海氣交換

海洋和大氣的相互作用是天氣和氣候長期變化的重要因素，直接影響人類生存環境。這種作用是以物質交換和能量交換的形式進行的。側重於能裏交換研究一般稱為海氣相互作用研究(Air-Sea Interaction)，而側重於物質交換研究，一般稱為海氣交換研究(Air-Sea Exchange)。 ^[2] 

海氣熱交換，是海洋和大氣之間，相互作用，穿越海氣交界面的熱量輸送。海氣熱交換連同其他的海氣交換，是研究海－氣相互作用的主要因素和基礎，在全球熱量平衡中佔有極其重要的地位，對各種尺度天氣系統的形成和發展以及大氣環流系統的建立和維持都具有重要的作用。

隨着工農業生產的發展，排放污染物也與日具增。每年施放的礦物肥料四億噸，其中有毒化學藥品約4百萬噸，而所有這些物質，近一半滯留在大氣和江、河、湖、海內，僅北半球，每年由於工業所排放的鉛，就高達40萬噸進入大氣，三千萬噸的汞以及各種有害金屬，二百萬噸石油通過不同途徑進入大洋。這些大氣和海洋中的有害物質正在改變着大氣和海洋的各種平衡過程，同時通過大氣和海洋的輻合作用，正在給全球環境帶來嚴重的影響。有人根據大氣中二氧化碳含量的增加速度推測，CO:含量增加會對全球的氣候和海洋產生災難性的後果，即所謂“温室效應”。全球氣温升高，南北極地冰原融化，海平面升高，淹役城市。但另一些人則認為，大量人為污染物進入大氣而形成氣溶膠，這種微粒的光散射，使到達地面的太陽輻射大大減少，引起地面氣温變冷，即地球會面臨所謂“冰川前期”。上述現象能否發生?會發生哪一種逆轉?人類活動真的已改變了地球的能量平衡了嗎?海洋在這種變化中起什麼樣作用?是否是一切污染物的歸縮?海洋的自淨能力及對大氣的反饋機制怎樣?回答這些問題，只有對海洋和大氣的歷史、現狀及其相互作用機制進行深入調查研究才有可能。因此，一門綜合研究海洋和大氣的邊緣新學科一一海氣交換，也就應世而生了。

現在海洋對於氣候變化的作用已逐漸為氣象學家和海洋學家所重視。

50年代初，中國氣象學家已注意到了西北太平洋海温冷暖與中國東部地區訊期的旱澇有密切關係；之後，陳烈庭、巢紀平等又逐漸把注意力集中到東太平洋赤道地區海表温度異常與熱帶大氣環流及中國汛期降水的關係。 ^[3] 

如果説七十年代的海氣交換研究還是處於分散，獨立的小尺度的探索調查研究，那麼，進入八十年代以來，海氣交換的國際間協調聯合調查，有步驟地進行全球性的海氣考察，正迅速地展開。

1975年9月，國際海洋研究科學協會(SCOR)和美國國家科學研究委員會在美國的佛羅里達制定了“TTPO”計劃，世界氣象組織和美國聯合，1976年10月在瑞典的哥德堡制定的“APOMET”計劃，聯合國等八個國際組織成立了海洋污染科學專家組(GESAMP)，先後於1977年，1978年和1980年開會研究和制定海氣交換研究的方向和實施措施。

北大西洋公約組織(NATO)定期組織海氣交換高級研討班，進行多學科的海氣交換研究學術交流。

美國在海氣交換研究中，受到政府和有關部門的重視，彙集了許多從事大氣、海洋研究的具有豐富現場調查經驗和堅實理論基礎的專家，美國科學基金委員會提供了大量的科研經費。因此美國的海氣交換研究，起步早，業處於世界領先地位，1971年，美國科學院就成立了海氣交換研究的諮詢委員會，確定研究方向和調查方案。先後組織了幾個較大的科研項目，如七十年代初，對北非撒哈拉沙漠塵土對美國沿海和大西洋的輸送和影響研究，七十年代中期又進行了北冰洋，大西洋，墨西哥灣等地區的海氣交換研究。現在正在把調查的範圍擴大到世界其他洋區，包括南北太平洋，印度洋和南極洲。由美國羅德島大學海洋研究生院羅伯特A·杜斯所領導的海氣交換研究項目(SEAREX)，有十二個大學和研究所參加，包括英國、法國，日本，新西蘭等國家，業在太平洋設立了26個連續觀測站，定時採樣分析，為海氣交換研究，獲取了大量重要現場數據，為全球海氣交換模擬提供重要資料。

