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利用卫星热红外遥感技术监测长白山天池火山活动性.doc

利用卫星热红外遥感技术监测长白山天池火山活动性

繁华的只有寂寞
2017-09-26 0人阅读 举报 0 0 暂无简介

简介:本文档为《利用卫星热红外遥感技术监测长白山天池火山活动性doc》,可适用于综合领域

利用卫星热红外遥感技术监测长白山天池火山活动性CHINESEJOURNALOFPOLARRESEARCHJune年月研究进展CO气利用卫星数据估算南大洋海通量的展望,,,许苏清陈立奇(厦门大学海洋系,厦门国家海洋局海洋大气化学与全球变化重点实验室,厦门国家海洋局第三海洋研究所,厦门)国家海洋局极地考察办公室,北京提要本文简述了南大洋在全球碳循环系统中的重要作用以及极地海域海洋CO通量现场实测数据调查的局限性和存在问题,借鉴国外学者在大洋利用卫星数据估算海气CO通量的研究成果,结合我国在南极积累的二十多年的大洋考察资料,展望我国在南大洋进行相关碳通量估算的研究前景。总的基本思路是:从海表层水CO分压和其相应的调控因子之间推导出经验公式,通过最佳的插值方式由卫星遥感数据外推整个计算海域的CO数据场,与实测数据做比较,计算碳通量。关键词卫星数据海气CO通量南大洋海气碳通量的变化性自工业革命以来,由于人类本身的生产和社会活动,主要是化石燃料的大量消费、森林的大面积砍伐、化学肥料和含氯氟烃类气体的大量使用等过程,使得向大气中排放的温室气体急剧增加。温室效应引发了一系列的生态和环境问题,已经成为全球变化的一个重要议题。海洋是调节大气中CO含量的最大的碳库,据初步估计,海洋中储存的CO总量大约相当于大气中CO含量的倍,相当于生物圈中CO总量的倍。海洋通过生物、化学、流动和沉积等过程不断吸收大气中的CO,并输运储存于海底或转换成其收稿日期年月收到来稿,年月收到修改稿。()()基金项目国家自然科学基金重点项目、国家自然科学基金项目,、国家社会()公益专项DIB和极地科学基金资助。作者简介许苏清,女,年生。现为厦门大学海洋系在读博士研究生,主要从事南大洋海冰区碳循环模式研究。他含碳物质。占地球表面积的海洋作为大气CO的主要汇,可吸收大量的人为碳,从而缓和()气候的变化。研究表明海洋每年能吸收Gt碳的CO,海洋对调控大气CO的量具有重要意义。其中占全球海洋面积的南大洋在全球碳循环自然源和人为源CO与大气之间的交换中起着关键的作用,并且是大气CO的主要汇,每年吸收,Gt碳的CO。南大洋汇的作用主要以南纬为中心,覆盖范围从南纬到南纬,其中,以大西洋扇区和印度洋扇区最为强烈,东太平洋扇区较次。而覆盖世界海洋面积的南纬以南的海域,占全球海洋汇对碳吸收的。南大洋作为潜在重要碳汇和由于大量吸收CO而引起的海水酸化问题,引起了国际上的关注。观测表明,南大洋的表层海水的pCO分布表现出很大的变化性,受到水文、气象、海洋物理、化学和生物等要素的影响。因此,仅靠有限的调查船调查很难获得对整个南大洋海气CO通量的准确评估。海洋现场获取资料的局限性海洋面积广大,而且海况复杂,实行现场海洋调查需要投入大量的人力、物力和财力,调查时间周期长。传统的海洋调查在资料获取、信息处理等方面存在较大局限,难以进行多变量同步控制观测海洋环境变化周期长、信息量大,难以取得理想的可控制数据,在实时处理上也有很大的困难。常规的海洋观测手段无法做到全面、深刻地获得海域内计算碳通量所需的海洋要素,也无法反映全球大洋尺度上的过程和变化规律。海气碳通量受复杂的物理水文和生物化学过程的影响,由于调查数据在时间和空间上的限制,目前对全球大洋碳通量时空变化分布的了解还存在很大的不确定性。(南大洋是大气CO的重要汇区,海域面积辽阔,横跨三大洋印度洋,太平洋,大西)洋,然而由于海况恶劣,现场资料获取比较困难。相比于全球其他海域,受现场调查实施的条件限制和复杂多变的气候条件影响,传统的极地海洋要素获取的数据只是零散的站位点或者航线上的数据,无法做到全面的、大尺度、长时间系列的调查,南大洋的海洋现场调查数据相当缺乏,使得海气碳通量的精确估算存在很大的难度。根据上世纪九十年代的现场观测和模式研究,南大洋以南海区估算每年吸收了大约Gt的碳。但是相对全球大洋每年吸收量为Gt碳的估算,这个误差是()很大的。研究表明,海气CO的通量估算误差主要是由季节变化包括季节性风场变化引起的,这种季节变化表现在海冰覆盖和融化所带来的生物地球化学循环特征变化和物理生物相互作用的变异。