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南北极海区夏季海-气二氧化碳交换特征及其所揭示的海洋学问题研究

作　者: 高众勇
导　师: 陈立奇
学　校: 厦门大学
专　业: 海洋化学
关键词: 二氧化碳海-气交换碳通量全球变化南大洋北冰洋和亚北极水中国南、北极科学考察（CHINARE）
分类号: P734
类　型: 博士论文
年　份: 2002年
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内容摘要

本研究利用1999年中国首次北极科学考察、以及1999—2000年度的中国第16次南极科学考察机会对沿途航线上全球纬度范围的海区的海-气交换进行了的详细的调查，描绘了大气及表层海水CO₂分压（pCO₂）的全球纬度特征及其在不同海区之间的差异，并着重研究了南大洋及北冰洋的表层海水CO₂分压（pCO₂）的分布特征，讨论并揭示其所代表海洋学问题及意义。文章讨论了各海区CO₂分压（pCO₂）与表层海水温度（SST）、水文物理过程影响及生物吸收等因素的相关关系，研究控制pCO₂变化的主要调控因子。并利用这些关系，研究pCO₂在南大洋及北冰洋的分布特征，讨论其特殊性，探讨其所揭示的有关海洋学问题和规律。借助于全球各海区pCO₂主要调控因子的分析，本论文重点研究了南、北极海区。在南大洋，根据pCO₂的变化特征，找到海冰区与非海冰区的性质的巨大差异，为研究南大洋海冰区在全球变化中的作用与反馈提供了依据；同时，在白令海及北冰洋，根据pCO₂的分布特征，找到了整个白令海水文环流对北极碳汇的显著影响，并发现整个北太平洋亚北极水的保守混合性质，为北极地区在全球变化研究中的作用提供了重要依据。详细的主要研究结果如下： 1．从南极至北极沿途航线各海区对大气CO₂的吸收能力如下（大气CO₂的汇区之间比较）：南大洋海冰区（夏季3月份）＞北冰洋夏季（8月份）＞北太平洋西北部（7月份）＞东海（3月）＞楚克奇海（夏季8月及7月）＞北太平洋西北部（8月份）＞台湾海峡（11月）＞白令海（夏季7月及8月）＞鄂霍次克海（7月）＞白令海峡（8月）＞台湾海峡（3月）＞东黄海（7月）＞东海（11月）＞白令海峡（7月）＞30—40°S南印度洋（11月）＞30—40°S南印度洋（3月）＞日本海（7月）＞30°S以北南印度洋（11月） 2．南中国海3月份吸收通量几乎为零外，而在11月份时其为大气CO₂的5 一。源，其它CO。的源区主要是热带海区、40“一60”S南印度洋、以及南极辐散带，其中，40”一60”S南印度洋在 11月份及 3月份都有很高的负通量，为显著的大气COZ的源。 3．整个南大洋是一个复杂多变的水文学区域，其自身包含着的亚系统以及＆各种水文锋面，都会对尸COZ的分布特征产生重要的影响。在夏季高生产力季节，海冰区由于融冰淡水分层带来的水体垂直稳定性的影响等原因，有利于浮游植物生长，生产力大大提高，逐渐发展成生物因子控制表层海水的厂COZ特征。而在非海冰区，这种影响并不显著，因而形成海冰区与非海冰区的巨大差异。这使得南大洋在大规模尺度上，可以划。分为海冰区和非海冰区两大部分。 4．在海冰区夏季的高生产力季节，生物影响通常都能够发展成尸＊Q的主要调控因子，比如，夏季普里兹湾湾内地区全部被生物过程影响所主控，并成为CO。的一个强汇区；但在一些海区，水文物理过程依然可以主控着尸COZ的变化，比如普里兹湾外的南极辐散带，由于绕极深层水（CDW）＄的向上涌升，本来是强汇的普里兹湾一下子变成大气COZ的源区，这是由于受到富含CO。的深层水影响的原因，所以，虽然整体上，夏季海冰区尸CO。的分布特征主要由生物影响所主控，但在一些局部的海区水文物理过程仍然产生控制作用。 5 相比之下，北冰洋夏季尸CO。的分布受到环流的影响十分明显，并且带有很显著的保守性。这种保守性为检测北太平洋亚北极水对北极碳汇的影响起到了十分重要的作用。根据这一特性，可以研究白令海水向楚克奇海的输移过程、变化以及影响。研究发现，虽然前人的结果表明，白令海的I7CO。特征受生物生产力影响控制，但这是在高生产力的陆架区的情况，在深海的白令海盆情况并不相同，其尸＊0。的特征显著地受到水文环流的影响，而不是生物因子在控制。另一方面，其自身带有明显的HNLC性质。多数研究者也都认同这一观点。 6．北极诲区的这一显著特性为研究北极地区的碳循环及其在全球变化中的作用与反馈有着十分重要的意义。一方面，由于北太平洋水是北冰洋营。养盐的一个来源，而北冰洋表层营养盐在夏季几乎耗尽，因此从HNLC 的白令海盆流过来的白令海亚北极水，将有利于北冰洋夏季浮游植物的生长，形成有机碳汇。另一方面，注人白令海的淡水来源的无机碳在白令海没有向深海输出，而通过阿拉斯加沿岸流全部注入北冰洋，形成一个重要的无机碳汇，这两大碳汇都将在北极对全球变化的响应中起着十分重要的反馈作用。7 60”E—80”W之间的南大洋海冰区在整个夏季都是大气COZ的净汇区，其COZ的源汇分布状况可描述为：（对大气COZ的吸收能力）南大西洋东、西部（45八N一30W及m”W—m”E）＞南印度洋＞南大西洋中部＞

