姜亦飛，呂洪剛，季軒梁，喬然，劉桂梅

（國家海洋環(huán)境預報中心，北京100081）

氣候變化背景下海-氣CO2通量獲取方法綜述

姜亦飛，呂洪剛，季軒梁，喬然，劉桂梅

（國家海洋環(huán)境預報中心，北京100081）

摘要：綜述了國內(nèi)外海-氣CO2通量測量和估算方法的研究進展，對各方法的原理、應用及優(yōu)缺點做了簡要介紹，著重介紹了海洋碳循環(huán)數(shù)值模式的研究現(xiàn)狀、原理方法等，并對海-氣CO2通量研究的發(fā)展趨勢作了展望。

關鍵詞：CO2通量；海氣交換；氣候變化

1　引言

全球變暖是當今人類面臨的最嚴峻挑戰(zhàn)之一，是國際社會公認的全球型環(huán)境問題。自IPCC第四次評估報告發(fā)布以來，氣候變化研究在碳循環(huán)反饋作用、地表變暖、海平面上升和氣候預估等方面有諸多新認識[1]。根據(jù)美國國家海洋和大氣管理局（NOAA）分布在全球的監(jiān)測網(wǎng)絡顯示：截至2014年5月，Mauna Loa觀測站顯示的大氣CO2濃度值為401.85 ppm[2]，比去年同期增長了2.09 ppm，1958年有系統(tǒng)記錄數(shù)據(jù)以來，全球CO2年平均增長速率為1.74 ppm/a；Goddard空間研究所發(fā)布的資料表明：1880—2013年，地表平均溫度從-0.21℃上升到了0.61℃，上升了0.82℃，目前仍呈快速上升趨勢；衛(wèi)星高度計資料的平均結果顯示：1993年1月全球海平面高度為-13.95 mm，到2014年1月上升為56.74 mm，共上升了70.69 mm，平均上升速率為3.16 mm/a[3]；此外，Grace衛(wèi)星資料顯示：2013年夏季北極海冰面積比1979年減少了約13%，2007年7—8月北極海冰快速融化，到2012年9月北極海冰面積出現(xiàn)了觀測以來的最小值，全球冰川正在加速退縮；到2012年，主要溫室氣體CO2,、CH4和N2O的濃度比工業(yè)革命前分別增加了40%、150%和20%，引起的人為總輻射的增加，直接導致氣候系統(tǒng)吸收能量[1]。

當前，科學界普遍認為，人類活動排放的溫室氣體是引起全球氣候變暖的最主要因素。而陸地或海洋與大氣之間的物質(zhì)和能量交換研究是生物地球化學循環(huán)的重要內(nèi)容，海-氣CO2交換通量的監(jiān)測、估算對我們深刻理解碳的生物地球化學循環(huán)以及全球氣候變遷有重大意義[4]。國際上眾多大型研究計劃（SOLAS、IGBP、WCTP、IHDP、IMBER等）的諸多核心問題均涉及海-氣CO2交換通量。

迄今為止，無論是陸地還是海洋，碳循環(huán)的研究依然存在諸多不確定性，陸架邊緣海的CO2源匯之爭依然存在。全球變暖、海平面升高、冰川融化、海洋酸化、珊瑚礁死亡……，應對氣候變化刻不容緩。了解氣候變化現(xiàn)狀，查明大氣CO2的源匯量級和機制，有助于了解人為CO2在當前全球氣候背景下的歸宿，在應對全球氣候變化、保障社會經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展等方面具有重要意義[5]。

2　海-氣CO2通量獲取方法研究進展

2.1測量觀測法

2.1.1基于物質(zhì)守恒估算全球尺度海-氣CO2通量（1）14C示蹤法

Matthews[6]根據(jù)14C在海水中的垂向分布，假設工業(yè)革命以前，海氣間CO2通量處于穩(wěn)態(tài)，且近4—5萬年內(nèi)，宇宙輻射強度不變，即大氣層中14C產(chǎn)生速率不變，那么海洋衰變的14C與大氣輸入的14C相等，如公式(1)所示：

