论文部分内容阅读
海洋每年从大气吸收的人为来源的CO2("CANT")约占全球每年CO2排放量的四分之一,从而显著缓解了大气CO2升高和全球变暖。西北太平洋是全球最重要的连续生态系统之一,也是整个太平洋最强的大气CO2年净汇区,然而迄今为止,关于西北太平洋固碳、储碳及输运机制的问题在我国研究甚少,也是国际海洋碳循环研究的薄弱环节。本论文以西北太平洋为研究对象,旨在进一步解析西北太平洋固碳、储碳及输运机制,这对了解CANT在当前全球变化背景下的归宿,和及时把握海洋对全球变化的生态响应都具有重要的科学意义和现实意义。本文使用2018年5-6月和8-9月在西太平洋西北部（包括三个断面:[147°E,21°-39°N],[136°E,24°-30°N],[118°-147°E,21°N]）,以及 2019 年 10-11 月在菲律宾海（130°E,8°-18°N）的碳酸盐体系及其相关参数的观测资料,研究内容主要包括:（1）根据2018年春末走航CO2分压（pCO2）结果,研究了黑潮延伸体水体影响海域的碳吸收机制,探讨了春末碳吸收机制对年净海-气CO2通量空间分布调控机制的潜在代表性。（2）给出了西北太平洋CANT储量最新的评估结果,并分析了其区域差异及调控因子,包括根据海洋锋面或海流位置大致划分的黑潮延伸体区（简称“KE 区”,[147°E,35°-39°N]）、黑潮回流区（简称“KR 区”,[147°E,27°-35°N]或[136°E,25°-30°E]）、副热带区（[147°E°21°-27°N]或[130°-136°E,15°-25°N]）和热带区（130°E,8°-15°N）（注意,本文中划分的子区域“副热带区”并非传统意义上的大尺度“副热带环流”）;并结合GO-SHIP航次沿137°E（2010年）和149°E（2005年）断面的历史数据,分析了西北太平洋CANT储量的年代际变化及其调控因子。（3）利用同位素示踪手段分析了副热带模态水（STMW）所蕴含CANT的南向输运路径;并通过比较菲律宾海北部区域（136°/137°E断面）与黑潮延伸体南部的黑潮回流区（147°/149°E断面）CANT储量的关系,探讨了 STMW所蕴含CANT的西向输运路径。本论文主要在西北太平洋固碳机制的系统解析、储碳评估、以及CANT输运路径三个方面取得以下创新性成果。在西北太平洋固碳机制方面,基于2018年春末在西北太平洋走航观测的pCO2及相关参数结果,发现海-气pCO2之差（ΔpCO2）为负值,KE区为-76±16 μatm,KR区为-31±10μatm,副热带区为-5± 2 μatm,即KE区和KR区为大气CO2的汇,而副热带区与大气接近平衡。这种纬向（南-北）分布模式与西北太平洋的年净海-气CO2通量相一致。研究发现北向失热和垂直混合是主导春末海表;pCO2和ΔpCO2纬向梯度的两个过程;即便春末是生物活动最强的季节,生物活动对海表pCO2的影响依然是相对较小的。在KE区,比较缓慢的海-气CO2平衡过程和比较短的水体停留时间共同维持春末KE区较低的海表pCO2,使KE区成为强汇。换句话说,失热的黑潮延伸体水体在与大气CO2平衡之前就已经快速流出该海域,从而使得KE区持续吸收大气CO2。在菲律宾海,水柱CANT储量具有较小的经向（东-西）变化,但纬向变化显著,呈现出向南减小的格局,比如,在2018/2019年菲律宾海北部的KR区（136°E,25°-30°N）CANT储量有最大值为38.8±0.6 mol m-2,热带区（130°E,8°-15°N）有最小值为27.8±2.5 mol m-2,这种纬向差别主要是因为北部CANT入侵较深。在热带区,超过82%的CANT储量是通过热带外的海洋环流输入,而不是通过当地海-气CO2平衡吸收而来。