The map is based on thesea-air CO2partial pressuredifferencesmeasurements obtained from 1982 to 2011 and provide by Landschutzer et al[37]. The positive values indicate the oceanCO2partial pressureis lager , and the negative values indicate the atmosphereCO2partial pressure is lager.)

圖5 氣候態(tài)平均CO2分壓差(uatm)的全球分布
Fig.5 Climatological mean values for sea-air CO2partial pressure differences(μatm)in the global ocean

(該圖根據(jù)1982—2011年的CO2分壓數(shù)據(jù)、全球風(fēng)速數(shù)據(jù)和氣體交換速率的新參數(shù)化公式(公式(6))計(jì)算得到，該圖計(jì)算的全球海-氣界面凈CO2通量為-1.60 Pg·a-1，正號(hào)表示海洋釋放CO2，負(fù)號(hào)表示海洋吸收CO2。The map is based on CO2partial pressure measurements and wind speed dates obtained from 1982 to 2011 and also the new ralationship (Eq.(6)). This yields a net global air-to-sea CO2flux of 1.60 Pg·a-1. The positive values indicate sea-to-air fluxes, and the negative valuesindicate air-to-sea fluxes.)

圖6 氣候態(tài)平均CO2通量密度(mol·m2·a-1)的全球分布

Fig.6 Climatological mean annual sea-air CO2flux (mol·m2·a-1) in the global ocean

(實(shí)線表示海-氣界面CO2凈通量(Pg·a-1)，對(duì)應(yīng)左邊的y坐標(biāo)軸；虛線表示海-氣界面CO2分壓差(uatm)，對(duì)應(yīng)右邊的y坐標(biāo)軸。The solid line is the net global sea-air CO2flux (Pg·a-1), and corresponding to the leftyaxis. The dash line is the sea-airpCO2differences (uatm) , and corresponding to the rightyaxis.)

圖7 海-氣界面CO2凈通量和CO2分壓差的年變化曲線

Fig 7 Annual change lines of the net global sea-air CO2flux and the the sea-airpCO2differences

同樣，利用1998—2011年的ΔpCO2數(shù)據(jù)，Landschutzer等[41]同樣發(fā)現(xiàn)2001年海洋對(duì)CO2的凈吸收量最小，約為-1.37 Pg·a-1，2011年最大，達(dá)到-2.58 Pg·a-1；Wanninkhof等[42]利用pCO2w、海表溫度和風(fēng)速數(shù)據(jù)估算了1990—2009年的海-氣界面CO2通量，基于pCO2w與海表溫度之間的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系來(lái)反映pCO2w的年變化，總體而言，他們發(fā)現(xiàn)海洋的凈吸收量有逐年增加的趨勢(shì)，但凈吸收量在2001年并不存在最小值。

圖7中的虛線代表平均ΔpCO2的年變化，可見(jiàn)與CO2通量的年變化趨勢(shì)非常吻合，說(shuō)明CO2通量的年變化主要由ΔpCO2的年變化引起，風(fēng)速的影響可以忽略。有研究認(rèn)為ΔpCO2的變化可能是由海洋上層翻轉(zhuǎn)流的變化引起的，DeVries等[43]分別對(duì)1980s、1990s、2000s的平均海洋環(huán)流進(jìn)行模擬量化，并評(píng)估了環(huán)流的年代際變化對(duì)海洋CO2匯的影響，發(fā)現(xiàn)1990s海洋上層翻轉(zhuǎn)環(huán)流的增強(qiáng)使得海洋向大氣釋放的CO2增多，從而造成了海洋對(duì)CO2凈吸收量的減少，而隨著2000s海洋上層翻轉(zhuǎn)環(huán)流的減弱，海洋對(duì)CO2凈吸收量呈現(xiàn)相反的變化趨勢(shì)。

4 結(jié)語(yǔ)

在基于塊體公式的海-氣界面氣體通量的估算中，氣體交換速率和ΔpCO2是兩個(gè)關(guān)鍵參量。氣體交換速率可以用物質(zhì)平衡法和渦相關(guān)法來(lái)確定，目前的觀測(cè)數(shù)據(jù)表明，在風(fēng)速較高的情況下，渦相關(guān)法測(cè)量的氣體交換速率比物質(zhì)平衡法的測(cè)量結(jié)果大。

