海气交换

海水表面与大气接触，必然会使大气中某些成分溶解在海水中，这些气体在海洋和大气之间不断进行交换，存在着动态平衡，这个过程就叫做海气交换。大气中的气体与海洋表层水进行交换的过程中，有些气体（如CO2）可能被海洋吸收，有些气体（如CO）则可能由海洋向大气输送。

中文名：海气交换

外文名：Air-seaexchange

1、简介

海洋和大气的相互作用是天气和气候长期变化的重要因素，直接影响人类生存环境。这种作用是以物质交换和能量交换的形式进行的。侧重于能里交换研究一般称为海气相互作用研究(Air-SeaInteraction)，而侧重于物质交换研究，一般称为海气交换研究(Air-SeaExchange)。

海气热交换，是海洋和大气之间，相互作用，穿越海气交界面的热量输送。海气热交换连同其他的海气交换，是研究海－气相互作用的主要因素和基础，在全球热量平衡中占有极其重要的地位，对各种尺度天气系统的形成和发展以及大气环流系统的建立和维持都具有重要的作用。

2、研究意义

随着工农业生产的发展，排放污染物也与日具增。每年施放的矿物肥料四亿吨，其中有毒化学药品约4百万吨，而所有这些物质，近一半滞留在大气和江、河、湖、海内，仅北半球，每年由于工业所排放的铅，就高达40万吨进入大气，三千万吨的汞以及各种有害金属，二百万吨石油通过不同途径进入大洋。这些大气和海洋中的有害物质正在改变着大气和海洋的各种平衡过程，同时通过大气和海洋的辐合作用，正在给全球环境带来严重的影响。有人根据大气中二氧化碳含量的增加速度推测，CO:含量增加会对全球的气候和海洋产生灾难性的后果，即所谓“温室效应”。全球气温升高，南北极地冰原融化，海平面升高，淹役城市。但另一些人则认为，大量人为污染物进入大气而形成气溶胶，这种微粒的光散射，使到达地面的太阳幅射大大减少，引起地面气温变冷，即地球会面临所谓“冰川前期”。上述现象能否发生?会发生哪一种逆转?人类活动真的已改变了地球的能量平衡了吗?海洋在这种变化中起什么样作用?是否是一切污染物的归缩?海洋的自净能力及对大气的反馈机制怎样?回答这些问题，只有对海洋和大气的历史、现状及其相互作用机制进行深入调查研究才有可能。因此，一门综合研究海洋和大气的边缘新学科一一海气交换，也就应世而生了。

海气交换示意

3、研究历史及进展

现在海洋对于气候变化的作用已逐渐为气象学家和海洋学家所重视。

50年代初，中国气象学家已注意到了西北太平洋海温冷暖与中国东部地区讯期的旱涝有密切关系；之后，陈烈庭、巢纪平等又逐渐把注意力集中到东太平洋赤道地区海表温度异常与热带大气环流及中国汛期降水的关系。

如果说七十年代的海气交换研究还是处于分散，独立的小尺度的探索调查研究，那么，进入八十年代以来，海气交换的国际间协调联合调查，有步骤地进行全球性的海气考察，正迅速地展开。

1975年9月，国际海洋研究科学协会(SCOR)和美国国家科学研究委员会在美国的佛罗里达制定了“TTPO”计划，世界气象组织和美国联合，1976年10月在瑞典的哥德堡制定的“APOMET”计划，联合国等八个国际组织成立了海洋污染科学专家组(GESAMP)，先后于1977年，1978年和1980年开会研究和制定海气交换研究的方向和实施措施。