1980年，國際海洋污染科學專家組研討會上指出，今後海氣交換研究，應重點注意如下幾個方面：(1)研究污染物從大氣輸入海洋及從海洋輸入大氣的通量，(2)區別其天然源和污染源業計算其物質流.(3)研究污染物對海氣界面的影響，(4)確定有重要物質交換特徵的海區。 ^[2] 

當人們注意到中東太平洋海温升高與世界氣候異常有一定關係，即所謂“厄爾尼諾現象”時，國際海洋學家經過3年多時間的反覆醖釀，於1984年11月制定出“熱帶海洋與全球大氣(TOGA)觀測研究計劃，把主要目標集中於“描述海洋上表層的熱力結構演變，確定熱帶太平洋上大尺度海表温度的年變化和年際變化的可預報程度”，主要觀測海域在太平洋上東經150度以東，即中東太平洋海域。

與此同時，中國氣象學家與海洋學家密切合作，於1985年9月制定出了“西太平洋熱帶海域海氣相互作用及年際氣候變化研究”計劃，把主要目標集中於海氣變化觀測研究，把關鍵海域傾注於西太平洋熱帶海域，即120°-150°E,10°N-5°S.上述兩個項目在1985-1989年期間先後分別在東太平洋和西太平洋熱帶海域組織了十餘航次觀測研究，取得了一些成果。

基於此，以美國、中國和澳大利亞三國的氣象學家和海洋學家為主體的國際性合作項目一“TOGA-COARE"(熱帶海洋與全球大氣一海洋大氣禍合響應實驗)的計劃於1990-1991年誕生了.這個計劃最主要的一部分即在1992年11月至1993年2月期間進行一次強化觀測(IOP)，共有14艘科學考察船8架飛機在140°-180°E, 10°N-10°S範圍內進行大尺度觀測實驗，中國的<向陽紅五號>(15000噸)，<科學一號>和<實驗三號>(均為3000噸)以及另外兩艘外國科學考察船位於強化觀測的核心區域(151°-158°E, 2°N-5°S)，重點進行海洋大氣邊界層及海洋一大氣通量觀測.這些觀測資料大部分都能適時傳輸到強化觀測的資料中心(澳大利亞的Townswille)。 ^[3] 

影響大氣與海洋之間氣體交換的因素主要有：

1、温度的影響：

（1）大氣與海洋間的氣體交換主要決定於氣體在兩相中的分壓差。

（2）當海水温度升高或降低都會使水體中氣體的分壓發生變化，因而引起氣體在兩相間的交換。

2、氣體溶解度的影響：

（1）不同氣體在海水中的溶解度各不相同。

（2）對於某一恆定的分壓差，各種氣體進入海洋的擴散通量相差懸殊；例如O2，CO2和N2的通量比率是2:70:1。

3、風速的影響：

Downing等人(1955)研究了空氣和水之間的交換速率．他們指出：風速在0~3 m/s時，交換速率幾乎保持恆定(在液體表面上方5 cm處測量的)。風速在3~13 m/s時，交換速率迅速增加。

4、季節的影響：

進入或逸出海洋表層氣體的體積隨季節性的變化是相當大的。Redfield (1948)曾估計，在秋季和冬季平均約有30×10⁴cm3O₂進入美國緬因灣的海洋表層，在春季和夏季卻以相應的體積從海洋表面逸出．其中大約2/5是光合作用產生的氧，其餘的是由於在温暖的水中氧的溶解度降低而逸出的。

通過科學觀測研究，科學家們逐漸認識到了兩點。第一，要研究海洋對於氣候影響的物理過程，必須觀測研究海洋與大氣之間的熱力、動力和水汽、二氧化碳等交換過程，説明風吹流，太平洋熱力的發展邊界層，為建立有效的海洋一大氣禍合模式提供重要參數；第二，西太平洋熱帶海域的高温區(也是全世界海温最高區)—“暖池”—是海洋一大氣交換的關鍵區域，觀測研究該區的海洋一大氣交換過程對不同尺度天氣系統的影響，必將有助於月、季和年以上的長期預報。 ^[3] 

