陸-海氣團(tuán)傳輸對(duì)黃海南部大氣二氧化碳和甲烷混合比時(shí)空分布的影響

更新時(shí)間：2024-01-11 點(diǎn)擊次數(shù)：1397

二氧化碳（CO₂）和甲烷（CH₄）是兩種最重要的溫室氣體，在地球的輻射平衡中發(fā)揮著關(guān)鍵作用。受化石燃料燃燒、土地利用變化、森林砍伐等人為活動(dòng)的持續(xù)影響，自工業(yè)革命時(shí)代（約1750年）以來，大氣中二氧化碳和甲烷的混合比一直在上升，并在2021年達(dá)到最高值415.7±0.1 ppm和1908±2 ppb，約為工業(yè)化前水平的149%和262%。近幾十年來，大氣CO₂和CH₄混合比的時(shí)空分布越來越受到科學(xué)界的關(guān)注。船載觀測(cè)被認(rèn)為是觀測(cè)溫室氣體的六種常用且重要的方法之一，本文主要介紹利用船載CRDS(光腔衰蕩光譜)分析儀分別于2012年11月和2013年6月在中國南黃海進(jìn)行了兩次實(shí)地調(diào)查研究，以揭示中國陸架海域大氣中CO₂和CH₄混合比的時(shí)空分布和調(diào)節(jié)機(jī)制。本研究的主要目標(biāo)是:

(1)優(yōu)化改進(jìn)船基走行連續(xù)觀測(cè)大氣CO₂和CH₄混合比數(shù)據(jù)篩分方法;

(2)研究海-氣交換對(duì)CO₂和CH₄混合比時(shí)空分布的影響;

(3)在野外調(diào)查中揭示季節(jié)性季風(fēng)對(duì)南黃海海洋邊界空氣CO₂和CH₄時(shí)空分布的調(diào)節(jié)機(jī)制。

觀測(cè)區(qū)域

黃海是亞洲大陸和太平洋之間氣團(tuán)運(yùn)輸?shù)闹匾ǖ?，可分為兩個(gè)海域：黃海北部(NYS)和黃海南部(SYS)。覆蓋面積約10.8×10⁴ km²，平均深度44 m，受EAM（東亞季風(fēng)）系統(tǒng)的強(qiáng)烈影響。如圖1所示，為了研究大氣CO₂和CH₄混合比的分布及其調(diào)控機(jī)制，2012年11月2日至8日和2013年6月22日至29日進(jìn)行了兩次調(diào)查研究，分別是EAM的典型時(shí)期(包括夏季風(fēng)和冬季風(fēng))。為了保證觀測(cè)數(shù)據(jù)的可比性，引入附近的三個(gè)陸基(島)站(臨安站（LAN）;濟(jì)州高山站（JGS）;泰安半島站（TAG）)進(jìn)行對(duì)比分析。

圖1：觀測(cè)海域。粗黑色實(shí)線代表2012年11月(a)和2013年6月(b)的航行軌跡。藍(lán)色符號(hào)分別代表泰安半島站(TAP)，濟(jì)州高山站(JGS)和臨安站(LAN)，ECS代表東海，紅色的十字代表每個(gè)自然日開始的位置。

圖2：觀測(cè)到的風(fēng)向和風(fēng)速(a、c)和模擬的風(fēng)場(chǎng)(b、d)。模擬風(fēng)場(chǎng)是根據(jù)歐洲中期天氣預(yù)報(bào)中心(ECMWF)提供的ERA5氣壓水平每小時(shí)數(shù)據(jù)繪制的。

氣象資料

兩次調(diào)查研究是在一艘為在海洋環(huán)境中進(jìn)行多學(xué)科研究而設(shè)計(jì)的東方紅二號(hào)的科考船上進(jìn)行的，該船擁有一個(gè)船載大氣科學(xué)實(shí)驗(yàn)室。可觀測(cè)的氣象數(shù)據(jù)包括時(shí)間、緯度、經(jīng)度、巡航速度和方向、風(fēng)速、風(fēng)向、相對(duì)濕度、氣壓和溫度，分辨率為10s，可用于篩分和標(biāo)記觀測(cè)到的CO₂和CH₄混合比數(shù)據(jù)，并驗(yàn)證模擬風(fēng)場(chǎng)。