因此，工業(yè)革命以來，化石燃料燃燒等人類活動引起的大氣CO2濃度增加打破了原有的平衡，14C就成為示蹤CO2交換、校準碳循環(huán)模型的最佳工具，GEOSECS調(diào)查結果得出的全球海洋碳匯約2.0Pg C/a[7]。

（2）13C/12C比值法

Matthews[6]依據(jù)同位素分餾現(xiàn)象，即植物優(yōu)先吸收較輕的12C，而化石燃料燃燒釋放較多的12C這一現(xiàn)象，利用大氣中13C相對濃度低的特點，通過測量13C/12C的比值，估算大氣CO2進入海洋的通量。該方法忽略了CO2在海氣交換過程中也會發(fā)生同位素分餾現(xiàn)象，因此誤差較難校正。

（3）O2法

Keeling[8]假設工業(yè)革命前，地球各碳庫間處于動態(tài)平衡，而人為活動產(chǎn)生的CO2是打破平衡的驅動因素；基于化石燃料燃燒產(chǎn)生的CO2和消耗的O2固定的比例關系，根據(jù)觀測到的大氣中O2變化量和從化石燃料燃燒計算的CO2變化量來估算海洋與陸地生物圈的碳收支。由于大氣中O2含量比CO2高3個數(shù)量級，計算誤差較大，較難校正。

上述方法適用于全球尺度上對CO2的通量大小進行估算，具有一定的空間局限性，在研究中小區(qū)域尺度范圍時具有誤差較大、難以校正等缺點，在愈來愈關注海洋碳循環(huán)規(guī)律、源匯格局、機制及影響因子的今天，上述方法的發(fā)展略顯局限性。

2.1.2海氣界面CO2分壓差法

分壓差法是當前觀測、估算海-氣CO2通量最常用的方法。包括直接測量法（紅外分光、激光）和間接測量法（海水碳酸鹽體系的相關關系計算）；觀測形式又可分為斷面采樣觀測、走航觀測、錨系定點觀測等。海氣界面CO2分壓差法建立的基礎是雙模擴散模型，如圖1所示。

（1）斷面采樣觀測

定點采集大氣和表層海水樣品，利用氣相色譜系統(tǒng)分析測量大氣和海表CO2濃度[9]，參考Feely、 Takahashi和Wanninkhof[10-12]計算公式可以獲得大氣/海水pCO2數(shù)據(jù)。依據(jù)雙模擴散模型和Fick定率，利用二者之差結合海氣交換速率即可對其通量進行估算，如公式（2）所示：最后根據(jù)采樣區(qū)域估算調(diào)查海域海氣CO2通量[13]。

圖1　海-氣交換液膜擴散模式示意圖

式中，F(xiàn)為海氣CO2凈通量，k為海氣交換系數(shù)，KH為CO2在海水中的溶解度[14]。

大氣、海水的采樣觀測都有相對成熟可靠的方法，但在河口海岸帶、邊緣海、珊瑚礁海域等pCO2日變化明顯的區(qū)域，這樣的結果時空差異性較明顯，呈現(xiàn)的結果往往稍欠代表性。

（2）走航觀測

CO2走航觀測是近年來廣泛使用的方法，該方法具有數(shù)據(jù)量大、誤差較小、操作方便和及時性等優(yōu)點。調(diào)查船在行駛過程中，通過潛水泵和真空泵交替抽取海表和大氣樣品（其中海水經(jīng)過濾裝置和淋噴裝置進入平衡器），干燥后通過紅外CO2分析儀或激光檢測器獲取實時數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)的校正采用公式（3）：

式中，pCO2(Corr)指修正后的樣品測量值；pCO2(Raw)指樣品的直接測量值；pCO2(R1)指1號基準氣體的測量值；pCO2(S2)指2號基準氣體標準值；pCO2(S1)指1號基準氣體標準值；pCO2(R2)指2號基準氣體的測量值。

