东海及黄海南部海域走航海-气CO2通量季节性变化*
2016-12-13胡登辉高郭平翟惟东张春玲
胡登辉,高郭平*,翟惟东,张春玲
(1.上海海洋大学 海洋科学学院,上海 201306;2.大洋渔业资源可持续开发省部共建教育部重点实验,上海 201306;3.国家海洋环境监测中心,辽宁 大连 116023)
东海及黄海南部海域走航海-气CO2通量季节性变化*
胡登辉1,2,高郭平1,2*,翟惟东3,张春玲1,2
(1.上海海洋大学 海洋科学学院,上海 201306;2.大洋渔业资源可持续开发省部共建教育部重点实验,上海 201306;3.国家海洋环境监测中心,辽宁 大连 116023)
根据2003—2008年东海及黄海南部海域多个航次现场观测获得的海表温度、盐度及海水表层pCO2观测数据,分析该海域海水表层pCO2及海-气CO2通量的季节变化特征,探讨了海-气界面CO2转移与海表温度、盐度分布之间的联系。结果表明:该海域海水表层pCO2及海-气CO2通量具有显著的季节性差异。近海区域,春季受海表温度上升、生物作用加强的影响黄海南部、东海近岸区及陆架中部、东海南部表现为大气CO2汇,其海-气界面季平均通量分别为(-7.77±6.59),(-11.08±8.99),(-2.94±6.78) mmol·m-2·d-1。夏季黄海南部区域表现为大气CO2源(2.99±6.09) mmol·m-2·d-1,与该海域的下层海水涌升有关,东海中部陆架区及东海南部近岸区由于淡水输入,形成跃层阻碍水体混合,再加上光合作用增强等的综合作用为大气CO2汇,通量为(-4.81±8.92),(-0.75±12.14) mmol·m-2·d-1。秋季北风逐渐增强水体混合加剧,向冬季格局转变,底层富含CO2的海水上涌,致使海表pCO2升高,整个海区表现为大气CO2源。在年际变化上,春季碳汇呈减弱趋势,而秋季碳源则逐渐增强。
海-气CO2通量; 二氧化碳分压; 季节性变化; 影响因素
全球气候变化背景下,海洋与大气之间气体交换通量,特别是对二氧化碳通量的监测、估算,对深刻理解生物地球化学循环以及全球气候变迁具有重大意义[1]。但迄今为止,全球海洋碳循环研究仍存在诸多不确定性,其中之一就是陆架边缘海碳通量及其控制因素不确定性问题,并逐渐被人们所重视[2]。东海及黄海南部是西北太平洋以陆架区为特征的边缘海,具有较为复杂的物理、化学和生物过程,长江携带的大量淡水和陆源无机物注入该海域,并显著影响该海域的物理、化学、生物过程[3]。由于长江冲淡水、沿岸流、台湾暖流的相互作用,黑潮的持续入侵以及东亚季风等的影响,使该海域呈现生产力高、环流复杂、陆海作用强烈的特点,是全球物质循环“源-汇”效应的过渡区。
东海及南海海域CO2源/汇分布及其通量得到较多的关注和研究。国外,Cai等[4]和Borges等[5]对全球边缘海海-气CO2通量进行了研究,认为全球中、高纬度的陆架边缘海总体表现为大气CO2汇,而低纬则表现为大气CO2源。Tsunogai等[6]基于PN断面提出大陆架碳泵机制—冬季高密度水团对CO2的输运。Shim等在长江口北部海水表层pCO2研究认为,在近岸区主要受海水混合及上升流影响,而外海则受对马暖流影响较显著[7]。Oliveira等通过数值模型得出淡水输入、表层流等因素对塔霍河河口区域内冬季pCO2分布有很大影响[8]。以上在对近岸区及深水区海水表层pCO2影响因素直接的差异可以得出,近岸区主要由生物作用和陆源因素的影响;外海,除上升流区外,海水混合对海水表层pCO2起重要影响[9]。国内,在东海及黄海海域,张龙军、宋金明、翟惟东等对东海、黄海海域内化学及生物作用对近海海-气pCO2的影响机制也进行了比较全面的研究,得出夏季受生物和长江冲淡水影响较大,冬季则受海水混合影响较显著[10-14]。由于近海海域生物化学作用强烈,其对海-气CO2通量也有着决定性影响。翟惟东等通过对2005—2008年长江口河口及外海海水表层pCO2同溶解氧间年际变化得出,该海域较暖季节(4—10月)在初级生产力较强区域出现pCO2降低,溶解氧增强,为大气CO2汇。