南大洋的现场调查主要集中在夏季,冬季则由于大面积的海冰覆盖和严酷的气候使得现场调查很难实现。因此,提高南大洋碳吸收通量估算的精确度,解决对南大洋全年的时空实测技术和方法问题是至关重要的。卫星数据应用的选择海气界面碳通量通常用以衡量海洋对大气CO吸收的能力,是一个影响因素非常复杂的量。传统的计算海气CO通量的方法需要高密度的海上调查测量碳通量计算所需要的各个海洋要素。如果利用现有的航线上的pCO的数据与相关影响因子之间的经验公式在时间和空间上进行插值获得整个计算海区的数据的方法,则将大大减少海洋调查的次数和频率。海洋卫星遥感是全球观测系统中的一个重要组成部分,海洋遥感所具有的大范围实时同步、全天时、全天候多波段成像技术优势,在大面积同步测量、高时空分辨率的实时动态监测方面的优势是无可比拟的,全球海洋卫星遥感能提供海表层温度、风速和风向、水色以及基于水色测出的叶绿素浓度等要素的观测数据。海洋遥感不受地表、海面、天气和人为条件的限制,可以探测地理位置偏远、环境条件恶劣等不能直接进入的海区。其次,它的宏观特性使它能进行大范围海洋信息的获取,能周期性地监测海洋水色、海面温度场的变化等。从宏观的角度,利用水色水温遥感及微波遥感等多源遥感资料,通过pCO与海洋要素之间的经验关系外推研究海区的pCO的值,研究海气CO通量的时空分布格局及其调控机制,不仅能够节省调查成本、扩展实测数据覆盖范围、获得偏远海区的观测数据、提高信息时空分辨率,而且能够对全球大洋的碳通量分布有更直观定量的认识,从而全面宏观地认识海洋碳的源汇格局变化及其对全球气候变化的贡献和响应。卫星数据能做到在时间和空间上最好的覆盖,能够得到连续的长时间尺度和大空间尺度的数据资料,因此能够对现场点或线的观测数据进行外推。相比于现场观测数据,卫星数据不仅能够获取整个海区日、周、月和年度尺度的碳循环相()(关参数的观测,而且能够从物理海表温度、风场和表面高度、化学颗粒有机碳和溶解)()有机碳和生物叶绿素和初级生产力等角度,对海气CO通量的调控机制进行分析,减少海气CO通量估算的不确定性。卫星数据对于了解和定量研究全球碳循环动力过程是个重要的数据补充。atmsw()根据Wanninkhof的碳通量计算公式F=k×pCOpCO,计算海气CO通量的两个主要参数,一个是海气交换系数,另一个是大气和海水中的pCO分压差。海气交换系数k通常是由距海表面m处的风速和海表温度、盐度计算而来的,海表层水的CO分压差则要观测海水及大气中的CO分压等要素。表层海水pCO主要是受物理水文和生物活动影响,通过长期的研究表明,pCO与海,,表层水温和表征生物活动的叶绿素之间存在一定的经验关系,利用经验关系从卫星上获取计算海域相应的水温和叶绿素数据反演pCO的数据场,并进一步计算海域的碳通量变化。然而受表层海水物理、化学以及生物过程的影响,在不同时间和空间尺度,pCO的调控因子也不同,因此外推pCO的经验公式因海区而异。水温及叶绿素数据由中国的HYAHYBCOCTS卫星、美国的TerraAquaMODIS、SeaStarSeaWiFS卫星和欧空局EnviSatMERIS、NOAAAVHRR等光学遥感卫星获得。()大气中CO分压由三个要素计算而得,分别是大气干燥COXCO、平均海平面压()(())力SLP、水蒸气压力pHO,这三要素的数据可由美国国家海洋大气局NOAA提供的全球海洋数据集获得。风速数据由美国QuikScatSeaWinds卫星、欧空局ERSAMI和METOPASCAT卫星以及美法合作的TopexPoseidon等微波遥感卫星获得。卫星数据时间尺度的选取依具体研究海区而定。通常在热带海域或远离陆地海域可以选取周平均,甚至是月平均,季平均的数据,能够体现较长时间内海域对碳吸收源汇分布的状况。而在极地海域,由于日夜温差变化大,由此带来的生物活动变化显著,因此对极地海域的研究需采用日平均的卫星数据。卫星数据空间尺度的选取则依海区大小和研究精度而定。卫星数据可能因为云污染或者大气中的气溶胶影响而存在误差,因此下载的卫星数据应与实测航线上相应的数据进行误差校正。国内外的研究进展,目前我国学者对卫星遥感数据的应用主要是在海冰变化、海洋温度场、海浪和,航海等方面,并进一步用于海洋初级生产力的评估,而对南大洋的大尺度碳通量评估研究工作则尚未开展。近十几年来,国外学者将卫星数据用于评估碳通量的研究,在南大洋海域和热带海域都进行了相关的研究,通过计算获得研究海域的碳源汇分布情况,与实际海区的物理及生化影响的分布基本符合,对碳通量的分布有定量的直观的认识。