對溫度的修正則采用陳立奇[15]推薦的公式：

式中，SST是指取樣點海面溫度（℃），Teq是指系統(tǒng)中平衡器內(nèi)平衡時的溫度（℃）。

不管是現(xiàn)場采樣觀測還是走航觀測，確定氣體交換系數(shù)（k）是關鍵，目前確定k的假設大多為風速的函數(shù)，Liss、Tans、Woolf、Wanninkhof、Jacob、Nightingale、David等學者根據(jù)研究區(qū)域的不同，得出了不同的交換速率計算公式，諸多學者也已經(jīng)對此進行了對比和討論[16-22]，但是當風速大于12 m/s時，考慮到風速保持時間較短，因此較難獲得有效精確的數(shù)據(jù)。為了準確估算全球海洋CO2通量，減少模型預測不確定性，有必要探索更合適的通量測量方法并采用統(tǒng)一、準確的CO2交換系數(shù)應用于模型設計[4]。

（3）錨系觀測

斷面采樣觀測和走航觀測在觀測的覆蓋度方面具有優(yōu)勢，但其測定的是特定空間的瞬間值，鑒于眾多海洋理化參數(shù)均具有顯著的年際變化，甚至是周、日、時的變化，因此上述觀測方法在時空尺度上的代表性無疑會受到影響[23]，且儀器系統(tǒng)的維護也相對比較困難?？紤]到溫度、鹽度、pH、葉綠素含量、生物活動等是影響該海域pCO2值的重要因素，定點對海氣pCO2進行同步、即時觀測對于更好的理解海域碳循環(huán)，研究不同海域pCO2控制因子，制定更加合理的采樣方案等具有重要意義。

一套完整的浮標pCO2觀測系統(tǒng)一般包括浮標體、傳感器（參數(shù)包括CO2、溫鹽、溶解氧、營養(yǎng)鹽、葉綠素、ADCP、CTD、濁度儀等）、自動氣象裝置、供電系統(tǒng)（蓄電池、太陽能電池板）、數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)等。目前而言，全球范圍內(nèi)HOT(Hawaii Ocean Timeseries)和BATS(Bernuda Atlantic Time-series Study)等海洋觀測站已經(jīng)開展了較長時間的多參數(shù)序列觀測[24-25]。

2.1.3渦動相關法

渦動相關法不同于海氣界面CO2分壓差法，它是根據(jù)通量的定義直接測量氣象要害的湍流脈動量，計算其二階矩而得出，是目前國際上最精確的通量觀測和計算方法[26]，一般使用超聲風溫儀和二氧化碳水汽分析儀，結合數(shù)據(jù)采集器和溫濕度傳感器組成渦動通量觀測系統(tǒng)。其計算公式是：

式中，τ為動量通量，H為感熱通量，LE為潛熱通量，F(xiàn)c是二氧化碳通量，ρ為空氣密度，cp為空氣定壓熱容，L為水的蒸發(fā)潛熱，w'、u'、T'、q'、c'分別是垂直風速、水平風速、氣溫、比濕、二氧化碳濃度的脈動值，上劃線表示計算平均值。

這種方法在陸地上使用較廣，尤其在農(nóng)田氣象、生態(tài)通量網(wǎng)等領域。但在海上移動平臺，比如船舶或者浮標，則面臨一些困難，最主要的是平臺的運動對周圍風場的影響及對儀器本身傳感器測量的影響?，F(xiàn)在常用的辦法是渦動通量觀測系統(tǒng)結合船舶姿態(tài)矯正系統(tǒng)對即時的風矢量進行修正[27]，這樣船舶在走航過程中也能進行海氣通量觀測，圖2為船載渦動相關觀測系統(tǒng)。

三維超聲風速儀的數(shù)據(jù)經(jīng)過船體運動修正后，結合動態(tài)修正后水汽CO2分析儀數(shù)據(jù)，進行協(xié)方差計算得到動量、感熱、潛熱和CO2通量，其計算流程如圖3所示。