北大西洋公约组织(NATO)定期组织海气交换高级研讨班，进行多学科的海气交换研究学术交流。

美国在海气交换研究中，受到*和有关部门的重视，汇集了许多从事大气、海洋研究的具有丰富现场调查经验和坚实理论基础的专家，美国科学基金委员会提供了大量的科研经费。因此美国的海气交换研究，起步早，业处于世界领先地位，1971年，美国科学院就成立了海气交换研究的咨询委员会，确定研究方向和调查方案。先后组织了几个较大的科研项目，如七十年代初，对北非撒哈拉沙漠尘土对美国沿海和大西洋的输送和影响研究，七十年代中期又进行了北冰洋，大西洋，墨西哥湾等地区的海气交换研究。现在正在把调查的范围扩大到世界其他洋区，包括南北太平洋，印度洋和南极洲。由美国罗德岛大学海洋研究生院罗伯特A·杜斯所领导的海气交换研究项目(SEAREX)，有十二个大学和研究所参加，包括英国、法国，日本，新西兰等国家，业在太平洋设立了26个连续观测站，定时采样分析，为海气交换研究，获取了大量重要现场数据，为全球海气交换模拟提供重要资料。

1980年，国际海洋污染科学专家组研讨会上指出，今后海气交换研究，应重点注意如下几个方面：(1)研究污染物从大气输入海洋及从海洋输入大气的通量，(2)区别其天然源和污染源业计算其物质流.(3)研究污染物对海气界面的影响，(4)确定有重要物质交换特征的海区。

当人们注意到中东太平洋海温升高与世界气候异常有一定关系，即所谓“厄尔尼诺现象”时，国际海洋学家经过3年多时间的反复酝酿，于1984年11月制定出“热带海洋与全球大气(TOGA)观测研究计划，把主要目标集中于“描述海洋上表层的热力结构演变，确定热带太平洋上大尺度海表温度的年变化和年际变化的可预报程度”，主要观测海域在太平洋上东经150度以东，即中东太平洋海域。

与此同时，中国气象学家与海洋学家密切合作，于1985年9月制定出了“西太平洋热带海域海气相互作用及年际气候变化研究”计划，把主要目标集中于海气变化观测研究，把关键海域倾注于西太平洋热带海域，即120°-150°E,10°N-5°S.上述两个项目在1985-1989年期间先后分别在东太平洋和西太平洋热带海域组织了十余航次观测研究，取得了一些成果。

基于此，以美国、中国和澳大利亚三国的气象学家和海洋学家为主体的国际性合作项目一“TOGA-COARE"(热带海洋与全球大气一海洋大气祸合响应实验)的计划于1990-1991年诞生了.这个计划最主要的一部分即在1992年11月至1993年2月期间进行一次强化观测(IOP)，共有14艘科学考察船8架飞机在140°-180°E,10°N-10°S范围内进行大尺度观测实验，中国的<向阳红五号>(15000吨)，<科学一号>和<实验三号>(均为3000吨)以及另外两艘外国科学考察船位于强化观测的核心区域(151°-158°E,2°N-5°S)，重点进行海洋大气边界层及海洋一大气通量观测.这些观测资料大部分都能适时传输到强化观测的资料中心(澳大利亚的Townswille)。

4、影响因素

影响大气与海洋之间气体交换的因素主要有：

1、温度的影响：

（1）大气与海洋间的气体交换主要决定于气体在两相中的分压差。

（2）当海水温度升高或降低都会使水体中气体的分压发生变化，因而引起气体在两相间的交换。

2、气体溶解度的影响：

（1）不同气体在海水中的溶解度各不相同。

（2）对于某一恒定的分压差，各种气体进入海洋的扩散通量相差悬殊；例如O2，CO2和N2的通量比率是2:70:1。

3、风速的影响：

Downing等人(1955)研究了空气和水之间的交换速率．他们指出：风速在0~3m/s时，交换速率几乎保持恒定(在液体表面上方5cm处测量的)。风速在3~13m/s时，交换速率迅速增加。

4、季节的影响：

进入或逸出海洋表层气体的体积随季节性的变化是相当大的。Redfield(1948)曾估计，在秋季和冬季平均约有30×10cm3O2进入美国缅因湾的海洋表层，在春季和夏季却以相应的体积从海洋表面逸出．其中大约2/5是光合作用产生的氧，其余的是由于在温暖的水中氧的溶解度降低而逸出的。

5、研究内容

通过科学观测研究，科学家们逐渐认识到了两点。第一，要研究海洋对于气候影响的物理过程，必须观测研究海洋与大气之间的热力、动力和水汽、二氧化碳等交换过程，说明风吹流，太平洋热力的发展边界层，为建立有效的海洋一大气祸合模式提供重要参数；第二，西太平洋热带海域的高温区(也是全世界海温最高区)—“暖池”—是海洋一大气交换的关键区域，观测研究该区的海洋一大气交换过程对不同尺度天气系统的影响，必将有助于月、季和年以上的长期预报。