其他月份则主要受海水混合影响,为大气CO2源。并且长江口外海-气CO2年平均通量约为长江口北部2倍,为(-1.9±1.3) mol·m-2·a-1[15]。在此基础上,对黄海南部东海北部碳酸盐与海水表层pCO2间相关关系进行研究,并提出碳酸盐体系能够减缓CO2达到平衡的过程[16]。以上研究充分说明陆架边缘海区CO2源、汇问题的复杂性。但目前大多聚集于较小区域的单一季节性研究,无法从大的范围内系统地研究多种因素对海-气CO2通量的变化及其影响。
本研究在多年东海及黄海南部海域走航海-气CO2观测资料的基础上,系统地研究该海域CO2源/汇分布问题,并对该海域走航断面上海-气CO2通量的季节性变化及其控制因素进行分析,以及其通量年际变化进行初步探讨。为进一步研究陆架边缘海在全球碳循环系统中对CO2吸收、转移的物理、生物和化学机制提供基础。
1 资料来源及计算方法
1.1 研究区域划分及观测数据
整个调查区域覆盖60 m水深附近的大部分东海海域(约70%)及部分黄海海域(约50%)。由于陆架边缘海的CO2体系受到陆地、海洋等多种生物地球化学过程的共同作用,具有显著的区域性差异,如北部的黄海暖流(主要在冬季)、苏北沿岸流(主要在夏季),中部的长江冲淡水以及南部的沿岸流和台湾暖流等。故根据水文及气候特点,将研究海域分为黄海南部海域(Ⅰ区,范围:120°00′~ 124°00′E , 32°30′~35°00′N)、东海近岸及中部陆架区域(Ⅱ区,范围:120°00′~124°00′E , 30°00′~32°30′N)、东海南部海域(Ⅲ区,范围:120°00′~124°00′E, 26°00′~30°00′N)三个局部区域(图1),进而分别计算各个区域的海-气CO2通量,并分析其季节变化特征。
图1 研究海区走航观测航线和调查站位Fig.1 Cruise routes and survey stations
文中所使用的观测数据由厦门大学以及国家海洋环境中心提供,包括2003—2008年的多个航次收集的走航调查数据(图1a和表1)以及2006-09—10的站位调查数据(图1b)。调查航次观测数据包括海表温度、盐度、海水表层CO2摩尔分数(xCO2)、大气CO2摩尔分数(xCO2)、海表大气压、风速等多个观测要素。但数据主要集中在春季、夏季和秋季。海水表层pCO2由干空气下海水表层CO2摩尔分数、海表大气压、水汽平衡器内饱和水汽压计算获得[17]:
pCO2(干空气下)=(P-VP(H2O,s/w))×xCO2,
(1)
式中,P为海表大气压;VP(H2O,s/w)为水汽平衡器内饱和水汽压,由水汽平衡器内温度和盐度计算获得。并且,通过((αpCO2/αT)/pCO2=0.042 3 ℃-1)[18]对水汽平衡器内海水表层pCO2校正到现场实测温度。
表1 调查数据分布情况Table 1 Observational data
1.2 海-气CO2通量计算
目前海-气CO2通量是表征单位面积、时间的海-气CO2转移速率,一般通过如下块体公式[20]进行计算。
FCO2=K×L×ΔpCO2,
(2)
式中,FCO2为海-气CO2通量(mmol·m-2·d-1);K为水-气气体交换输送率(mmol·m-2·d-1·μatm-1);L为CO2在与温度、盐度有关的溶解度(mmol·L-1·μatm-1);ΔpCO2为海-气CO2偏压差,常用uatm为单位,由ΔpCO2=pCO2water-pCO2air计算获得。由于水-气交换速度较难获得,目前使用的K值大多采用Wanninkhof 1992年提出的水-气气体交换输送率计算模式[21]:
(3)
式中,U10是离海面10 m高处的风速(m/s);Sc是一定温度下CO2的Schmidt常数;660是指在20 ℃下的Schmidt常数。
1.3 补充缺失数据
