海-氣二氧化碳交換通量監測與評估技術規程第4部分：基

于分壓差的通量評估

1范圍

本文件規定了基于海-氣二氧化碳分壓差，計算海-氣二氧化碳交換通量及其平均值和標

準偏差的方法。

本文件適用于不同季節、多年平均的海-氣二氧化碳交換通量的源匯格局及其時空變異

的評估。

2規范性引用文件

下列文件中的內容通過文中的規范性引用而構成本文件必不可少的條款。其中，注日

期的引用文件，僅該日期對應的版本適用于本文件；不注日期的引用文件，其最新版本（包

括所有的修改單）適用于本文件。

HY/TXXXXX.7-XXXX海-氣二氧化碳交換通量監測與評估技術規程第7部分：現場

監測二氧化碳分壓數據處理。

3術語和定義

下列術語和定義適用于本文件。

3.1

大氣二氧化碳分壓partialpressureofCO2inatmosphere

一定溫度下，CO2氣體單獨存在且占有與大氣相同體積時的壓力。

3.2

海水二氧化碳分壓partialpressureofCO2inseawater

一定溫度和鹽度下，海水與空氣的CO2分壓達到平衡時空氣的CO2分壓。

3.3

海-氣二氧化碳交換通量air-seaCO2flux

單位時間單位面積上海水與大氣CO2的凈交換量。

注：正值表示海洋向大氣釋放CO2（海洋是大氣CO2的源）；負值表示海洋從大氣吸收CO2（海洋是

大氣CO2的匯），零值表示海洋與大氣CO2平衡。

3.4

海-氣界面的氣體傳輸速率或交換速率gastransfervelocity;Pistoncoefficient

氣體以分子擴散的形式通過海-氣界面的速率。

3.5

1

二氧化碳的溶解度系數solubilitycoefficientofCO2

一定壓力下，每千克海水中能溶解CO2的摩爾數。

4總則

4.1計算流程

按照圖1（a）進行網格化海-氣CO2交換通量（FCO2）計算，按照圖1（b）進行非網

格化FCO2計算。本部分推薦優先采用網格化FCO2計算方式。

瞬時網格化網格平均平均風速網格瞬時瞬時風速瞬時航次平均

pCOSeawaterpCOSeawaterAirSeawater

22平均pCO平均FCO2pCO2AirFCO2FCO2

2瞬時pCO2

監測區域網格年網格季節監測區域監測區域季節

年平均FCO2平均FCO2平均FCO2年平均FCO2平均FCO2

a）網格化FCO2計算方法b）非網格化FCO2計算方法

注：

Seawater

pCO2——海水CO2分壓

Air

pCO2——大氣CO2分壓

圖1海-氣CO2交換通量計算流程

4.2平均值和標準偏差計算

按照公式（1）計算平均值。對于網格化計算，按照公式（2）計算網格內數據的標準

偏差；按照公式（3）計算航次、季節、年平均及空間標準偏差；對于非網格化計算，按照

公式（2）計算航次標準偏差，按照公式（3）計算季節和年標準偏差。

平均值計算公式：

∑??

??=?=1?…（1）

??

式中：

??—樣本平均值；

i—第i個樣本；

Xi—第i個樣本的數值；

N—樣本數。

??的單位同Xi的單位，即要計算算數平均值的參數的單位。

標準偏差計算公式：

1

?=√∑??(????)2…（2）

???1?=1?

