河口/海湾区域水-气界面二氧化碳通量在线观测方法

1.本发明涉及水-气界面碳通量在线观测技术领域，尤其涉及河口/海湾区域水-气界面二氧化碳通量在线观测方法。


背景技术：

2.工业革命以来，人类活动大量排放二氧化碳，导致气候变化加剧，威胁着人类的生存与可持续发展。我国政府宣布力争于2030年前二氧化碳排放达到峰值，争取2060年前实现碳中和。河流及其河口的二氧化碳排放被认为是全球碳循环的重要组成部分。早在2005年就有研究显示，全球河口大约以每年0.34gt c的水平向大气排放二氧化碳，这大致相当于全球河流每年碳输出(～0.8gt c)的43％。然而，河口到底是大气二氧化碳的源或汇仍是一个争议问题，最主要的原因是目前全球河口二氧化碳通量的估计是基于非常有限的数据集，并且河口的生物地球化学过程受邻近人类活动和气候变化的影响显著大于其他方面的影响。因此建立一种河口/海湾区域的水-气界面二氧化碳通量在线观测系统是很有必要的。
3.我国科学家为实现碳中和提出了多种负排放(主动增汇)方案，其中包括陆海统筹减排增汇工程。水-气界面二氧化碳通量在线观测系统可以动态认知河口/海湾区域的源/汇状态，可为陆海统筹减排增汇工程提供宏观量化依据，同时也可为河口/海湾生物地球化学过程的研究提供关键技术支持。
4.目前测量水-气界面二氧化碳通量的系统一般无法实现区域实时在线观测，例如搭载在浮标平台上的观测系统可以单点长时间的测量二氧化碳通量，但无法同时观测一个区域的二氧化碳通量；利用遥感技术可以观测特定区域的二氧化碳通量，但无法长时间持续观测。因此，需要一种可以实时在线观测区域尺度的水-气界面二氧化碳通量的方法。


技术实现要素：

5.有鉴于此，本发明的目的在于提出一种河口/海湾区域水-气界面二氧化碳通量在线观测方法，能够实时在线观测区域尺度的水-气界面二氧化碳通量。
6.根据本发明的一个方面，提供一种河口/海湾区域水-气界面二氧化碳通量在线观测方法，包括：水域两侧岸线设置n(n≥2)个声层析站位；水域中设置m(m≥1)个数据采集站位；两个声层析站位之间可以互收发声信号，通过声信号的平均传播时间计算得到两站位之间的平均声速，再通过声速经验公式反演出水域的平均温度；设置在水域中的数据采集站位测量表层水中二氧化碳摩尔分数等相关数据，经过计算处理得到水-气界面二氧化碳通量；利用声层析系统的水温数据计算水域其他站位上的水-气界面二氧化碳通量；根据水域面积，积分得到观测水域的单位时间水-气界面二氧化碳交换量。
7.在上述技术方案中，本发明能够满足大部分河口/海湾区域水-气界面二氧化碳通量的长期实时观测需求，具有观测成本低、可拓展性强、观测方便等优点，适用于对较大尺度的水域的碳源/汇的调查，为陆海统筹减排增汇工程和生态环境研究保护提供重要的数
据支撑。
8.在一些实施例中，所述平均传播时间，公式如下：
[0009][0010]
其中，t
ab
为声层析站位a发射声信号声层析站位b接收声信号时的传播时间，t
ba
为声层析站位b发射声信号声层析站位a接收声信号时的传播时间。
[0011]
在一些实施例中，所述平均声速计算方法如下：
[0012]
两个声层析站位之间的直线距离为l
[0013]
两点之间的平均声速：
[0014][0015]
其中，为平均传播时间。
[0016]
基于互相关算法，t
ab
和t
ba
的计算方法为：
[0017][0018]
上式中，x(n)为接收信号，n为发射信号y(n)的数据长度，m为发射信号沿x轴方向的偏移，偏移的范围至少要满足使得接收信号和发射信号从分离到重合最后再分离。
[0019]
第n个声层析站位发射，第n+1个声层析站位接收声信号时，取信号发射的时刻为0，根据互相关函数的性质，若使得互相关函数r
xy
(m)取得最大相关峰的偏移量m
0+
，则此时传播时间为：
[0020][0021]
