高频浮标观测揭示了采样尺度的不确定性以及大亚热带珠江河口（中国）中由特定事件驱动的二氧化碳排放现象

《Progress in Oceanography》：High-frequency buoy observations reveal sampling-scale uncertainty and event-driven CO 2 outgassing in the large subtropical Pearl River Estuary (China)

　　

摘要

河口区域的空气-海水中二氧化碳（CO₂）交换量变化很大，但由于大多数观测数据基于离散样本，其时间代表性仍不明确。本研究利用两年高频浮标观测数据（10分钟分辨率），分析了珠江口主要河道附近的表层水

CO₂浓度及空气-海水中二氧化碳通量。表层水中的

CO₂浓度范围为142至2958微大气压（μatm），平均值为673±346 μatm，显示出显著的季节性和事件性变化。在整个观测期间，该浮标站一直是二氧化碳的净释放源，平均高频通量为22.63±38.20毫米摩尔每平方米每天（mmol?m^?2?d^?1），累计净空气-海水中二氧化碳通量为5.42毫米摩尔每平方米（mol?m^?2）。年度二氧化碳释放量分布极不均匀：春季和夏季占净释放量的66%，而最高10%的高频通量记录贡献了总正通量的34%。蒙特卡洛重采样结果表明，12小时的采样频率能够较好地再现高频参考平均值，99%的估计值误差在±10%范围内；而7小时和15小时的采样频率下，这一概率分别降至43%和38%。二氧化碳达平衡的中位时间约为9天，这为解释每周及更长时间间隔采样时不确定性增加提供了机制性解释。这些结果表明，高频浮标观测对于揭示事件驱动的二氧化碳排放以及评估动态河口环境中的采样不确定性至关重要。

引言

河口和沿海海域是陆地与海洋之间的关键界面，在这里陆地和海洋中的碳经历转化、储存、迁移或重新释放到大气中。尽管它们仅占全球海洋面积的一小部分，但这些环境对有机碳的处理、储存以及空气-海水中二氧化碳的交换起着重要作用（例如Borges和Abril, 2011; Regnier等人, 2013; Zhang等人, 2025）。由于强空间异质性和有限的观测覆盖范围，这些区域在区域和全球碳预算中仍存在重要的不确定性（Friedlingstein等人, 2026; Liu等人, 2024b）。因此，限制这些系统的二氧化碳交换对于评估陆地来源碳的归宿和沿海地区对海洋碳汇的贡献至关重要。

沿海海域的碳源汇行为并不均匀。大陆架和边缘海域可能通过生物固碳和碳酸盐系统缓冲作用吸收大气中的二氧化碳（CO₂），而受河流影响的河口和内陆沿海区域则常常因陆地碳输入和有机物再矿化作用而释放二氧化碳（Borges和Abril, 2011; Mathis等人, 2024）。这种平衡会随着河流-河口-大陆架梯度的变化以及淡水排放、停留时间、温度、代谢过程、混合作用和风力等因素而改变。对中国东海高度浑浊的海水进行的观测也显示，表层水中的

CO₂浓度和空气-海水中二氧化碳通量存在明显的季节性和空间变异性（Yang等人, 2025）。

珠江口是一个受季风作用、潮汐交换、富营养化和人类活动强烈影响的大型亚热带河口。由于其河流与海水混合、有机物分解、氧气消耗、生物生产和碳酸盐缓冲作用，该地区的二氧化碳系统和空气-海水中二氧化碳交换量变化显著（Cai等人, 2004; Guo等人, 2009; Zhai等人, 2005）。最新研究表明，淡水输入和氧气消耗在雨季会影响碳酸盐化学性质，而沿海地区的

CO₂浓度受温度、生物活动、分层、混合作用和水平输送等季节性因素的综合影响（Guo等人, 2025; Shi和Zhai, 2025）。然而，目前大多数估计数据仍基于船舶观测、季节性巡航或模型预测。

这些基于船舶和模型的方法提供了必要的空间覆盖，但无法完全解决固定地点的短期变化问题。在河口中，表层水中的

CO₂浓度和二氧化碳通量会在潮汐、昼夜、天气和事件尺度上快速变化。切萨皮克湾的高频连续测量显示了

CO₂浓度和二氧化碳通量的明显昼夜和季节性循环，并表明河口的碳源汇行为可能在短时间内发生变化（Miller等人, 2024）。在潮汐盐沼水中的高频测量表明，未解决的短期二氧化碳通量变化可能导致将通量外推到月度、季节性或年度尺度时产生较大误差（Song等人, 2023）。同样，在潮汐河口的高分辨率观测也显示了与潮汐和季节性因素相关的

CO₂浓度和二氧化碳通量的明显时间变性（Oliveira等人, 2018），河口混合研究还表明二氧化碳的源汇模式受碳酸盐热力学、气体交换、生态系统代谢和混合过程的共同调节（Cotovicz等人, 2020）。这些研究表明，高频变异性是河口碳循环的普遍特征。

