竇文潔 蔣錦剛 周 斌 于之鋒 白 雁 何賢強(qiáng)

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SST產(chǎn)品誤差在海-氣CO2通量計(jì)算中的傳遞及貢獻(xiàn)分析*

竇文潔1蔣錦剛1周 斌1①于之鋒1白 雁2何賢強(qiáng)2

(1. 杭州師范大學(xué)遙感與地球科學(xué)研究院 杭州 311121; 2. 衛(wèi)星海洋環(huán)境動力學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室國家海洋局第二海洋研究所 杭州 310012)

海-氣CO2通量; 遙感測量; 海表溫度(SST); 誤差傳遞; Monte Carlo模擬

隨著人類社會的發(fā)展, 特別是19世紀(jì)中葉的工業(yè)化以來, 人類活動向大氣排放的CO2不斷增加, 預(yù)計(jì)在未來的100年里, 大氣CO2濃度還將不斷升高達(dá)到當(dāng)今的2倍(馬紅亮等, 2008)。由“溫室效應(yīng)”導(dǎo)致的冰雪融化、海平面上升等一系列變化將會對生態(tài)系統(tǒng)和人類的生存發(fā)展帶來深遠(yuǎn)的影響。

海洋和大氣之間的互動是非常緊密的。研究表明, 人類每年產(chǎn)生的CO2約有一半停留在大氣中, 而大約40％被海洋所吸收; 海洋圈含碳量為大氣圈的50倍和生物圈的20倍(張遠(yuǎn)輝等, 2000; 陳立奇等, 2008), 因此海洋是一個強(qiáng)大的碳庫。研究CO2在海洋和大氣之間的轉(zhuǎn)移已經(jīng)成為當(dāng)今國際氣候和海洋科學(xué)研究前沿領(lǐng)域的重要內(nèi)容。

國際上利用CO2分壓差法研究海-氣界面CO2通量的方法主要為現(xiàn)場測量技術(shù), 數(shù)據(jù)采集方式雖真實(shí)性強(qiáng), 但是具有操作繁瑣, 測定時間長, 覆蓋率低, 不能滿足大范圍測區(qū)監(jiān)測的需求等不足。遙感技術(shù)具有成本低、大范圍同步觀測且數(shù)據(jù)獲取量大等優(yōu)點(diǎn), 已逐漸成為海-氣界面CO2通量計(jì)算的新手段。

由于遙感測量屬于間接測量, 基于遙感估算海-氣CO2通量的精度一直受到關(guān)注。Rangama等(2005)用衛(wèi)星數(shù)據(jù)計(jì)算了南大洋45°—60°S, 125°—205°E之間海域的年際碳通量, 與Takahashi等(2002)通過氣象數(shù)據(jù)得到的碳通量比較誤差達(dá)到38%; Cosca等(2003)通過10年的實(shí)測數(shù)據(jù)建立CO2sw-關(guān)系, 并與衛(wèi)星遙感SST數(shù)據(jù)進(jìn)行耦合, 計(jì)算出1985— 2001赤道太平洋10°N到10°S, 95°W到165°E之間海域的季節(jié)和年際碳通量, 平均誤差為(0.3±0.1)pgC/yr。

本文通過分析通量計(jì)算中各參量的精度影響因素, 對三個主要的參量(氣體交換系數(shù)、溶解度和表層海水CO2分壓CO2sw)分別建立了誤差結(jié)構(gòu)框架圖, 以影響這三個參量的公共因子——海表面溫度SST為例, 通過Monte Carlo方法模擬SST遙感產(chǎn)品誤差在通量計(jì)算過程中的傳遞規(guī)律及貢獻(xiàn)性。此研究思路和方法可為后期研究其它因素, 如葉綠素或者風(fēng)速等因子的遙感產(chǎn)品誤差傳遞和貢獻(xiàn)提供理論參考。

1 研究方法及過程

海-氣界面CO2分壓差法一般采用Wanninkhof (1992)估算公式:

本文通過分析參量、、CO2sw和CO2air的參數(shù)化方法, 建立各參量在參數(shù)化過程中的誤差傳遞結(jié)構(gòu)框架圖, 并找出可以通過遙感準(zhǔn)確獲取的因子, 利用Monte Carlo模擬遙感產(chǎn)品誤差在通量計(jì)算過程中的傳遞規(guī)律及對通量誤差的貢獻(xiàn)性。