式中，fs为采样率，同理，
[0022][0023]
互相关算法计算时间具有较高的时间分辨率和可靠性。例如，若采样率fs采用1200000sa/s，时间分辨率高达0.83μs，通过最大相关峰来判断信号到达时间的可靠性比较高。
[0024]
在一些实施例中，所述通过平均声速计算两点间的平均温度，具体如下：
[0025]
由del grosso提出的nrl ii声速经验公式即可进行温度计算：
[0026]cs,t,p
＝
0,,
+δc
t
+δc
p
+δcs+δc
stp
[0027]
其中，c
0,,
＝1402.392，表示在s＝0
‰
、t＝0℃和p＝0kg/cm2时的声速，δc
t
、δc
p
、δcs、δc
stp
分别表示温度、压强、盐度对声速的影响以及三者对声速的共同影响，c
s,t,p
为平均声速，即
[0028]
在一些实施例中，根据nrl ii声速经验公式，所述δc
t
、δc
p
、δcs、δc
stp
计算公式如下：
[0029]
δc
t
＝5.01109398873
×
t-0.0550946843
×
t2+0.00022153596924
×
t3[0030]
δc
p
＝0.15605925
×
p+0.0000244998
×
p
2-0.8839233251
×
10-8
×
p3[0031]
δcs＝1.32952290781
×
s+0.000128955756844
×
s2[0032]
δc
stp
＝-0.0127562783426
×
t
×
s+0.0063519163389
×
t
×
p+0.265484716608
×
10-7
×
t2×
p
2-0.159349479045
×
10-5
×
t
×
p2+0.522116437235
×
10-9
×
t
×
p
3-0.438031096213
×
10-6
×
t3×
p-0.161674495909
×
10-8
×
s2×
p2+0.96840315641
×
10-4
×
t2×
s+0.485639620015
×
10-5
×
t
×
s2×
p-0.340597039004
×
t
×s×
p
[0033]
其中，t的单位为℃，s的单位为
‰
，p的单位为kg/cm2。在盐度s和压强p已知时，由该经验公式可得到平均温度和平均声速的关系，进而根据平均声速计算平均温度。
[0034]
在淡水中可采用以下声速经验公式进行温度的反演：
[0035][0036]
其中，为平均声速，t为温度，单位为℃，且0≤t≤100℃；p为压强，单位为巴，且0＜p≤200bar，从该公式可以得到淡水中平均声速和平均温度的关系，进而根据平均声速计算平均温度。
[0037]
在一些实施例中，所述通过声层析系统反演的平均温度、各站位的水-气界面二氧化碳通量以及水域面积计算得到水域实时的单位时间水-气界面二氧化碳交换量，
[0038]
具体包括：
[0039]
数据采集站位测量表层水中二氧化碳摩尔分数等相关数据，基于测量的数据计算数据采集站位处的水-气界面二氧化碳通量，通过声层析系统反演的平均水温计算得的水域中没有数据采集站位处的水-气界面二氧化碳通量，最后通过不同站位的水-气界面二氧化碳通量计算区域单位时间水-气界面二氧化碳交换量，计算方法如下：
[0040][0041]
其中，pco
2eq
是二氧化碳分压自动测定装置中水-气平衡器内的二氧化碳分压，xco2是二氧化碳分压自动测定装置测定的表层水中二氧化碳摩尔分数，p
baro
是水面大气压，p
h2o
是水-气平衡器中的饱和水蒸气压。
[0042][0043]
其中，pco
2surf
是表层水的二氧化碳分压，st是表层水温度，t
eq
是水-气平衡器中的温度。
[0044][0045]
其中，sc是施密特数，t
surf