式中：

s—網格內樣本標準偏差（網格化計算）或航次標準偏差（非網格化計算）；

N—樣本數；

i—第i個樣本；

Xi—第i個樣本的數值；

2

??—樣本平均值。

s和??的單位同Xi的單位，即要計算標準偏差的參數的單位。

標準偏差平均值的計算公式：

1

=√∑???2…（3）

???=1

式中：

—標準偏差平均值；

N—樣本數；

i—第i個樣本；

s—網格內樣本標準偏差（網格化計算）或航次標準偏差（非網格化計算）。

和s的單位同Xi的單位，即要計算標準偏差平均值的參數的單位。

5網格化海-氣二氧化碳交換通量

5.1海水二氧化碳分壓

5.1.1監測區域網格化

依據監測區域的大小和站位的疏密劃分成0.25o0.25o、0.5o0.5o或1o1o的網格，每個

數據或站位只能屬于一個網格。網格大小的劃分依據是每個網格里的數據量不小于4，且空

白網格率不大于50%。如果劃分1o1o網格，空白網格率仍大于50%，則用1o1o的網格。

5.1.2網格平均二氧化碳分壓和標準偏差

Seawater

對每個航次的監測數據，按照公式（1），根據網格內的瞬時海水CO2分壓（pCO2）

SeawaterSeawater

計算網格平均pCO2，按照公式（2）計算每個網格pCO2的標準偏差。

5.2大氣二氧化碳分壓

Air

對每個航次的監測數據，根據公式（1）計算每個網格的平均大氣CO2分壓（pCO2），

Air

根據公式（2）計算每個網格pCO2的標準偏差。

Air

若監測數據不能滿足每個非空白網格都有pCO2，則計算該航次所有儀器校正大氣

CorrCorr

CO2摩爾分數的平均值（xCO2）作為每個監測點的xCO2，根據《HY/TXXXXX.7-XXXX

Air

第7部分：現場監測二氧化碳分壓數據處理》的方法計算pCO2。

CorrCorr

若航次未監測大氣xCO2，則用鄰近大氣監測站的月平均xCO2或等效數據作為每

個監測點的數據，根《HY/TXXXXX.7-XXXX第7部分：現場監測二氧化碳分壓數據處理》

Air

的方法計算pCO2。

5.3海-氣二氧化碳交換通量

5.3.1海-氣二氧化碳交換通量平均值

對每個航次，網格平均海-氣CO2交換通量（FCO2）用公式（4）計算：

??×24×?CO2×?×??CO

?CO=??2…（4）

21.01325×104

3

式中：

k—海-氣界面氣體傳輸速率，單位為厘米每秒（cmh-1）；

Ci—平均風速補償系數；

CO2-1

KH—CO2的溶解度系數，單位為摩爾每千克每大氣壓（mol(kgatm)）；

—表層海水密度，單位為千克每立方米（kgm-3）；

SeawaterAir

pCO2—海-氣CO2分壓差（pCO2=pCO2-pCO2），單位為帕斯卡（Pa）。

CO2

KH按公式（5）計算：

10023.15

(CO2)=?..×.×()×

(23.15)100

(23.15)(23.15)2

(.?.×.×)………………（5）

1001002

式中：

SST—表層海水溫度（90溫標），單位為攝氏度（oC）；

SSS—表層海水鹽度（1978實用鹽度標度）。

按公式（6）計算：

=999.842594+0.06793952×SST-9.09529×10-3×SST2+1.001685×10-4×SST3

-1.120083×10-6×SST4+6.536336×10-9×SST5+(0.824493-0.0040899×SST

+7.6438×10-5×SST2-8.2467×10-7×SST3+5.3875×10-9×SST4)×SSS

+（-0.00572466+1.0227×10-4×SST-1.6546×10-6×SST2）×SSS1.5

+4.8314×10-4×SSS2…（6）

式中：

SST—表層海水溫度（90溫標），單位為攝氏度（oC）；

SSS—表層海水鹽度（1978實用鹽度標度）。

用航次平均U10根據公式（7）計算k：

2-0.5

k=0.266×U10×(Sc/600)……（7）

式中：

-1

U10—海面上10米高度風速，單位為米每秒（ms）；

Sc—水中溶解氣體的施密特數。

Sc按公式（8）計算：

Sc=2073.1?125.62×SST+3.6276×SST2?0.043219×SST3……（8）

式中：

SST—表層海水溫度（90溫標），單位為攝氏度（oC）。

公式（7）中k與U10是平方關系，因此公式（4）中的Ci為C2，用公式（9）計算：

2

()

2=2……（9）

()