由于观测数据中部分航次风速数据缺失,本文使用QuikSCAT卫星风速计在相应位置、时刻的风速数据对缺失数据进行补充。为验证QuikSCAT风速计数据精度,以船载气象站获得2008-04的航测风速数据(时间分辨率为1 min)同QuikSCAT风速数据进行对比,结果见图2。同实测数据相比,QuikSCAT日分辨率数据虽然在时间上存在一定的延迟,但较好地保留了风速大小的变化趋势。而月平均数据则完全过滤掉中、高风速数据,对计算水-气交换速度结果的精确性具有重要影响[22],因此,选用日分辨率数据对缺失数据进行补充。并且使用最邻近差值法对大气pCO2air进行差值,计算水-气气体交换输送率以及海-气CO2通量。在此基础上探讨东海北部及黄海南部海域海-气CO2通量的季节性变化及其控制因素。
图2 2008-04风速对比分析Fig.2 Comparison of wind speed in April, 2008
2 结果分析
2.1 海-气CO2通量的区域分布特征
从碳循环角度来说,东海及黄海海域的CO2体系受控于一系列物理和生物地球化学过程,CO2源/汇分布呈现显著的时空差异性[23]。根据2003—2008年间11个航次海-气CO2通量结果平面分布如图3所示,从图中可以看出,整个研究区域内海-气CO2通量分布存在着较大的不均匀性,CO2通量变化较大(-29.41~79.15 mmol·m-2·d-1),这也从侧面反映了边缘海区的复杂性。冬季(1月份),观测数据集中在Ⅱ区区域内,在长江口南支出现海-气CO2通量最高值(79.15 mmol·m-2·d-1),表现为大气CO2较强源,并且随离岸距离增加而逐渐降低,从122°12′E处开始由大气CO2源转变为大气CO2汇(图4)。但整个区域均值为0.22 mmol·m-2·d-1,为大气CO2弱源。这与李岩等[24]对河口海域的咸、淡水混合形成的浑浊带的变化相似,并且相较于李岩等的研究,航线长度更长、变化也更为明显。
春季(3—5月),偏北风逐渐减弱,温度逐渐上升,Ⅱ区区域内盐度变化较大,整个海域海-气CO2通量分布以长江口为界呈现南高北低的分布特征。同一季节不同区域海-气CO2通量差异性较大。3-5月黄海南部海-气CO2通量变化最为明显,2008-03和2008-04在(121°30′E,34°30′N)区域分别出现通量最小、最大值(-23.15,2.41 mmol·m-2·d-1),该区域的大气CO2汇逐渐减弱。并且东海南部由北向南大气CO2汇强度也呈现逐渐减弱的趋势。到5月份,东海南部到26°48′N以南由大气CO2汇区转变为大气CO2源区(图4)。东海中部外海区则表现为大气CO2汇,并且在30°00′N附近出现最强汇。
夏季(7—8月),整个海域海-气CO2通量分布同春季相似,只是黄海南部CO2源进一步加强,并且在33°30′N附近呈现为大气CO2源。在东海海域,除近岸河口区为源区外,其他大部分仍为大气CO2汇。并且近岸河口区随离岸距离越来越大,海-气CO2源逐渐减弱,在122°36′E以东由CO2源转化为CO2汇区(图4),说明河口区CO2源面积随淡水输入量的增加逐渐扩大。
进入秋季(09—11月)后,整个海域海-气CO2源区面积达全年最大,南部CO2通量高于北部。并且,不同区域内CO2源/汇变化较大。从纬向平均变化曲线可以看出,除2007-11外,其他月份仅在中部约28°30′~31°30′N范围内表现为大气CO2汇,其他大部分区域为CO2弱源(小于10 mmol·m-2·d-1),并且在2006年表现最为明显。东西方向上变化较小,整体上表现为大气CO2源。
图3 各航次海-气CO2通量分布Fig.3 Distribution of air-sea CO2 flux
图4 CO2通量经向、纬向平均结果Fig.4 Meridional and zonal mean of CO2 flux
2.2 海-气CO2通量变化控制因素分析