是表层水的温度，单位是摄氏度(℃)。
[0046][0047]
其中，s是二氧化碳在水中的溶解度，是无量纲的bunsen系数，t是开尔文温度，单位是k，s表示盐度，单位是
‰
。
[0048][0049]
其中，kw是二氧化碳的水-气交换速率，u
10
是海平面以上10m处的风速，单位是m/s。
[0050][0051]
其中，f是数据采集站位的水-气界面二氧化碳通量，pco
2surf
是表层水中的二氧化碳分压，pco
2air
是大气中的二氧化碳分压。
[0052]
计算水域中没有数据采集站位处的水-气界面二氧化碳通量时，使用邻近数据采集站位的(pco
2surf-pco
2air
)和u
10
，利用声层析系统反演的水温重新计算kw和s，进而计算其他站位处的水-气界面二氧化碳通量。
[0053][0054]
其中，f
total
是水域单位时间水-气界面二氧化交换量，f是水-气界面二氧化碳通量，a是观测区域的面积。
[0055]
在一些实施例中，所述通过算得的所有站位处的水-气界面二氧化碳通量平均值计算区域单位时间水-气界面二氧化碳交换量，计算方法如下：
[0056]ftotal
＝f
aver
×a[0057]
其中，f
total
是观测区域的单位时间水-气界面二氧化交换量，f
aver
是观测区域所有站位的水-气界面二氧化碳通量做集合平均处理后的值，a是观测区域的面积。
[0058]
在上述技术方案中，本发明实现区域尺度上水-气界面二氧化碳通量的高分辨率实时观测，从而为河口/海湾区域的碳源/汇分布提供观测数据支撑，为河口/海湾的生物地球化学过程研究及相关模型的开发提供观测真值，为陆海统筹减排增汇工程提供基础技术支撑，对相关学科的发展具有重要意义。
[0059]
根据本发明的另一个方面，提供一种河口/海湾区域水气界面二氧化碳交换量的评估系统，应用于上述的一种河口/海湾区域水-气界面二氧化碳通量在线观测方法，包括：依次连接的第一计算模块、第二计算模块、第三计算模块；
[0060]
第一计算模块，声层析系统反演水域的平均水温；
[0061]
第二计算模块，根据数据采集站位测量的相关数据计算站位处的水-气界面二氧化碳通量。再利用声层析系统反演的水温数据计算水域中其他站位的水-气界面二氧化碳通量；
[0062]
第三计算模块，计算水域实时的单位时间水-气界面二氧化碳通量。
[0063]
上述技术方案能够满足大部分河口/海湾区域水-气界面二氧化碳通量的长期实时观测需求，具有观测成本低、可拓展性强、观测方便等优点，适用于对较大尺度水域的碳
源/汇的调查，为陆海统筹减排增汇工程和生态环境研究保护提供重要的数据支撑。
[0064]
根据本发明的再一个方面，提供一种浮标采集单元，应用于上述的一种河口/海湾区域水-气界面二氧化碳通量在线观测方法，包括：水-气界面二氧化碳分压自动测定装置、小型气象站、gps定位系统、控制计算机和供电装置；其中，水-气界面二氧化碳分压自动测定装置、小型气象站和gps定位系统分别与控制计算机相连；控制计算机包括无线传输模块，用于数据传输；供电装置与水-气界面二氧化碳分压自动测定装置、小型气象站、gps定位系统、控制计算机相连。
[0065]
在上述技术方案中，通过集成在浮标上的水-气界面二氧化碳分压自动测定装置和小型气象站，联合覆盖整个区域的声层析系统，实现区域尺度上水-气界面二氧化碳通量的高分辨率实时观测，从而为河口/海湾区域的碳源/汇分布提供观测数据支撑，为河口/海湾的生物地球化学过程研究及相关模型的开发提供观测真值，为陆海统筹减排增汇工程提供基础技术支撑，对相关学科的发展具有重要意义。本发明是一种以声层析系统为基础的新型生态系统观测技术，具有观测精度高、覆盖空间范围大、成本低、分辨率高以及可长期实时观测等优点。
附图说明
[0066]
