基于现场观测和海洋遥感的气体交换速率研究

为准确估计海洋对大气CO2等温室气体的净吸收量，计算海-气界面CO2通量，准确给出气体交换速率显得非常重要。气体交换速率与海面附近的湍流强度密切相关，而湍流受到海上风、波浪、降雨和海流等环境因素影响，为了简便，传统上用风速来刻画气体交换速率，不同作者的结果差异很大，给通量估计带来很大的不确定性；用均方波陡刻画气体交换速率仅适用于低中风速情形，且不同作者之间存在明显差异；用湍动能耗散率和风海雷诺数刻画气体交换速率，其参数本身难以确定。基于现场观测、海洋遥感资料和理论分析，本项目试图建立气体交换速率与风速和波浪参数之间的关系，讨论气体交换速率与卫星高度计后向散射截面之间的关系，在此基础上，利用已有的CO2分压数据，探讨不同气体交换速率对中国近海CO2通量估计的影响，阐明中国近海的CO2源汇格局，为中国气候外交谈判和气候变化预测模型提供依据。

为了探讨海-气界面气体交换速率与海洋环境要素之间的关系，提出新的气体交换速率参数化公式，我们在南海海上综合观测平台开展了南海通量平台观测（FOPSCS: Flux Observation at Platform in South China Sea）”，获取了大约2年的关于海-气界面动量、热量、水汽和气体通量连续观测数据，以及相应的水下湍流、波浪和海流和海温等数据。基于FOPSCS数据，利用涡相关法得到的CO2通量绝对值比传统块体法大1~2个量级，目前的修正方法无法解释两者的差异问题；基于观测资料和海面风应力拖曳系数公式，给出了气体交换速率和表征波浪及其破碎的湍流雷诺数之间的关系，可进一步简化为气体交换速率与风速和波高乘积的关系；研究了湍动能耗散率于深度和风速的关系，基于小涡模型，提出了一个以空气摩擦速度和白浪覆盖率为参数的气体交换速率模型，气体交换速率随风浪成长而增大；利用外海观测数据和海浪数值模式，给出了波浪能量耗散率与气体交换速率之间的关系，给出估算气体交换速率的新途径；探讨了不同气体交换速率对全球和中国近海CO2通量估计的影响，指出时间尺度越长，气体通量估算值会减小，南海于2007年前后由大气CO2的弱源转换为弱汇。该研究成果对气体交换速率的参数化和海-气界面气体通量的估算具有重要的参考价值。