二氧化碳与海气交换

人类进入工业化以来，大气中的CO2大约从1860年的295ppm增加到1983年的343ppm，估计到2000年，CO2的含量会达到375ppm。CO2能吸收和发出长波辐射，大气中CO2的增加会提高对太阳射入辐射和地球射出辐射的吸收，使能量平衡发生变化，从而提高大气柱中显热的平均值，海洋对大气中CO2的吸收是通过CO2和海水中的CO3反应，形成HCO3。大洋斜温层以上的CO3含量足以和大气中1/6的CO2反应。但是，这种化学交换是有赖于海水的pH值和温度，即只有在pH≥8的海水才会真正发生这种反应。实际上，海洋吸收CO2的速度是十分缓慢的，以数千年来计算，因此，消耗燃料的直接效果是使大气中的CO2含量不断增加。当地球温度升高时，两种反馈机制也参与作用。

第一，当海水温度升高时，更多的CO2释放回大气圈，有助于加速温度升高，第二，较高的温度会增强水的蒸发，使大气圈中水汽含量升高，从而增加云量和地球反射率，随着较多的太阳辐射返回宇宙空间，气温就会降低。这两种机制伴随产生，作用相互抵消，要观测其能量收支情况，是很困难的。据估计，在大气和海洋微表层间的CO2年平衡交换量达330x10g，说明海气系统确实存在重要的中CO2交换。关键是如何计算大气中CO2进入海洋的净通量。Liss指出，CO2在海气界面上的传输，主要是由液相过程控制的，因此可根据表面水中CO2的饱和浓度对大气中的CO2含量，计算CO2在海气交换中的净通量。但是，Keelin指出，CO2在海洋微表层水中的饱和状态是依时间和地理位置而变化的，因此，CO2的交换净通量计算只能通过不同海区关于大气进入海洋CO2通量和海洋进入大气CO2通量的调查资料来获得。近年来，有些研究者利用天然的C和核爆炸产生的C在海洋和大气中的分布来计算海洋从大气中吸收的CO2净通量。二氧化碳从大气进入海洋的全球平均传输速度为20cm/h，每年约有6x10g的人为CO2进入海洋。

二氧化硫和酸雨与海气交换

SO2在大气中氧化生成H2SO4、(NH4)2S04和有机硫化物。SO2的主要影响是形成酸雨，破坏植物和环境‘SO:及其次生污染物在风系作用下，经长距离大气传输，进入海洋。有学者研究了百慕大群岛上空的气溶胶，发现SO4总量中的60%是由北美经长距离传输，进入百慕大群岛上空的。Darzi在太平洋的冒纳罗亚大气观察站，发现气溶胶中SO2的浓度与亚洲尘土对该地区的远距离传输量有着显著的相关性。Liss计算得出每年有1.5x10g的SO2从大气转入海洋，这个数字是基于海洋上空SO2的浓度为3mg/m³，而得出的。最近Meszaros和Ocke:mann进一步现场观测了大气中的SO4浓度，发现海洋上空SO2的本底浓度为0.1-0.2ug/m³，而污染严重的北半球10°N-60°N海洋上空，SO2浓度高达3ug/m³，得出每年从大气进入海洋的SO2为5x10g。引起酸雨的另一类化合物N03-N，也是人们发关心的。NO3-N在大气中的显著增加是由于各种工业、高温发动机的石油动力发电站大量放出NOx。这类化合物主要有NO2,N2O,NO和NH3，它们在大气中被氧化为HNO3。酸雨已成为众所关心的世界性公害问题，海气交换在全球大气酸化过程中起什么作用，需要进一步深入调查研究。