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0067]
图1是本发明实施例的方法流程示意图；
[0068]
图2是本发明实施例的系统示意图；
[0069]
图3是本发明实施例提供的浮标采集单元结构示意图；
[0070]
图4是本发明实施例提供的各声层析站位结构示意图；
[0071]
图5是本发明实施例提供的河口/海湾区域水-气界面二氧化碳交换量评估系统的结构示意图。
具体实施方式
[0072]
下面结合附图和实施例，对本发明作进一步的详细描述。特别指出的是，以下实施例仅用于说明本发明，但不对本发明的范围进行限定。同样的，以下实施例仅为本发明的部分实施例而非全部实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
[0073]
本发明提供一种河口/海湾区域水-气界面二氧化碳通量在线观测方法，能够实时在线观测区域尺度的水-气界面二氧化碳通量。基于声层析站位和数据采集站位实现区域尺度的水-气界面二氧化碳通量的实时在线、连续和高分辨率观测。具体的，本发明通过集成在浮标上的水-气界面二氧化碳分压自动测定装置和小型气象站，联合覆盖整个区域的声层析系统，实现区域尺度上水-气界面二氧化碳通量的高分辨率实时观测，从而为河口/海湾区域的碳源/汇分布提供观测数据支撑，为河口/海湾的生物地球化学过程研究及相关模型的开发提供观测真值，为陆海统筹减排增汇工程提供基础技术支撑，对相关学科的发
展具有重要意义。本发明是一种以声层析系统为基础的新型生态系统观测技术，具有观测精度高、覆盖空间范围大、成本低、分辨率高以及可长期实时观测等优点。
[0074]
本发明提供一种河口/海湾区域尺度的水-气界面二氧化碳通量在线观测方法，流程请参考图1，具体如下：
[0075]
s1、水域两侧岸线设置n(n≥2)个声层析站位；水域中设置m(m≥1)个数据采集站位；
[0076]
在本实施例中参考图2，包括浮标系统(数据采集站位，下同)、声层析系统(声层析站位，下同)和地面控制观测站。下面对各部分详细介绍：
[0077]
浮标系统包括水-气界面二氧化碳分压自动测定装置、小型气象站、gps定位系统、控制计算机和供电装置。
[0078]
进一步地，可根据具体观测区域放置一个或多个浮标系统。
[0079]
如图3所示，水-气界面二氧化碳分压自动测定装置、小型气象站和gps定位系统分别与控制计算机直接连接；控制计算机接收水-气界面二氧化碳分压自动测定装置、小型气象站和gps定位系统采集的观测数据，并对观测数据进行处理，然后无线传输给地面控制观测站；控制计算机对水-气界面二氧化碳分压自动测定装置、小型气象站、gps定位系统和供电装置进行控制，同时保存数据。
[0080]
本发明中，要对浮标系统中搭载的各种设备进行防水防潮处理，确保各仪器设备的长期稳定运行。
[0081]
具体的，基于水-气平衡原理的水-气界面二氧化碳分压自动测定装置，用于测量表层水中二氧化碳的摩尔分数(xco2)，并将表层水温度、水气平衡器内的饱和水蒸气压和温度等数据传输给控制计算机。
[0082]
小型气象站，用于测量海平面以上10m处的气温、气压、真风速、真风向和饱和水蒸气压等数据，并传输给控制计算机。
[0083]
gps定位系统，用于测量浮标在地球坐标系统中的坐标数据，并用于将水-气界面二氧化碳分压自动测定装置和小型气象站测量的数据转换到地球坐标系统中，然后传输给控制计算机。
[0084]
控制计算机，用于控制水-气界面二氧化碳分压自动测定装置、小型气象站、gps定位系统和供电装置；用于控制水-气界面二氧化碳分压自动测定装置中标准气体添加；用于存储各个浮标子系统的数据；用于控制各个浮标子系统的供电；用于与地面控制观测站的无线连接。
[0085]
供电装置向控制计算机、水-气界面二氧化碳分压自动测定装置、gps定位系统和小型气象站供电。为了保证浮标能长期运行，选用太阳能供电系统。
