利用数值模式研究东海表层二氧化碳分压的季节和年际变化

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目 录

1 引言1

1.1 碳循环的研究背景1

1.2 国内外碳循环的研究1

1.3 陆架碳循环的研究进展1

1.4 东海碳循环2

2 模式及资料2

2.1 物理-生态耦合模式2

2.2 海平面气压数据3

3 东海表层pCO₂的计算方法3

4 东海表层pCO₂4

4.1 东海表层pCO₂的季节变化4

4.1.1 冬季东海表层pCO₂分布4

4.1.2 春季东海表层pCO₂分布5

4.1.3 夏季东海表层pCO₂分布5

4.1.4 秋季东海表层pCO₂分布6

4.1.5 东海表层pCO₂的季节差异7

4.2 东海表层pCO₂的年际变化7

4.3 长江口附近海域表层pCO₂与各影响因素的关系12

4.4 东海近岸海域与外海域的表层pCO₂分布15

5 东海海-气间pCO₂之差——△pCO₂16

6 总结及展望18

参考文献19

致谢22

利用数值模拟研究东海表层二氧化碳分压的季节和年际变化

梁文浩

，China

Abstract：Based on the results of the physical / ecological coupling model for the East China Sea from 1999 to 2016, and combined with the NCEP sea level pressure data from 1999 to 2016, the paper uses the Matlab program of CO2SYS to calculate and analyze the carbon dioxide partial pressure in the East China Sea (pCO₂). The variation of the difference in carbon dioxide partial pressure (ΔpCO₂) between the sea and the air at seasonal and interannual scales, and the correlation between pCO₂ and various influencing factors near the Changjiang Estuary was studied.. The result shows: 1. The seasonal variation of surface pCO₂ in East China Sea is as follows: autumn gt; winter gt; summer gt; spring. 2. The interannual distribution of pCO₂ in the surface layer of the East China Sea is basically the same, and the local sea area in some years varies to a certain extent, but the difference is not significant. 3. The correlation between surface pCO₂ and various factors in the vicinity of Changjiang Estuary is: pH gt; S gt; Talk gt;TCO₂ gt; T. 4. The surface pCO₂ in the coastal waters of the East China Sea is higher than that in the offshore waters, and the seasonal and interannual variation is greater than that in the offshore waters. 5.The interannual and seasonal variation of ΔpCO₂ between sea and atmosphere in the East China Sea is basically consistent with that of surface pCO₂.In the autumn it is the source of atmospheric CO₂ in the East China Sea, and in other seasons it is the sink of atmospheric CO₂.

Key words：the East China Sea ; the Yangtze River Estuary ; carbon dioxide ; carbon dioxide partial pressure ( pCO₂ )

1 引言

• 1. 碳循环的研究背景

二氧化碳(CO₂)是地球大气中主要的温室气体之一，自工业革命以来，大气中CO₂浓度已从18世纪末的280ppm逐渐上升到目前超过400ppm，且仍在继续上升^[1]。由于大气中CO₂浓度的持续增加，使得全球气候发生变化，目前已引起了世界范围内的广泛关注。由历史观测数据得知，大气中温度的变化与大气中CO₂浓度的变化呈同步增长或略微滞后的趋势^[2]，自工业革命至2005年以来，全球平均气温大约升高了0.6 ^oC^[3]，其中CO₂的作用不容忽视。因此要想研究CO₂对气候的影响，首先要研究碳在水圈、大气圈、岩石圈以及生物圈之间的循环，即碳循环。但对于较小的时间尺度而言，岩石圈可不予考虑。