重金属的海洋大气地球化学

海洋大气中的金属元素，基本上是以气溶胶的形式存在的。其来源有三个：

(1)海洋来源，主要由于海水中气泡在海面的破裂而向大气喷射，形成大气中的海盐，估计每年大约有1x10克的这种海盐从海洋输入大气。

(2)地壳岩石风化，在风系作用下，经长距离传输进入海洋。据估计，每年约500x10吨的沙漠尘土进入大气圈，亚州沙漠尘土每年输入北太平洋中部地区，高达6-12百万吨。

(3)污染来源，主要来自化石燃料嫩烧，废渣的化灰，水泥厂，冶炼厂，露天矿的开采，汽油中的四乙基铅等。

重金属元素，尤其是Hg,Pb产生甲基化而在海洋生物体中富集，经食物链传递，进入人体。因此，对海气交换中不同金属元素的存在形式及其来源的判别，以及传输通最，是重金属海洋大气地球化学研究的重要课题。每年不同来源输入大气中的金属通量，这些大气中存在的重金属元素将在海气交换中起重要作用。

石油烃类与海气交换

大多数原油及燃料油中，烃约占75%以上。石油烃类广泛地分布在海洋中，尤其是北半球及南半球的油船通道。海面形成的油膜，会对海洋破碎波，波花起衰减作用，并改变海洋中爆裂气泡的数量和大小分布，从而影响海气物质交换和能量交换。石油烃在海洋和大气的循环过程为，小分子量的石油烃类从海洋进入大气，其中一些不稳定的烃类在大气中，进行气体一颗粒转化，而后这些颗粒由重力作用和雨水扫除而回到海洋，据估计，海洋中存在的石油污染物约10%是通过大气输入的。有关石油烃的海气交换过程研究仅仅是开始，海上溢油的风化，迁移扩散及形成油膜对海气交换影响。

核爆炸中的放射性物质

核爆炸试验将大盆微粒释放到大气圈中，其中有许多能够随大气环流运行几千公里的放射性物质。因为其中有些污染物是离子幅射的来源，所以它们属于特别危险的一类污染物。对Cs和Sr已进行了大量研究，它们在大气、海洋以及沉积物的迁移过程已有大量报导。最近，对于毒性较大的放射性元素镅，由于它的致癌作用，也引起人们的关注。核爆炸产生的放射性同位素研究，在海气交换中尤显其重要，它们被用来作为海气交换中物质不同来源的示踪物，和用来测定物质在海气界面传输速率。

微生物的海气交换

早已发现大气中存在着微生物。最近，发现细菌和病原菌能够通过气泡而在海水微表层富集，业通过气泡爆裂和浪花作用，输入大气，并在大气中传输。某些微生物，能附着在大气微粒表面，而进行更长距离的全球传输海气界面层是大量微生物富集的活跃层。它们对界面的影响有:(1)排泄物质，形成膜而改变海气交换界面性质，(2)释放物质进入大气，(3)对物质产生生物富集效应，(4)直接摄取大气中的有害物质，(5)富集在微表层的微生物。由于气泡在微表层的爆裂而被带入大气中，尔后在风系作用下传播到陆地。

海气交换徽衰层研究

海气交换是通过海水微表层进行的。微表层的物理和化学性质直接影响海气交换速率。大洋的微表层厚度一般在几个到几十个微米之间，主要是由天然或人为肴机物膜形成的。影响海气界面物理和化学性质的人为污染有机物有三个来源。

(1)洗涤剂，但它在海水中由于生物一降解作用，残存的时间较短，对海气界面特别是大洋海气界面的影响不大；

(2)都市废物和污水中的有机物，这类有物机会影响微表层的表面张力。Blanchard在海上倾废场周围海域发现亲油的有机污染物富集在微表层，业在大气中测出；

(3)石油烃及其衍生物，这种油膜不但影响物质的海气交换，而且影响电磁波的幅射，溶解其它亲油物质如卤代烃等。

海气交换微表层研究，主要困难是至今未获得一种理想的微表层采样器。虽然现有的采样方法很多，但所截取的表层厚度依方法不同而异，数据也无法比较。看来，发展一种真正能切取海气微层的取样器是海气交换微表层研究取得进展的关键。

