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--海-气CO_2交换通量、表层海水CO_2分压的分布特征、主要调控因子、及其在碳循环与全球变化研究上的意义与影响

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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>
中文摘要第13-16页
英文摘要第16页
第一章 绪论第20-39页
    1. 全球变化与大洋碳循环第20-27页
        1.1 大气CO_2与碳循环第21-23页
        1.2 海洋对大气CO_2的吸收第23-27页
            1.2.1 生物泵第23页
            1.2.2 物理泵(溶解泵)第23-25页
            1.2.3 海洋对CO_2吸收能力的变化第25-27页
            1.2.4 全球大洋碳的源汇分布格局第27页
    2. 南大洋在全球大洋碳循环研究中的作用第27-28页
    3. 南大洋碳循坏研究进展第28-33页
        3.1 南大洋浮游植物叶绿素与初级生产力第28-29页
        3.2 南大洋营养盐浓度与初级生产力限制第29-31页
        3.3 DOC、POC贮库及有机碳通量第31页
        3.4 南大洋深海沉积通量第31-32页
        3.5 南大洋海-气CO_2交换及pCO_2调控因子第32-33页
    4. 南大洋碳循环与全球变化:影响及其反馈第33-34页
    5. 北冰洋碳循环研究进展第34页
    6. 国内在南北极的研究成果与现状第34-35页
    7. 存在问题第35-37页
        7.1 两极碳汇的时空变异第37页
        7.2 Fe限制与Fe假说第37页
        7.3 紫外辐射增加对初级生产的影响第37页
    8. 本论文的选题意义和研究内容第37-39页
        8.1 选题意义第38页
        8.2 主要研究内容第38-39页
第二章 方法第39-48页
    1. 海—气CO_2通量研究方法概况第39-43页
    2. 海—气CO_2通量研究方法述评第43-44页
    3. 本研究中所使用的实验方法第44-48页
        3.1 方法原理第45页
        3.2 实验仪器第45页
        3.3 观测方法第45-47页
        3.4 数据处理方法第47-48页
第三章 全球大气CO_2分压(PCO_2)纬度分布第48-61页
    1. 大气CO_2的纬度分布第50-52页
    2. 大气CO_2的昼夜变化第52-56页
    3. 大气CO_2分压的季节变化第56-58页
    4. 南大洋大气CO_2分压的经度分布第58-59页
    5. 与其它结果的比较第59-61页
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第61-76页
    1. 上海—南极第64-67页
        1.1 11月份CO_2源汇纬度分布状况第64页
        1.2 3月份CO_2源汇纬度分布状况第64页
        1.3 各主要海区CO_2分压变化第64-67页
            1.3.1 东海及台湾海峡第64-66页
            1.3.2 南中国海第66页
            1.3.3 热带海区第66页
            1.3.4 南印度洋第66页
            1.3.5 普里兹湾第66-67页
    2. 上海—北冰洋第67-68页
        2.1 表层海水CO_2分压的纬度分布第67-68页
        2.2 pCO_2季节变化第68页
    3. 南极至北极沿途航线上各海区海—气CO_2交换通量第68-75页
        3.1. 海—气CO_2通量计算方法第68-69页
        3.2. 海—气CO_2交换通量第69-75页
            3.2.1. 11月份上海—南极中山站沿途航线各海区CO_2通量第69-71页
            3.2.2. 3月份南极中山站—上海沿途航线各海区CO_2通量第71-72页
            3.2.3. 7月份上海—北极沿途航线各海区CO_2通量第72-73页
            3.2.4. 8月份北极—上海沿途航线各海区CO_2通量第73-74页
            3.2.5. 南极至北极沿航线上各海区碳通量比较第74-75页
    4. 小结第75-76页
第五章 不同海区表层海水CO_2分压主要调控因子研究第76-86页
    1. pCO_2~SST相关关系及其异常第78-83页
        1.1 南大洋水文学特征第78页
        1.2 南大洋锋面结构与系统对pCO_2变化的影响第78-83页
            1.2.1 亚南极锋(SAF)第82页
            1.2.2 亚热带锋(STF)第82页
            1.2.3 南极辐散带(AD,65°S附近)第82-83页
            1.2.4 季节性冰带(SIZ,60°S以南)第83页
        1.3 东海第83页
    2. CO_2源汇分布的主要调控因子分析第83-84页
    3. 小结第84-86页
第六章 南大洋海冰区CO_2分布特征及通量研究第86-96页
    1. 南大洋不同海区间CO_2的源汇分布的差异第86-90页
        1.1 南印度洋海区第87-88页
        1.2 南大西洋海区第88页
        1.3 德雷克海峡第88页
        1.4 普里兹湾大洋测区第88-90页
    2. 季节变换差异对CO_2源汇状态的影响第90-92页
    3. 南大洋海冰区夏季CO_2通量第92-94页
    4. 南大洋海冰区夏季对CO_2吸收能力第94-95页
    5. 小结第95-96页
第七章 普里兹湾大洋测区海—气CO_2分布特征及通量研究第96-103页
    1. 普里兹湾地理、水文概况第96页
    2. 普里兹湾pCO_2的平面分布特征第96-100页
    3. pCO_2与叶绿素的关系第100页
    4. 普里兹湾73°E断面研究第100-101页
    5. 普里兹湾夏季海-气CO_2交换通量第101-102页
    6. 小结第102-103页
第八章 海冰区在南大洋碳循环中的作用研究第103-116页
    1. 南大洋区域概况第104-106页
    2. 南大洋海冰区与非海冰区差异比较第106-107页
        2.1 pCO_2分布特征差异第106页
        2.2 pCO_2与叶绿素a的相关关系比较第106页
        2.3 pCO_2与SST之间的相关关系比较第106-107页
        2.4 南大洋营养盐分布特征与碳循环第107页
    3. 小结第107-116页
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第116-137页
    1. 观测数据的应用方法第117页
    2. pCO_2分布特征及其所揭示的海洋学问题第117-136页
        2.1 pCO_2不饱和与叶绿素空间变化的解耦合第117-121页
        2.2 白令海盆pCO_2的分布特征及其与pH变化的相关性第121-122页
        2.3 白令海盆边缘海洋学特征第122页
        2.4 白令陆坡流的作用与影响第122-125页
        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变化研究第125-129页
            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第127页
            2.5.2 不同水团在白令海峡的保守混合第127页
            2.5.3 第三支流的存在第127-128页
            2.5.4 二种水团性质差异及其成因第128-129页
        2.6 亚北极北太平洋水对北冰洋碳汇的影响第129-136页
            2.6.1 北冰洋的断面研究第129-130页
            2.6.2 白令海及楚克奇海pCO_2及pH值的平面分布第130-135页
            2.6.3 北冰洋碳汇的纬度相关性第135页
            2.6.4 亚北极北太平洋水对北极碳汇的意义第135-136页
    3. 小结第136-137页
第十章 结语第137-142页
参考文献第142-157页
致谢第157-159页
附录 在学期间发表和交流的论文第159页
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