黄东海碳通量季节、年际变化的模拟与机制分析

Contribution from shelf seas is an outstanding uncertainty in the study of the global carbon cycle. Whether shelf seas act as source or sink for the atmospheric CO2 is still a controversial issue; a comprehensive quantification requires the help of numerical models. This study plans the development of carbon cycle model for the Yellow and East China Seas; validating the model with available observations; application of the model to understanding the seasonal and inter-annual variations of the surface water CO2 partial pressure, carbon flux at the air-sea interface and transport of carbon from shelf seas into the open ocean. Goal of this study is to quantitative assessment the source/sink distribution for the atmospheric CO2 by the ocean in this region, the contributions of the "biological pump" and "continental shelf pump"; and finally contributing the regional carbon module to global carbon cycle models. Model sensitivity experiments will be carried out to understanding (1) seasonal and inter-annual variations of contributions to carbon fluxes in the region by physical and biological processes; (2) the physical and biological effects and the influence to air-sea carbon flux by changes in the Changjiang River runoff; (3) the parameterization of carbon flux at the water-sediment interface and the contribution of this flux to carbon cycling. This work distinguishes from pervious studies in the investigation of space-time variations of the source/sink contribution of the Yellow and East China Seas to atmospheric CO2, and the quantitative evaluation of the influences of "biological pump" and "continental shelf pump" through model simulation and sensitivity experiments. A novel aspect is to establish parameterization schemes for carbon flux at the water-sediment interface related to bottom boundary current, and testing these schemes in ecosystem and carbon cycle modelling.

陆架海的贡献是全球碳循环研究中主要不确定性之一，陆架海对大气二氧化碳是源还是汇目前尚存争议，亟需以模型综合量化。本研究拟建立黄东海碳循环模型，认识黄东海表层二氧化碳分压、海-气碳通量及向陆架外碳输送通量的季节和年际变化规律，定量评估黄东海大气二氧化碳源汇格局以及生物泵、陆架泵的作用，为全球碳循环模型提供可嵌入的黄东海碳循环模块。将通过敏感性实验认识：（1）物理过程和生物过程在季节、年际时间尺度上对黄东海碳通量变化的贡献；（2）长江径流量变化的物理、生物效应及其对海-气二氧化碳通量格局的影响；（3）沉积物-水界面交换通量动力学参数化及其在碳循环中的作用。以陆架海碳循环模型研究黄东海二氧化碳源汇时空变化是本研究主要特色，以模型结果、敏感性实验定量分析研究海区的生物泵、陆架泵作用，是本研究与已有研究的主要区别。通过观测获取界面交换的参数化方案，并应用到碳循环和生态模型中是一种新的尝试。

海洋对CO2的吸收缓解了大气CO2浓度的持续上升，陆架海因其较高的初级生产而具有较强的固碳能力，在海洋碳循环中占据重要角色。本项目基于黄东海碳循环关键控制过程，建立了东中国陆架海3维-物理-生物-碳循环模型，完成了黄东海物理场和海-气碳通量的季节与年际变化的模拟，进一步厘清了黄东海海-气CO2通量季节变化特征；评估了长江营养盐浓度变化所致的生态效应对邻近海区碳通量的影响；探讨了“溶解泵”、“生物泵”、“陆架泵”在碳循环中的运作机制，为准确评估东亚陆架海在全球气候变化中的作用提供了科学依据。. 模拟结果表明黄东海陆架海区全年表现为大气CO2净汇。冬、春季低温（“溶解泵”）主控黄东海成为碳汇区，强风是冬季形成最强碳汇区的原因。夏季生物光合作用是黄海中部和长江浅滩形成碳汇区的主因。秋季，黄海中部春、夏产生的低DIC水团因对流作用较弱而持续影响该区无机碳系统，主控该区碳汇作用，而在长江浅滩，垂向混合作用向该区真光层内净输送DIC，主控其碳源作用。若无生物作用（“生物泵”），黄海中部的夏、秋季，长江浅滩的夏季将发生碳汇向碳源作用的转变。东海中陆架海-气CO2通量的季节变化主要由海表温度的季节变化控制。整体而言，浮游植物初级生产和环流系统的动态变化是黄东海形成明显不同子区域的原因，并导致海-气CO2通量呈显著的季节与区域差异。. 敏感性实验结果指出长江营养盐浓度的增加使其邻近海区夏季碳汇作用增强，冬季碳汇减弱，并对海洋酸化产生一定影响。黄东海碳收支估算表明黄海中部由于水动力较弱而成为水体POC沉积的主要区域，是水体POC重要的汇；“陆架泵”作用在不同季节输出碳的形式有所不同，春、夏季输出POC，而秋、冬季以输出DIC为主。. 此外，本项目通过底边界层声学仪器ADV和PC-ADP的流速和悬浮物浓度同步观测，基于湍生成与耗散平衡假设，使用惯性耗散法计算了沉降速度；并根据悬浮颗粒物浓度时空变化的统计分析和对应的底应力估算了侵蚀临界应力和沉降临界应力，证实侵蚀临界应力略大于沉降临界应力，为模型中沉积-水界面物质交换过程提供了参数化方案。