式中：

j—第j個瞬時風速數據；

-1

Uj—第j個瞬時風速的大小，單位為米每秒（m·s）；

2-12

(Uj)mean—第j個瞬時風速平方的平均值米每秒的平方（(m·s)）；

-1

Umean—航次平均U10，單位為米每秒（m·s）。

評估河口等海域的海-氣CO2交換通量時可選擇采用其他k-U10關系式，詳見附錄A。

4

如果無船測風速，可用衛星遙感風速計算。如果測定風速不是U10，可根據附錄A轉換成

U10。

對每個網格，根據公式（1）計算季節內所有航次FCO2的平均值作為季節平均FCO2；

計算所有季節平均FCO2的平均值作為年平均FCO2。

計算監測區域內所有網格年平均FCO2的平均值作為調查區域的年平均FCO2。

5.3.2海-氣二氧化碳交換通量標準偏差

SeawaterSeawaterAir

FCO2的標準偏差（FCO2）由pCO2的標準偏差（pCO2）、pCO2的標準

Air

偏差（pCO2）和U10的標準偏差（U10）計算。

SeawaterAir

根據公式（10）用pCO2和pCO2計算pCO2的標準偏差：

22

?CO2=√(CO2)(CO2)………………（10）

式中：

pCO2—pCO2的標準偏差，單位為微大氣壓（atm）；

Seawater

pCO2—海水pCO2的標準偏差，單位為微大氣壓（atm）；

Air

pCO2—大氣pCO2的標準偏差，單位為微大氣壓（atm）。

根據公式（11）用pCO2和U10計算FCO2：

2×12??CO22

?CO2=|?CO2|×√()()………………（11）

1??CO2

式中：

-2-1

FCO2—FCO2的標準偏差，單位為毫摩爾每平方米每天（mmol·m·d）；

-2-1

|?CO2|—FCO2的絕對值，單位為毫摩爾每平方米每天（mmol·m·d）；

-1

U—海面上10米高度風速，單位為米每秒（m·s）；

-1

U—U的標準偏差，單位為米每秒（m·s）；

pCO2—海氣CO2分壓差，單位為微大氣壓（atm）；

pCO2—pCO2的標準偏差，單位為微大氣壓（atm）。

對每個航次，根據公式（2）計算U10的網格標準偏差，根據（3）計算U10的航次標準偏

差（U10）。

公式（11）是根據k與U10的平方關系得出的標準偏差傳遞公式。如果采用k與U10的

非平方關系，需選擇附錄B中相應的公式。

對每個網格，根據公式（3）計算季節內所有航次標準偏差的平均值作為季節標準偏差；

計算所有季節標準偏差的平均值作為年標準偏差。

計算監測區域內所有網格年標準偏差的平均值（公式3）作為監測區域的年平均標準偏

差。

6非網格化海-氣二氧化碳交換通量

6.1海水二氧化碳分壓

Seawater

采用每個航次每個監測點的瞬時pCO2。

6.2大氣二氧化碳分壓

CorrCorr

計算航次同區域所有大氣xCO2的平均值作為每個監測點的大氣xCO2，根據

5

Air

《HY/TXXXX第7部分：現場監測二氧化碳分壓數據處理》的方法計算pCO2。

CorrCorr

若航次未監測大氣xCO2，則用鄰近大氣監測站的月平均大氣xCO2或等效數據作

為每個監測點的數據，根據《HY/TXXXX第7部分：現場監測二氧化碳分壓數據處理》的

Air

方法計算pCO2。

6.3海-氣二氧化碳交換通量

按照公式（12）計算瞬時FCO2：

?×24×?CO2××??