人類進入工業化以來，大氣中的CO₂大約從1860年的295ppm增加到1983年的343ppm，估計到2000年，CO₂的含量會達到375ppm。CO₂能吸收和發出長波輻射，大氣中CO₂的增加會提高對太陽射入輻射和地球射出輻射的吸收，使能量平衡發生變化，從而提高大氣柱中顯熱的平均值，海洋對大氣中CO₂的吸收是通過CO₂和海水中的CO₃^-反應，形成HCO₃^-。大洋斜温層以上的CO₃^-含量足以和大氣中1/6的CO₂反應。但是，這種化學交換是有賴於海水的pH值和温度，即只有在pH≥8的海水才會真正發生這種反應。實際上，海洋吸收CO₂的速度是十分緩慢的，以數千年來計算，因此，消耗燃料的直接效果是使大氣中的CO₂含量不斷增加。當地球温度升高時，兩種反饋機制也參與作用。

第一，當海水温度升高時，更多的CO₂釋放回大氣圈，有助於加速温度升高，第二，較高的温度會增強水的蒸發，使大氣圈中水汽含量升高，從而增加雲量和地球反射率，隨着較多的太陽輻射返回宇宙空間，氣温就會降低。這兩種機制伴隨產生，作用相互抵消，要觀測其能量收支情況，是很困難的。據估計，在大氣和海洋微表層間的CO₂年平衡交換量達330 x 10¹⁵g，説明海氣系統確實存在重要的中CO₂交換。關鍵是如何計算大氣中CO₂進入海洋的淨通量。Liss指出，CO₂在海氣界面上的傳輸，主要是由液相過程控制的，因此可根據表面水中CO₂的飽和濃度對大氣中的CO₂含量，計算CO₂在海氣交換中的淨通量。但是，Keelin指出，CO₂在海洋微表層水中的飽和狀態是依時間和地理位置而變化的，因此，CO₂的交換淨通量計算只能通過不同海區關於大氣進入海洋CO₂通量和海洋進入大氣CO₂通量的調查資料來獲得。近年來，有些研究者利用天然的¹⁴C和核爆炸產生的¹⁴C在海洋和大氣中的分佈來計算海洋從大氣中吸收的CO₂淨通量。二氧化碳從大氣進入海洋的全球平均傳輸速度為20cm/h，每年約有6x10¹⁵g的人為CO₂進入海洋。

SO₂在大氣中氧化生成H₂SO₄、(NH₄) ₂S0₄和有機硫化物。SO₂的主要影響是形成酸雨，破壞植物和環境‘SO:及其次生污染物在風系作用下，經長距離大氣傳輸，進入海洋。有學者研究了百慕大羣島上空的氣溶膠，發現SO4^-總量中的60%是由北美經長距離傳輸，進入百慕大羣島上空的。Darzi在太平洋的冒納羅亞大氣觀察站，發現氣溶膠中SO₂的濃度與亞洲塵土對該地區的遠距離傳輸量有着顯著的相關性。Liss計算得出每年有1. 5 x 10¹⁴g的SO₂從大氣轉入海洋，這個數字是基於海洋上空SO₂的濃度為3mg/m³，而得出的。最近Meszaros和Ocke:mann進一步現場觀測了大氣中的SO4濃度，發現海洋上空SO₂的本底濃度為0.1-0.2ug/m³，而污染嚴重的北半球10°N-60°N海洋上空，SO₂濃度高達3ug/m³，得出每年從大氣進入海洋的SO₂為5x10¹²g。引起酸雨的另一類化合物N0₃-N，也是人們發關心的。NO₃-N在大氣中的顯著增加是由於各種工業、高温發動機的石油動力發電站大量放出NOx。這類化合物主要有NO₂, N₂O, NO和NH₃，它們在大氣中被氧化為HNO₃。酸雨已成為眾所關心的世界性公害問題，海氣交換在全球大氣酸化過程中起什麼作用，需要進一步深入調查研究。

海洋大氣中的金屬元素，基本上是以氣溶膠的形式存在的。其來源有三個：

(1)海洋來源，主要由於海水中氣泡在海面的破裂而向大氣噴射，形成大氣中的海鹽，估計每年大約有1x10¹⁶克的這種海鹽從海洋輸入大氣。

(2)地殼岩石風化，在風系作用下，經長距離傳輸進入海洋。據估計，每年約500 x10⁶噸的沙漠塵土進入大氣圈，亞州沙漠塵土每年輸入北太平洋中部地區，高達6-12百萬噸。

