Исследование связи между парциальным давлением углекислого газа и температурой морской поверхности в циклических сезонных вариациях в черноморском регионе

Д. А. Сергеев1, 2, ✉, Ю. И. Троицкая1, О. С. Ермакова1, Н. А. Орехова3

1 Федеральный исследовательский центр Институт прикладной физики им. А. В. Гапонова-Грехова Российской академии наук, Нижний Новгород, Россия

2 Нижегородский государственный университет им Н. И. Лобачевского, Нижний Новгород, Россия

3 Морской гидрофизический институт РАН, Севастополь, Россия

✉ e-mail: daniil@ipfran.ru

Аннотация

Цель. Цель работы заключалась в описании параметризации на основе натурных данных, которые учитывают связь изменчивости величины рСО2 sw с состоянием приповерхностного слоя воды в зависимости от температуры поверхности вод с учетом географического расположения и сезонности на примере Черного моря.

Методы и результаты. На основе специальной обработки данных прямых измерений рСО2 поверхностного слоя вод, которые проводились в экспедиционных исследованиях на НИС «Профессор Водяницкий» (2015–2023) и на стационарном пункте наблюдений Черноморского гидрофизического подспутникового полигона (ЧГПП, пгт Кацивели) (2012–2022), предложены основные сезонные тренды изменения рСО2, связанные с изменением температуры поверхности моря. Основной подход заключался в описании вариаций распределения рСО2 sw по поверхности с помощью линейных аппроксимаций (трендов) для трех фиксированных сезонов по четыре месяца (январь – апрель, май – август, сентябрь – декабрь) в каждой из ячеек сетки. Показано, что и в прибрежной зоне, и в открытом море проявляется гистерезисная зависимость рСО2 от температуры воды: соотношение парциального давления и температуры в периоды весеннего прогрева и осеннего остывания отличается. Причина наблюдаемого гистерезиса связана со сдвигом фазы колебаний рСО2 sw и изменением температуры примерно на 1,5–2 месяца.

Выводы. Зависимость рСО2 от температуры воды в осенне-зимний период оказалась близка к типичным зависимостям, наблюдаемым для океанических условий в средних широтах Северного полушария (в Атлантическом и Тихом океанах). Это может говорить об универсальных механизмах влияния ТПМ на рСО2 sw как для локальных условий Черного моря, так и для открытого океана в этот сезонный период. Кроме того, подобная схожесть зависимостей может указывать на то, что, скорее всего, ТПМ напрямую определяет величину рСО2 sw, а биологическая активность не является определяющим фактором. Полученные результаты могут быть использованы для описания и изучения вариаций потоков углекислого газа между атмосферой и водной толщей в Черном море.

Ключевые слова

рСО2, температура поверхности моря, Черное море

Благодарности

Работа выполнена при финансировании гранта № 169-15-2023-002 от 01.03.2023 Федеральной службы по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды, в рамках темы госзадания ФГБУН ФИЦ МГИ FNNN-2022-0002 «Мониторинг карбонатной системы, содержания и потоков СО2 в морской среде Черного и Азовского морей». Работы по анализу данных и сопоставлению с данными для открытого океана поддержаны в рамках проекта РНФ №24-17-00299.

Для цитирования

Исследование связи между парциальным давлением углекислого газа и температурой морской поверхности в циклических сезонных вариациях в черноморском регионе / Д. А. Сергеев [и др.] // Морской гидрофизический журнал. 2024. Т. 40, № 6. С. 805–820. EDN NODXEW.

Sergeev, D.A., Troitskaya, Yu.I., Ermakova, O.S. and Orekhova, N.A., 2024. Investigation of the Relationship between Partial Pressure of Carbon Dioxide and Sea Surface Temperature in the Cyclic Seasonal Variations in the Black Sea. Physical Oceanography, 31(6), pp. 757-771.