?CO=2…（12）

21.01325×104

式中：

Ins—瞬時；

k—海-氣界面氣體傳輸速率，用瞬時風速按照公式（7）計算，單位為厘米每小時

（cmh-1）；

CO2-1

KH—CO2的溶解度系數，單位為摩爾每千克每大氣壓（mol(kgatm)），按公式

（5）計算；

—表層海水密度，單位為千克每立方米（kgm-3），按公式（6）計算；

pCO2—海-氣CO2分壓差，單位為帕斯卡（Pa）。

根據公式（1）計算每個監測點FCO2的平均值作為航次平均FCO2，根據公式（2）計

算航次標準偏差。分別根據公式（1）和（3）計算季節和年平均FCO2及相應的標準偏差。

7監測區域源匯評估

在空間上，如果某網格或調查區域的平均FCO2為正值，則該網格或區域為大氣CO2

的源，強度為FCO2的數值；如果FCO2為負值，則該網格或調查區域為大氣CO2的匯，

強度為FCO2的絕對值；如果FCO2為0，則該網格或調查區域的海水CO2與大氣平衡。

在時間上，如果某航次、季節或年均FCO2為正值，則在該航次期間、季節或年尺度是

大氣CO2的源，強度為FCO2的數值；如果FCO2為負值，則在該航次期間、季節或年尺

度是大氣CO2的匯，強度為FCO2的絕對值；如果FCO2為0，則海洋CO2在該航次期間、

季節或年尺度與大氣平衡。

網格化海-氣CO2通量計算和CO2源匯評估示例見附錄C。

6

附錄A

（資料性）

海-氣交換速率及轉換系數

A.1海-氣界面氣體交換速率與10米高度風速的關系

根據海-氣界面的氣體交換速率（k）與10米高度風速（U10）的關系，計算k的常用公式

如表A.1所示。

表A.1k與U10的關系

序號公式適用風速

2

1k600=0.266×U10不限制

2

2k660=0.27×U10不限制

2

3k660=0.24×U10不限制

2

4k660=0.251×U10不限制

-1

5k600=0.17×U10U10<3.6ms

3

6k660=0.0283×U10不限制

-1

7k600=2.85×U10-9.653.6<U10<13ms

-1

8k600=5.9×U10-49.3U10>13ms

按公式（A.1）和（A.2）計算k：

-0.5

k=k600×(Sc/600)…（A.1）

-0.5

k=k660×(Sc/660)…（A.2）

式中：

-1

k600—施密特數Sc為600時的交換速率，單位為厘米每小時（cmh）；

-1

k660—施密特數Sc為660時的交換速率，單位為厘米每小時（cmh）；

Sc—監測條件下的施密特數，按公式（8）計算。

A.2非10米高度風速的轉換系數

如果船載監測的風速不是10米高度風速，則根據公式（A.3）計算U10：

U10=UZKZ…（A.3）

式中：

Z—測風高度，單位為米（m）；

-1

UZ—在海平面以上Z米測得的風速，單位為米每秒（ms）；

KZ—風速的高度轉換系數。KZ隨高度而變，具體數值見表A.2。

7

表A.2不同高度的風速轉換系數KZ

ZKZ

-1-1

（m）UZ>7msUZ<7ms

1.01.601.37

1.51.451.29

2.01.361.23

2.51.291.20

3.01.241.17

3.51.211.14

4.01.181.12

4.51.151.10

5.01.131.09

5.51.111.07

6.01.091.06

6.51.081.05

7.01.061.04

7.51.061.03

8.01.041.03

8.51.031.02

9.01.021.01

9.51.011.01

10.01.001.00

10.50.990.99

11.00.980.99

11.50.980.98

12.00.970.98

12.50.960.97

13.00.960.97

13.50.950.96

14.00.950.96

14.50.940.95

15.00.940.95

15.50.930.95

16.00.930.95

16.50.920.95

17.00.920.94

17.50.920.94

18.00.910.94

18.50.910.94

19.00.910.93

19.50.900.92

20.00.900.91

8

A.3平均風速補償系數

用公式（4）計算FCO2時，如果采用k與U10的立方關系，則平均風速補償系數Ci為C3，

用公式（A.4）計算：

()

3=……（A.4）

()