[0086]
声层析系统包括：主控柜机单元、功率放大单元、信号发射和接收单元。
[0087]
n(n≥2)个声层析系统布放于施测区域的岸边，用于区域表层平均水温的实时在线、连续和高分辨率测量。
[0088]
进一步地，声层析系统的个数可根据具体水-气界面二氧化碳通量观测区域大小和温度测量精度进行调整。
[0089]
如图4所示，每个声层析系统包括主控柜机单元、功率放大单元以及信号发射和接收单元，声信号由主控柜机单元生成，经过功率放大单元进行放大，由信号发射与接收单元
[0113]
δc
stp
＝-0.0127562783426
×
t
×
s+0.0063519163389
×
t
×
p
[0114]
+0.265484716608
×
10-7
×
t2×
p
2-0.159349479045
×
10-5
[0115]
×
t
×
p2+0.522116437235
×
10-9
×
t
×
p
3-0.438031096213
[0116]
×
10-6
×
t3×
p-0.161674495909
×
10-8
×
s2×
p2[0117]
+0.96840315641
×
10-4
×
t2×
s+0.485639620015
×
10-5
×
t
[0118]
×
s2×
p-0.340597039004
×
t
×s×
p
[0119]
在河口区域可采用以下声速经验公式进行表层水温st的反演：
[0120]
c＝1402.7+4.88
×
st-0.0482
×
st2+0.000135
×
st3+(0.159+
[0121]
0.00028
×
st+0.0000024
×
st2)
×
p(4)
[0122]
其中，温度t单位为℃，且0≤t≤100℃，p单位为巴，且0＜p≤200bar。
[0123]
地面控制观测站与浮标系统和声层析系统无线连接，并接收浮标系统和声层析系统传输的观测数据，同时可对浮标系统和声层析系统无线控制。地面控制观测站是一种计算机设备，包括：存储器、处理器和显示器。观测数据经过地面控制观测站的数值计算得出区域水-气界面高分辨率的实时二氧化碳通量分布和实时的区域单位时间水-气界面二氧化碳交换量，同时存储数据，并通过显示器显示。
[0124]
s4、根据数据采集站位的相关数据计算水-气界面二氧化碳通量；
[0125]
数据采集站位测量水域内相关数据，并传输到地面控制观测站计算水-气界面二氧化碳通量；
[0126]
地面控制观测站的数值计算主要基于以下公式：
[0127][0128]
其中，pco
2eq
是水-气界面二氧化碳分压自动测定装置中水气平衡器内的二氧化碳分压，xco2是二氧化碳分压自动测定装置测定的表层水中二氧化碳摩尔分数，p
baro
是水面大气压，p
h2o
是水-气平衡器中的饱和水蒸气压。
[0129][0130]
其中，pco
2surf
是表层水的二氧化碳分压，st是表层水温度，t
eq
是水-气平衡器中的温度。
[0131]
通过公式6将水气平衡器内的二氧化碳分压(pco
2eq
)校正得到表层海水中的二氧化碳分压(pco
2surf
)。
[0132][0133]
其中，f是水-气界面二氧化碳通量，kw是二氧化碳的水-气交换速率，s是二氧化碳在水中的溶解度，pco
2air
是大气中的二氧化碳分压。
[0134][0135]
其中，xco
2air
是大气中二氧化碳的摩尔分数，p
10
是海平面以上10m处的大气压，p
h2osurf
是表层水温度下的饱和水蒸气压。
[0136]
公式7中的
[0137]
其中，u
10
是海平面以上10m处的风速，单位是m/s，sc是施密特数。
[0138][0139]
其中，s是二氧化碳在表层水中的溶解度，是无量纲的bunsen系数，t是开尔文温度，单位是k，s是盐度，单位是