从东海及黄海南部海域海-气CO2通量分布上看,该海域海-气CO2源、汇分布及其控制因素呈现明显的季节变化,并且同温度、季风、生物、淡水输入等因素的季节差异密切相关[25]。其中,温度是从热力学角度影响海水中CO2分布的一个重要因素,它与盐度、压力是表征海水物理过程、化学过程的基本参数[26]。并且,温度的分布与变化,除取决于海区的热量平衡外,还与地理环境、海流强弱、气象条件等因素变化有关。而海表盐度则能够反映淡水输入对陆架边缘海的影响。因此,可以通过分析实测温度(图5)、盐度同海-气CO2通量间关系,再结合海水表层pCO2分布特征(图6),分析该区域CO2源/汇格局的控制因素。
图5 各航次海水表层温度分布Fig.5 Distribution of sea surface temperature
图6 各航次海水表层pCO2分布Fig.6 Distribution of sea surface pCO2
长江口南支冬季海-气CO2通量变化趋势同观测到的海水表层pCO2相同,并且同温度、盐度变化呈负相关,相关系数分别为-0.55,-0.86,而李岩[24]得出的pCO2同盐度的相关系数为-0.92,说明河口区域受陆源无机物输入及咸、淡水混合影响比较显著。在通量最大值区域出现温、盐最小值(6.23 ℃,0.47)。这是由于河口区冬季受富含无机物的低温、低盐水输入以及海水混合的影响。淡水的输入带来了大量的无机物,导致海水透明度降低,光合作用减弱,CO2吸收减弱。而浅水区强烈的海水混合使得富含CO2的底层水上涌,加上冬季低温抑制浮游植物对碳的同化,导致海水表层pCO2上升,成为大气CO2源。随着离岸距离越远,海水温度、透明度逐渐升高,光合作用逐渐增强,混合减弱,使表层海水中CO2含量逐渐降低,致使河口区由大气CO2源逐渐向大气CO2汇过渡。这些都充分说明,在河口区冬季源/汇格局主要受淡水输入和海水混合作用影响,以往研究也表明该区域内受潮致混合影响比较明显[27]。
随着春季向夏季的过渡,整个区域内温度逐渐上升,南北差异减小。而盐度受中部海区长江冲淡水逐渐加强的影响逐渐降低。从局部区域看,黄海南部(Ⅰ区)3-5月海表温度平均上升了约6 ℃,而盐度变化则较小。并且海水表层pCO2同海表温度间呈现正相关(0.52 mmol·m-2·d-1)关系。说明山东半岛沿岸南下低温水水势逐渐减弱,导致海水表层增温明显,光合作用越来越显著,从而促进生物对CO2的吸收,影响该区域源/汇分布格局[28]。最为明显的是在黄海南部(121°30′E,34°30′N)附近3月份由大气CO2较强汇,到5月份转换为大气CO2源区。根据目前研究,该区域除受沿岸流及生物作用的影响外还与底层富含CO2海水涌升作用加强有关[29-30]。东海近岸及中部陆架区(Ⅱ区)温、盐变化较大,明显受淡水输入量增加的影响,海水稳定性增加,混合作用减弱,光合作用占主导作用,因而整个区域表现CO2汇区,并呈增强趋势。东海南部海域(Ⅲ区)由于受黑潮、台湾暖流影响温度上升,适宜的海水温度再加上沿岸流营养物的输入促进了光合作用,海表pCO2降低,为CO2汇区。但舟山群岛到台州列岛海域出现CO2强汇区(-56.24 mmol·m-2·d-1),与朱连磊等观测结果差异较大[31],这可能与沿岸淡水输入的年际波动及海水混合有关,但具体原因需进一步研究。
夏季,整个海区温度、盐度分布同春季相似,只是温度升至全年最高,南北温度分布较均匀,地区差异性小。黄海南部夏季由于上升流作用,底层富含CO2海水上涌,导致海表pCO2上升,出现pCO2最高值(813.98 μatm),表明该区域物流作用明显强于生物作用。因而夏季黄海南部表现为CO2弱源(2.99 mmol·m-2·d-1),这与江春波等[29]提出的南黄海主要受底层水涌升以及长江冲淡水影响而导致夏季呈现为CO2弱源的结果较为一致的,但他的研究位置更靠近涌升区,从而他观测到的结果也高于本次计算的结果。东海中部及南部陆架区受沿岸流和长江冲淡水的影响,大量悬浮物及营养物的输入促进了浮游植物的生长、繁殖,吸收大量的碳。并且,密度较低的淡水浮于海水上层,使水体层化加剧,阻碍水体混合。底部生物呼吸产生的CO2无法转移到海表,使得表层pCO2降低,呈现为CO2汇。通过对比2003-08与2006-01在东海近岸区CO2通量分布情况可以看出,径流量大的月份CO2源区面积越大,说明径流量的大小对近岸河口区CO2源/汇格局转换具有重要影响。但局部如舟山群岛(122°00′E,30°30′N)附近由于夏季西南风的影响产生上升流导致该区域呈现为CO2源(38.24 mmol·m-2·d-1)[32]。