1.1 參數(shù)化過程分析及誤差框架的構(gòu)建

其中10m為海面以上10m處的風(fēng)速;為Schmidt系數(shù); 660是20°C時海水的, 為SST的函數(shù)(Wanninkhof, 1992), 表達(dá)式為:

其中為攝氏溫度(單位: °C)

對于海水中的CO2:′=2073.1,′=125.62,′= 3.6276,′=0.043219

1.1.2CO2sw參數(shù)化過程及誤差框架的構(gòu)建CO2sw受到諸多因素影響, 如SST、CDOM、浮游植物(Chl-)及混合層厚度MLD等, 在現(xiàn)已發(fā)表的相關(guān)文獻(xiàn)中, 研究者根據(jù)不同的數(shù)據(jù)特點(diǎn), 已經(jīng)形成許多單變量或多變量的估算模型。但利用SST作為CO2sw唯一變量用于基于遙感測量估算CO2sw的模型居多(Stephens, 1995; Hood, 1999; Nelson, 2001; Olsen, 2004; Else, 2008; 許蘇清, 2008), 且相關(guān)性基本保持在0.8—0.9之間。研究表明, 在寡營養(yǎng)鹽的大洋及海盆區(qū)域,CO2sw的主要受控因子為SST(王郝京, 2001), SST可以較準(zhǔn)確的單獨(dú)用于估算CO2sw(Else, 2008)。但是隨著研究的深入, 越來越多的研究為了更全面的體現(xiàn)CO2sw的影響因素, 得到精度更高的參數(shù)化結(jié)果, 在模型中引入的控制參量也越來越豐富, 如加入體現(xiàn)生物作用的葉綠素、混合層厚度MLD等(Chierici, 2009)。

CO2sw參數(shù)化誤差包括模型本身缺陷導(dǎo)致的誤差及控制因子數(shù)據(jù)來源誤差兩部分。模型本身缺陷主要是由于控制因子多樣但選擇的有限性, 控制因素的季節(jié)變化性(如可代表生物作用的Chl的季節(jié)性選擇), 模型形式(線性/非線性)的不確定性等導(dǎo)致的。在數(shù)據(jù)源方面, Chl和SST都可通過遙感的方式獲取, 數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性同樣受到傳感器精度、反演模型精度以及數(shù)據(jù)的時空轉(zhuǎn)換等的影響。由此作者可得CO2sw的參數(shù)化誤差結(jié)構(gòu)框架如圖1b所示。

圖1 的三個主要計(jì)算參數(shù)(k、S、pCO2sw)誤差結(jié)構(gòu)圖

(1) CO2溶解度參數(shù)化過程及誤差框架的構(gòu)建

CO2溶解度一般表示為SST(公式中簡寫為T)和鹽度值SAL的函數(shù)(Weiss, 1974), 表達(dá)式為:

其中,單位為k。

由公式可以看出, 其控制因素主要為海表面溫度SST與鹽度SAL。若要實(shí)現(xiàn)遙感對溶解度測量, 除SST外, 作者還需要解決SAL數(shù)據(jù)的遙感獲取。目前通過遙感的方式獲取SAL數(shù)據(jù)可靠性和穩(wěn)定性較差。在一些研究中發(fā)現(xiàn)SST和SAL之間有很好的線性相關(guān)性(Else, 2008), 所以本文主要考慮計(jì)算中的誤差來源之一: SST遙感數(shù)據(jù)獲取誤差的傳遞, 以及SST與SAL之間擬合關(guān)系的不確定性而引入的誤差, 誤差結(jié)構(gòu)框架如圖1c所示。

(2)CO2air參數(shù)化過程及誤差框架的構(gòu)建

目前, 基于遙感測量海-氣界面CO2通量的研究中, 利用遙感數(shù)據(jù)反演獲取CO2air的研究尚未成熟, 不能通過遙感手段獲取準(zhǔn)確、可靠的數(shù)據(jù)。在已開展的研究中, 大部分采用現(xiàn)場測量數(shù)據(jù)或者利用大氣本底站和大氣化學(xué)環(huán)流模型結(jié)合的模型數(shù)據(jù), 最早則是采用研究區(qū)域臨近的NOAA大氣本底站觀測的CO2數(shù)據(jù), 認(rèn)為CO2air變化不大, 在整個海域均使用同一個大氣數(shù)據(jù), 因此在本研究中作者將CO2air作為固定值(370μatm)分析(Takahashi, 2008)。