‰
。
[0140][0141]
其中，t
surf
是表层水的温度，单位是摄氏度(℃)。
[0142]
s5、地面控制观测站计算水域实时的单位时间水-气界面二氧化碳交换量
[0143]
进一步地，在接收到声层析系统反演的水温数据后，地面控制观测站可根据浮标系统传输的相关数据计算观测区域没有浮标系统处的水-气界面二氧化碳通量。
[0144]
计算水域中没有浮标系统处的水-气界面二氧化碳通量时，使用邻近浮标系统的(pco
2surf-pco
2air
)和u
10
，利用声层析系统反演的水温重新计算kw和s，进而计算其他站位处的水-气界面二氧化碳通量。
[0145]
s5、计算水域实时的单位时间水-气界面二氧化碳通量；
[0146]
根据观测区域的面积和水-气界面二氧化碳通量，计算得到水域实时的单位时间水-气界面二氧化碳交换量；
[0147][0148]
其中，f
total
是观测区域的单位时间水-气界面二氧化碳交换量，a是观测区域的面积。
[0149]
本发明实施例还提供另一种水-气界面二氧化碳交换量的评估方法。地面控制观测站将观测区域所有站位的水-气界面二氧化碳通量做集合平均处理，然后根据公式10，利用水域面积计算得到观测区域的单位时间水-气界面二氧化碳交换量。
[0150]ftotal ＝ f
aver
ꢀ×ꢀ
a (10)
[0151]
其中，f
aver
是观测区域所有站位的水-气界面二氧化碳通量做集合平均处理后的值，a是水域面积。
[0152]
本发明实施例还提供一种河口/海湾区域水-气界面二氧化碳交换量评估系统，如图5所示，包括：
[0153]
第一计算模块，用于获取声层析系统测量的区域表层水温数据。详细内容见上述实施例中s2和s3的相关描述。
[0154]
第二计算模块，用于获取浮标系统中用于计算数据采集站位处的水-气界面二氧化碳通量的相关数据，计算得到数据采集站位处的水-气界面二氧化碳通量。获取声层析系统反演的水温数据，结合浮标系统的相关数据，计算得到观测区域各个站位上的水-气界面二氧化碳通量。详细内容见上述实施例中s4的相关描述。
[0155]
第三计算模块，用于根据观测区域水域面积和水-气界面二氧化碳通量计算得到区域的单位时间水-气界面二氧化碳交换量。详细内容见上述实施例中s5的相关描述。
[0156]
以上所述仅为本发明的部分实施例，并非因此限制本发明的保护范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效装置或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

技术特征：
1.一种河口/海湾区域水-气界面二氧化碳通量在线观测方法，其特征在于，包括：水域两侧岸线设置n(n≥2)个声层析站位；水域中设置m(m≥1)个数据采集站位；两侧岸线上的声层析站位互收发声信号，通过声信号在水域中的平均传播时间计算得到两站位之间的平均声速，继而通过声速经验公式反演平均水温；数据采集站位主要测量表层水中二氧化碳摩尔分数等相关参数，计算后得到站位处的水-气界面二氧化碳通量；通过平均水温计算得到水域内没有数据采集站位处的水-气界面二氧化碳通量，继而计算得到水域实时在线的单位时间水-气界面二氧化碳交换量。2.如权利要求1所述的一种河口/海湾区域水-气界面二氧化碳通量在线观测方法，其特征在于，所述平均传播时间，公式如下：其中，t
ab
为声层析站位a发射声信号，声层析站位b接收声信号的传播时间，t
ba
为声层析站位b发射声信号，声层析站位a接收声信号的传播时间。基于互相关算法，t
ab
和t
ba
的计算方法为：上式中，x(n)为接收信号，n为发射信号y(n)的数据长度，m为发射信号沿x轴方向的偏移，偏移的范围至少要满足使得接收信号和发射信号从分离到重合最后再分离。两个声层析站位互收发声信号时，取信号发射的时刻为0，根据互相关函数的性质，若使得互相关函数r