受偏北季风加强,冷空气南下的影响,导致表层水温逐渐下降,南北温差增大,整个区域秋季总体上表现为大气CO2源区。在黄海南部黄海沿岸流和黄海暖流,以及东海海域台湾暖流北上与长江冲淡水交汇,水体发生较强混合。温度较高的黄海暖流以及台湾暖流使区域内CO2溶解度降低,使黄海南部以及东海南部总体上秋季呈现为碳源。不仅如此,根据2006-09(P1,P2,P3断面)和2006-10(PN,S1断面)五个断面34个站位观测结果计算该区域秋季混合层深度(MLD)、障碍层厚度等水文信息发现,由于秋季季风加强,障碍层厚度较薄,平均为1~2 m,因此在季风加强的情况下较容易使海水混合达到底部。并且从混合层深度与海表pCO2以及海气CO2通量关系(图7a)可以看出。秋季混合层深度达底部,致使夏季形成跃层被打破,海水底部由春季、夏季生物呼吸作用而产生的富含CO2海水上涌,海水表层pCO2升高,图7a也证明这一观点,即混合层达底部的海表pCO2普遍较高。不同区域内,黄海南部9月混合层深度较浅(平均约15 m),为大气CO2汇,CO2通量随着混合层深度的加深而逐渐升高。从S1,P2,PN断面可以看出(图7b),中部受淡水输入影响,海水稳定性较强,混合较弱,2006-10为CO2汇,并且随混合层深度加深CO2汇逐渐增强,这可能与该区域浮游植物、海水化学性质以及该区域不同来源水团CO2含量不同等有关,这也需要对底层海水的来源及变化做进一步研究[33]。东海南部9月份受混合层深度最为明显,且由于混合层深度较深,表现为CO2源。由此可以认为,水体垂直混合是引起东海及黄海南部海域秋季源/汇变化的一个重要因素。
图7 混合层深度(MLD)与海表pCO2、FCO2关系Fig.7 Relationship between mixed layer depth and pCO2 and FCO2
为进一步分析东海及黄海南部海域海-气CO2通量季节性变化,对3个区域不同季节海表pCO2及CO2通量进行统计(表2)。整个海域的3个局部区域,除秋季和黄海南部夏季为大气CO2源外,其他区域在春季和夏季均表现为大气CO2汇。黄海南部主要受长江冲淡水(夏季最强)、黄海暖流(冬季最强)、黄海沿岸流(冬季)以及底层水涌升的影响,海水表层pCO2波动较大,总体上,春季为大气CO2汇,夏季、冬季为大气CO2源。东海近岸区则由于大量富含无机物淡水的输入,再加上近岸海水混合阻碍了光合作用,导致该区域呈现为大气CO2源,并且源区面积同淡水输入量呈正比。另外,由于生物作用及温跃层的影响,东海部陆架区,冬季、春季、夏季表现为大气CO2汇。秋季则由于海水混合导致底层富集的CO2上涌,造成表层pCO2升高,表现为CO2源。东海南部则受台湾暖流和沿岸流季节性变化影响,该海域CO2通量分布也呈现出季节性变化。
从不同月份海-气CO2通量变化上可以看出,夏季海-气CO2通量变化比较平稳,而春季和秋季CO2通量波动较大。从春季到夏季,CO2汇逐渐增强;从夏季到秋季由于海水混合的影响,整个海域逐渐由大气CO2汇转化为CO2源,并且在9月份达到最高,这可能是由于春季、夏季CO2在底层积累量的变化有关。可以预见,冬季该海域大部分区域将呈现为弱源,这也与冬季海水混合加强、生物作用减弱、温度降低表层pCO2溶解度增大等因素有关。这些均与翟惟东[9-10]以及张龙军等[14]的研究结果相近,但是从年际变化上看,同一区域不同年份,春季CO2汇呈减弱趋势,秋季CO2汇呈逐渐减弱甚至变为源的趋势。这可能是陆源污染物使水体富营养化、海表升温等因素导致。