1.2 SST與k、S和pCO2sw之間的關(guān)系分析

通過以上、和CO2sw的誤差結(jié)構(gòu)框架圖發(fā)現(xiàn), 在各參量的計(jì)算中都涉及一個共同的影響因子——海表面溫度SST, 在此作者將其提取, 簡化SST與三者之間的關(guān)系。

(1) SST-關(guān)系分析

目前海-氣氣體交換速率計(jì)算以Wanninkhof (1992)模式(簡稱W92)最為普遍, 由于此參數(shù)化模型適合用于穩(wěn)定風(fēng)速、船只定點(diǎn)風(fēng)速測量等氣體傳輸?shù)耐茢? 并適合應(yīng)用于利用散射計(jì)和輻射計(jì)反演得到的風(fēng)速的氣體傳輸推斷(Wanninkhof, 1992), 所以在此分析中作者選擇W92模型。表達(dá)式為:

表現(xiàn)為SST的函數(shù)(式(3)), 因此SST和之是通過建立的一種間接關(guān)系。圖1a中的誤差框架圖表明參數(shù)化誤差源豐富, 在此將除SST外其它的一切控制因素的不確定性統(tǒng)一為一個量, 定義為k, 即值精度的最終影響因子為SST和k(圖2a)。

(2) SST-CO2sw關(guān)系分析

根據(jù)2.1中的分析, 在主要的海盆區(qū)域SST可以較準(zhǔn)確的單獨(dú)用于估算CO2sw。在此作者選擇SST作為唯一影響因子對CO2sw進(jìn)行參數(shù)化, 選用Else(2008)在加拿大哈德遜灣的研究中利用MODIS SST數(shù)據(jù)建立的模型:

CO2sw=15.0+280.72= 0.89= ±13(6)

其中單位為k。

(3) SST-關(guān)系分析

作為SST和SAL的函數(shù), 在海-氣界面CO2通量研究中的計(jì)算方法較統(tǒng)一(式(4)), 并且SST與SAL

之間存在較高的相關(guān)性。本文選用Else(2008)SAL計(jì)算公式:

=-0.86+ 33.22=0.76= ±1(7)

其中單位為k。

因此, 作者可以將溶解度表達(dá)式(式(4))表示為SST為唯一變量的函數(shù):

同樣, 作者將參數(shù)化中除SST外其它的一切誤差源都定義為S。因此,精度最終的影響因子為SST和S(圖2c)。

1.3 Monte Carlo模擬

基于以上分析, 根據(jù)Wanninkhof(1992)提供的通量計(jì)算公式(式(1)), 最終建立SST誤差傳遞流程(圖3), 其中選定模型見表1。MODIS數(shù)據(jù)反演SST值在東海最大的誤差表現(xiàn)為±0.5°C(鄭嘉淦, 2006), 作者以此為遙感SST數(shù)據(jù)誤差依據(jù)。同時假設(shè)風(fēng)速變化范圍為1—15m/s (蘇紀(jì)蘭, 2005), 并假設(shè)其符合正態(tài)分布且對各參量因子影響相互獨(dú)立。為了最大限度提高模擬精度, 設(shè)定的隨即發(fā)生器個數(shù)為1×106個, 基于MATLAB2009a軟件, 利用Monte Carlo分析SST遙感反演數(shù)據(jù)誤差在海-氣界面CO2通量遙感估算中的傳遞模式及對通量誤差的貢獻(xiàn)。