上世纪后期,美国在开展JGOFS研究时,为了增进对海洋生物在全球碳循环和气候()系统中所扮演的作用的认识,对南大洋W,S海区,从年月至年月间,开展了个航次调查。他们观测到明显的叶绿素升高海区分别在接近后退的冰缘区、主要锋区和太平洋南极洋脊海区。认为这种升高的叶绿素海区是由于中尺度物理与生物相互作用的结果。他们将卫星反演的叶绿素浓度与现场观测的叶绿素数据进行比(γ)较,虽然SeaWiFS相对船上观测数据偏低,但是两者有着较好的相关性=。Rangama等用卫星数据计算了南大洋南纬到,东经到之间海域的碳通量。利用卫星遥感的海表层水温和叶绿素数据。把研究区域分成几个小的生物地球化学的区域。在叶绿素水平低的区域,pCO和海表层水温呈负相关关系,表明CO主要受水文混合过程影响。在叶绿素水平大于mgm的区域,pCO与叶绿素呈负相关关系,表明pCO的变化主要受生物活动对碳的固定的影响。根据pCO和SST的关系以及pCO和Chla的关系,并利用卫星遥感得到的风速计算海气界面气体交换系数,计算出研究海域内pCO的场和海气CO的通量。Olsen等用卫星数据在加勒比海进行了碳通量的计算。在其研究中指出,水色信息能够扩展经验内插公式在区域和季节上的应用。该研究建立了海表层水的pCO与海表层水温度及经纬度相关的经验关系式,并指出亚热带环流的海域,海水表层的pCO与SST数据之间有很好的相关关系,在Sargasso海,冬季的北大西洋北部海域,阿拉伯海,赤道和北太平洋海域可用该研究使用的方法计算碳通量。Etcheto等用卫星数据计算了西经左右的东赤道太平洋海域的碳通量。东赤道太平洋海域是世界上主要的CO源区,在全球碳循环中具有重要的作用。该研究利用个航次的数据获得的资料与年到年四年间的卫星遥感数据进行耦合,内插出整个海域的pCO的值并计算碳通量。Cosca等利用pCO与SST之间的关系计算了年到年十年间中部和东部赤道太平洋W到E,N到S之间海域的季节和年际碳通量。推导出来的pCOSST之间的关系式与卫星测得的温度进行耦合,计算得出在中部和东部赤道太平洋pCO的时间和空间上的分布场及海气界面的碳通量。Takahashi等利用年到年国际地球物理年期间获得的海表层水pCO共个数据,根据水平的二维表层海水对流扩散运输方程进行内插得出全球海洋×网格的pCO数据场,在此数据的基础上,利用卫星遥感数据测得的风速以及其他相关的卫星数据换算得到的大气中的pCO值计算全球CO通量的分布图。并在分布图的基础上,分析各海域的CO吸收的主要调控因子。展望和建议利用卫星遥感数据估算海洋碳通量,是一种宏观和微观的结合,可以从大尺度和长时间上了解海域的海气CO交换的动态变化,对全球海洋的碳吸收能力会有一个更准确更全面的了解。然而遥感通量的精确估算还需要实测数据进行pCO场的校正,以及更,进一步确定海表层水pCO与SST或盐度之间的相关关系。通常认为SST与pCO之间的关系并不适合于整个全球海洋领域,两者之间的关系在全球海洋范围内受时间和空间的影响而变化。而从水色得到的叶绿素浓度也被认为是影响pCO的一个因素,然而Chla与pCO之间的相关关系还有待进一步的研究。观测数据表明,南大洋的夏季和开阔的海冰融化区仍然是海洋对大气CO的吸收的主要季节和海区。因此,我们将主要精力集中在南大洋夏季和利用“雪龙”号船走航观测与卫星数据演化研究上,在尺度上为南纬以南,时间考虑个季节变化。中国南极科学考察已经开展了多年,对南大洋有常年观测航次。在海洋生态学研究,包括叶绿素浓度、初级生产力等参数的获取和分析已经积累了大量的极地大洋考察资料。在海气CO通量的测量和研究方面,初步建立了pCO在不同海区和不同月份的不同控制因子关系。()我们将顺应即将到来的国际极地年IPY的中国行动计划,在、、的三个南大洋调查航次和中山站长城站之间的航线上,开展海气pCO观测,同时利用NOAA和中国海洋卫星的水色叶绿素反演,研究实测船载资料与卫星数据,进行耦合计算碳通量关系,建立南大洋海气碳通量的时空评估模式,以期提高南大洋在全球海洋碳通量计算的精确度。