另外,吕宋海峡以西附近海域的CANT储量为30.6±1.2 mol m-2,低于吕宋海峡以东(35.2±1.2 mol m-2),这种差别主要是因为,吕宋海峡以西的南海中层水与南海深层水(源自北太平洋深层水,贫CANT)混合后,从而具有相对较低的CANT。在年代际变化上,结合2010年沿137°E断面的结果,菲律宾海热带区（8°-15°N）在2010-2019年间CANT储量的增加速率为0.59±0.08 mol m-2 yr-1,与1994-2007年间的增加速率(～0.54mol m-2 yr-1)相近;然而,在菲律宾海北部的KR区（25°-30°N）,近十年间CANT储量的增加速率为0.95±0.10 mol m-2 yr-1,比1994-2007年(～0.68 mol m-2 yr-1)高出约40%,即菲律宾海北部的KR区（136°/137°E断面）呈现出CANT累积加速的特征。在2018年西北太平洋沿147°E断面,水柱CANT储量呈现出显著的纬向（南-北）梯度,最大值在KR区（147°E,27°-35°N）为40.5±1.1 mol m-2,相对略低值在副热带区（147°E,21°-27°N）为37.2±0.9 mol m-2,最小值在KE区（147°E,35°-39°N）为24.2±1.8 mol m-2。其中,在KR区,STMW是水柱CANT储量的最大贡献者,这一结果也支持STMW的形成是海洋物理固碳关键过程的观点。在季节上,KR区和副热带区的水柱CANT储量几乎不存在季节变化,但在KE区,2018年5月至8月水柱CANT储量在中尺度涡旋的扰动下存在显著变化,故而该区域水柱CANT储量的年代际变化具有较大的不确定性。结合2005年沿149°E断面的结果,沿147°/149°E断面的KR区在2005-201 8年间CANT储量的增加速率为1.05±0.20 mol m-2 yr-1,这和副热带区的增加速率(1.03±0.12 mol m-2 yr-1)基本一致,但这一速率比1994-2007年观测到的速率(～0.68 mol m-2 yr-1)高约54%,也就是说,沿147°/149°E断面的KR区呈现出CANT累积加速的特征。在CANT输运方面:（1）使用碳同位素作为示踪剂,揭示了 STMW所蕴含CANT随黑潮回流的南向输运路径:虽然副热带区是大气CO2的弱汇,但由于富含CANT的STMW随黑潮回流的向南输送,副热带区的CANT储量仅略低于KR区;虽然KE区是大气CO2的强汇,但由于等密度线抬升导致较浅的CANT入侵,KE区的CANT储量低于存在STMW形成的KR区(较深的CANT入侵)。（2）通过将菲律宾海北部（136°-137°E,25°-30°N）与黑潮延伸体南部（147°-149°E,27°-35°N）两个 KR 区CANT储量的结果进行比较,发现在这两个KR区,不仅水柱CANT储量呈现出一致性,而且都在近十年呈现出CANT储量加速增加的特征。进一步分析发现,这两个KR区水柱CANT储量加速增加主要受控于STMW中CANT累积的加速(～1.7 μmol kg-1 yr-1),而且该速率高于仅考虑大气CO2浓度增加时预测的速率(1.07 μmol kg-1yr-1)。虽然STMW中CANT累积加速的原因尚未完全确定（可能与STMW生成区冬季海表温度的年代际下降有关）,但可以发现,136°/137°E和147°/149°E断面的STMW中CANT累积速率呈现出了加速的一致性,这种一致性受控于STMW所蕴含CANT随黑潮回流的西向输运作用。结合上述STMW所蕴含CANT的南向输运路径,可发现STMW所蕴含CANT的西南向输运路径,这种顺时针的CANT迁移路径与STMW在物理环流上的迁移路径是一致的。另一方面,这也相当于从化学角度,即CANT的累积,示踪了STMW的迁移路径。（3）通过将STMW中CANT的累积速率与STMW生成区表层水CANT的累积速率对比,发现二者基本一致,这意味着STMW能通过生成（潜沉）过程把表层CANT累积速率的信号带入海洋内部。