( 3)污染來源，主要來自化石燃料嫩燒，廢渣的化灰，水泥廠，冶煉廠，露天礦的開採，汽油中的四乙基鉛等。

重金屬元素，尤其是Hg, Pb產生甲基化而在海洋生物體中富集，經食物鏈傳遞，進入人體。因此，對海氣交換中不同金屬元素的存在形式及其來源的判別，以及傳輸通最，是重金屬海洋大氣地球化學研究的重要課題。每年不同來源輸入大氣中的金屬通量，這些大氣中存在的重金屬元素將在海氣交換中起重要作用。

大多數原油及燃料油中，烴約佔75%以上。石油烴類廣泛地分佈在海洋中，尤其是北半球及南半球的油船通道。海面形成的油膜，會對海洋破碎波，波花起衰減作用，並改變海洋中爆裂氣泡的數量和大小分佈，從而影響海氣物質交換和能量交換。石油烴在海洋和大氣的循環過程為，小分子量的石油烴類從海洋進入大氣，其中一些不穩定的烴類在大氣中，進行氣體一顆粒轉化，而後這些顆粒由重力作用和雨水掃除而回到海洋，據估計，海洋中存在的石油污染物約10%是通過大氣輸入的。有關石油烴的海氣交換過程研究僅僅是開始，海上溢油的風化，遷移擴散及形成油膜對海氣交換影響。

核爆炸試驗將大盆微粒釋放到大氣圈中，其中有許多能夠隨大氣環流運行幾千公里的放射性物質。因為其中有些污染物是離子幅射的來源，所以它們屬於特別危險的一類污染物。對¹⁶⁷Cs和⁹⁰Sr已進行了大量研究，它們在大氣、海洋以及沉積物的遷移過程已有大量報導。最近，對於毒性較大的放射性元素鎇，由於它的致癌作用，也引起人們的關注。核爆炸產生的放射性同位素研究，在海氣交換中尤顯其重要，它們被用來作為海氣交換中物質不同來源的示蹤物，和用來測定物質在海氣界面傳輸速率。

早已發現大氣中存在着微生物。最近，發現細菌和病原菌能夠通過氣泡而在海水微表層富集，業通過氣泡爆裂和浪花作用，輸入大氣，並在大氣中傳輸。某些微生物，能附着在大氣微粒表面，而進行更長距離的全球傳輸海氣界面層是大量微生物富集的活躍層。它們對界面的影響有:(1)排泄物質，形成膜而改變海氣交換界面性質，(2)釋放物質進入大氣，(3)對物質產生生物富集效應，(4)直接攝取大氣中的有害物質，(5)富集在微表層的微生物。由於氣泡在微表層的爆裂而被帶入大氣中，爾後在風系作用下傳播到陸地。

海氣交換是通過海水微表層進行的。微表層的物理和化學性質直接影響海氣交換速率。大洋的微表層厚度一般在幾個到幾十個微米之間，主要是由天然或人為餚機物膜形成的。影響海氣界面物理和化學性質的人為污染有機物有三個來源。

(1)洗滌劑，但它在海水中由於生物一降解作用，殘存的時間較短，對海氣界面特別是大洋海氣界面的影響不大；

(2)都市廢物和污水中的有機物，這類有物機會影響微表層的表面張力。Blanchard在海上傾廢場周圍海域發現親油的有機污染物富集在微表層，業在大氣中測出；

(3)石油烴及其衍生物，這種油膜不但影響物質的海氣交換，而且影響電磁波的輻射，溶解其它親油物質如鹵代烴等。

海氣交換微表層研究，主要困難是至今未獲得一種理想的微表層採樣器。雖然現有的採樣方法很多，但所截取的表層厚度依方法不同而異，數據也無法比較。看來，發展一種真正能切取海氣微層的取樣器是海氣交換微表層研究取得進展的關鍵。 ^[2] 