Список литературы

  1. Sarmiento J. L., Gruber N. Sinks for Anthropogenic Carbon // Physics Today. 2002. Vol. 55, iss. 8. P 30–36. https://doi.org/10.1063/1.1510279
  2. Global Carbon Budget 2023 / P. Friedlingstein [et al.] // Earth System Science Data. 2023. Vol. 15, iss. 12. P. 5301–5369. https://doi.org/10.5194/essd-15-5301-2023
  3. Trends in the sources and sinks of carbon dioxide / C. Le Quéré [et al.] // Nature Geoscience. 2009. Vol. 2, iss. 12. P. 831–836. https://doi.org/10.1038/ngeo689
  4. Two decades of ocean CO2 sink and variability / C. Le Qu´er´e [et al.] // Tellus B: Chemical and Physical Meteorology. 2003. Vol. 55B, iss. 2. P. 649–656. https://doi.org/10.3402/tellusb.v55i2.16719
  5. Obata A., Kitamura Y. Interannual variability of the sea-air exchange of CO2 from 1961 to 1998 simulated with a global ocean circulation-biogeochemistry model // Journal of Geophysical Research: Oceans. 2003. Vol. 108, iss. C11. 3337. https://doi.org/10.1029/2001JC001088
  6. Pacific dominance to global air-sea CO2 flux variability: A novel atmospheric inversion agrees with ocean models / G. A. McKinley [et al.] // Geophysical Research Letters. 2004. Vol. 31, iss. 22. L22308. https://doi.org/10.1029/2004GL021069
  7. Mechanisms governing interannual variability in upper-ocean inorganic carbon system and air-sea CO2 fluxes: Physical climate and atmospheric dust / S. C. Doney [et al.] // Deep Sea Research Part II: Topical Studies in Oceanography. 2009. Vol. 56, iss. 8–10. P. 640–655. https://doi.org/10.1016/j.dsr2.2008.12.006
  8. The carbon cycle in the Australian Community Climate and Earth System Simulator (ACCESS-ESM1) – Part 1: Model description and pre-industrial simulation / R. M. Law [et al.] // Geoscientific Model Development. 2017. Vol. 10, iss. 7. P. 2567–2590. https://doi.org/10.5194/gmd-10-2567-2017
  9. Iron fertilisation and century-scale effects of open ocean dissolution of olivine in a simulated CO2 removal experiment / J. Hauck [et al.] // Environmental Research Letters. 2016. Vol. 11, iss. 2. 024007. https://doi.org/10.1088/1748-9326/11/2/024007
  10. Regional changes in carbon dioxide fluxes of land and oceans since 1980 / P. Bousquet [et al.] // Science. 2000. Vol. 290, iss. 5495. P. 1342–1346. https://doi.org/10.1126/science.290.5495.1342
  11. CO2 flux history 1982–2001 inferred from atmospheric data using a global inversion of atmospheric transport / C. Rödenbeck [et al.] // Atmospheric Chemistry and Physics. 2003. Vol. 3, iss. 6. P. 1919–1964. https://doi.org/10.5194/acp-3-1919-2003
  12. Saeki T., Patra P. K. Implications of overestimated anthropogenic CO2 emissions on East Asian and global land CO2 flux inversion // Geoscience Letters. 2017. Vol. 4. 9. https://doi.org/10.1186/s40562-017-0074-7
  13. The Carbon Tracker Data Assimilation Shell (CTDAS) v1.0: implementation and global carbon balance 2001–2015 / I. T. van der Laan-Luijkx [et al.] // Geoscientific Model Development. 2017. Vol. 10, iss. 7. P. 2785–2800. https://doi.org/10.5194/gmd-10-2785-2017
  14. Inferring CO2 sources and sinks from satellite observations: Method and application to TOVS data / F. Chevallier [et al.] // Journal of Geophysical Research: Atmospheres. 2005. Vol. 110, iss. D24. D24309. https://doi.org/10.1029/2005jd006390
  15. Global air-sea flux of CO2: An estimate based on measurements of sea-air pCO2 difference / T. Takahashi [et al.] // Proceedings of the National Academy of Sciences of the USA. 1997. Vol. 94, iss. 16. P. 8292–8299. https://doi.org/10.1073/pnas.94.16.8292
  16. Climatological mean and decadal change in surface ocean pCO2, and net sea-air CO2 flux over the global oceans / T. Takahashi [et al.] // Deep Sea Research Part II: Topical Study in Oceanography. 2009. Vol. 56, iss. 8–10. P. 554–577. https://doi.org/10.1016/j.dsr2.2008.12.009
  17. On the parameters influencing air-water gas exchange / B. Jähne [et al.] // Journal of Geophysical Research: Oceans. 1987. Vol. 92, iss. C2. Р. 1937–1949. https://doi.org/10.1029/JC092iC02p01937
  18. Komori S., Nagaosa R., Murakami Y. Turbulence structure and mass transfer across a sheared air-water interface in wind-driven turbulence // Journal of Fluid Mechanics. 1993. Vol. 249. Р. 161–183. https://doi.org/10.1017/S0022112093001120
  19. Wanninkhof R. Relationship between wind speed and gas exchange over the ocean // Journal of Geophysical Research: Oceans. 1992. Vol. 97, iss. C5. P. 7373–7382. https://doi.org/10.1029/92JC00188