全文目录

中文摘要  13-16
英文摘要  16-20
第一章绪论  20-39
  1．全球变化与大洋碳循环  20-27
    1．1 大气CO_2与碳循环  21-23
    1．2 海洋对大气CO_2的吸收  23-27
      1．2．1 生物泵  23
      1．2．2 物理泵（溶解泵）  23-25
      1．2．3 海洋对CO_2吸收能力的变化  25-27
      1．2．4 全球大洋碳的源汇分布格局  27
  2．南大洋在全球大洋碳循环研究中的作用  27-28
  3．南大洋碳循坏研究进展  28-33
    3．1 南大洋浮游植物叶绿素与初级生产力  28-29
    3．2 南大洋营养盐浓度与初级生产力限制  29-31
    3．3 DOC、POC贮库及有机碳通量  31
    3．4 南大洋深海沉积通量  31-32
    3．5 南大洋海-气CO_2交换及pCO_2调控因子  32-33
  4．南大洋碳循环与全球变化：影响及其反馈  33-34
  5．北冰洋碳循环研究进展  34
  6．国内在南北极的研究成果与现状  34-35
  7．存在问题  35-37
    7．1 两极碳汇的时空变异  37
    7．2 Fe限制与Fe假说  37
    7．3 紫外辐射增加对初级生产的影响  37
  8．本论文的选题意义和研究内容  37-39
    8．1 选题意义  38
    8．2 主要研究内容  38-39
第二章方法  39-48
  1．海—气CO_2通量研究方法概况  39-43
  2．海—气CO_2通量研究方法述评  43-44
  3．本研究中所使用的实验方法  44-48
    3．1 方法原理  45
    3．2 实验仪器  45
    3．3 观测方法  45-47
    3．4 数据处理方法  47-48
第三章全球大气CO_2分压（PCO_2）纬度分布  48-61
  1．大气CO_2的纬度分布  50-52
  2．大气CO_2的昼夜变化  52-56
  3．大气CO_2分压的季节变化  56-58
  4．南大洋大气CO_2分压的经度分布  58-59
  5．与其它结果的比较  59-61
第四章从北极至南极表层海水CO_2分压（pCO_2）的时空变异及其通量研究  61-76
  1．上海—南极  64-67
    1．1 11月份CO_2源汇纬度分布状况  64
    1．2 3月份CO_2源汇纬度分布状况  64
    1．3 各主要海区CO_2分压变化  64-67
      1．3．1 东海及台湾海峡  64-66
      1．3．2 南中国海  66
      1．3．3 热带海区  66
      1．3．4 南印度洋  66
      1．3．5 普里兹湾  66-67
  2．上海—北冰洋  67-68
    2．1 表层海水CO_2分压的纬度分布  67-68
    2．2 pCO_2季节变化  68
  3．南极至北极沿途航线上各海区海—气CO_2交换通量  68-75
    3．1．海—气CO_2通量计算方法  68-69
    3．2．海—气CO_2交换通量  69-75
      3．2．1． 11月份上海—南极中山站沿途航线各海区CO_2通量  69-71
      3．2．2． 3月份南极中山站—上海沿途航线各海区CO_2通量  71-72
      3．2．3． 7月份上海—北极沿途航线各海区CO_2通量  72-73
      3．2．4． 8月份北极—上海沿途航线各海区CO_2通量  73-74
      3．2．5．南极至北极沿航线上各海区碳通量比较  74-75
  4．小结  75-76
第五章不同海区表层海水CO_2分压主要调控因子研究  76-86
