摘要：波浪破碎、气泡是中高风速下气体交换速率的关键因子。文章分析计算了气泡和非破碎部分的贡献，并结合热带气旋和近岸海域的特点考虑了悬浮物浓度的影响，进而评估生物在气体交换中的作用。中高风速下气泡对交换速率的贡献为55%～76%。悬浮物浓度整体贡献仅次于气泡对交换速率的贡献，为11%～19%。由悬浮物浓度增大而影响的生物碳循环过程十分重要，研究结果可为量化研究中高风速下CO2气体交换提供思路。

　　关键词：影响因子；交换速率；气体交换；热带气旋；总悬浮物浓度；海洋化工

　　0引言

　　在气候变化背景下，海气通量的定量研究有利于了解全球碳库变化，促进对碳循环过程的认识。海气交换速率是获取海气通量的重要参数，研究该参数的具体影响因子有利于海气通量的定量研究。海气交换过程需要考虑海气扩散系数以及海水的性质。海洋和大气之间气体扩散系数受海表面温度控制[1-2]。海水的性质主要考虑密度和黏度，两者受盐度控制，影响着水的扰动和传输过程[3]。由于风速观测实验丰富和数据产品成熟，一直以来海气交换速率都是风参数化的表达形式。然而，风并不直接控制气体交换过程，而是通过复杂的边界层过程和其他因子来影响海气交换[4]。

　　海气交换速率随风速增大有很大的不确定性，需要结合实际海况、海域进行分析。不同水深的气体交换速率存在差异，在水深较浅海域，海气交换过程充分，海气交换速率较高[5-6]。风速较大的近海海域，水体总悬浮物浓度和营养盐浓度较高，生物过程对海气交换影响较大[7]。生物过程是无机碳和有机碳相互转

　　化的重要过程，影响着海水碳酸盐系统[8]。该过程随着季节变化，对海气交换速率影响程度不同，一般认为夏季影响程度较高。由于生物的呼吸作用消耗溶解氧，因此不同海域溶解氧含量差异也导致了海气交换速率差异。但是，生物部分对气体交换速率的贡献难以进行定量研究。

　　由于观测资料严重缺失，中高风速下(大于10 m/s)气体交换速率的研究受到了极大限制。随着海水表面的湍流强度和混合程度增加，气体与海水的接触面积和交换速率增大，物理机制较为复杂。随着风速增大，波浪破碎增强了海气交换过程，主要表现为气泡夹卷机制[9]。前人通过雷诺数来评估波浪破碎过程对气体交换速率的贡献，虽然与GasEx-98，SO GasEx等实验结果较为符合，但在具体气体表现上仍存在不足，如CO2。目前的研究表明，中高风速下气体交换有着更加复杂的机制，针对总悬浮物浓度较高的近海海域，需要进一步评估气体交换速率影响因子。本文重点讨论了中高风速下CO2海气交换，对气泡、总悬浮物浓度在该过程的具体表现进行探究，并通过总悬浮物浓度侧面讨论了气体交换中的生物影响程度。

　　1研究区域与数据来源

　　1.1研究区域

　　本文研究区域为8个热带气旋途经区域。区域内包含6个西大西洋热带气旋，2个太平洋热带气旋。表1显示了热带气旋基本信息，气旋等级参考萨菲尔-辛普森飓风等级表。时间在2016年、2017年、2019年和2020年的8月、9月、10月。除Isaias、Hermine外，均为4级以上热带气旋，满足中高风速气体交换速率的研究。

　　1.2数据

　　温度数据来自NOAA最优插值法海表温度(OISST)，时间分辨率为天，空间分辨率为25 km；盐度来自土壤水分主动被动(SMAP)卫星的L3级数据，时间分辨率为8天，空间分辨率为25 km；风速来自SAR反演数据[10]。波浪数据来自WAVEWATCH III数据，包含有效波高(SWH)、谱峰圆频率(FP)等参数。总悬浮物浓度(TSS)匹配数据利用海陆色度仪(OLCI)数据，时间分辨率为天，空间分辨率为4.63 km。

　　1.3数据预处理

　　时间匹配以SAR反演数据时间为标准。由于不同数据源的时间分辨率不同，结合各因子时空变化速率。在保证原始数据分辨率情况下，考虑将温度、盐度、悬浮物浓度匹配时间精度为天，降雨时间匹配精度为30 min。

