大風(fēng)事件對長江口及鄰近海域海-氣CO2通量的影響

苗燕熠，王 斌*，李德望，金海燕，江志兵，馬 曉，于培松，陳建芳*，王俊洋

(1.自然資源部 海洋生態(tài)系統(tǒng)動力學(xué)重點實驗室，浙江 杭州 310012；2.衛(wèi)星海洋環(huán)境動力學(xué)國家重點實驗室，浙江 杭州310012；3.自然資源部 第二海洋研究所，浙江 杭州 310012)

0 引言

陸架邊緣海是大氣二氧化碳(CO2)重要的匯，其面積僅占全球海洋面積的約7%，而其從大氣吸收的CO2通量相當(dāng)于開闊大洋吸收量的25%[1-4]。長江口及鄰近東海海域作為典型的河流主控型邊緣海，是全球河口碳循環(huán)研究的熱點區(qū)域之一。

受復(fù)雜的水動力及生物過程等多種因素的影響，長江口及鄰近東海海域CO2通量估算存在較大空間及季節(jié)差異。高pCO2的長江徑流匯入東海的同時貢獻(xiàn)了大量營養(yǎng)鹽，導(dǎo)致浮游植物藻華，消耗大量溶解無機(jī)碳(DIC)，導(dǎo)致海表pCO2降低[5]。高溫、高鹽的黑潮次表層水入侵東海陸架并與沿岸水發(fā)生物質(zhì)交換和遷移[6]，也會影響海水pCO2的變化。此外，黃海冷水團(tuán)、臺灣暖流、臺灣海峽水及蘇北沿岸流等之間的物理混合以及隨之發(fā)生的生物地球化學(xué)過程使長江口及東海pCO2的分布及海-氣CO2通量的估算存在較大的時空差異。以往的研究普遍認(rèn)為長江口口門內(nèi)是大氣CO2的源，口門外及東海陸架海域是大氣CO2的匯[7-8]。

臺風(fēng)、寒潮等是長江口及東海陸架海域較普遍存在的短時間尺度天氣事件，對該海域的動力過程和生物地球化學(xué)過程都有重要影響[9]。強(qiáng)風(fēng)加劇該區(qū)域水團(tuán)的垂直混合，使高DIC、高營養(yǎng)鹽質(zhì)量濃度的深層水到達(dá)表層[10-12]。高DIC水團(tuán)的上升使海表pCO2升高，導(dǎo)致局部水域成為大氣CO2的源，同時營養(yǎng)鹽的補(bǔ)充促進(jìn)浮游植物光合作用，消耗DIC抵消部分pCO2升高[13-14]。由于極端天氣影響下海況復(fù)雜，通常較難開展現(xiàn)場觀測，相關(guān)實測資料非常有限。本文分析了2017年夏季長江口及鄰近海域pCO2的分布特征，并利用一次大風(fēng)前后同一斷面的重復(fù)觀測數(shù)據(jù)，討論大風(fēng)事件對長江口海-氣CO2通量的影響，為認(rèn)識短時間尺度天氣事件影響陸架邊緣海海-氣CO2通量提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 站位

長江口及鄰近海域主要受長江沖淡水、臺灣暖流和黑潮水等影響(圖1a)。夏季，長江徑流量增大，受偏南季風(fēng)作用，沖淡水進(jìn)入東海后轉(zhuǎn)向NE或E方向[15]；黑潮次表層水涌升最為顯著，表層出現(xiàn)冷水中心現(xiàn)象[16-17]。此外，該海域為亞熱帶季風(fēng)區(qū)，除了受水團(tuán)影響外，夏季臺風(fēng)等天氣事件也會影響水體的混合程度。

2017年8月23日至9月6日，搭載“潤江一號”考察船對長江口及鄰近海域表層海水的pCO2進(jìn)行走航觀測(圖1b)，共包括9條斷面，67個大面站，其中j斷面重復(fù)觀測1次，同步測得溫度、鹽度、溶解氧(DO)等參數(shù)。8月29日，調(diào)查海域風(fēng)速開始增大，8月31日風(fēng)速達(dá)到最大，距海平面10 m處風(fēng)速為9.7±0.3 m·s-1(圖1b)，9月2號風(fēng)速降低至8.1±0.2 m·s-1。分別于8月28日(大風(fēng)前)和9月2日(大風(fēng)后)，對j斷面進(jìn)行了重復(fù)觀測，研究大風(fēng)事件對表層海水pCO2及海-氣CO2通量變化的影響。