圖2 k、S、pCO2sw與SST關(guān)系圖

圖3 SST建模流程圖

表1 SST誤差在通量計(jì)算中的傳遞模擬所用公式

Tab.1 Equations used in the simulation for the error transmission of SST

注:單位: °C;單位: k,=+ 273.15

2 模擬結(jié)果與分析

圖4 SST對k、S、pCO2sw的誤差傳遞模擬頻率分布直方圖

3 討論與結(jié)論

3.1 討論

本文是在假設(shè)SST作為單一因子能夠準(zhǔn)確計(jì)算CO2sw時, 對SST遙感產(chǎn)品誤差在海-氣界面CO2通量估算過程中的傳遞性和貢獻(xiàn)性展開了分析和討論。在不同的研究區(qū)域,CO2sw=()的誤差表現(xiàn)迥異, 導(dǎo)致SST的誤差對最后通量誤差的貢獻(xiàn)也會有很大的差異; 且目前的研究中CO2sw參數(shù)化模型的不確定性也被認(rèn)為是一個重要的誤差源, 并且已經(jīng)發(fā)展了大量的、復(fù)雜的CO2sw參數(shù)化模型, 但是SST在各種模型中都有考慮, 因此其遙感產(chǎn)品誤差對通量的影響也會存在。本文提供的研究思路更加適用于特定區(qū)域的研究。而基于遙感測量的海-氣界面CO2通量估算不確定性研究中, 各種經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷慕⒁氲牟淮_定性被認(rèn)為是最重要的, 這也是作者以后的重點(diǎn)研究方向和內(nèi)容。

圖5 SST對k、S、pCO2sw的誤差傳遞正態(tài)分布概率檢驗(yàn)圖

Tab.2 Contribution of SST error to the parameterization of k, S, pCO2sw and

海表面碳通量交換過程是一個非常復(fù)雜的過程, 眾多科學(xué)研究和建模過程都試圖從不同角度來描述這個過程, 如經(jīng)典的海氣分壓差CO2通量計(jì)算模型。在理論情況下, 建模估算考慮的因素越多、不同因素間相互作用機(jī)理描述得越清楚, 其模型的精度就越高。隨著觀測技術(shù)和手段的多樣化, 基于實(shí)測數(shù)據(jù)的通量計(jì)算模型和基于遙感估算的通量模型成為了目前研究區(qū)域和全球海洋碳通量的兩個重要手段。實(shí)測數(shù)據(jù)具有建模參數(shù)獲取完整、數(shù)據(jù)精度高的特點(diǎn), 遙感數(shù)據(jù)具有大區(qū)域和全球性的特點(diǎn)。隨著遙感探測技術(shù)的不斷進(jìn)步, 利用遙感手段進(jìn)行碳通量觀測和規(guī)律分析必然越來越受重視。

利用遙感手段進(jìn)行碳通量觀測時需要面臨如下兩個突出問題: (1) 建模多參數(shù)難以遙感同時獲取, 給建模過程帶來困難; (2) 不同遙感數(shù)據(jù)誤差特征參差不齊, 給反演結(jié)果帶來更多的不確定性。

為了解決上述兩個問題, 目前眾多學(xué)者都采用了SST單因子進(jìn)行通量估算, 事件證明該方法在大洋開闊水體的精度也得到驗(yàn)證。此外, SST是可遙感參量中精度相對較高、較穩(wěn)定的產(chǎn)品, 對于后續(xù)的業(yè)務(wù)化及規(guī)律分析都能得到參數(shù)一致性的保證。

當(dāng)然, 對于其它的遙感參量, 如Chl、10m、CDOM等, 遙感產(chǎn)品的誤差分析同樣可以采取本文思想, 因此能夠?qū)崿F(xiàn)所有可遙感參量誤差在通量產(chǎn)品中的誤差積累的分析, 這也是作者后期在結(jié)合已發(fā)展的、成熟的各參量模型來研究基于遙感監(jiān)測的海- 氣界面CO2通量精度評價的方向, 從而實(shí)現(xiàn)通量產(chǎn)品精度評價, 為產(chǎn)品發(fā)布提供服務(wù)。