6、观测系统

下表表示整层海洋一大气柱之间的热量、动量与物质交换观测系统。

探测要素

Omega导航无线电探空系统

海面

超声测风仪，温度脉动仪，湿度脉动仪

CO2分析器

海水温度、盐度廓线

XBT

MARK-ⅢCTD

自动雨强测量系统也称红外测雨器，它是解决海面观测的重要手段，据此，海上凝结潜热即可得到;当海上蒸发量的观测精度提高后，海一气界面上的潜热交换也可进一步测准，它可与超声测风，湿度脉动仪得到的潜热交换相互比较、校准。

有了海表上下的测风和测流资料，再与温度、湿度、盐度等资料结合，参照太阳辐射平衡系统观测资料，整层海一气柱的各种交换即可得到。此外，利用系留气艇探测系统与UHF风廓线系统取得的资料，也可研究海气边界层结构和各种特征。

7、海冰在海气热交换中的作用

北冰洋大部分被固定冰盖和浮冰覆盖着。海冰有两大物理特性:一是热的不良导体,隔离了海洋和大气之间的热交换,冬天极夜期,海洋比大气温暖得多,但不能向大气输送热量;二是冰雪面的反照率高,夏季极昼期海冰把大量太阳短波辐射返回太空,使海洋无法吸收到太阳的能量储存起来。这是造成北极寒冷的重要原因。在浮冰区和冰外缘带区,是冰水相间的区域,可以通过冰缝的水域*地进行海气交换。冬季冰盖隔离了海洋向大气输送热量,夏季冰盖破碎成为冰水相间的浮冰区,海洋的热量就会穿过冰缝向大气输送,极昼期又有充足的太阳辐射能被海水吸收,使海气热交换活跃起来,因此成为对气候影响的敏感区。海冰的分布、冰厚、冰表面的状态都对海气交换有影响,使下垫面的物理特性复杂化,海气交换产生的大气现象,特别是北冰洋的海雾也随之复杂化。因此,研究海冰在海气交换中的作用是非常必要的。

（1）海冰的状态及其复杂性对海气交换影响很大。在稳定大气状态下的浮冰区和固定冰盖上,海洋以潜热的形式向大气输送热量,大气以感热的形式向冰雪面输送热量;在不稳定的大气状态下的浮冰区,海洋以感热和潜热的形式向大气输送热量,容易形成蒸汽雾,表现出强烈的海气热交换的状态。

（2）由于海冰的存在和状态的复杂化,使海气热交换复杂化,产生的大气现象复杂化。北冰洋的海雾就是典型的产物。北冰洋夏季的海雾有平流雾、蒸汽雾和辐射雾,具备了陆地和海洋各种类型雾的生成条件。

（3）夏季北冰洋是冰洋相间的状态,具有生成平流雾的条件,是北冰洋和白令海共有的海雾,其特点是持续时间长,范围大,与日变化关系不大,对航海和航空影响大。生成的原因是暖湿空气流经冷的洋面或冰面上形成的。在白令海有广阔的来自太平洋的暖湿空气输送到冷的洋面上,其雾日持续的时间、范围和浓度都比北冰洋平流雾的优越。

（4）蒸汽雾是在浮冰区生成的海雾,其特点是来得快,消失得快,像是从脚底下冒出来的蒸汽而不是像平流雾是从远出飘来的。生成的必要条件是在浮冰区、冰间湖,海温高于气温,水蒸气从冰缝里冒出来。受日变化影响较大,当太阳出来,气温升到比海温高时,海雾不再生成,而逐渐消失。当蒸汽雾被风吹到寒冷的冰盖上,就转化为平流雾,冰盖上若有逆温层存在,则转化成的平流雾会维持很久。蒸汽雾是海洋向大气输送热量最强烈的一种表现,是在浮冰区和冰间湖上常见的现象。

（5）辐射雾是在大的浮冰块或固定冰盖上由于辐射冷却而形成的雾。辐射雾生成的必要条件是冰盖上有逆温层存在的稳定大气状态下,辐射冷却使海雾形成。与日变化关系不大。因为冰盖对太阳辐射的反照率很高,一般在45%～60%,最高达80%以上。也就是说,太阳辐射很少能被冰雪盖吸收,不容易使冰盖升温破坏稳定层结,不容易使海雾消失或抬升。