式中：

j—第j個瞬時風速數據；

-1

Uj—第j個瞬時風速的大小，單位為米每秒（m·s）；

3-13

(Uj)mean—第j個瞬時風速立方的平均值，單位為立方米每秒的三次方（(m·s)）；

-1

Umean—航次平均U10，單位為米每秒（m·s）。

如果采用k與U10的線性關系，則Ci為1。

9

附錄B

（資料性）

標準偏差傳遞公式

平均FCO2的標準偏差由pCO2和U10計算。

用附錄A中序號5公式計算的k（即一次方關系），標準偏差傳遞用公式用（B.1）

計算：

12??CO22

?CO2=??CO2?×√()()…(B.1)

1?CO2

式中：

-2-1

FCO2—FCO2的標準偏差，單位為毫摩爾每平方米每天（mmol·m·d）；

-2-1

|?CO2|—FCO2的絕對值，單位為毫摩爾每平方米每天（mmol·m·d）；

-1

U—海面上10米高度風速，單位為米每秒（m·s）；

-1

U—U的標準偏差，單位為米每秒（m·s）；

pCO2—海氣CO2分壓差，單位為微大氣壓（atm）；

pCO2—pCO2的標準偏差，單位為微大氣壓（atm）。

用附錄A中序號6公式計算的k（即三次方關系），標準偏差傳遞用公式用（B.2）

計算：

3×12??CO22

?CO2=??CO2?×√()()……(B.2)

1?CO2

式中：

-2-1

FCO2—FCO2的標準偏差，單位為毫摩爾每平方米每天（mmol·m·d）；

-2-1

|?CO2|—FCO2的絕對值，單位為毫摩爾每平方米每天（mmol·m·d）；

-1

U—海面上10米高度風速，單位為米每秒（m·s）；

-1

U—U的標準偏差，單位為米每秒（m·s）；

pCO2—海氣CO2分壓差，單位為微大氣壓（atm）；

pCO2—pCO2的標準偏差，單位為微大氣壓（atm）。

用附錄A中序號7和序號8公式計算的k，標準偏差傳遞用公式分別用公式（B.3）

和（B.4）計算：

2.5×12??CO22

?CO2=??CO2?×√()()……(B.3)

2.5×1?.5?CO2

式中：

-2-1

FCO2—FCO2的標準偏差，單位為毫摩爾每平方米每天（mmol·m·d）；

-2-1

|?CO2|—FCO2的絕對值，單位為毫摩爾每平方米每天（mmol·m·d）；

-1

U—海面上10米高度風速，單位為米每秒（m·s）；

-1

U—U的標準偏差，單位為米每秒（m·s）；

10

pCO2—海氣CO2分壓差，單位為微大氣壓（atm）；

pCO2—pCO2的標準偏差，單位為微大氣壓（atm）。

5.×12??CO22

?CO2=??CO2?×√()()……(B.4)