　　空间匹配采用三角剖分法。以每个热带气旋经纬度坐标为三角质心，对所需匹配的各物理参数进行剖分；各物理参数位置坐标点为各个三角剖分点，所得结果为三角端点数据和质心到端点的位置权重，进一步计算每个质心物理参数实际值。该方法加大了数据的可利用性，减少使用经验参数反演所导致的不确定性。缺点是对于边界点和距离较远的点，所匹配点实际值精确度较差。本文样本数据集较大，因此对结论影响较小。

　　2 CO2交换速率计算

　　以中高风速下现实海况和近岸条件，研究中将气体交换速率划分为非波浪破碎部分、破碎部分(气泡)、总悬浮物浓度部分，气体交换速率(cm/h)有以下基本表达形式：

　　k=kd(u10,δ)+kb(u*,Hs,α)+kTSS(u10,TSS)(1)

　　式中：括号内为各部分气体交换速率所受影响参　数；δ=2πHs/gT为波陡；Tp为谱峰周期；Hs为有效波高(m)；TSS为总悬浮物浓度(g/L)。

　　非波浪破碎部分主要考虑波浪参数化表达式，YU等[11]对此进行了研究。波浪破碎部分在海水的主要表现为气泡的产生，通过增大与空气的接触面积来提高气体交换速率，采用DEIKE等[9]的理论模型。ABRIL等[12]研究表明，总悬浮物浓度大于0.2 g/L时对气体交换速率影响是显著的，主要对气体交换速率为湍流抑制作用。悬浮物以直接或间接的方式影响生物过程，主要表现为降低浮游生物的初级生产力和阻碍浮游动物摄食过程两种方式[13]，该因子一定程度反映了气体交换速率受生物影响程度。

　　2.1溶解度和施密特数

　　气体交换速率不仅取决于气体的施密特数，还取决于其在水中的溶解度，所以考虑气泡因素的这类模型都包含施密特数、溶解度这两个重要参数。对于绝大多数气体来说，随着温度从0℃上升至40℃,溶解度随施密特数呈负相关关系。He、Ne、Xe等惰性气体溶解度随施密特数程正相关和低相关度两种关系。这是由于施密特数是温度的函数，而溶解度是温度、盐度两者的函数。溶解度有以下表达式：

　　式中：β为无量纲参数Bunsen系数，由温度、盐度控制；T为温度(℃)。

　　由于不同气体的溶解度差异，导致气泡部分气体交换速率占比也有所不同。在高溶解度条件下，气泡的作用要小得多，因为气体浓度很快就会与周围的水达到平衡。因此，对于高溶解度气体来说，气泡在其生命周期的大部分时间内都不会对气体通量产生影响。在这种情况下，气泡介导的传输速度要小得多，不再取决于扩散系数，而是与气泡的体积成正比，与溶解度成反比。在溶解度较低的情况下，气泡中的气体浓度不会与周围的水达到平衡。因此，转移过程与自由水面类似，转移速度取决于气泡总表面积和施密特数。根据不同气体化学性质提出的气泡部分气体交换速率模型是解决这一问题的重要方法。CO2作为中等溶解度气体，因此受气泡影响较大。

　　对非气泡气体交换速率部分，不同研究中差异能达到约20%。这是由具体气体化学性质导致的，例如CO2和DMS(二甲基硫醚)。对于CO2来说，该部分几乎不受温度变化的影响，而对DMS这类易挥发气体，温度对非波浪破碎部分气体交换速率影响高至2倍。需注意的是，本节研究的对象仅为CO2，未对其他气体进行模型验证。

　　施密特数Sc描述了海水黏性和动量扩散的性质，计算公式如下：

　　Sc=A+Bt+Ct2+Dt3+Et4(3)

　　式中：A、B、C、D、E分别为Wanninkhof拟合系数；t为温度(℃)。

　　文中为对比不同环境影响因子条件下的气体交换速率，将Sc归一化为20℃,盐度为35条件下海水情况，即Sc660。

　　2.2摩擦速度和拖曳速度与风速的关系

　　摩擦速度是大气边界层相似理论中主要的比例参数之一，可以通过风速很好的估算出来。

　　式(5)中：u10为海面10 m处风速(m/s)；u*为摩擦速度；CD为拖曳速度。

　　u*和CD随风速变化如图1所示。u*整体呈现风速增加而增大规律。图1中的拐点是通过拟合曲线的二阶导数确定的。第一次出现拐点时的情况与CD出现拐点时风速值接近，为30.90 m/s，对应的u*为1.38。第二次出现拐点时，随着u10的增大，u*的增长趋势放缓。这个风速对应着CD的降低值，为34.95 m/s，u*为1.64。

