近日，一項發(fā)表于《Global Biogeochemical Cycles》的研究利用搭載雙套Pro-Oceanus CO2-ProCV傳感器的Wave Glider，在加拿大斯科舍大陸架成功捕捉到近表層海水pCO?的垂直梯度與日變化規(guī)律，為高精度海洋碳通量估算提供了全新數(shù)據(jù)支持。

上圖為2022 年春季加拿大東部海岸斯科蒂亞大陸架浮游植物大量繁殖期間“波浪滑翔機”任務的地理概覽和軌跡。

該任務路徑分為三個部分：高生產(chǎn)力區(qū)、低生產(chǎn)力區(qū)和近岸上升流區(qū)。此次任務持續(xù) 27 天，期間定期對 pH 值、二氧化碳分壓、溫度、電導率和深度進行系統(tǒng)采樣，為這一時期沿海碳動態(tài)提供了見解。底層圖是 2022 年 4 月 6 日的葉綠素 -a 衛(wèi)星圖像（https://view.eumetsat.int），等高線表示水深（單位：米）。

上圖為Wave Glider雙傳感器部署示意圖

（A）作為移動傳感器平臺設置的 Liquid Robotics 波浪滑翔機的渲染圖。浮體和潛體由 4 米長的系繩連接。

（B）浮體包含一個傳感器負載，其中包括一個 pH 傳感器（PyroScience）、一個二氧化碳分壓傳感器（Pro-Oceanus）和一個總?cè)芙鈿怏w壓力（TDGP）傳感器（Pro-Oceanus）。浮體本身配備了帶溶解氧的 CTD（GPCTD-DO）（Sea-Bird），以及測量風速、波高和大氣壓的氣象站。

（C）潛體部分配備了第二個二氧化碳分壓傳感器（Pro-Oceanus）、TDGP 和滑翔機負載 CTD（GPCTD）（Sea-Bird）

小結(jié)1

▍ 高精度傳感器：穩(wěn)定可靠，數(shù)據(jù)可信

本研究采用的CO2-ProCV傳感器，具備優(yōu)異的長期穩(wěn)定性。在為期27天的連續(xù)觀測中，傳感器表現(xiàn)出極低漂移（<1.5 ppm），并每6小時自動進行零點校準，確保數(shù)據(jù)真實可靠。其采用非分散紅外吸收技術(shù)，結(jié)合溫控光學氣室，有效避免冷凝干擾，適用于復雜海況下的長期監(jiān)測。

▍ 雙深度同步觀測：揭示傳統(tǒng)方法誤差

研究團隊在Wave Glider的“浮標”（表層）與“潛水器”（4米深度）同步安裝傳感器，首次實現(xiàn)雙深度pCO?同步實時監(jiān)測。結(jié)果顯示，傳統(tǒng)走航式測量系統(tǒng)因采樣深度較大，系統(tǒng)性地低估表層pCO? 1–10 μatm，導致碳通量估算誤差高達7%。

上圖為波浪滑翔機任務期間收集的原始數(shù)據(jù)的時間序列展示。虛線紅框表示區(qū)域轉(zhuǎn)換的時間點。時間序列圖底部箭頭的顏色表示數(shù)據(jù)所屬的區(qū)域。

(A) 利用兩個 Pro-CV pCO2 傳感器從水面和水下浮標獲取的 pCO2 測量值，以及使用 PyroScience pH 傳感器從水面浮標獲取的 pH 值。pCO2 數(shù)據(jù)中的空白是由于傳感器在部署期間或遠程關(guān)閉時進行零點校準所致。淺灰色數(shù)據(jù)集表示根據(jù)測量的 pH 值和其他狀態(tài)變量計算得出的 pCO2 值。

(B) 任務期間使用 Sea-Bird Scientific CTD 采集的鹽度和溫度數(shù)據(jù)。

(C) 附近配備 SUNA 硝酸鹽傳感器的 Slocum 滑翔機獲取的近表面硝酸鹽數(shù)據(jù)，以及每個區(qū)域的平均衛(wèi)星衍生葉綠素 a 濃度。

