人工上升流工程对海域吸收或释放大气CO2的作用研究

Artificial upwelling, as a potential method to improve marine environment and reduce greenhouse gases' concentration, attracts more and more attention worldwide. A rate of about 0.9 PgC/yr by artificial upwelling to sequester atmospheric CO2 was reported，which is almost half of the average CO2 uptake rate of the whole ocean. However, the impact of artificial upwelling on oceanic intake or release atmospheric CO2 should be the summation of two opposite mechanisms. As the nutrient-rich DOW being brought up to the surface, biological pump helps to intake CO2. However, the DOW was also of high inorganic carbon concentration, which makes the DOW an essential CO2 source to the atmosphere. Therefore, it is not possible to assess the role of artificial upwelling on air-sea CO2 exchange without the in-situ measurements of carbonate and related parameters The project is based on the artificial upwelling engineering of our group, using integrated sensor and sampler system to monitor the carbonate and related parameters. ΔfCO2net model accounting for biological intake and physical release effects of CO2 will be developed based on observations on time series variation of fCO2 under artificial upwelling project. A new method of estimate ΔfCO2net value under artificial upwelling project will be provided, which helps to assess the potential values of artificial upwelling project on suppressing atmospheric CO2 concentration.

人工上升流技术作为一种改善海洋环境、降低大气温室气体的可能解决方案，受到越来越多国家的重视。据文献报道，人工上升流工程影响下海洋年吸收大气CO2的速率理论上可达0.9PgC，相当于海洋年吸收CO2量的一半。然而，从作用机制分析，人工上升流工程对海域碳循环的影响应存在生物吸收和物理混合释放两个相反方向的机制。因此，在缺乏实测碳酸盐参数的情况下，人工上升流工程对样本海域吸收或释放大气CO2的作用尚不可预测。基于本单位正在实施的人工上升流工程研究，本项目旨在通过搭载观测系统，研究人工上升流工程实施前后海域碳酸盐及相关参数的变化，建立海域在物理混合放碳和生物吸碳共同作用下的净效应ΔfCO2net模型，阐明人工上升流工程对海域吸收或释放CO2的作用，提出了一套估算人工上升流工程在影响海域碳循环作用的方法。

人工上升流技术是一种通过工程手段改善海洋环境、降低大气温室气体浓度等的可能解决方案。从人工上升流工程对海域吸收或释放大气CO2的作用机制来看，存在生物吸收和物理混合释放两个相反方向的作用机制。本项目在通过对样本海域碳酸盐系统进行理论分析，结合羽流的计算仿真、实验室实验与海试观测，研究人工上升流工程实施前后样本海域碳酸盐参数的变化规律，建立模型。基于流体力学原理，项目对人工上升流喷出管口后的流动轨迹以及羽流的浓度组成进行了公式推导及数值仿真和实验室水缸测试，结果显示当深层海水被提升到表层后离开喷口与周围低密度海水进行了迅速的湍流混合作用，因此它的运动轨迹不仅与当地当时的海域的海流速度相关，它的运动轨迹与一系列人工上升流的工程参数设计，包括喷口的高度、喷口的设计、管子的粗细以及提升深层水的流量，以都有着密切的关系。实验室测试获得的结果基本与模拟仿真结果的情况类似。基于这个重要的研究结论，根据14个站位的碳酸盐及相关参数的剖面数据，进行了海域在人工上升流影响下的碳源碳汇的仿真计算。仿真结果说明局部海域的碳源碳汇不仅与人工上升流实施的海域、实施季节相关，同时也受到人工上升流工程参数设置的影响。进一步加入对提升不同的深水到不同的高度释放过程中所需要消耗的能量参数，仿真发现从能量的角度考虑，提升较浅的深层水能实现较大的单位能耗固碳率。在东极岛的海试中，传感器链证实了温跃层以下的深层水被提升到温跃层以上，并形成稳定的羽流层。项目从仿真到实验室测试到海试的过程，证实了人工上升流可形成与工程参数、实施海域和季节相关的稳定的羽流层，并揭示了人工上升流的碳源碳汇效应与以上参数密切相关。.本项目共发表标注的SCI论文3篇，1篇SCI论文被“sensors and Actuators B"接受。由于编辑遗漏，未标注SCI论文1篇。按中科院评价体系划分，共发表2区文章3篇，3区文章1篇（未标注），被接受的1篇文章为1区。项目制备的电极获省部级二等奖2项。项目申报并获批了3个实用专利，9个国家发明专利处于公开审核过程中。