2.2遙感觀測反演法

海洋遙感觀測具有覆蓋范圍廣、實時同步等優(yōu)勢，逐漸成為觀測海氣CO2通量的重要技術，隨著越來越多海洋水色衛(wèi)星的業(yè)務化運行，海表溫度（T）、葉綠素濃度、初級生產(chǎn)力、海面風場等海洋遙感產(chǎn)品已經(jīng)實現(xiàn)了全球產(chǎn)品的業(yè)務化運行。

圖2　船載渦動相關法觀測系統(tǒng)

圖3　走航通量數(shù)據(jù)處理流程圖

目前，國際上在一些海區(qū)開展的海表pCO2的遙感反演，主要通過建立海水pCO2與海表溫度、葉綠素濃度等因子的單參數(shù)或多參數(shù)擬合關系進行估算，該方法在開闊的大洋適用性較廣，而在離岸較近的邊緣海，影響因子較多，水動力環(huán)境較復雜，反演效果稍顯不足。pCO2的反演解析表達式如公式(9)所示：

Sarma利用衛(wèi)星海表溫度、Chl-a濃度、鹽度數(shù)據(jù)反演了北太平洋春、夏季海表pCO2分布[28]，詳細的介紹了如何通過遙感觀測來反演CO2通量；國內(nèi)廈門大學、中科院海洋所、海洋三所、海洋二所等單位也先后開展了遙感CO2通量觀測技術[29-31]。

2.3數(shù)值模擬法

2.3.1海洋碳循環(huán)模型的發(fā)展

海洋數(shù)值模型研究中，物理和生物地球化學耦合模型是物理、生物、地球化學循環(huán)過程及其相互作用的定量描述，是有效研究海洋生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)的定量化工具[32]。20世紀50年代以來，研究學者開始通過建立各種海洋碳循環(huán)模式來評定海洋中各過程（如物理過程、生物過程、化學過程等）與碳循環(huán)之間相互作用的重要性。按海洋生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)數(shù)值模型的發(fā)展，碳循環(huán)模型的發(fā)展主要分為箱式模型[33]、環(huán)流碳循環(huán)模型[34]和海洋生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)模型[35]三個階段。

箱式模型作為一個可以估計碳在海氣間輸運的方法，不但可以估算出各系統(tǒng)間（大氣、生物圈、海洋等）的碳收支，還能估算出人為排放CO2的碳通量，但是箱式模型缺乏嚴謹?shù)膭恿W過程，各均勻箱式模塊間僅僅通過交換系數(shù)進行輸運交換，因此沒有真實海洋環(huán)流體系的箱式模型存在較大弊端。

環(huán)流碳循環(huán)模型在先前的研究基礎上，建立了能較為真實模擬出海洋環(huán)流體系的三維無機碳循環(huán)模型，但該類模型中加入的生物過程過于簡單，無法真實的再現(xiàn)海洋內(nèi)部生態(tài)系統(tǒng)對碳運輸遷移的影響。

海洋生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)模型以真實的海洋環(huán)流和生物地球化學過程為基礎，更好的再現(xiàn)了海洋碳循環(huán)過程，不僅可以彌補觀測資料的不足，還能準確估算未來大氣中CO2的濃度，并能進一步預測未來全球氣候的變化趨勢，以及深入研究海水影響大氣CO2濃度的長期效應。但該類模型對超級計算機性能要求比較高，較多的生物化學變量和參數(shù)導致模型計算時間較長，另一方面調(diào)試出適合某種海域的生態(tài)參數(shù)也較為耗時。

2.3.2區(qū)域海洋碳循環(huán)生態(tài)模型簡介

Wang耦合了OGCM模型包含大小型浮游植物、浮游動物、碎屑、NH4、NO3和鐵等變量的生態(tài)模型，模擬了赤道太平洋海表pCO2和海氣CO2通量的時空變化[36]；Liu通過耦合區(qū)域海洋模型ROMS （Regional Ocean Modeling System）與生態(tài)模型CoSiNE（Carbon, Si(OH)4, Nitrogen Ecosystem）利用NCEP再分析資料模擬了南海初級生產(chǎn)力的季節(jié)和年際變化[37]; Palacz通過高分辨率的太平洋ROMS-CoSiNE耦合模型模擬分析了赤道東太平洋營養(yǎng)鹽和碳循環(huán)的時空變化[38]。

