南大洋二甲基硫海-氣交換過(guò)程及南極上空含硫氣溶膠的來(lái)源及特征分析.pdf

1、二甲基硫(Dimethylsulphide，DMS)是一種重要的海洋生源硫化物，通過(guò)海氣交換進(jìn)入大氣后生成生物源硫酸鹽氣溶膠從而對(duì)氣候產(chǎn)生影響。海洋大氣中約90％的DMS是來(lái)自海洋，南大洋占世界大洋面積的20％，是全球DMS重要的源之一。南極及南大洋在全球氣候系統(tǒng)中扮演著重要的角色，是天然硫化物循環(huán)研究的重要場(chǎng)所。目前，對(duì)南極區(qū)域硫循環(huán)的研究，已經(jīng)逐漸形成了從海水、大氣到海冰的立體觀測(cè)體系。然而，由于南極地區(qū)氣候惡劣，在此開(kāi)展硫循環(huán)的研

2、究異常困難，能獲取現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)數(shù)據(jù)也十分稀少。因此，在中國(guó)南極科學(xué)考察中開(kāi)展硫循環(huán)的研究，對(duì)了解南極硫循環(huán)及其對(duì)氣候的影響具有重要意義。
　　本研究首次分析了從2005年2月至2008年10月在東南極中國(guó)中山站大氣氣溶膠中的甲磺酸(Methane Sulfonic Acid，MSA)及非海鹽硫酸鹽(non-sea-saltsulfate，nss-SO42-)年際變化數(shù)據(jù)。結(jié)果表明，大氣中的硫化物濃度具有明顯的季節(jié)變化規(guī)律，夏季較高，而

3、冬季較低。鄰近海域冰間湖的葉綠素(Chlorophyllα，Chl-α)與MSA(r=0.726,n=52,p＜0.01),nss-SO42-(r=0.724,n=48,p＜0.01)具有顯著的正相關(guān)關(guān)系，說(shuō)明冰間湖的浮游植物活動(dòng)對(duì)中山站大氣含硫氣溶膠的季節(jié)變化起到關(guān)鍵作用。冰間湖周邊海冰及其面積的變化在春夏季可對(duì)含硫氣溶膠產(chǎn)生間接的影響。在冬季，海洋釋放到大氣的含硫氣溶膠可跨越大范圍的冰面，長(zhǎng)距離傳輸?shù)街猩秸旧峡铡榇?，全面了解MSA

4、前身海洋生源DMS的分布和釋放對(duì)大氣含硫氣溶膠年際及季節(jié)變化的影響，成為本論文的一個(gè)重要科學(xué)命題。
　　為了獲取南大洋海水DMS的高分辨率數(shù)據(jù)，需要發(fā)展一套船載走航系統(tǒng)。為此本研究自主研發(fā)了一臺(tái)吹掃捕集儀器(Purge and Trap，PT)，與氣相色譜脈沖火焰光度檢測(cè)器(Gas Chromatography-Pulsed Flame Photometric Detection，GC-PFPD)聯(lián)用，實(shí)現(xiàn)了船載長(zhǎng)期連續(xù)測(cè)定海水中

5、的DMS。該系統(tǒng)具有自動(dòng)化程度高，運(yùn)行高效等特點(diǎn)，并可實(shí)現(xiàn)電子制冷及加熱，分析一個(gè)樣品只需8.5min。對(duì)PT-GC-PFPD系統(tǒng)中的幾個(gè)關(guān)鍵影響因素進(jìn)行了優(yōu)化，方法的檢測(cè)限可達(dá)0.05nM，并得到尖銳的DMS色譜峰型。因過(guò)濾及不過(guò)濾樣品的DMS響應(yīng)信號(hào)偏差很小(0.7％-4.7％)，故采用不過(guò)濾的海水連續(xù)進(jìn)入PT-GC-PFPD系統(tǒng)進(jìn)行觀測(cè)。此外，現(xiàn)場(chǎng)連續(xù)9天的觀測(cè)結(jié)果表明，DMS標(biāo)準(zhǔn)樣品的響應(yīng)信號(hào)偏差僅為6.0％，說(shuō)明該系統(tǒng)在海上應(yīng)

6、用具有很好的穩(wěn)定性及可靠性。同時(shí)，PT-GC-PFPD系統(tǒng)能夠在現(xiàn)場(chǎng)獲取大量的數(shù)據(jù)。該方法也可以進(jìn)行海水中二甲基巰基丙酸(Dimethylsulfoniopropionate，DMSP)的測(cè)定。
　　上述方法首次應(yīng)用在中國(guó)南極科學(xué)考察航線上，實(shí)現(xiàn)南大洋表層海水DMS的走航觀測(cè)（2014年2月7日至2014年4月11），進(jìn)行DMS的海-氣交換過(guò)程研究，并分析生源DMS對(duì)含硫氣溶膠的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在南大洋海域，表層海水DMS濃度的空

7、間變化很大(0.07-73.16nM)，并與海水pCO2具有顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系（r=-0.849，n=25，p＜0.01）。在南大洋海冰邊緣，DMS濃度主要受浮游植物活動(dòng)的影響，部分海域DMS的高值受海冰融化的影響。南大洋海-氣DMS通量較高，且其變化與表層海水DMS變化較為一致。此外，估算的南大洋2月份海-氣DMS通量約為34.0Gmol S，約占全球年海-氣DMS通量值的3.87％。而在大尺度南北緯度分布上，表層海水DMS濃度變化幅度

8、相對(duì)較小(0.15-16.93nM)，并與海水pCO2無(wú)顯著相關(guān)關(guān)系。南北緯度上的表層海水DMS分布控制因素較為復(fù)雜，大部分航段浮游植物活動(dòng)并不是主控因素。在南大洋觀測(cè)到較高的MSA值，主要與高的DMS源強(qiáng)及較低的溫度相關(guān)。然而，在南大洋航線上DMS高源強(qiáng)與MSA值并無(wú)明顯對(duì)應(yīng)關(guān)系，說(shuō)明大氣含硫氣溶膠的影響因素較為復(fù)雜，不僅和DMS源相關(guān)，還與氣團(tuán)移動(dòng)、氣溫變化有關(guān)。
　　中國(guó)第30次南極考察期間，在中山站鄰近固定冰區(qū)采集了兩根海

9、冰冰芯并首次分析其中的DMS、DMSP含量。結(jié)果表明，兩根冰芯上層均含有較高濃度的DMSP+ DMS，分別高達(dá)114.93nM及134.41nM。冰芯中DMS、DMSP+ DMS濃度隨深度的增加而遞減。兩根冰芯頂部DMSP+DMS高值的成因不同，冰芯1主要受藻類(lèi)活動(dòng)影響而產(chǎn)生DMSP+DMS高值，冰芯2主要是由于雪層及薄冰層阻礙，致使DMS在冰芯頂部聚集產(chǎn)生DMS高值。因?yàn)楹１撞枯^高生物量的海冰融化進(jìn)入水體，所觀測(cè)的剩余海冰底部Chl