海洋作为一个弱碱体系，是大气中人为排放CO₂的重要汇，也是全球碳循环的重要组成部分之一。海洋每年从大气净吸收的碳量约为1.4-2.8 Gt，在一定程度上缓解了大气CO₂浓度的上升，间接地对气候变化起到减缓作用。因此对海洋中碳的转移与归宿的研究不仅可以预测未来大气中CO₂含量的变化，还对全球气候的演变具有重要意义。但近些年来由于海洋吸收大气CO₂的逐年增多，使得海水酸化，pH降低，并间接对海洋生态系统产生影响，因此在维持海洋自身环境正常的情况下，海洋能吸收的大气CO₂的量是人们非常关心的问题^[4]。为研究海洋碳循环取得更大的进步，20世纪90年代相继实施了国际地圈与生物圈计划(IGBF)、全球海洋生态系统动力学(GLOBEC)、海陆相互作用(LOCIZ)等重大国际合作计划。

• 1. 国内外碳循环的研究

国外对于海洋碳循环研究的起步较早，Oeschger早在20世纪80年代便提出了一个与生物圈长期耦合的一维海-气箱扩散模式，随后Viecelli和Sarmiento等人相继建立了二维海洋碳循环模式，Marier-Reimer等人和Bacastow等人继续发展建立了三维碳循环模式，为以后碳循环的研究奠定了基础^[5-9]。

相较于国外，国内对海洋碳循环模式的研究起步较晚，自20世纪90年代后逐渐发展，相继建立了从一维到三维的海洋碳循环模式，模式逐渐由简单变为复杂^[10-12]，人们对碳循环的研究也取得了较大进步。但不足的是，只有少数研究者将海洋生态系统与海洋碳循环联系起来，如徐永福等人指出目前碳循环的一个重要研究方向是发展带显式生态系统的碳循环模式^[1]；季轩梁基于一个高分辨率的三维水动力-生态碳循环数值模式研究了西北太平洋海域的海水表层CO₂分压和海气CO₂通量^[13]；严国安等人介绍了水生生态系统碳循环过程，并利用两种海洋碳模式对水体生态系统碳循环的影响因子进行了讨论 ^[14]。海洋中物理和生物过程的相互耦合是全球海洋碳循环的一个重要组成部分和研究重点。

• 1. 陆架碳循环的研究进展

历史观测数据表明人类向大气释放的CO₂一部分停留在大气，一部分被海洋和陆地生态系统吸收，而还有一小部分不知去向，随即“碳失汇”的问题被提出，陆架海对大气CO₂的源/汇作用引起了许多学者的争议^[4,15]。

陆架海作为陆地与海洋的连接带，为半封闭水体，与外海自由相通，其不仅受到人类活动的强烈影响，还受复杂的潮流系统、河流输入以及洋流系统等过程的共同作用^[16]。尽管全球陆架海面积只占海洋总面积的7.6%左右，但其初级生产力却占全球总初级生产力的19%-28%^[17]。由此可见，陆架海在全球海洋碳循环中起着不可忽视的作用^[18-19]。Walsh认为由于河流和外海向陆架海输送了大量的氮，使得陆架海生物初级生产增加，消耗了更多的碳，因而是大气CO₂的汇；但Smith等人却认为陆架海中的有机代谢超过了生物的初级生产，使得其成为大气CO₂的源^[20-21]。但由于不同陆架海所在区域不同，因此环流系统、营养盐输入、潮流系统等存在差异，进而导致不同边缘海的表层pCO₂存在很大差异^[22]，所以应进行区域研究，分析不同陆架海对大气CO₂的作用。Cai等人和Borges等人研究得出全球中高纬陆架海总体为大气CO₂的汇，而低纬的陆架海总体为大气CO₂的源^[23-24]。陆架海海气间CO₂通量难以确定的原因不仅在于其CO₂的源汇分布具有明显的区域差异，还在于同一海域存在着明显的季节变化^[25-26]。

• 1. 东海碳循环

东海作为西北太平洋边缘海中唯一一个主要为陆架区的海域，其面积约70万平方公里，多为水深在200米以内的大陆架，大陆架区约占东海面积的66%，受到东亚季风、黑潮、长江冲淡水以及黄海沿岸流等因素的共同作用。在这些因素的共同影响下，东海碳循环十分复杂^[19]。

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