圖1 夏季影響長江口的主要水團(tuán)示意圖和采樣站位(a) 以及W1～W4站位距海平面10 m的風(fēng)速變化(b)Fig.1 The main current in the Changjiang Estuary and sampling stations(a) and the wind speed for W1-W4 stations(b) (圖a中的紅色線為j斷面pCO2走航記錄，粉色線代表航跡， 黑色十字為j斷面采水站位，藍(lán)色星號表示風(fēng)速記錄點。圖c數(shù)據(jù)源自網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫http://apdrc.soest.hawaii.edu/erddap/ griddap/hawaii_soest_1048_cc9f_bdaa.html。) (InFig.a, the red line represents survey track of section j; the pink lines represent survey track; black crosses show the water sampling stations for section j; blue asterisks reprsent wind stations near section j. Data ofFig.c collected from http://apdrc.soest.hawaii.edu/erddap /griddap/hawaii_soest_1048_cc9f_bdaa.html.)

1.2 樣品采集與分析

海水pCO2數(shù)據(jù)通過pCO2走航系統(tǒng) (Apollo Scientech的AS-P2)測定。走航過程中，通過水管連接潛水泵抽取表層海水(水下2 m)至船上實驗室的pCO2走航儀器。水樣經(jīng)采樣系統(tǒng)初步過濾后進(jìn)入水汽平衡器，利用水汽平衡-非分散紅外檢測方法對水體pCO2和大氣pCO2進(jìn)行連續(xù)觀測[18-19]。觀測過程中用CO2標(biāo)準(zhǔn)氣(298，501，997 μmol/mol，國家標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)中心)的儀器進(jìn)行定時校正。測得的pCO2進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)氣校準(zhǔn)及壓力、水汽和溫度校正得到海表原位的CO2分壓值pCO2 sea[20-21]。大氣pCO2數(shù)據(jù)選取周平均值404 μatm，該數(shù)值為美國國家海洋和大氣管理局(NOAA)公布的夏威夷莫納羅亞天文臺(Mauna Loa Observatory, Hawaii)2017年8月27日—9月2日的周平均大氣pCO2值(ftp://aftp.cmdl.noaa.gov/products/trends/CO2/CO2_weekly_mlo.txt)。

為了便于討論其他因素對海表pCO2的影響，需去除溫度對pCO2的影響，npCO2是將pCO2歸一化到大風(fēng)之前海表平均溫度(同一溫度)，方法為

npCO2=pCO2×exp[0.042 3×(Ti-Tave)]

(1)

其中：Ti為海表實測溫度，Tave為大風(fēng)之前海表平均溫度。

表層海水樣品由隨CTD一同下放的5L-Niskin采水瓶采集。DO質(zhì)量濃度用Winkler滴定法[22]測定，現(xiàn)場采集水樣后用氯化錳和堿性碘化鉀固定，避光靜置1 h，用自動電位滴定儀(T50, Mettler, Toledo)進(jìn)行現(xiàn)場滴定，精確度為±1 μmol/L。

1.3 海-氣界面CO2通量估算

海-氣界面CO2通量用海-氣分壓差法[23-25]計算，公式如下：

F=k×α×ΔpCO2

(2)

其中：F為海-氣界面CO2通量，F(xiàn)>0表示海水向大氣釋放CO2，反之則表示海水從大氣吸收CO2；k為CO2的氣體交換速率；α為CO2在海水中的溶解度；ΔpCO2為海-氣界面二氧化碳分壓差(即pCO2 sea-pCO2 air)。

氣體交換速率采用WANNINKHOF[26]短期風(fēng)速作用下的經(jīng)驗公式：

k=0.31×u2×(Sc/660)-1/2

(3)

其中：u為距海平面10 m處風(fēng)速；Sc為一定溫度下海水的Schmidt數(shù)，20 ℃海水的Schmidt數(shù)為660。

2 結(jié)果

2.1 長江口及鄰近海域pCO2和DO的分布

調(diào)查期間，長江口及鄰近海域表層海水的pCO2為145～929 μatm(圖2)，總體呈現(xiàn)近岸高、遠(yuǎn)岸低的分布特點。122.5°E以西海域海表pCO2值均高于大氣pCO2值，122.5°E以東海域則普遍低于大氣pCO2值。pCO2最高值出現(xiàn)在長江口口門及杭州灣附近，平均值為628±119 μatm；低值區(qū)出現(xiàn)在舟山群島附近海域，沿著123°E呈南北向條帶狀分布(29.5°N—31.5°N，122.5°E—123.0°E)，pCO2平均值為215±32 μatm，該區(qū)域?qū)?yīng)的DO飽和度大于135%。其中，pCO2最低值僅145 μatm，該站位對應(yīng)DO的飽和度最高達(dá)186%。

圖2 長江口及鄰近海域海表走航pCO2分布Fig.2 Distributions of sea surface pCO2 during the underway survey in the Changjiang Estuary and its adjacent sea areas