　　在热带气旋影响的海况下，CD快速变化导致风应力变化不均匀。在风速范围从0～80 m/s内，CD随着风速的增加逐渐上升，直至风速达到30.21 m/s时出现最大值，此时CD达到了2.26×10-3。随后，在一个较小的风速范围内，CD保持恒定，直到风速约为34 m/s时，CD开始降低。以上结果表明，在风速约30～34 m/s之间存在一个过渡区域，导致交换速率参数和相关物理变量的状态发生变化。

　　气体交换速率随u*和u 10增大而增大。不同气旋之间气体交换速率增大速率不同，这包含两个主要影响因素：(1)SAR反演区域的地理相对位置；(2)SAR反演区域风速大小范围。值得注意的是，本实验研究区域位于开放海域，包括离岸较远的区域和被陆地包围的内海区域。此外，由于热带气旋移动速度的不同，被强风影响的时间也会有所不同。综上所述，风区、风时和风速的大小共同导致不同热带气旋的交换速率随风速变化存在差异。

　　3气体交换速率评估

　　图2展示了气体交换速率的极值，达到了约1 500 cm/h。在观察的热带气旋事件中，Irma和Maria的气体交换速率最高，大约为1 500 cm/h；而Dorian和Isaias的交换速率相对较低，分别为361 cm/h和419 cm/h。在总气体交换速率中，气泡的贡献最为显著，占了超过50%的比例。在不同的热带气旋事件中，气泡的贡献率介于55%～76%之间。悬浮物浓度的贡献也相当可观，这部分交换速率的贡献在-200～300 cm/h之间，占交换速率总量的较大比重，为11%～19%，仅次于气泡对交换速率的影响。悬浮物浓度对气体交换速率为抑制作用，但仍出现负值的情况，表明存在一个影响因子影响着该部分的气体交换，这可能是生物作用导致的。因此，高总悬浮物浓度对气体交换速率的影响更加显著，也对河口区域的生态系统产生深远影响。

　　在研究热带气旋对海洋气体交换速率的影响时，Irma和Maria这两个热带气旋显示出了非常高的气体交换速率，这在所有观测到的热带气旋中是最高的。特别是气泡介导的交换部分，其在不同热带气旋中的占比差异显著。由于波浪状态对气体交换速率有着决定性的影响，因此热带气旋所在的具体位置变得尤为重要。例如，Irma气旋影响的区域靠近陆地，水深较浅，风速较大，这些条件都有利于气体交换速率的提高。相比之下，Maria气旋虽然离陆地较远，但仍然位于陆架附近，水深相对较浅，这也促进了气体交换。两个热带气旋的风速差异不大，导致它们的总交换速率相近。

　　此外，Dorian气旋离Maria气旋的区域较远，整体风速在40～45 m/s之间，远低于Maria的60 m/s。然而，值得注意的是，尽管Lester气旋离岸距离较远，且整体风速也不算高，但它仍然表现出较高的气体交换速率。

　　这些观察结果表明，单纯依靠风速和波浪状态并不能完全解释一个区域的气体交换速率。其他因素，如涌浪、生物作用等，也可能对气体交换速率产生显著影响。因此，在评估气旋对海洋气体交换速率的影响时，需要综合考虑多种因素。这种多因素分析方法能够提供更为全面和准确的理解，有助于更好地预测和应对气旋带来的环境影响。

　　4结语

　　通过对8个热带气旋的分析，发现气体交换速率在中高风速下受到多种因素的影响，包括水深、离岸距离、溶解度、总悬浮物浓度和生物作用等。摩擦速度与拖曳速度关系表明，在风速30～34 m/s之间，存在交换速率变化过渡区，该过渡区内气体交换速率增大趋势更加明显。在中高风速下气体交换速率的各个组成部分中，气泡的影响占比55%～76%，总悬浮物浓度的影响占比11%～19%。气泡如此大的占比，表明中风速下湍流过程剧烈，进一步促进海水的垂向混合作用。特别是对于近岸气体交换，总悬浮物浓度较高，该因子是生物过程气体交换的重要一环，一定程度上反映了生物对气体交换速率的贡献不可忽视。

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