xy
(m)取得最大相关峰的偏移量m
0+
，则此时传播时间为：式中，f
s
为采样率，同理，互相关算法计算时间具有较高的时间分辨率和可靠性。例如，若采样率f
s
采用1200000sa/s，时间分辨率高达0.83μs，通过最大相关峰来判断信号到达时间的可靠性比较高。3.如权利要求1所述的一种河口/海湾区域水-气界面二氧化碳通量在线观测方法，其特征在于，所述平均声速计算方法如下：两个声层析站位之间的直线距离为l两点之间的平均声速：其中，为平均传播时间。
4.如权利要求1所述的一种河口/海湾区域水-气界面二氧化碳通量在线观测方法，其特征在于，所述通过平均声速计算两点间的平均温度，具体如下：由del grosso提出的nrl ii声速经验公式即可进行温度计算：c
s,t,p
＝c
0,0,0
+δc
t
+δc
p
+δc
s
+δc
stp
其中，c
0,0,0
＝1402.392，表示在s＝0
‰
、t＝0℃和p＝0kg/cm2时的声速，δc
t
、δc
p
、δc
s
、δc
stp
分别表示温度、压强、盐度对声速的影响以及三者对声速的共同影响，c
s,t,p
为平均声速，即5.如权利要求4所述的一种河口/海湾区域水-气界面二氧化碳通量在线观测方法，其特征在于，根据nrl ii声速经验公式，所述δc
t
、δc
p
、δc
s
、δc
stp
计算公式如下：δc
t
＝5.01109398873
×
t-0.0550946843
×
t2+0.00022153596924
×
t3δc
p
＝0.15605925
×
p+0.0000244998
×
p
2-0.8839233251
×
10-8
×
p3δc
s
＝1.32952290781
×
s+0.000128955756844
×
s2δc
stp
＝-0.0127562783426
×
t
×
s+0.0063519163389
×
t
×
p+0.265484716608
×
10-7
×
t2×
p
2-0.159349479045
×
10-5
×
t
×
p2+0.522116437235
×
10-9
×
t
×
p
3-0.438031096213
×
10-6
×
t3×
p-0.161674495909
×
10-8
×
s2×
p2+0.96840315641
×
10-4
×
t2×
s+0.485639620015
×
10-5
×
t
×
s2×
p-0.340597039004
×
t
×
s
×
p其中，t的单位为℃，s的单位为
‰
，p的单位为kg/cm2。在盐度s和压强p已知时，由该经验公式可得到平均温度和平均声速的关系，进而根据平均声速计算平均温度。在淡水中可采用以下声速经验公式进行温度的反演：其中，为平均声速，t为温度，单位为℃，且0≤t≤100℃；p为压强，单位为巴，且0＜p≤200bar。从该公式可以得到淡水中平均温度和平均温度的关系，进而根据平均声速计算平均温度。6.如权利要求1所述的一种河口/海湾区域水-气界面二氧化碳通量在线观测方法，其特征在于，所述通过数据采集站位测量的表层水中二氧化碳摩尔分数等相关参数计算得到站位处的水-气界面二氧化碳通量，再根据声层析系统反演的平均水温计算得到水域中没有数据采集站位处的水-气界面二氧化碳通量，具体包括：数据采集站位测量表层水中二氧化碳摩尔分数等相关数据，，基于测量的数据计算数据采集站位处的水-气界面二氧化碳通量；通过声层析系统反演的平均水温计算得的水域中没有数据采集站位处的水-气界面二氧化碳通量，计算方法如下：其中，pco
2eq
是二氧化碳分压自动测定装置中水气平衡器内的二氧化碳分压，xco2是二氧化碳分压自动测定装置测定的表层水中二氧化碳摩尔分数，p
