南大洋海冰区夏季海-气CO2通量及储碳能力年际变化研究

Improving the accuracy of the estimation of sea-air CO2 flux in the Marine Ice Zone is the most important part in the carbon cycle in the Southern Ocean. Sea-air CO2 flux shows sharp spatiotemporal variability from our decadal in situ measurements, which accounts for the great bias about the carbon uptake ability. In this study, based on in-situ measurements from five cruises conduced during CHINARE (the 16th, 21st, 24th, 26th and 30th) in the MIZ, according to the different controlling factors regionally, different methods are set up including linear regression and neural network. The produced pCO2 by remote sensing data are to be validated by an independent database downloaded from the internatioanl CO2 database. Combining the real sea ice concentration and a region-judgement term an extrapolation method was set up to calculate sea-air carbon flux and to analyze the spatiotemporal characteristic of carbon flux. The precision of the remote sensing data will be analyzed. Related errors and uncertainty of the carbon flux estimation will be discussed.

提高南大洋海冰区海-气CO2通量评估的准确性，是南大洋碳循环研究的关键和难点。10年的连续现场实测数据表明海冰区海-气CO2通量呈现着强烈的时空变异性，造成对南大洋储碳能力估算出现很大的不确定性。本研究拟在已执行的5次中国南极科学考察航次（1999年-2014年：16次、21次、24次、26次和30次）获取的海冰区的走航实测数据，根据pCO2在不同区域的调控机制分区域建立经验算法(包括线性回归和神经网络方法)，利用多时空长时间序列的遥感手段推算海表pCO2，并用国际CO2数据库的实测数据进行经验算法的验证，结合海冰动态实时分布以及区域判别条件，建立海-气CO2通量遥感外推算法，并评估所观测的海区碳源汇时空变异特征和机制，同时通过对遥感数据进行误差和精度分析，以及对遥感估算结果进行不确定度分析，以提高外推算法的精度和可靠性。

自工业革命以来，由于化石燃料的燃烧以及土地利用的变化等人类活动已经显著的改变了全球碳循环，大气中的二氧化碳分压以每年大概2ppm的速度持续上升，引发一系列的气候环境问题，如海水升温，两极海冰融化，海水酸化等。占地球面积71%的海洋是大气CO2的最大贮库，其中南大洋由于低温水体对大气CO2的吸收更加明显。然而观测数据和模型研究都表明海洋吸收CO2的能力正在减弱，而如何准确评估南大洋海气CO2通量是目前南大洋碳循环研究中的热点和难点。本项目通过中国南极考察航次在南大洋开展海水调查，获得在南大洋全海域以及关键区域普里兹湾走航实时的海气二氧化碳分压数据及其他相关海洋要素。根据海水二氧化碳分压数据在不同区域的调控机制不同分区域建立经验算法，包括使用线性回归和神经网络算法，利用多时空长时间序列的遥感观测手段，结合海冰动态实时分布，建立海气二氧化碳通量遥感外推算法，评估研究海区碳源汇时空分布编译特征和机制，进一步推算海气碳通量。并用国际二氧化碳数据库对本项目的计算结果进行验证，对遥感估算结果进行不确定度分析，提高外推算法的精度和可靠性。本项目选取了2009年绕南极大陆的调查研究展开计算，解决了长期困扰的南大洋极端环境下所观测数据稀少和分散而无法全面评估南大洋碳汇作用的难题，并以优于国际同行的时空分辨率，揭示了在生物活动、物理水文、风场驱动和海冰共同作用下南大洋碳源汇格局从春季到夏季的时空变异特征。此外，在普里兹湾海域，应用神经网络算法准确计算了湾内在2015年2月份的碳吸收量，由于普里兹湾特殊的门槛地形，湾内水体在夏季吸收了大量的大气CO2，在秋冬季海水结冰卤水析出效应作用下，该水体将下沉至陆坡，并与南极绕极水混合进一步形成南极底层水，将会进一步影响深层水的酸化。在上述研究的基础上，已有两篇科技论文发表于SCI期刊。