本文以Fennel的Bio_Fennel生態(tài)模型為例[39]，該模型以Fasham的NPZD生態(tài)模型[40]為基礎，建立了包括12個生態(tài)變量的海洋生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)模型，包括浮游植物（phytoplankton）、葉綠素（Chlorophyll, Chl-a）、浮游動物（zooplankton）、硝酸鹽（NO3）、銨鹽（NH4）、含氮大小型碎屑（Large and small DetritusN）、含碳大小型碎屑（Large and smallDetritusC）、溶解氧（Dissolved Oxygen, DO）、堿度（TA）、總無機碳（Total Inorganic Carbon, TIC）。模型中海洋碳循環(huán)模式框架圖如圖4所示，該模型中含碳的變量主要有總堿度、總無機碳、含碳大型碎屑和含碳小型碎屑。TA主要來源于浮游植物的生長過程，在NH4的硝化過程中消耗。TIC主要來源于碎屑的再礦化以及浮游動物新陳代謝和排泄，在浮游植物生長過程中消耗。生態(tài)模型與三維環(huán)流模型耦合，建立了三維物理-生物地球化學模型，生態(tài)模型通過水動力模型（ROMS、FVCOM、POM等）輸出的溫度、鹽度、流場等參數(shù)作為物理背景場進行驅動。根據(jù)碳酸鹽體系基本方程，利用模式輸出的溫度、鹽度、堿度和溶解無機碳可計算海表pCO2，計算如公式(10)所示。

式中，K1'為碳酸第一解離常數(shù)，K2'為碳酸第二解離常數(shù)，cKH為溶解度系數(shù)。cKH可根據(jù)經(jīng)驗公式11計算獲得：

圖4　海洋碳循環(huán)模型框架

2.3.3全球海洋碳循環(huán)生態(tài)模型簡介

全球碳循環(huán)的研究依賴于氣候模式的發(fā)展，隨著氣候模式和計算資源的發(fā)展，耦合了全球碳循環(huán)過程的地球系統(tǒng)模式成為目前氣候模式發(fā)展的重要方向[41]。目前，先進的全球碳循環(huán)模式有NCAR 的CESM1.0（Community Earth System Model version 1.0）[42]，加拿大氣候模式與分析研究中心的地球系統(tǒng)模式CanESM1[43]，海洋一所利用POP環(huán)流模型耦合的OCMIP-2(Ocean Carbon Model Inter Comparison Project Phase 2)[41]等。

BIM主要是指建筑信息模型，在近幾年科學技術的不斷發(fā)展下，BIM技術在建筑行業(yè)設計、建造、管理中得到了廣泛的應用，其中依托計算機技術與網(wǎng)絡技術，構建模型，實現(xiàn)了建筑信息模型的全方位與多元化。從另外一個角度分析，BIM技術是事前模擬技術，在建筑設計、施工以及運維方面意義重大，可以通過預測的方式得出問題，并制定有效的改進方案，提高質(zhì)量，創(chuàng)造更大的價值。

論文以中科院大氣物理研究所IAP海洋碳循環(huán)模式為例，該模型是基于海洋環(huán)流模型POP和IAP海洋碳循環(huán)過程（見圖5）建立的一個全球海洋碳循環(huán)模式。POP模式基于原始的三維海洋運動方程，采用Boussinesq近似和靜力近似，模式垂向采用z坐標，水平網(wǎng)格為B網(wǎng)格，采用球面坐標。IAP海洋碳循環(huán)模式主要由3部分構成：海表面海氣相互作用，海表面化學熱力學過程以及海洋內(nèi)部的物理和生物化學過程[44]。而生物化學過程主要考慮的是真光層內(nèi)生物生產(chǎn)過程和真光層以下的礦化輸送過程，此過程包含5個生態(tài)變量，分別為溶解無機碳（DIC）、總堿度（TA）、磷酸鹽（PO43-）、溶解有機碳（LDOC）和溶解氧（DO）。海洋中碳的生物地球化學過程，即海洋碳循環(huán)的生物泵過程，該過程中浮游植物通過光合作用吸收溶解在海水中的CO2，將其轉化為生物體內(nèi)的有機物，其中一部分經(jīng)分解排泄直接轉化為無機碳，另一部分通過生物傳輸過程將碳向深海輸送，并在深海中部分被礦化再轉化成無機碳，整個生物化學過程如圖5所示。碳酸鹽體系參數(shù)和通量的計算不再贅述。