下表表示整層海洋一大氣柱之間的熱量、動量與物質交換觀測系統。

自動雨強測量系統也稱紅外測雨器，它是解決海面觀測的重要手段，據此，海上凝結潛熱即可得到;當海上蒸發量的觀測精度提高後，海一氣界面上的潛熱交換也可進一步測準，它可與超聲測風，濕度脈動儀得到的潛熱交換相互比較、校準。

有了海表上下的測風和測流資料，再與温度、濕度、鹽度等資料結合，參照太陽輻射平衡系統觀測資料，整層海一氣柱的各種交換即可得到。此外，利用繫留氣艇探測系統與UHF風廓線系統取得的資料，也可研究海氣邊界層結構和各種特徵。 ^[3] 

北冰洋大部分被固定冰蓋和浮冰覆蓋着。海冰有兩大物理特性:一是熱的不良導體,隔離了海洋和大氣之間的熱交換, 冬天極夜期, 海洋比大氣温暖得多, 但不能向大氣輸送熱量;二是冰雪面的反照率高, 夏季極晝期海冰把大量太陽短波輻射返回太空, 使海洋無法吸收到太陽的能量儲存起來。這是造成北極寒冷的重要原因。在浮冰區和冰外緣帶區, 是冰水相間的區域, 可以通過冰縫的水域自由地進行海氣交換。冬季冰蓋隔離了海洋向大氣輸送熱量, 夏季冰蓋破碎成為冰水相間的浮冰區, 海洋的熱量就會穿過冰縫向大氣輸送, 極晝期又有充足的太陽輻射能被海水吸收, 使海氣熱交換活躍起來, 因此成為對氣候影響的敏感區。海冰的分佈、冰厚、冰表面的狀態都對海氣交換有影響, 使下墊面的物理特性複雜化, 海氣交換產生的大氣現象, 特別是北冰洋的海霧也隨之複雜化。因此, 研究海冰在海氣交換中的作用是非常必要的。

（1）海冰的狀態及其複雜性對海氣交換影響很大。在穩定大氣狀態下的浮冰區和固定冰蓋上, 海洋以潛熱的形式向大氣輸送熱量, 大氣以感熱的形式向冰雪面輸送熱量;在不穩定的大氣狀態下的浮冰區, 海洋以感熱和潛熱的形式向大氣輸送熱量, 容易形成蒸汽霧, 表現出強烈的海氣熱交換的狀態。

（2）由於海冰的存在和狀態的複雜化, 使海氣熱交換複雜化, 產生的大氣現象複雜化。北冰洋的海霧就是典型的產物。北冰洋夏季的海霧有平流霧、蒸汽霧和輻射霧, 具備了陸地和海洋各種類型霧的生成條件。

（3）夏季北冰洋是冰洋相間的狀態, 具有生成平流霧的條件, 是北冰洋和白令海共有的海霧, 其特點是持續時間長, 範圍大, 與日變化關係不大, 對航海和航空影響大。生成的原因是暖濕空氣流經冷的洋麪或冰面上形成的。在白令海有廣闊的來自太平洋的暖濕空氣輸送到冷的洋麪上, 其霧日持續的時間、範圍和濃度都比北冰洋平流霧的優越。

（4）蒸汽霧是在浮冰區生成的海霧, 其特點是來得快, 消失得快, 像是從腳底下冒出來的蒸汽而不是像平流霧是從遠出飄來的。生成的必要條件是在浮冰區、冰間湖, 海温高於氣温, 水蒸氣從冰縫裏冒出來。受日變化影響較大, 當太陽出來, 氣温升到比海温高時, 海霧不再生成, 而逐漸消失。當蒸汽霧被風吹到寒冷的冰蓋上, 就轉化為平流霧, 冰蓋上若有逆温層存在, 則轉化成的平流霧會維持很久。蒸汽霧是海洋向大氣輸送熱量最強烈的一種表現, 是在浮冰區和冰間湖上常見的現象。

（5）輻射霧是在大的浮冰塊或固定冰蓋上由於輻射冷卻而形成的霧。輻射霧生成的必要條件是冰蓋上有逆温層存在的穩定大氣狀態下, 輻射冷卻使海霧形成。與日變化關係不大。因為冰蓋對太陽輻射的反照率很高, 一般在45 %～ 60 %, 最高達80 %以上。也就是説, 太陽輻射很少能被冰雪蓋吸收, 不容易使冰蓋升温破壞穩定層結, 不容易使海霧消失或抬升。 ^[4]