表2 东海及黄海南部海域CO2通量Table 2 CO2 flux in the East China Sea and the South Yellow Sea
需要引起重视的是,陆架边缘海复杂的物理、生物和化学过程,使得不同年份观测的水文、气象要素间存在着较大差异,这也必然导致不同年份的海-气CO2通量有一定的波动。因此需要我们得到覆盖范围更大、精确度更高、时间尺度更长的CO2参数来深入研究控制碳循环的关键生物地球化学过程[34]。
3 结 论
依据东海及黄海南部海域海水表层pCO2走航观测结果,并结合同步获取的温度、盐度等参数,对该海域海-气CO2通量影响因素进行分析。研究结果表明,近岸河口区受陆地径流量季节性变化和咸淡水混合的影响,总体上表现为大气CO2源,并且随径流量增大,CO2源面积也逐渐扩大。春季黄海南部、东海中部及南部海域则由于海水混合较弱,适宜的海水温度再加上沿岸流营养物的输入促使光合作用增强,因而整个海域表现为大气CO2汇,分别为(-7.77±6.59),(-11.08±8.99),(-2.94±6.78) mmol·m-2·d-1。夏季除黄海南部底层富含CO2海水上涌为大气CO2源,其他区域均为大气CO2汇,这主要是由于淡水的输入使海水稳定性增强,生物活动产生的CO2因跃层的作用在海底富集,海水表层pCO2较低,大部分海区为大气CO2汇。并且通过走航和站位数据的分析,秋季由于海表温度降低、季风加强等因素导致该区域总体上呈现为大气CO2源,平均通量为(1.31±5.87) mmol·m-2·d-1。而水体垂直混合是引起长江口及其邻近海域秋季源/汇变化的一个重要因素。
由于陆架边缘海物理、化学、生物过程较为复杂,致使陆架边缘碳通量及其控制因素出现不确定性问题。而用于碳收支估算的直接观测数据往往非常有限。仅仅通过时空覆盖度都很局限的断面调查来研究近海海域CO2海-气通量的季节分布,并进而估计其年度净通量,可能存在偏歧。因此需要在对区域源/汇格局及其影响因素初步认识的基础上,进一步研究物理、化学、生物过程对海-气CO2通量的影响。把握该海区CO2海-气通量调控机制,为未来实现通过数值模拟以及遥感等技术进行大面、精确、实时CO2观测、模拟提供可能,也为今后研究陆架边缘海在全球气候变化中的作用提供研究基础。
致谢:厦门大学及国家海洋监测中心提供CO2相关数据,美国遥感系统(RSS)提供部分风速数据下载,国家海洋局第二研究所许建平研究员对本文提出了宝贵意见!
[1] GUO X H. A comparative study on the carbonate system between the Pearl and Mississippi River estuaries[D].Xiamen:Xiamen University, 2009. 郭香会. 珠江与密西西比河口碳酸盐系统的比较研究[D].厦门: 厦门大学, 2009.
[2] FENNEL K. The role of continental shelves in nitrogen and carbon cycling: Northwestern North Atlantic case study[J].Ocean Science Discussions, 2010, 7(1):177-205.
[3] LIU Z Y. The changing behavior carbon form estuarine dynamics in Yellow River Estuary[D].Qingdao:Ocean University of China, 2011. 刘志媛. 黄河河口过程中碳的行为变化[D].青岛:中国海洋大学, 2011.
[4] CAI W J, DAI M, WANG Y. Air-sea exchange of carbon dioxide in ocean margins: A province-based synthesis[J].Geophysical Research Letters, 2006, 33(12):347-366.