2.2 大風(fēng)前j斷面海表pCO2、溫度、鹽度和DO的分布

由于j斷面pCO2的分布和海-氣CO2通量表現(xiàn)出明顯的空間差異，將該斷面分成3個區(qū)域討論，區(qū)域Ⅰ：122.3°E以西(近岸)；區(qū)域Ⅱ：122.3°E—122.5°E(過渡區(qū))；區(qū)域Ⅲ：122.5°E以東(遠(yuǎn)岸)，具體位置見圖1a。

總體而言，大風(fēng)前研究海域海表溫度較高，j斷面溫度在27.5～28.9 ℃之間，鹽度在24.6～30.3之間，海表pCO2為178～450 μatm (圖3)，基本小于大氣pCO2，表現(xiàn)為大氣CO2的匯區(qū)。3個區(qū)域的pCO2呈現(xiàn)出明顯的空間差異，區(qū)域Ⅰ、Ⅱ(122.5°E以西)鹽度較高，海水pCO2與大氣pCO2值基本平衡或略低。區(qū)域Ⅲ鹽度較低，海水pCO2均顯著低于大氣pCO2。在j4站出現(xiàn)鹽度最低值(24.6)，pCO2最小值(145 μatm)，以及DO飽和度最大值(135%)。

2.3 大風(fēng)后j斷面海表pCO2、溫度和鹽度的分布

大風(fēng)后j斷面海表溫度顯著下降(25.3～27.0 ℃)，鹽度均升高至31.5左右，pCO2增加，其值為268～812 μatm，空間差異明顯。其中，區(qū)域Ⅰ、Ⅱ(122.5°E以西)pCO2高于區(qū)域Ⅲ，并且顯著高于大氣pCO2值，最高值達(dá)到了812 μatm。區(qū)域Ⅲ的海表溫度降低，鹽度升高，但海表pCO2的變化相對較小，仍低于大氣pCO2值，其中j4站鹽度最低值消失，pCO2最小值亦消失(圖3)。

圖3 大風(fēng)前后j斷面海表npCO2、溫度及鹽度的分布Fig.3 Distributions of sea surface npCO2, temperature and salinity for section j before and after the wind event

3 討論

3.1 風(fēng)混合對表層海水npCO2分布的影響

在舟山群島附近海域和大風(fēng)前的j斷面，均存在低pCO2站位與DO高飽和站位重合的現(xiàn)象(圖3，圖5)，表明在這些站位可能存在浮游植物大量生長消耗DIC導(dǎo)致pCO2降低的現(xiàn)象，這與ZHAI et al[27]在該海域的研究結(jié)果一致。同時，j斷面表層npCO2與鹽度呈良好的正相關(guān)性(r=0.88，p<0.01，圖4)，尤其是區(qū)域Ⅲ，相關(guān)性達(dá)0.94(p<0.01)，表明該海域pCO2主要受到了長江沖淡水等水團(tuán)混合的影響。

圖4 j斷面海表npCO2與鹽度的關(guān)系Fig.4 Sea surface npCO2 vs. salinity in the surface water of section j [紅色點表示大風(fēng)前(2017-08-28)，黑色點代表 大風(fēng)后(2017-09-02)。三角形、加號和圓圈分別代表3個區(qū)域。] [The red data show their relationship before the wind event (28 Aug.， 2017); the black data show their relationship after the wind event (2 Sept.， 2017). The triangle, cross and circles represent area Ⅰ, Ⅱ, Ⅲ respectively.]

圖5 大風(fēng)前后 j斷面各站位海表DO飽和度Fig.5 Distributions of sea surface DO for section j before and after the wind event (大風(fēng)前j5站位DO值來自SBE-917 CTD數(shù)據(jù)。) (The sea surface DO data at j5 station before the wind was collected from SBE-917 CTD.)

不同區(qū)域海水npCO2的增幅不同，其中區(qū)域III增幅小于區(qū)域I、Ⅱ。大風(fēng)前后海水npCO2變化可能受深層水補(bǔ)充及大風(fēng)后表層藻華過程的共同影響。區(qū)域III水深較區(qū)域I和Ⅱ深，當(dāng)垂直混合強(qiáng)度較小時，深層高DIC水可能未能被帶到表層，導(dǎo)致其表層pCO2的增幅較低。另外大風(fēng)后區(qū)域III的DO飽和度較高(圖5，j4～j6：DO%>98%)，表明該區(qū)域的浮游植物生長旺盛，而浮游植物對DIC的大量消耗，削弱了其海表pCO2的增加。