  20. A Global Surface Ocean fCO2 Climatology Based on a Feed-Forward Neural Network / J. Zeng [et al.] // Journal of Atmospheric and Oceanic Technology. 2014. Vol. 31, iss. 8. P. 1838–1849. https://doi.org/10.1175/jtech-d-13-00137.1
  21. Data-based estimates of the ocean carbon sink variability – first results of the Surface Ocean pCO2 Mapping intercomparison (SOCOM) / C. Rödenbeck [et al.] // Biogeosciences. 2015. Vol. 12, iss. 23. P. 7251–7278. https://doi.org/10.5194/bg-12-7251-2015
  22. A multi-decade record of high-quality fCO2 data in version 3 of the Surface Ocean CO2 Atlas (SOCAT) / D. C. E. Bakker [et al.] // Earth System Science Data. 2016. Vol. 8, iss. 2. P. 383–413. https://doi.org/10.5194/essd-8-383-2016
  23. Landschützer P., Gruber N., Bakker D. C. E. Decadal variations and trends of the global ocean carbon sink // Global Biogeochemical Cycles. 2016. Vol. 30, iss. 10. P. 1396–1417. https://doi.org/10.1002/2015gb005359
  24. Natural Variability and Anthropogenic Trends in the Ocean Carbon Sink / G. A. McKinley [et al.] // Annual Review of Marine Science. 2017. Vol. 9, iss. 1. P. 125–150. https://doi.org/10.1146/annurevmarine-010816-060529
  25. A comparative assessment of the uncertainties of global surface ocean CO2 estimates using a machine-learning ensemble (CSIR-ML6 version 2019a) – have we hit the wall? / L. Gregor [et al.] // Geoscientific Model Development. 2019. Vol. 12, iss. 12. P. 5113–5136. https://doi.org/10.5194/gmd-12-5113-2019
  26. The oceanic sink for anthropogenic CO2 from 1994 to 2007 / N. Gruber [et al.] // Science. 2019. Vol. 363, iss. 6432. P. 1193–1199. https://doi.org/10.1126/science.aau5153
  27. LSCE-FFNN-v1: a two-step neural network model for the reconstruction of surface ocean pCO2 over the global ocean / A. Denvil-Sommer [et al.] // Geoscientific Model Development. 2019. Vol. 12, iss. 5. P. 2091–2105. https://doi.org/10.5194/gmd-12-2091-2019
  28. Global trends of ocean CO2 sink and ocean acidification: an observation-based reconstruction of surface ocean inorganic carbon variables / Y. Iida [et al.] // Journal of Oceanography. 2021. Vol. 77, iss. 1. P. 323–358. https://doi.org/10.1007/s10872-020-00571-5
  29. Гулев С. К. Глобальные изменения климата и Мировой океан // Проблемы прогнозирования. 2023. № 6. С. 25–36. EDN NCESMX. https://doi.org/10.47711/0868-6351-201-25-36
  30. Распределение и потоки углекислого газа на шельфе Чукотского моря / И. И. Пипко [и др.] // Исследование Земли из космоса. 2015. № 3. С. 43–59. EDN TXUNYZ. https://doi.org/10.7868/S0205961415030094
  31. Bates N. R. Seawater Carbonate Chemistry Distributions Across the Eastern South Pacific Ocean Sampled as Part of the GEOTRACES Project and Changes in Marine Carbonate Chemistry Over the Past 20 Years // Frontiers in Marine Science. 2018. Vol. 5. 398. https://doi.org/10.3389/fmars.2018.00398
  32. The changing carbon cycle of the coastal ocean / J. E. Bauer [et al.] // Nature. 2013. Vol. 504, iss. 7478. P. 61–70. https://doi.org/10.1038/nature12857
  33. Low interannual variability in recent oceanic uptake of atmospheric carbon dioxide / K. Lee [et al.] // Nature. 1998. Vol. 396, iss. 6707. P. 155–159. https://doi.org/10.1038/24139
  34. Variability of global net sea-air CO2 fluxes over the last three decades using empirical relationships / G.-H. Park [et al.] // Tellus B: Chemical and Physical Meteorology. 2010. Vol. 62, iss. 5. Р. 352–368. https://doi.org/10.1111/j.1600-0889.2010.00498.x
  35. Хоружий Д. С. Использование приборного комплекса AS-C3 для определения парциального давления углекислого газа и концентрации неорганического углерода в морской воде // Экологическая безопасность прибрежной и шельфовой зон и комплексное использование ресурсов шельфа. 2010. № 23. С. 260–272. EDN WLBMPX.
  36. Garmashov A. Hydrometeorological Monitoring on the Stationary Oceanographic Platform in the Black Sea // Proceedings of the 20th International Multidisciplinary Scientific GeoConference SGEM 2020 (Water Resources. Forest, Marine and Ocean Ecosystems) (Albena, Bulgaria, August 18–24, 2020). Sofia, Bulgaria : SGEM World Science, 2020. Vol. 3.1. P. 171–176. https://doi.org/10.5593/sgem2020/3.1/s12.023
  37. Konovalov S .K., Orekhova N. A. New View of the CO2 Content in Surface Waters of the Black Sea Based on Direct Measurements // Doklady Earth Sciences. 2024. Vol. 518. P.1737–1742. https://doi.org/10.1134/S1028334X24602943
  38. Tracking the Variable North Atlantic Sink for Atmospheric CO2 / A. J. Watson [et al.] // Science. 2009. Vol. 326, iss. 5958. P. 1391–1393. https://doi.org/10.1126/science.1177394

Скачать статью в PDF-формате