觀測(cè)到的風(fēng)數(shù)據(jù)被平均為每小時(shí)的數(shù)據(jù)，以供后續(xù)分析。如圖2a所示，2012年11月調(diào)查期間，每小時(shí)平均風(fēng)速為0.05~20.46 m/s，平均值為8.09(±4.17)m/s。主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)槠焙推珫|北，表明氣團(tuán)從亞洲大陸流向太平洋。如圖2c所示，2013年6月調(diào)查期間，每小時(shí)平均風(fēng)速為0.08 ~ 9.42 m/s，平均值為4.72(±1.79)m/s。相反，主導(dǎo)風(fēng)向轉(zhuǎn)為南或東南，促使氣團(tuán)從太平洋向亞洲大陸流動(dòng)。此外，觀測(cè)到的主導(dǎo)風(fēng)向(圖2a和c)與模擬風(fēng)場(chǎng)(圖2b和d)基本一致，具有典型的冬、夏季風(fēng)特征，是研究海陸空氣團(tuán)輸送對(duì)海洋邊界層CO₂和CH₄混合比時(shí)空變化影響的理想案例。

大氣CO₂和CH₄混合比的測(cè)定

如圖3a所示，在觀測(cè)期間，為了避免人為污染，將進(jìn)氣口固定在船頭最高點(diǎn)(海拔約10m)，靠近氣象傳感器，以避免人為污染。使用Picarro G2301高精度溫室氣體測(cè)定系統(tǒng)測(cè)定大氣CO₂和CH₄的混合比。Picarro分析儀可以在5秒內(nèi)獲得一次CO₂和CH₄混合比（校正受水蒸氣影響）的數(shù)據(jù)，已被證明是觀測(cè)CO₂和CH₄的高精確度和準(zhǔn)確度的好選擇。如圖3b所示，外部真空泵將環(huán)境空氣抽入專用管道，并分別通過膜過濾器，充滿高氯酸鎂的干燥管和另一個(gè)膜過濾器，以去除顆粒和水氣。然后，通過閥門順序設(shè)置調(diào)節(jié)，干燥和清潔的空氣樣品以及標(biāo)準(zhǔn)氣體通過一個(gè)8口樣品選擇閥，由質(zhì)量流量控制器控制流量為200 mL/min后進(jìn)入Picarro G2301分析儀。每次觀測(cè)實(shí)驗(yàn)前后，對(duì)Picarro G2301分析儀進(jìn)行校準(zhǔn)，保證其正常工作狀態(tài)。在現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查中，每天自動(dòng)按順序測(cè)定三種標(biāo)準(zhǔn)氣體，由Picarro G2301分析儀調(diào)節(jié)。根據(jù)3種標(biāo)準(zhǔn)氣體(CO₂為254.53(±0.06)ppm、365.14(±0.06)ppm和569.99(±0.08)ppm，CH₄為1601.0(±0.8)ppb、1925.5(±0.8)ppb和2317.7(±0.5)ppb)的測(cè)定結(jié)果和標(biāo)準(zhǔn)值，建立線性函數(shù)，對(duì)觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行校正。所使用的標(biāo)準(zhǔn)氣可溯源至世界氣象組織（WMO）一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，以保證觀測(cè)數(shù)據(jù)的一致性、可追溯性和國際可比性。

圖3：東方紅二號(hào)科考船(a)，用于觀測(cè)大氣CO₂和CH₄的船載Picarro高精度溫室氣體分析儀監(jiān)測(cè)系統(tǒng)示意圖(b)。

大氣CO₂和CH₄的混合比

一般來說，CO₂和CH₄混合比隨著海拔和離大陸距離的增加以及緯度的降低而降低。陸架海域大氣CO₂和CH₄混合比的時(shí)空分布不僅反映了自然特征，還反映了海洋油氣勘探等多種人為過程：陸-海氣團(tuán)傳輸，以及觀測(cè)儀器故障。在兩次船載調(diào)查研究中，2012年11月大氣CO₂混合比為392.75 ~ 688.10 ppm(圖4a和b)， 2013年6月為389.28 ~ 967.60 ppm(圖4c和d)。2012年11月大氣CH₄混合比為1870.6 ~ 1986.0 ppb(圖5a和b)， 2013年6月大氣CH₄混合比為1820.8 ~ 2179.0 ppb(圖5c和d)。大氣CO₂和CH₄混合比與北半球的歷史觀測(cè)結(jié)果相當(dāng)。異常高的觀測(cè)值歸因于船舶廢氣或分析儀日常維護(hù)等的人為干擾。

