南海西部上升流及人为碳储量的CFC-12和SF6示踪研究
作者单位：厦门大学
学位级别：硕士
导师姓名：蔡明刚;柯宏伟
授予年度：2021年
学科分类：083002[工学-环境工程] 0830[工学-环境科学与工程（可授工学、理学、农学学位）] 07[理学] 08[工学] 09[农学] 0903[农学-农业资源与环境] 0713[理学-生态学]
摘 要：南海是西太平洋最大的一个半封闭边缘海,也是我国深度最深、面积最大的边缘海。作为南海的西边界,南海西部受到边界流、河流冲淡水、涡旋和贯穿流等影响。氟氯烃(CFCs,Chlorofluorocarbons)和六氟化硫(SF6,Sulfur hexafluoride)作为海洋中保守性良好的瞬态示踪剂,可应用于南海西部上升流及其对区域人为碳水柱储量的示踪观测。本研究课题通过国家基金委南海西部共享航次(2015年9月、2018年9月)采集获得海水样品,获得包括CFCs、SF6以及温度、盐度等完整区域数据。CFCs和SF6在海水中溶解度极低,浓度数量级分别为pmol kg-1和fmolkg-1,易受到空气沾污。我们采用300 mL长颈安瓿瓶,接通超纯氮气保护以隔绝空气,对水样进行火焰封口保存。通过吹扫捕集-气相色谱法对水样进行定量分析,获得南海西部CFCs和SF6浓度数据,结合各相关参数进行其上升流示踪观测和上升速率估算。同时,基于运移时间分布(TTD,Transit Time Distribution)方法计算得到南海西部水团平均年龄与人为碳浓度,探究南海西部人为碳储量与上升流之间关系。主要研究结果如下:(1)获得并比较2015年和2018年南海西部水体中CFC-12(CC12F2)和SF6空间分布特征。水平分布上,CFC-12和SF6在表层水体均与大气充分混合,SF6易受外源因素影响分布存在差异,CFC-12总体呈现北部高南部低的分布趋势。垂直分布上,CFC-12和SF6均存在明显的随时间变化的分布趋势。CFC-12浓度随深度增加先增加,到次表层出现一极大值,而后随深度增加而逐渐降低;水体中SF6浓度随深度增加而不断降低。该现象反映了 CFC-12在海水中分布已受大气历史浓度影响,SF6尚未受到限制排放影响,CFC-12渗透深度超过1 500 m,深层SF6的检出主要源于采样空白。(2)基于TTD方法与CFC-12、SF6数据计算水团平均年龄,对南海西部沿岸上升流-离岸射流系统进行示踪。结合温度、盐度、叶绿素a等在500 m以浅观测到越南东部沿岸12°N-13°N上升流存在。CFC-12在12°N附近100 m上层出现高浓度东向水舌,上升水体至表层后东向离岸,共同形成沿岸上升流-离岸流系统,该系统将低温高盐水抬升至表层后输送至南海中部海盆。利用箱式模型计算上升流区水体上升速率,最大值出现在越南近岸13°N处,上升速率达8.77×10-5 m s-1,上升水体主要向中部海盆延伸,与示踪剂观测相一致。上升流示踪结果和计算结果表明,南海西部沿岸上升流影响最深可达500m,东向离岸流影响深度为100m。箱式模型仅能计算混合层底部上升速率,实际上升速率值大于计算结果。(3)通过TTD方法进一步估算人为碳全深度分布,估算南海西部人为碳平均水柱储量。表层人为碳受湄公河径流输入影响,整体呈现南部高、北部低的分布趋势。垂直深度上,人为碳浓度呈现表层高,随深度的增加逐渐降低的分布趋势。计算得到2015年和2018年南海西部0-1 500 m深度上人为碳平均水柱储量分别为 25.21 mol m-2 和 26.28 mol m-2,储量增加了 4.24%。(4)基于人为碳储量数据,探究上升流系统对水柱人为碳储量影响,并对海洋吸收人为碳与大气排放速率进行比较。上升流将低人为碳水体带至表层,造成上层人为碳储量偏低。计算得到上升流区域300m以浅人为碳储量仅为南海同深度范围内的90%,上升流系统同时造成南海西部海域人为碳水柱储量低于南海其他海区约9%。通过对比2015年和2018年表层人为碳浓度、水柱储量和大气CO2浓度数据,发现表层人为碳浓度及其水柱储量增长速率均低于大气CO2浓度增长速率,而上升流区域人为碳增长速率仅为南海其他海区的50%。以上发现均表明,海洋对人为碳的吸收速率正在逐渐降低,且上升流强度的增加在一定程度上可以减缓海洋内部的酸化过程。综上,本文通过瞬态示踪剂观测研究,一方面获得示踪剂、人为碳空间分布,首次对南海西部上升流进行多参数示踪并估算上升速率。另一方面,结合人为碳储量估算,初步探讨并量化上升流对人为碳分布及储量影响,填补该海区人为碳研究的空白。
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