(D) 溫度 - 鹽度圖，按測量區(qū)域進行顏色編碼。

(e) 帶有顏色編碼區(qū)域的任務路徑。

小結(jié)2

▍ 日變化信號捕捉：展現(xiàn)生物活動影響

數(shù)據(jù)清晰顯示出日間pCO?異常峰值，尤其在春季藻華期間，日變化幅度超過50 μatm。這一現(xiàn)象與生物活動、光合呼吸周期密切相關(guān)，傳統(tǒng)低頻觀測難以捕捉此類高頻信號，進一步凸顯高分辨率連續(xù)監(jiān)測的重要性。

上圖為（A - C）三個不同區(qū)域的每日二氧化碳濃度變化疊加圖。(D - F）三個區(qū)域的每日平均溫度以及二氧化碳的非熱成分。

每條淺紫色線條代表在 24 小時內(nèi)表層（“浮游”）測量的二氧化碳濃度值與底層（“下層”）值之間的差值（ΔpCO2 = 浮游二氧化碳濃度值 - 下層二氧化碳濃度值）。每條線周圍的較淺陰影部分表示由于傳感器精度導致的不確定性。每個區(qū)域中的深紫色線條是所有每日周期的平均值，陰影區(qū)域再次表示不確定性。

小結(jié)3

▍ 溫度校正再評估：推動通量模型優(yōu)化

研究還發(fā)現(xiàn)，常用的Takahashi溫度校正系數(shù)（0.0423°C?1）在生物活躍區(qū)域適用性有限。通過雙傳感器數(shù)據(jù)對比，團隊提出需結(jié)合區(qū)域性生物與物理過程進行校正，為全球碳通量模型的優(yōu)化提供了實驗依據(jù)。

上圖為在三個區(qū)域進行的 pCO2 測量的溫度依賴性曲線。每個區(qū)域的數(shù)據(jù)都進行了分組，并在觀測到的最低溫度和最高溫度之間平均劃分成 100 個等距區(qū)間。

將分組的 pCO2 值的對數(shù)值與分組的溫度值進行繪制，并應用線性回歸分析。所有在與相應 pCO2 測量值相同的深度處進行了溫度測量。藍色圓形數(shù)據(jù)點來自浮標 pCO2 數(shù)據(jù)集，紅色菱形數(shù)據(jù)點來自海底 pCO2 數(shù)據(jù)集。綠色正方形數(shù)據(jù)點代表在高生產(chǎn)力區(qū)域應用了生物修正后的浮標數(shù)據(jù)集。

（A）在未應用硝酸鹽衍生生物修正之前，高生產(chǎn)力區(qū)域的溫度依賴曲線。浮標數(shù)據(jù)集的斜率均為負值，擬合質(zhì)量中等，而海底數(shù)據(jù)集的擬合質(zhì)量較差。

（B）應用硝酸鹽衍生生物修正后的浮標數(shù)據(jù)集的溫度依賴曲線。現(xiàn)在的斜率為正，擬合質(zhì)量與之前類似。

（C）低生產(chǎn)力區(qū)域的溫度依賴曲線。

（D）近岸上升流區(qū)域的溫度依賴曲線。

結(jié)語：邁向更高精度的海洋碳監(jiān)測

本研究不僅驗證了Pro-Oceanus傳感器在高動態(tài)海洋環(huán)境中的穩(wěn)定性和可靠性，也為未來構(gòu)建更高時空分辨率的海洋碳監(jiān)測網(wǎng)絡提供了設備與方法支持。搭載該類傳感器的自主觀測平臺，將成為提升全球碳通量估算精度的關(guān)鍵技術(shù)力量。

Pro-Oceanus CO2-ProCV傳感器特寫

相關(guān)論文：Morgan et al. (2025). Wave glider-based measurements and corrections of near-surface pCO? gradients in the coastal ocean. Global Biogeochemical Cycles.
設備支持：Pro-Oceanus CO2-ProCV pCO?傳感器；TDGP傳感器 | Sea-Bird CTD | PyroScience pH傳感器