盡管氣體交換速率與海面附近的湍流密切相關(guān)，影響的因素非常多，如波浪、降雨、化學(xué)增強(qiáng)效應(yīng)、海面活性物質(zhì)等，但為了簡(jiǎn)便，通常將氣體交換速率與風(fēng)速相聯(lián)系。根據(jù)收集到的兩種方法得到的觀測(cè)數(shù)據(jù)，提出了一個(gè)新的氣體交換速率參數(shù)化方案。

基于最新的SOCATv2給出的ΔpCO2數(shù)據(jù)，利用作者最新提出的氣體交換速率的參數(shù)化方案計(jì)算了1982—2011年的全球海洋對(duì)CO2的凈吸收量，氣候態(tài)平均量為-1.60 Pg·a-1，新參數(shù)化方案計(jì)算的結(jié)果與Mc Gillis等[18]的結(jié)果相近。研究結(jié)果表明，海洋凈吸收量存在顯著的年變化，一個(gè)非常顯著的特征是，2001年是海洋凈吸收量的最小值，2001年之前，海洋凈吸收量脈動(dòng)式減小，2001年之后，海洋凈吸收量迅速增加，到2011年已達(dá)到-2.86 Pg·a-1，而凈吸收量的年變化主要由ΔpCO2的變化引起。海洋對(duì)CO2吸收增加勢(shì)必對(duì)全球氣候變化產(chǎn)生影響，需要進(jìn)一步開(kāi)展深入研究。

致謝：本文所用風(fēng)速數(shù)據(jù)由European Centre for Medium-Range Weather Forecasts提供，CO2分壓數(shù)據(jù)集由Carbon Dioxide Information Analysis Center, OakRidge National Laboratory提供，作者對(duì)此表示誠(chéng)摯謝意。

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APreliminaryStudyonSea-AirGasTransferVelocityandGlobalOceanCO2Flux

DONG Yuan-Xun， ZHAO Dong-Liang, ZOU Zhong-Shui

(Physical Oceanography Laboratory, Ocean University of China, Qingdao 266100, China)

The accurate estimate of the sea-air CO2fluxes becomes more important on the context of global warming. It is usually adopted the bulk formula in which the gas transfer velocity and CO2partial pressure difference between sea and air (ΔpCO2)are needed. Although many factors influence on gas transfer velocity, it is traditionally related to wind speed only with empirical formula. Gas transfer velocity is usually determined by the substance equilibrium and eddy correlation methods. Based on the previous studies, it is found that gas transfer velocities by the former method are smaller than those by the latter method, and a new parameterization of gas transfer velocity as a function of wind speed is proposed. Applied the latest dada set of ΔpCO2called SOCAT v2 (Surface Ocean CO2Atlas version 2), the sea-air CO2fluxesand net uptakes by ocean from 1982 to 2011 are calculated. It is found that the net uptake by ocean has a minimum value in 2001, and increases quickly from 2001. Furthermore, this annual variability is mainly dominated by the feature of ΔpCO2, and the effect of wind speed can be ignored.

gas transfer velocity; wind speed; net uptake by ocean; sea-air CO2flux; bulk formula

P732.6

A

1672-5174(2017)12-001-08

責(zé)任編輯 龐 旻

10.16441/j.cnki.hdxb.20160389

董原旭，趙棟梁，鄒仲水.海-氣界面氣體交換速率和全球海洋CO2通量的初步研究[J].中國(guó)海洋大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2017, 47(12): 1-8.

DONG Yuan-Xu， ZHAO Dong-Liang, ZOU Zhong-Shui.A preliminary study on sea-air gas transfer velocity and global ocean CO2flux[J].Periodical of Ocean University of China, 2017, 47(12): 1-8.

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41276015)；海洋公益性行業(yè)科研專項(xiàng)(201505007)；教育部博士學(xué)科點(diǎn)專項(xiàng)科研基金項(xiàng)目(20120132110004)；國(guó)家基金委與山東海洋科學(xué)研究中心項(xiàng)目(U1406401)資助

Supported by the National Natural Science Foundation of China(41276015)；Public Science and Technology Research Funds Projects of Ocean(201505007)；Research Fund for the Doctoral Program of Chinese Ministry of Education(20120132110004)；National Natural Science Foundation of China and Shandong Marine Science Research Center(U1406401)

2016-11-23；

2017-05-10

董原旭(1993-)，男，碩士生。E-mail:dongyuanxu_ouc@163.com

** 通訊作者：E-mail: dlzhao@ouc.edu.cn