[5] BORGES A V, DELILLE B, FRANKIGNOULLE M. Budgeting sinks and sources of CO2in the coastal ocean: Diversity of ecosystems counts[J].Geophysical Research Letters, 2005, 32(14):301-320.
[6] TSUNOGAI S, WATANABE S, SATO T. Is there a "continental shelf pump" for the absorption of atmospheric CO2?[J].Tellus(Series B), 1999, 51(3): 701-712.
[7] SHIM J H, KIM D, KANG Y C, et al. Seasonal variations inpCO2and its controlling factors in surface seawater of the northern East China Sea[J].Continental Shelf Research, 2007, 27(20): 2623-2636.
[8] OLIVEIRA A P, MATEUS M D, CABECADAS G, et al. Water-air CO2fluxes in the Tagus estuary plume(Portugal) during two distinct winter episodes[J].Carbon Balance & Management, 2015, 10(1):1-15.
[9] ZHAI W D, DAI M, CAI W J. Coupling of surfacepCO2and dissolved oxygen in the northern South China Sea: impacts of contrasting coastal processes[J].Biogeosciences, 2009, 6(11): 2589-2598.
[10] ZHAI W D, DAI M, CAI W J, 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): 87-97.
[11] ZHANG L, XUE L, SONG M, et al. Distribution of the surface partial pressure of CO2in the southern Yellow Sea and its controls[J].Continental Shelf Research, 2010, 30(3): 293-304.
[12] TAN Y, ZHANG L J, WANG F, et al. Summer surface waterpCO2and CO2flux at air-sea interface in western part of the east China sea[J].Oceanologia et Limnologia Sinica, 2004, 35(3): 239-245. 谭燕, 张龙军, 王凡, 等. 夏季东海西部表层海水中的pCO2及海-气界面通量[J].海洋与湖沼, 2004, 35(3): 239-245.
[13] QU B X, SONG J M, YUAN H M, et al. Advances of seasonal variations and controlling factors of the sea-air CO2flux in the East China Sea[J].Advances in Earth Science, 2013, 28(7): 783-793. 曲宝晓, 宋金明, 袁华茂, 等. 东海海—气界面二氧化碳通量的季节变化与控制因素研究进展[J].地球科学进展, 2013, 28(7): 783-793.
[14] ZHANG L J, WANG B Y, ZHANG J.pCO2in the Surface Water of the East China Sea in Winter and Summer[J].Periodical of Ocean University of Qingdao, 1999(Suppl.1): 149-153. 张龙军, 王彬宇, 张经. 东海冬、夏两季表层海水的二氧化碳分压[J].青岛海洋大学学报(自然科学版), 1999(增1): 149-153.
[15] ZHAI W D, DAI M. On the seasonal variation of air-sea CO2fluxes in the outer Changjiang(Yangtze River) Estuary, East China Sea[J].Marine Chemistry, 2009, 117(1): 2-10.
[16] ZHAI W D, CHEN J F, JIN H Y, 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.
[17] DICKSON A G, GOYET C. Handbook of methods for the analysis of the various parameters of the carbon dioxide system in sea water. Version 2[R].United States:Oak Ridge National Lab., TN, 1994.
[18] 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.
[19] CHEN C T A, ZHAI W, DAI M. Riverine input and air-sea CO2exchanges near the Changjiang (Yangtze River) Estuary: status quo and implication on possible future changes in metabolic status[J].Continental Shelf Research, 2008, 28(12): 1476-1482.
[20] FRANKIGNOULLE M, BOURGE I, WOLLAST R. Atmospheric CO2fluxes in a highly polluted estuary (the Scheldt)[J].Limnology and Oceanography, 1996, 41(2): 365-369.
[21] WANNINKHOF R. Relationship between wind speed and gas exchange over the ocean[J].Journal of Geophysical Research: Oceans (1978-2012), 1992, 97(C5): 7373-7382.
[22] 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.
[23] LI N. Dissolved organic and inorganic carbon nearby Changjiang Estuary[D].Qingdao: Ocean University of China, 2011. 李宁. 长江口邻近海域的溶解有机碳和溶解无机碳系统[D].青岛:中国海洋大学, 2011.