數(shù)值模擬研究是海洋學研究的熱點和前沿領域，時空尺度的寬廣性令其具有無可比擬的優(yōu)勢，但目前海洋碳循環(huán)的數(shù)值模擬中還存在很多的不確定性，模式間的差異也較大，對復雜的生物地球化學過程較難再現(xiàn)，此外海洋環(huán)流模式的模擬能力對模擬研究結果影響也較大[45]。我們必須繼續(xù)重視觀測資料數(shù)據(jù)的積累，加強對模擬過程原理的研究，不斷改進發(fā)展海洋碳循環(huán)模式。

圖5　IAP海洋碳循環(huán)模式原理圖

3　總結與展望

海氣CO2通量的獲取方法有多種，各有其適用范圍和優(yōu)缺點，不同方法獲取的值也存在一定差異，在積累了大量基礎觀測數(shù)據(jù)和資料的同時，對各方法也提出了更高的要求。在直接測量觀測方法中，渦動相關法應用前景較為廣闊，它是目前唯一不需要理論假設的方法，不需要任何試驗參數(shù)，所需數(shù)據(jù)全部基于實測，計算方法也已經(jīng)有完整的理論認證；在研究影響因素及原理方面，浮標觀測具有不可比擬的優(yōu)勢，同步獲取的氣象、水文、理化參數(shù)可以更好的解釋表征的相關現(xiàn)象，此外，可以通過建設浮標觀測網(wǎng)絡，彌補浮標觀測覆蓋度不夠的缺點；而數(shù)值模擬不僅可以再現(xiàn)海洋碳循環(huán)過程，彌補觀測的不足，還能預測海氣相互作用、海洋碳酸鹽體系變化及生態(tài)系統(tǒng)變化等過程，時空尺度的寬廣性也具有獨特的優(yōu)勢，我們應該以實時準確的數(shù)據(jù)為基礎，不斷加強對海洋碳循環(huán)與全球碳循環(huán)過程的理解，不斷改進和發(fā)展海洋碳循環(huán)模式。參考文獻：

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A review of the methods to obtain the air-sea CO2flux under the background of climate change

JIANG Yi-fei，LV Hong-gang，JI Xuan-liang，QIAO Ran，LIU Gui-mei
（National Marine Environmental Forecasting Center，Beijing 100081 China）

Abstract：This paper is attempting to provide an overview and a comparison between various measurement and estimation techniques of sea-air CO2 flux domestic and overseas. Principle，application，merit and demerit are briefly introduced. Our special attention is given to the introduction of research status, theory and method of numerical simulation of the marine carbon cycle, additionally, the trend of its development is prospected.

Key words：CO2flux；air-sea exchange；climate change

通信作者：喬然（1955-），男，研究員，學士，主要從事海洋碳循環(huán)研究。E-mail：qr@nmefc.gov.cn

作者簡介：姜亦飛（1986-），男，實習研究員，碩士，主要從事海洋碳循環(huán)研究。E-mail：525251681@qq.com

基金項目：國家重點基礎研究發(fā)展計劃（2010CB950301-04）；國家優(yōu)秀青年基金（41222038）

收稿日期：2014-05-27

DOI:10.11737/j.issn.1003-0239.2015.03.12

中圖分類號：P734.4+5

文獻標識碼：A

文章編號：1003-0239（2015）03-0084-08