圖4：2012年11月和2013年6月黃海CO₂混合比的時(shí)間(a、c)和空間(b、d)分布。

圖5：11月和6月黃海CH₄混合比的時(shí)間(a、c)和空間(b、d)分布。

數(shù)據(jù)處理方法

首先，利用線性函數(shù)對(duì)2012年11月和2013年6月沿巡航軌跡觀測(cè)到的大氣CO₂和CH₄混合比進(jìn)行校正，每1 min平均一次，備份并生成可進(jìn)行后續(xù)處理的“原始數(shù)據(jù)"。其次，根據(jù)航次記錄，對(duì)儀表故障和日常維護(hù)引起的異常值進(jìn)行標(biāo)記。第三，當(dāng)船舶在離散站點(diǎn)進(jìn)行海洋調(diào)查或以低于風(fēng)速的速度在下風(fēng)向巡航時(shí)，觀測(cè)到的大氣CO₂和CH₄混合比可能受到船舶廢氣和人類活動(dòng)的影響。根據(jù)研究經(jīng)驗(yàn)將3 kn作為標(biāo)記受船舶廢氣和人類活動(dòng)影響的數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)。最后是大氣溫室氣體觀測(cè)中廣泛使用的數(shù)據(jù)質(zhì)量控制方法拉依達(dá)準(zhǔn)則(“3σ"準(zhǔn)則)，用于篩分和標(biāo)記非背景測(cè)定結(jié)果。

圖6：2013年6月28日20:40 - 29日6:40 (a)和2012年11月3日3:30 - 5:30 (b)觀測(cè)到的CO₂混合比和船速的變化。

圖7：2012年11月和2013年6月CO₂ (a, b)和CH₄ (c, d)混合比的篩分結(jié)果。(a)和(b)的縱坐標(biāo)在450至1050 ppm做了截?cái)嗵幚怼：邳c(diǎn)表示本底數(shù)據(jù)(Background)，藍(lán)點(diǎn)表示更換干燥管(Manual)所影響的數(shù)據(jù)，灰色點(diǎn)表示低速航行(0-3kn)時(shí)受船舶排放影響的數(shù)據(jù)，紅點(diǎn)表示通過拉依達(dá)準(zhǔn)則(3σ)篩分出來的數(shù)據(jù)。

陸-海氣團(tuán)輸送對(duì)大氣CO₂和CH₄混合比分布的影響

海-氣交換是CO₂和CH₄分子通過表層海水和上覆大氣界面擴(kuò)散的動(dòng)態(tài)過程。大氣CO₂和CH₄的源和匯是指它們由海水排放或被海水吸收。事實(shí)上，沿海淺海海域海-氣交換對(duì)CO₂和CH₄混合比在時(shí)空尺度上影響很大。一般來說，從海水中排放到空氣中的CO₂和CH₄很難通過大氣測(cè)量來追蹤，因?yàn)樗鼈儠?huì)被迅速稀釋;只有淺層滲漏區(qū)和沿海地區(qū)能夠直接影響當(dāng)?shù)卮髿釩O₂和CH₄的混合比，并且可以測(cè)定。

為了估計(jì)海-氣交換對(duì)大氣CO₂和CH₄混合比的影響，我們使用了一種由Kourtidis等人(2006)描述并經(jīng)Zang等人(2020)優(yōu)化的簡(jiǎn)單方法：假設(shè)調(diào)查區(qū)域上方有一個(gè)頂板高為10米的盒子，對(duì)應(yīng)于我們現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查的進(jìn)氣口高度。大氣CO₂和CH₄混合比僅受海-氣交換的影響，當(dāng)CO₂和CH₄被排放或被吸收時(shí)，它們的混合比會(huì)均勻地增加或減少，這是由海氣CO₂和CH₄通量的平均計(jì)算結(jié)果引起的。