3.2 結(jié)論

研究遙感產(chǎn)品誤差對基于遙感估算海-氣界面CO2通量估算不確定性的影響, 是碳通量產(chǎn)品的質(zhì)量控制及評價、決策利用等的非常重要的工作。本文從海-氣界面CO2通量各控制因素(特別是、和CO2sw)的參數(shù)化過程出發(fā), 分析并建立了各控制因素的誤差框架圖, 以MODIS SST(誤差表現(xiàn)為±0.5°C且為正態(tài)分布)為例, 風(fēng)速為1—15m/s, 大氣CO2分壓數(shù)據(jù)為固定值(370μatm)的情況下, 并在SST造成的誤差都是相互獨(dú)立的假設(shè)前提下, 通過Monte Carlo模擬, 得到了SST誤差經(jīng)過模型傳遞給、和CO2sw三個參數(shù)時的規(guī)律分別為指數(shù)分布、近似指數(shù)分布和正態(tài)分布傳遞; 在寡營養(yǎng)鹽大洋及海盆區(qū)域, 認(rèn)為SST為CO2sw的唯一控制因子, 即CO2sw=()成立時, 由遙感SST誤差引起的通量誤差可能為±1.2mmol (m2·d)左右, 即具有明顯的放大效應(yīng)。

本文從單一終端控制因子(SST)出發(fā), 將其它的誤差源定義為統(tǒng)一量, 以此分析選定因子誤差的傳遞規(guī)律和貢獻(xiàn)性, 具有顯著的優(yōu)點(diǎn), 即分析因素單一, 便于模擬; 可以將其它的不確定因素進(jìn)行整合, 將包含有所有的已知和未知的誤差源, 所以最終能夠表現(xiàn)SST完整的誤差傳遞性和貢獻(xiàn)性; SST作為主要的原始控制參量之一, 對遙感在通量計(jì)算中的精度表現(xiàn)具有很好的代表性, 同時可以為后期的其它遙感數(shù)據(jù)產(chǎn)品的誤差傳遞及貢獻(xiàn)分析提供思想依據(jù)。

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ERROR IN SST PRODUCT: PROPAGATION IN THE ESTIMATION OF SEA-AIR CO2FLUX

DOU Wen-Jie1, JIANG Jin-Gang1, ZHOU Bin1, YU Zhi-Feng1,BAI Yan2, HE Xian-Qiang2

(1. Institute of Remote Sensing and Earth Sciences, Hangzhou Normal University, Hangzhou 311121, China; 2. Key Laboratory of Zhejiang Urban Wetland and Regional Change Research, State Key Laboratory of Satellites Ocean Environment Dynamics, Second Institute of Oceanography, State Oceanic Administration, Hangzhou 310012, China)

Estimation of sea-air CO2flux is indispensable for a wide range of research especially for carbon biogeochemical cycles and globe climate change. The distribution and CO2flux are highly variable in surface seawater and vary over a broad spectrum in time and space scales, and there is considerable interest in the use of satellite remotely sensed data to provide synoptic maps of sea-air CO2flux. However, a great deal of uncertainties are associated with the current remote sensing products of sea-air CO2flux due to many error sources, which limits largely its application on decision making. Taking SST, the major impact factor on the estimation of sea-air CO2flux as an example, we presented in a flowchart how the error propagates during the flux calculation with parameters including gas transfer velocity (), sea surface CO2solubility (), and the partial pressure of CO2at sea surface(pCO2sw). In addition, using Monte Carlo simulation, we analyzed the transfer law and the final contribution from the error to understand how SST error affects the flux interaction. The results indicate that under the assumption that remote sensing SST error is ±0.5°C and in normal distribution, the SST error transfer law was exponential distributed inparameterization, and approximately exponential distributed inparameterization, while normally distributed in pCO2swparameterization and exponential distributed in CO2flux; and when atmospheric CO2partial pressure was fixed at the value of 370μatm, SST brought an error of ±1.2 mmol·m-2·day-1to the final result of the flux. These results may provide a basis and reference for analyzing other parameters of remote sensing.

sea-air CO2flux; remote sensing; SST; error propagation; Monte Carlo simulation

10.11693/hyhz20121107001

* 海洋公益性行業(yè)科研專項(xiàng)經(jīng)費(fèi)項(xiàng)目, “中國近海海-氣二氧化碳通量遙感監(jiān)測評估系統(tǒng)研究與示范”, 200905012-07號; “海洋環(huán)境要素水色遙感技術(shù)與應(yīng)用示范”, 201005030-06號; 國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目, 40971193號, 41206169號。竇文潔, 助教, E-mail: douwenjie2002@163.com

周斌, 教授, E-mail: hznu_bzhou@126.com

2012-11-07,

2013-01-26

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