[24] LI Y, ZHANG L J, SU Z, et al.pCO2and its influencing factors at the initial mixing stage of freshwater and saltwater in the Changjiang River estuary[J].Periodical of Ocean University of China, 2006, 36(2): 295-298. 李岩, 张龙军, 苏征,等. 长江口淡水端淡、盐水混合表层pCO2的急剧变化及其影响机制[J].中国海洋大学学报(自然科学版), 2006, 36(2): 295-298.
[25] BAI Y, CAI W J, HE X, et al. A mechanistic semi-analytical method for remotely sensing sea surfacepCO2in river-dominated coastal oceans: A case study from the East China Sea[J].Journal of Geophysical Research: Oceans, 2015, 120(3): 2331-2349.
[26] MILLERO F J. The marine inorganic carbon cycle[J].Chemical Reviews, 2007, 107(2): 308-341.
[27] LU X G, QIAO F L, XIA C S, et al. The Yangtze River Estuary and Zhejiang coastal upwelling in summer tide mechanism[J].Science in China, 2007, 37(1): 133-144. 吕新刚, 乔方利, 夏长水,等. 长江口外及浙江沿岸夏季上升流的潮生机制[J].中国科学, 2007,37(1): 133-144.
[28] XUE L, XUE M, ZHANG L, et al. Surface partial pressure of CO2and air-sea exchange in the northern Yellow Sea[J].Journal of Marine Systems, 2012, 105-108(12): 194-206.
[29] JIANG C B, ZHANG L J, WANG F. A study ofpCO2in the surface water of the southern Yellow Sea in summer II: The respective contribution of the upwelling and the Yangtze River diluted water to the air-sea of CO2flux[J].Periodical of Ocean University of China, 2006, 36(Suppl.1): 147-152. 江春波, 张龙军, 王峰. 南黄海夏季海水pCO2研究Ⅱ——下层海水涌升和长江冲淡水对海-气界面 CO2通量的贡献[J].中国海洋大学学报(自然科学版), 2006, 36(增1): 147-152.
[30] SONG M Q, ZHANG L J, JIANG C B. The distribution of partial pressure of CO2and its maintaining mechanism: vertical mixing versus biological activity in the Yellow Sea in early spring[J].Periodical of Ocean University of China, 2007 (Suppl.1): 67-72. 宋美芹, 张龙军, 江春波. 初春(3月)黄海水体垂直混合和生物活动对水-气界面pCO2分布的控制作用[J].中国海洋大学学报(自然科学版), 2007(增1): 67-72.
[31] ZHU L L. Dissolved inorganic carbon and air-sea carbon fluxes in the min-west of the East China Sea[D].Qingdao: Graduate University of Chinese Academy of Sciences, 2011. 朱连磊. 东海中西部海域水体无机碳与海气界面碳通量[D].青岛: 中国科学院研究生院, 2011.
[32] PAN Y T, SHA W Y. Numerical study on the summer coastal upwelling off Fujian and Zhejiang[J].Marine Science Bulletin, 2004, 23(3): 1-11. 潘玉萍, 沙文钰. 夏季闽浙沿岸上升流的数值研究[J].海洋通报, 2004, 23(3): 1-11.
[33] WANNINKHOF R, BARBERO L, BYME R, et al. Ocean acidification along the Gulf Coast and east coast of the USA[J].Continental Shelf Research, 2015, 88:54-71.
[34] SONG J M. Carbon sources and sinks in oceans[J].Marine Environmental Science, 2003, 22(2): 75-80. 宋金明. 海洋碳的源与汇[J].海洋环境科学, 2003, 22(2): 75-80.
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
上海市科委重点支撑项目——典型海域海-气CO2通量分析系统研制及应用示范(13230502000)
胡登辉(1990-),男,湖北黄冈人,硕士研究生,主要从事海-气CO2交换方面研究.E-mail:hudh_shou@163.com
*通信作者:高郭平(1972-),男,江苏泰州人,博士,教授,主要从事海洋观测、海洋动力学方面研究.E-mail:gpgao@shou.edu.cn
P734
A
1671-6647(2016)04-0474-12
10.3969/j.issn.1671-6647.2016.04.003