中国海洋大学科技处

上层海洋-低层大气生物地球化学与物理过程耦合研究

该项目是我校第一个作为第一主持单位承担的国家自然科学基金重大基金项目，这也是我国第一个与大型国际合作研究计划同步实施的项目，先于日本等发达国家。首席科学家是海洋环境学院冯士筰院士,项目总经费800万元。

研究内容：深入了解我国典型海域重要大气物质（沙尘、氮化合物）的输入通量及其对海洋初级生产过程和生态系统的影响，揭示CO₂和其他辐射活性气体（DMS、CH₄、N₂O）在上层海洋与低层大气中的浓度分布、通量及其变化，重点研究上层海洋-低层大气物质交换及关键物理和生物地球化学过程的控制作用，初步认识上层海洋中辐射活性气体释放对气候变化的影响。主要包括以下三个方面：

1、大气物质的沉降及其对海洋生态环境的影响

由于日益增强的人类活动，排入大气中的物质的种类和数量明显增加。这些物质不仅直接影响气候和环境，同时也会被输运到海洋上空并通过海－气界面而进入海洋，对海洋生态系统产生影响。较高的沙尘气溶胶、氮化合物和硫化合物浓度是我国大气污染的特点，其中沙尘气溶胶和氮化合物入海后可能改变生态系统的营养状态而受到重视。本项目重点研究大气物质自源地向海洋的输送过程，输送过程中所发生的物理和化学特性，在海洋表面的沉降过程和通量，进而研究海洋生态系统对这种物质沉降的响应。

2、上层海洋－低层大气物质交换过程及其控制机制

海洋与大气间的相互作用是通过界面上的物质、能量和动量交换完成的。在以前的研究中，动量交换和热量交换是海洋－大气相互作用的重点。自上世纪80年代，在全球变化的研究中开始关注温室气体的作用，海洋在CO₂等温室气体全球循环方面有重要意义。本项目将重点研究海－气界面上生物地球化学过程和物理作用的耦合机制，研究海洋大气边界层和海洋上混合层演化的相互关系，并对决定海洋－大气间物质交换通量计算的关键物理、生物地球化学过程实现参数化。本研究内容是从机制上认识上层海洋－低层大气耦合作用的基础。

3、海洋辐射活性气体释放及其对气候变化的影响

辐射活性气体，包括温室气体（如CO₂、N₂O、CH₄等）和其它化学反应产物能够影响大气辐射平衡的气体（如DMS），是气候变化研究关心的核心问题之一。由于CO₂、DMS等的源汇同海洋及其生态系统相联系，但至今还有许多关键科学问题没有得到很好的回答。本项目重点研究中国近海海洋辐射活性气体释放通量，上层海洋生物地球化学过程对海气CO₂通量的影响，研究DMS的海洋释放和大气化学转化过程及对云和辐射过程的影响，海洋溶存CH₄和N₂O释放对区域气候和全球变化的影响。

项目课题设置如下：

1.沙尘等颗粒物的输送、沉降及其对海洋初级生产的影响

沙尘输送、沉降过程的物理、化学特性及入海通量；沙尘主要化学成分的生物可利用性及对海洋初级生产力的影响，研究沙尘输入对海-气界面重要辐射活性气体交换量的影响，分析气溶胶粒子谱及其化学成分。

2.大气沉降对中国近海氮营养盐物的贡献

采用资料分析、实验室模拟和数值模式等综合研究手段，特别是通过多参数、连续两年样品的采样和分析，研究近岸海区大气含氮物质存在形态、向黄海的干、湿沉降。探究海洋大气氮的来源和不同氮源的贡献，并初步研究海洋对N₂的固定能力，揭示影响这种氮化合物自大气向海洋的转移过程和机制以及对海洋初级生产和辐射活性气体排放的影响。

3.海－气界面能量与物质交换过程及耦合机制

通过室内实验、海上观测、理论分析和数值模拟相结合，充分考虑波浪及其破碎对海-气界面交换过程的影响，尝试提出新的海-气界面动量、能量和物质交换物理模型以及参数化方案；探讨大气边界层和海洋上混合层物质和能量的垂直通量和输送过程，研究海面微表层中温室气体和生源要素的分布和迁移规律，研制上层海洋与低层大气的耦合模式，讨论大气边界层与海洋上混合层的相互作用及其对气候变化的响应。

4.边缘海真光层生物地球化学过程及其对大气CO₂的调制

通过对表层海水与大气pCO_2，海洋初级和新生产力及相关海洋、大气等参数的观测，研究春季不同沙尘沉降条件下的海-气CO₂通量与海洋生物泵结构和效率的关系，描绘POC输出通量在春季生物活跃时期的空间变化图像，探讨浮游藻的种类组成对碳吸收和循环的作用，比较不同纬度的边缘海在不同浮游生物结构和生产力水平下的CO₂通量，揭示物理因子和生物效应对其调控的相对重要性。

5. 海洋辐射活性气体释放及其对云和辐射过程的影响

走航和定点测量黄海和南海大气和表层海水中DMS、CH₄、N₂O浓度，用微气象法直接测量海洋DMS释放通量，计算我国近海辐射活性气体释放通量，同时测量气态和颗粒态中硫化合物含量、监测颗粒物粒径增长，分析DMS转化对成云及辐射的影响，评价辐射活性气体对区域和全球环境的影响。