自主传感器和固定式平台的使用越来越普遍，使得此类高频观测成为可能。多河口监测项目证明，自主

CO₂浓度和pH传感器能够在恶劣的河口环境下提供高分辨率的碳酸盐系统观测数据，并有助于区分自然变异和长期趋势（Rosentreter等人, 2017）。在东海大陆架，3小时自主浮标观测显示了表层水中的

CO₂浓度和pH值的显著季节性变化，凸显了时间序列平台在中国沿海水域的价值（Wu等人, 2021）。更广泛地说，固定的自主

CO₂系统已在开阔海域和沿海环境中生成了高频数据集，而全球基于浮标的观测网络现在为检测碳酸盐系统变化和新兴的人为趋势提供了重要依据（Sutton等人, 2019）。这些发展反映了向自主碳酸盐化学观测转变的趋势，这是未来海洋碳监测的必要组成部分（Bushinsky等人, 2019）。

采样频率对空气-海水中二氧化碳通量的估算至关重要，因为通量同时取决于

CO₂浓度的空气-水梯度和技术转移速度。表层水中的

CO₂浓度对潮汐、混合作用、代谢过程和淡水输入反应迅速，而气体转移速度则与风速呈非线性关系。因此，河口地区二氧化碳通量的估计易受碳酸盐系统输入、气体转移速度、时间采样和空间代表性的不确定性影响（Herrmann等人, 2020）。低频或不同时间的测量可能会影响月度、季节性和年度通量估计（Miller等人, 2024; Nickford等人, 2024; Song等人, 2023）。船舶观测和广泛的空间调查提供了关于河口梯度的宝贵信息，但在反映时间变化性和短暂事件方面能力有限（Chen等人, 2020）。尽管如此，代表河口地区二氧化碳交换所需的采样间隔仍不明确，可能取决于环境变异性和二氧化碳的平衡时间尺度。特别是，关于采样频率如何影响河口地区二氧化碳通量估计不确定性的定量评估仍缺乏。

本文提供了珠江口一个固定浮标站两年高频观测的数据（图1）。本研究的目标包括：（1）描述环境条件和表层水

CO₂浓度的高频变化；（2）考察不同季节和盐度条件下氧气消耗与过量溶解二氧化碳之间的关联；（3）量化空气-海水中二氧化碳通量并确定该站的年净源汇状态；（4）通过蒙特卡洛重采样和二氧化碳平衡时间尺度分析评估采样频率对通量估计的影响。因此，本研究评估了二氧化碳释放的规模和时间组织，以及这种低频采样策略在动态河口环境中的代表性。

章节摘录

研究区域和浮标部署

高频观测在中国珠江口的一个浮标站进行。浮标位于东经113.795°、北纬22.292°，处于珠江中游主河道附近，毗邻港珠澳大桥。该站受到珠江两大支流虎门和磨刀门出流的淡水影响，位于一个受河流排放和潮汐作用影响的动态混合区内。

环境条件

在珠江口浮标站进行的两年观测期间，环境变量表现出显著的时间变化（图2）。海表温度范围为16.2至32.2摄氏度（°C），平均值为26.22±4.15℃，夏季明显升温。气温变化范围为11.9至33.3℃（平均25.65±4.62℃），反映了当地气候的季节性影响。

盐度（SSS）的变化范围很大，从1.24到33.01。

评估高频观测的必要性

高频浮标记录表明，时间变异性是珠江口主河道站二氧化碳动态的核心特征。表层水中的

CO₂浓度和空气-海水中二氧化碳通量变化显著且呈右偏分布，短暂的高通量事件对平均二氧化碳排放贡献较大。从高频估计值到日均值的降低进一步表明，时间分辨率直接影响了对河口地区二氧化碳变化的表征。

结论与展望

在珠江口主河道站进行的两年高频浮标观测显示，表层水中的

CO₂浓度和空气-海水中二氧化碳通量存在显著的时间变化。观测期间的累计净空气-海水中二氧化碳通量为5.42毫米摩尔每平方米（mol?m^?2），表明该浮标站是观测期间的二氧化碳净释放源。然而，这种释放行为极不均匀：春季和夏季贡献了年度二氧化碳释放量的大部分，而冬季则相对较少。

CRediT作者贡献声明

江宇彤：撰写——原始稿件、可视化、软件开发、数据分析、正式分析、数据管理。孙翠枝：撰写——审阅与编辑、资源协调、项目管理、数据分析。李全龙：撰写——审阅与编辑、验证、软件开发、方法论研究。李翔：撰写——审阅与编辑、资源协调、项目管理、数据分析。龚凯生：撰写——审阅与编辑、方法论研究。孙国翠：撰写——审阅与编辑

利益冲突声明

作者声明没有已知的潜在财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。

致谢

本研究得到了国家重点研发计划（项目编号2025YFF0517402）和广东海洋科学与工程实验室（珠海）（项目SML2023SP206、SML2024SP020）的支持，这些项目属于海洋负碳排放（ONCE）计划的一部分。

江宇彤|孙翠枝|李全龙|李翔|龚凯生|孙国翠|谭毅俊|翟卫东

广东海洋科学与工程实验室（珠海），暨南大学海洋科学学院环境适应性国家重点实验室，中国珠海519082