5.×1?4.3?CO2

式中：

-2-1

FCO2—FCO2的標準偏差，單位為毫摩爾每平方米每天（mmol·m·d）；

-2-1

|?CO2|—FCO2的絕對值，單位為毫摩爾每平方米每天（mmol·m·d）；

-1

U—海面上10米高度風速，單位為米每秒（m·s）；

-1

U—U的標準偏差，單位為米每秒（m·s）；

pCO2—海氣CO2分壓差，單位為微大氣壓（atm）；

pCO2—pCO2的標準偏差，單位為微大氣壓（atm）。

11

附錄C

（資料性）

網格化海-氣二氧化碳交換通量計算實例

SeawaterAir

以東海2009年8月的pCO2和pCO2監測數據為例計，計算該航次的海-氣CO2交換

Seawater

通量。該航次獲得的海水pCO2空間分布見圖C.1。

34

33

1234

32

pCOSeawater

）2

N5678（Pa）

o

3118to26

910111226to31

緯度（3031to36

36to38

1314151638to40

2940to42

42to44

1718192044to50

28

120121122123124125126127128

經度（oE）

圖C.12009年8月東海海表pCO2空間分布

（數字代表網格編號）

計算步驟如下：

a）把調查區域劃分成1o1o的網格。

SeawaterAir

b）用公式（1）和（2）計算每個網格的平均pCO2和pCO2，及標準偏差（同

時計算SST、SSS的平均值）。

c）計算每個網格的平均pCO2。

d）根據公式（1）和（2）計算每個網格的平均風速和標準偏差；根據公式（1）和

（3）計算航次平均風速（Umean）和標準偏差（U10）。

e）根據公式（9）計算C2。

f）根據公式（8）計算每個網格的Sc；根據公式（7）計算每個網格的k。

CO2

g）根據公式（5）計算每個網格的平均KH；根據公式（6）計算每個網格的平均

表層海水密度。

CO2

h）根據公式（4），用網格平均pCO2、k、海水密度和KH計算每個網格平均FCO2。

SeawaterAir

i）根據公式（10）由每個網格的pCO2和pCO2計算pCO2；根據公式（11）

由每個網格的pCO2和航次的U10計算FCO2。

j）根據公式（1）和（3）分別計算監測區域的平均FCO2和標準偏差，計算結果見

表C.1。由于采用航次平均風速計算網格平均FCO2，因此表C.1中U10一欄填寫的

是航次平均風速，而非網格平均風速。

-2-1-2-1

k）航次調查期間，調查區域FCO2平均值為-4.20mmol·m·d，標準偏差為3.06mmol·m.d。

-2-1

l）航次期間調查區域是大氣CO2的匯，強度為4.20mmol·m·d。

各步計算示例見表C.1。

12

表C.1東海2009年8月東海的FCO2計算結果示例

SeawaterAirCO2

網格SSSSSTpCO2pCO2pCO2KHU10C2kScFCO2

編號(oC)(Pa)(Pa)(Pa)(kg·m-3)(mol·(kg·atm)-1)(m·s-1)(cm·h-1)(mmol·m-2·d-1)

MeanSDMeanSDMeanSDMeanSDMeanSD--MeanSD---MeanSD

131.870.3525.760.2841.50.137.10.14.40.21020.70.02834.991.201.147.57505.72.591.25

229.750.2328.300.1528.70.336.70.3-8.00.51018.40.02694.991.201.148.08443.8-4.782.31

3------------------

4------------------

528.291.4926.620.3632.80.337.00.3-4.10.41017.80.02824.991.201.147.73484.4-2.491.22

627.123.6126.651.3126.81.136.71.0-9.91.51016.90.02844.991.201.147.74483.6-5.943.00

730.841.1026.890.6428.20.436.90.4-8.70.61019.60.02774.991.201.147.78477.8-5.152.50

830.510.3328.010.2430.30.236.80.2-6.50.31019.00.02704.991.201.148.01450.8-3.871.87

928.501.2529.761.0320.01.136.71.1-16.71.51016.90.02614.991.201.148.42408.4-10.084.94

1031.160.9930.060.1828.30.236.70.2-8.40.31018.80.02564.991.201.148.50401.1-5.032.42

1133.610.0529.720.2041.70.336.70.35.00.41020.80.02554.991.201.148.41409.32.971.45

12------------------

1333.480.1429.990.1540.60.136.70.13.90.21020.60.02544.991.201.148.48402.82.331.13

1433.770.1029.870.1141.40.236.70.24.70.21020.80.02544.991.201.148.45405.62.801.35

1531.210.8729.460.0728.90.136.70.1-7.80.11019.10.02604.991.201.148.35415.7-4.642.23

1625.533.6328.151.4320.81.236.91.2-16.11.71015.20.02764.991.201.148.05447.4-9.804.83

1729.700.3028.610.7526.50.736.70.7-10.31.01018.20.02674.991.201.148.15436.4-6.143.01

1829.360.1330.200.2615.30.236.50.2-21.30.31017.40.02584.991.201.148.53397.5-12.856.18

1931.441.2130.010.3924.80.336.60.3-11.80.51019.10.02564.991.201.148.48402.2-7.073.41

20-------------------

航次平均---29.8-------4.99-----4.20-

標準偏差----0.6---