baro
是水面大气压，p
h2o
是水-气平衡器中的饱和水蒸气压。
其中，pco
2surf
是表层水的二氧化碳分压，st是表层水温度，t
eq
是水-气平衡器中的温度。其中，s
c
是施密特数，t
surf
是表层水的温度，单位是摄氏度(℃)。其中，s是二氧化碳在水中的溶解度，是无量纲的bunsen系数，t是开尔文温度，单位是k，s表示盐度，单位是
‰
。其中，k
w
是二氧化碳的水-气交换速率，u
10
是海平面以上10m处的风速，单位是m/s。其中，f是水-气界面二氧化碳通量，pco
2surf
是表层水中的二氧化碳分压，pco
2air
是大气中的二氧化碳分压。计算水域中没有数据采集站位处的水-气界面二氧化碳通量时，使用邻近数据采集站位的(pco
2surf-pco
2air
)和u
10
，利用声层析系统反演的水温重新计算k
w
和s，进而计算其他站位处的水-气界面二氧化碳通量。7.如权利要求6所述的一种河口/海湾区域水-气界面二氧化碳通量在线观测方法，其特征在于，所述通过算得的不同站位水-气界面二氧化碳通量计算水域单位时间水-气界面二氧化碳交换量，计算方法如下：其中，f
total
是水域单位时间水-气界面二氧化交换量，f是水域不同站位的水-气界面二氧化碳通量，包括有数据采集站位处的和没有数据采集站位处的，a是观测水域的面积。8.如权利要求6所述的一种河口/海湾区域水-气界面二氧化碳通量在线观测方法，其特征在于，所述通过算得的水域所有站位处的水-气界面二氧化碳通量平均值计算水域的单位时间水-气界面二氧化碳交换量，计算方法如下：f
total
＝
aver
×
a其中，f
total
是水域单位时间水-气界面二氧化交换量，f
aver
是水域所有站位水-气界面二氧化碳通量平均值，a是水域的面积。9.一种河口/海湾区域水气界面二氧化碳交换量的评估系统，应用于权利要求1-8任一项所述的一种河口/海湾区域水-气界面二氧化碳通量在线观测方法，其特征在于，包括：依次连接的第一计算模块、第二计算模块、第三计算模块；
第一计算模块，声层析系统反演水域的平均水温；第二计算模块，根据数据采集站位测量的相关数据计算站位处的水-气界面二氧化碳通量。再利用声层析系统反演的水温数据计算水域中其他站位的水-气界面二氧化碳通量；第三计算模块，计算水域实时的单位时间水-气界面二氧化碳通量。10.一种浮标采集单元，应用于权利要求1-8任一项所述的一种河口/海湾区域水-气界面二氧化碳通量在线观测方法中的数据采集站位，其特征在于，包括：水-气界面二氧化碳分压自动测定装置、小型气象站、gps定位系统、控制计算机和供电装置；其中，水-气界面二氧化碳分压自动测定装置、小型气象站和gps定位系统分别与控制计算机相连；控制计算机包括无线传输模块，用于数据传输；供电装置与水-气界面二氧化碳分压自动测定装置、小型气象站、gps定位系统、控制计算机相连。

技术总结
本发明公开了河口/海湾区域水-气界面二氧化碳通量在线观测方法。包括：水域两侧岸线设置n个声层析站位；水域中设置m个数据采集站位；设置在水域两侧岸线的声层析站位通过声信号的平均传播时间计算得到两站位之间的平均声速；通过声速经验公式反演出水域的平均温度；设置在水域中的数据采集站位测量表层水中二氧化碳摩尔分数等相关数据，经过计算处理得到站位的水-气界面二氧化碳通量；利用声层析系统反演的水温数据计算水域中没有数据采集站位处的水-气界面二氧化碳通量；根据水域面积，积分得到观测水域的单位时间水-气界面二氧化碳交换量。本发明能够实时在线观测区域尺度的水-气界面二氧化碳通量。气界面二氧化碳通量。气界面二氧化碳通量。


技术研发人员：张宇 张飞 彭旭名 傅伟杰
受保护的技术使用者：厦门大学
技术研发日：2023.04.04
技术公布日：2023/8/24