参考文献()陈立奇,高众勇,杨绪林,等北极地区碳循环研究意义和展望极地研究,,:王庚辰温室气体浓度和排放监测及相关过程北京:中国环境科学出版社,δBattleM,BenderML,TansPP,etalGlobalcarbonsinksandtheirvariabilityinferredfromatmosphericCOandCScience,,:HoppemaM,FahrbachE,StollMHC,etalAnnualuptakeofatmosphericCObytheWeddellSeaderivedfromasur()facelayerbalance,includingestimationsofentrainmentandnewproductionJournalofMarineSystems,,:CaldeiraK,DuffyPBTheroleoftheSouthernOceanintheuptakeandstorageofanthropogeniccarbondioxideScience,,:LouanchiF,HoppemaMInterannualvariationsoftheAntarcticOceanCOuptakefromtoMarineChemistry,,:()MccarrthyJL,BrewerPG,FeldmanGGlobaloceanflux,Oceanus,,:MurphyPP,FeelyRA,GammonRHAssessmentoftheairseaexchangeofCOintheSouthPacificduringaustralautumnJGeophysRes,,:TreguerP,PondavenPPreface:ClimaticchangesandthecarboncycleintheSouthernOcean:astepforwardDeepseaResearchII,,:TakahashiT,SutherlandSC,SweeneyC,etalGlobalseaairCOfluxbasedonclimatologicalsurfaceoceanpCO,andseasonalbiologicalandtemperatureeffectsDeepseaResearchII,,:()谢文君,陈君海洋遥感的应用与展望海洋地质与第四纪地质,,:RangamaY,BoutinJ,EtchetoJ,etalVariabilityofthenetairseaCOfluxinferredfromshipboardandsatellitemeasurementsintheSouthernOceansouthofTasmaniaandNewZealandJournalofGeophysicalResearch,,:COlsenA,TrinanesJA,WanninkhofR,etalSeaairfluxofCOintheCaribbeanseaestimatedusinginsituandremotesensingdataRemoteSensingofEnvironment,,:()李四海,王宏,许卫东海洋水色卫星遥感研究与进展地球科学进展,,:MaryElenaCRemotesensingtoolstostudyoceanbiogeochemistry:thestateoftheartINPE,:林敏基海洋与海岸带遥感应用北京:海洋出版社,:WanninkhofRRelationshipbetweenwindspeedandgasexchangeovertheoceanJournalofGeophysicalresearch,(),C:CoscaCE,FeelyRA,BoutinJ,etalSeasonalandinterannualCOfluxesforthecentralandeasternequatorialPacific()OceanasdeterminedfromfCOSSTrelationshipsJournalofGeophysicalResearch,,C:,doi:JC郝春江,解思梅,王毅,等利用卫星遥感监测南极海冰的研究进展南极与全球环境的相互作用和影响论文集北京:气象出版社,:尹涛,杨清华,许淙极地科学考察中海冰监测和预报的研究应用海洋预报,,:吴培中海洋初级生产力的卫星探测国土资源遥感,,:()檀赛春,石广玉海洋初级生产力的卫星遥感地球科学进展,,:MorreJK,MarkRA,JamesGR,etalSeaWiFSsatelliteoceancolordatafromtheSouthernOceanGRL,,():WanninkhofR,OlsenA,TrinanesJAirseaCOfluxesintheCaribbeanSeafromJournalofMarineSystems,,doi:jjmarsysEtchetoJ,DandonneauY,BoutinJEstimatingtheinterannualvariabilityoftheairseaCOfluxintheeastequatorial