圖8：2012年11月觀測(cè)海域CO₂和CH₄混合比的空間分布。

陸-海氣團(tuán)傳輸對(duì)大氣CO₂和CH₄混合比時(shí)空分布的影響

EAWM與亞洲大陸向西太平洋的大氣復(fù)合輸送密切相關(guān)。除第1段(S1)和第2段右端(S2)外，隨著離岸距離的增加，CO₂和CH₄混合比呈減小趨勢(shì)。(圖8)。

總體而言，亞洲大陸的CO₂和CH₄混合比高于MBL參考值。EAWM驅(qū)動(dòng)的陸-海氣團(tuán)運(yùn)輸會(huì)導(dǎo)致溫室氣體的水平傳輸。由于后續(xù)的混合和稀釋，CO₂和CH₄的混合比將沿著風(fēng)輸送路線下降。同時(shí)，S1段和S2段右端由于主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)镋NE-SE -S，大氣CO₂和CH₄混合比較低且均勻，說明氣團(tuán)是從CO₂和CH₄混合比較低的太平洋輸送過來的。

此外，后向軌跡分析顯示，2012年11月幾乎所有的傳輸路徑都來自亞洲大陸，2013年7月幾乎所有的傳輸路徑都來自南海和西太平洋(圖10)。導(dǎo)致2012年11月大氣CO₂和CH₄混合比(圖8)高于2013年7月(圖9)。大氣CO₂和CH₄混合比的季節(jié)變化與西太平洋大氣CO₂混合比的變化一致，西太平洋大氣成分分布主要由來自太平洋的海洋氣團(tuán)和來自亞洲大陸的污染氣團(tuán)主導(dǎo)。

圖9：2013年7月觀測(cè)海域CO₂和CH₄混合比的空間分布

圖10.兩個(gè)典型位置(a)35.00°N、123.41°E和(b)32.53°N、125.22°E的后向軌跡。

如圖11所示，2012年11月觀測(cè)到的大氣CO₂和CH₄混合比隨風(fēng)向的波動(dòng)特征相同，表明其變化受陸-海氣團(tuán)輸送主導(dǎo)，這與前人的研究結(jié)果一致。黑海天然氣滲漏和“北溪"管道天然氣泄漏的模擬研究表明，在5 ~ 30 km的距離上，逆風(fēng)排放源可以增強(qiáng)大氣CH₄混合比。如圖12所示，我們假設(shè)在運(yùn)輸過程中混合和稀釋的影響是線性的。根據(jù)計(jì)算可知：中國陸架海域大氣CO₂和CH₄混合比的空間分布可能在EAWM前期受到陸-海氣團(tuán)輸送的顯著影響。

圖11：風(fēng)向與CO₂和CH₄的大氣混合比之間的關(guān)系。誤差棒表示每個(gè)風(fēng)向的標(biāo)準(zhǔn)差。

圖12：2012年11月每0.1°(黑色)和0.5°(紅色)的平均CO₂ (a)和CH₄ (b)。

基于2012年11月和2013年6月在南黃海船基走行連續(xù)觀測(cè)到的大氣CO₂和CH₄混合比及氣象參數(shù)，優(yōu)化并建立了一種數(shù)據(jù)篩分方法，該方法可用于標(biāo)記受多種自然過程和人類活動(dòng)影響的CO₂和CH₄混合比數(shù)據(jù)。大氣CO₂和CH₄混合比的空間和季節(jié)變化主要受EAM調(diào)節(jié)，而海-氣交換的影響很小或可以忽略不計(jì)。夏季風(fēng)導(dǎo)致大氣CO₂和CH₄混合比相對(duì)較低，且從東南向西北逐漸增加。相反，冬季季風(fēng)增強(qiáng)了陸地到海洋的氣團(tuán)輸送，導(dǎo)致較高的大氣CO₂和CH₄混合比，并且隨著離岸距離的增加而呈遞減的趨勢(shì)。在東亞冬季風(fēng)早期，陸-海氣團(tuán)傳輸對(duì)CO₂和CH₄混合比的影響范圍約為20Km內(nèi)。