  1． pCO_2～SST相关关系及其异常  78-83
    1．1 南大洋水文学特征  78
    1．2 南大洋锋面结构与系统对pCO_2变化的影响  78-83
      1．2．1 亚南极锋（SAF）  82
      1．2．2 亚热带锋（STF）  82
      1．2．3 南极辐散带（AD，65°S附近）  82-83
      1．2．4 季节性冰带（SIZ，60°S以南）  83
    1．3 东海  83
  2． CO_2源汇分布的主要调控因子分析  83-84
  3．小结  84-86
第六章南大洋海冰区CO_2分布特征及通量研究  86-96
  1．南大洋不同海区间CO_2的源汇分布的差异  86-90
    1．1 南印度洋海区  87-88
    1．2 南大西洋海区  88
    1．3 德雷克海峡  88
    1．4 普里兹湾大洋测区  88-90
  2．季节变换差异对CO_2源汇状态的影响  90-92
  3．南大洋海冰区夏季CO_2通量  92-94
  4．南大洋海冰区夏季对CO_2吸收能力  94-95
  5．小结  95-96
第七章普里兹湾大洋测区海—气CO_2分布特征及通量研究  96-103
  1．普里兹湾地理、水文概况  96
  2．普里兹湾pCO_2的平面分布特征  96-100
  3． pCO_2与叶绿素的关系  100
  4．普里兹湾73°E断面研究  100-101
  5．普里兹湾夏季海-气CO_2交换通量  101-102
  6．小结  102-103
第八章海冰区在南大洋碳循环中的作用研究  103-116
  1．南大洋区域概况  104-106
  2．南大洋海冰区与非海冰区差异比较  106-107
    2．1 pCO_2分布特征差异  106
    2．2 pCO_2与叶绿素a的相关关系比较  106
    2．3 pCO_2与SST之间的相关关系比较  106-107
    2．4 南大洋营养盐分布特征与碳循环  107
  3．小结  107-116
第九章白令海、楚克奇海夏季CO_2分布特征及其所揭示的海洋学意义  116-137
  1．观测数据的应用方法  117
  2． pCO_2分布特征及其所揭示的海洋学问题  117-136
    2．1 pCO_2不饱和与叶绿素空间变化的解耦合  117-121
    2．2 白令海盆pCO_2的分布特征及其与pH变化的相关性  121-122
    2．3 白令海盆边缘海洋学特征  122
    2．4 白令陆坡流的作用与影响  122-125
    2．5 白令海不同水团进入北冰洋时的保守混合：白令海峡pCO_2变化研究  125-129
      2．5．1 白令海峡处进入北冰洋的不同亚北极北太平洋水团的识别  127
      2．5．2 不同水团在白令海峡的保守混合  127
      2．5．3 第三支流的存在  127-128
      2．5．4 二种水团性质差异及其成因  128-129
    2．6 亚北极北太平洋水对北冰洋碳汇的影响  129-136
      2．6．1 北冰洋的断面研究  129-130
      2．6．2 白令海及楚克奇海pCO_2及pH值的平面分布  130-135
      2．6．3 北冰洋碳汇的纬度相关性  135
      2．6．4 亚北极北太平洋水对北极碳汇的意义  135-136
  3．小结  136-137
第十章结语  137-142
参考文献  142-157
致谢  157-159
附录在学期间发表和交流的论文  159

南北极海区夏季海-气二氧化碳交换特征及其所揭示的海洋学问题研究

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