()()pacificPhysicalChemEarthB,,:BoutinJ,EtchetoJ,DandonneauY,etalSatelliteseasurfacetemperature:apowerfultoolforinterpretinginsitupCO()measurementsintheequatorialPacificOceanTellusB,,:LoukosH,VivierF,MurphyPP,etalInterannualvariabilityofequatorialPacificCOfluxesestimatedfromtempera()tureandsalinitydataGeophysicalResearchLetters,,:LeeK,WanninkhofR,TakahashiT,etalLowinterannualvariabilityinrecentoceanicuptakeofatmosphericcarbondi()oxideNature,,:宁修仁,刘子琳,史君贤,等年南极普里兹湾及其邻近海域浮游植物粒度化级生物量和初级生产力()中国海洋学文集北京:海洋出版社,:刘子琳,宁修仁,朱根海,等年南大洋环极表层水浮游植物分级生物量、初级生产力和颗粒有机碳的()分布中国海洋学文集北京:海洋出版社,:刘子琳,蔡昱明,陈中元,等年南极夏季普里兹湾及北部海区叶绿素a和初级生产力的分布特征极()地研究,,:()王伟强,黄宣宝,张远辉南印度洋海气二氧化碳分压差及其通量台湾海峡,,:()陈立奇南极和北极地区在全球变化中的作用研究地学前缘,,:()陈立奇南极地区与全球变化集成研究展望地球科学进展,,:()高众勇,陈立奇,王伟强南大洋二氧化碳源汇分布及其海气通量研究极地研究,,:()高众勇,陈立奇南大洋碳循环研究进展世界科技研究与发展,,:MIPLICATIONSFORESTMIATINGAIRSEACOFLUXESNITHESOUTHERNOCEANBASEDONSATELLITEDATAANDINSITUINVESTIGATIONS,,,XuSuqing,ChenLiqi(DepartmentofOceanography,XiamenUniversity,Xiamen,ChinaKeyLaboratoryofGlobalChangeandMarineAtmosphericChemistry,SOA,Xiamen,ChinaThirdInstituteofOceanography,SOA,Xiamen,China)ChineseArcticandAntarcticAdministration,Beijing,ChinaAbstractThispapersummarizestheimportanceofairseaCOfluxesassessmentintheSouthernOceanforunderstandingofglobalcarboncycleandthelimitationofinsitumeasurementsinpolarregionsforsuchpurposeAmethodisintroducedtocalculateairseaCOfluxesintheSouthernOceanusingsatellitedatabyreferringtothepreviousachievementsontheairseaCOfluxesestimationintheopenoceanandtakingadvantageofthedatacollectedduringthepasttwentyyearsinChineseNationalAntarcticResearchExpeditionsAirseaCOfluxestimatesarebased)(ontheempiricalrelationshipsderivedfromseasurfaceCOpartialpressurepCOandrelativecontrollingfactorsAndpCOfieldsarethencreatedbyoptimuminterpolationsbasedonsatellitedataandcomparedwithinsituinvestigationsKeywordssatellitedata,airseaCOflux,theSouthernOcean

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