綜上所述，浮游植物生長及水團(tuán)的混合導(dǎo)致研究海域表層海水pCO2整體較低，而大風(fēng)過程加強(qiáng)了海域垂直混合，將高DIC的深層水帶至表層，導(dǎo)致pCO2增加，但大風(fēng)后的浮游植物生長也會使海表pCO2降低。兩個過程的相對貢獻(xiàn)最終決定海表pCO2變化的凈效應(yīng)。

3.2 CO2源、匯格局及受大風(fēng)事件的影響

大風(fēng)前長江口及鄰近海域的ΔpCO2(pCO2 sea-pCO2 air)基本為負(fù)值，與前人研究結(jié)果(表1)基本一致，表明長江口及鄰近海域整體表現(xiàn)為大氣CO2的匯。不同航次ΔpCO2結(jié)果各不相同，同一航次ΔpCO2的空間差異也非常大。GUO et al[28]于2007年和2008年對東海的調(diào)查結(jié)果表明，兩個年份的ΔpCO2變化較大，相應(yīng)的海-氣CO2通量也存在明顯差異(表1)。另外，盡管長江口海域整體表現(xiàn)為大氣CO2的匯，但空間分布并不均一，尤其是長江口近岸海域，有時也表現(xiàn)為大氣CO2的源[29]，這與區(qū)域I的結(jié)果一致(圖6)，大風(fēng)后該海域大氣CO2源的作用增強(qiáng)，從0.2±1.9變?yōu)?5.0±12.4 mmol·m-2·d-1，增幅較大。

在ΔpCO2值接近的情況下，風(fēng)速越大，海-氣CO2通量絕對值也越大，即碳源或碳匯的作用越強(qiáng)。2003年KIM et al[30]和ZHAI et al[27]兩個夏季航次研究表明，盡管ΔpCO2值相近，當(dāng)風(fēng)速增大時，海-氣CO2通量絕對值成倍增加，即海域作為碳匯的作用增強(qiáng)(表1)。本研究中區(qū)域Ⅲ也有類似情況，大風(fēng)后該海域ΔpCO2數(shù)值減小，但受風(fēng)速影響碳匯作用反而略有增強(qiáng)，從-12.7±2.3增至-16.8±2.5 mmol·m-2·d-1。

圖6 j斷面海-氣CO2通量Fig.6 Air-sea CO2 flux for section j

臺風(fēng)、冷空氣等短時間尺度天氣事件的發(fā)生，直接影響ΔpCO2，同時，風(fēng)速增加放大了CO2的源匯效應(yīng)。東海位于東亞強(qiáng)季風(fēng)區(qū)，夏季臺風(fēng)頻發(fā)，1961年—2004年每年平均過境臺風(fēng)約3.6個，最大風(fēng)速可達(dá)37.9 m·s-1[31]。如果忽略臺風(fēng)、冷空氣等強(qiáng)對流天氣事件，可能會增大夏季該海域CO2源匯估算誤差[32]。因此，獲取高時空分辨率的pCO2資料，對準(zhǔn)確估算陸架邊緣海的海-氣CO2通量非常重要。

表1 夏季長江口及鄰近海域CO2分壓差及海-氣CO2通量比較Tab.1 Comparison of ΔpCO2 and air-sea CO2 flux in the Changjiang Estuary and the adjacent sea areas in summer

4 結(jié)論

依托2017年8月23日—2017年9月6日在長江口及鄰近海域獲取的連續(xù)走航數(shù)據(jù)和大風(fēng)影響前后重復(fù)斷面的觀測數(shù)據(jù)，分析該海域的pCO2分布特征，并討論了大風(fēng)事件對海-氣CO2通量的影響。主要結(jié)論包括：

(1)長江口及鄰近海域海表pCO2值在145～929 μatm之間，總體呈近岸高遠(yuǎn)岸低的分布特征，其中最高值分布在長江口及杭州灣附近。

(2)大風(fēng)事件加強(qiáng)海域垂直混合，將高DIC陸架深層水帶至表層，海表整體pCO2增加，深層水的補(bǔ)充程度以及隨后浮游植物的生長狀況都會導(dǎo)致海表pCO2變化。

(3)不同區(qū)域，受大風(fēng)影響海-氣CO2通量變化不同，近岸海域大氣CO2源的作用增強(qiáng)，且增幅較大(CO2通量從0.2±1.9變?yōu)?5.0±12.4 mmol·m-2·d-1)；而遠(yuǎn)岸區(qū)域碳匯作用略有增強(qiáng)(CO2通量從-12.7±2.3變?yōu)?16.8±2.5 mmol·m-2·d-1)。

致謝感謝“潤江一號”全體船員在航次期間的幫助，感謝季仲強(qiáng)、張?zhí)鞓E、孫翔宇和姚華波在樣品采集過程中的幫助。感謝鄭旻輝高級工程師在傳感器校準(zhǔn)方面給予的支持和幫助。