2026年9月，自然资源部北海预报减灾中心（青岛）联合自然资源部第一海洋研究所海洋气候研究中心，由姜帆、于博、尚杰、马瑞迪、王晨旭、刘晓飞、高松、刘永志等科研人员组成的团队，在《Frontiers in Marine Science》海洋观测专栏发表研究：他们在渤海中部海域布放10 m大型观测浮标，搭载德国SubCtech公司OceanPack™锚系型自主pCO₂测量系统，连续运行16个月（2020年9月—2021年12月），获得了渤海中部首条3小时间隔的高频海表pCO₂时间序列。这是OceanPack在中国近海碳循环研究中一次极具代表性的应用，也直接服务于自然资源部近海碳源汇监测业务能力建设。
研究背景
渤海是典型的半封闭边缘海，受人类活动压力强烈，却是区域碳循环认知中的“盲区”。原因不在问题不重要，而在工具不够用：船基走航断面只能提供季节性快照，卫星遥感受云与反演精度限制，二者都无法捕捉风暴驱动的脉冲式过程与季节转换期的快速变化。
过去十年，渤海pCO₂研究沿三条路线推进：2011—2023年的重复碳酸盐体系调查修正了海盆尺度年收支，把渤海由“净源”重新划为极弱的年碳汇（约0.05 mol m-2 yr-1）；卫星月尺度产品显示2003—2019年存在由弱源向弱汇的十年际转变；GOCI小时级反演进一步揭示暖季源区与文石欠饱和共存。但无论哪条路线，时间分辨率都受限于“月—季”量级。
要突破这一瓶颈，必须在海上原位、长期、无人值守、高频地测量pCO₂。这正是锚系浮标型膜式平衡系统的用武之地。
研究过程
观测平台与仪器配置。 浮标布放于渤海中部120.084°E、39.034°N，水深约10 m处。核心测量单元为SubCtech OceanPack™自主pCO₂测量系统（SubCtech GmbH，德国），气体检测采用LI-COR LI-840x双波长非色散红外（NDIR）CO₂/H₂O分析仪：
- 水下平衡膜单元：外径Ø200 × 500 mm，POM壳体配铜镍合金防生物附着保护，下潜至约0.5 m深度；
- 大气进气模块：IP68防护，15 × 25 cm，安装于海面以上1.5 m；
- 系统在海水测量与大气测量之间按预设间隔自动切换，切换后至读数稳定的典型时间<1 min。
数据质量控制。 LI-840x量程0—3000 ppm CO₂，精度0.1% FS（环境浓度下约±3 ppm），分辨率0.01 ppm；采样率1 Hz，船载平均后按3小时存储。系统支持自动两点校准（零点气+跨度气），内置10 L校准气瓶（耐压6000 m）；部署前以经认证的CO₂标准气（200/400/600 ppm，±1%）完成工厂校准验证，部署期间按设定间隔自动执行零点/跨度检查，并在校准周期之间做线性漂移校正。原始数据再经三道过滤：剔除仪器自检报警记录（低流速、冷凝、膜完整性）、剔除超出7点滑动中值±3σ的尖峰、人工复核生物附着伪影。辅助观测还包括逐小时气压与约10 m高度风速湿度，以及ADCP海流剖面。
图1. 德国SubCtech公司 OceanPack™ BUOY 浮标式 pCO₂ 分析系统（顶部为膜平衡器与气路接口）
图2. 渤海中部季节平均海气CO₂通量与pCO₂变化主控因子的相对贡献（依据原文结果绘制）
实验结果
1. 渤海中部是一个“极弱年碳汇”，但季节间强烈反转。 16个月观测的pCO₂范围为250.2—602.1 µatm，年平均海气CO₂通量为−0.12 mmol m-2 d-1，即整体表现为弱碳汇。但季节平均值跨越“源—汇”两侧：秋季为源（+0.16），冬季为汇（−0.32），春季（−0.01）与夏季（−0.05）接近中性。
2. 温度与生物过程共同主导pCO₂变化。 逐步线性回归模型年尺度R² = 0.793（p < 0.001），各因子相对贡献依次为：海表温度（SST）27.69% > 叶绿素a 16.76% > 盐度 11.28% > 光合有效辐射 10.62% > 10 m风速 2.80%。季节分层回归揭示了控制机制的系统性转换：秋、夏季生物控制占优（R² = 0.922），冬季物理控制主导（R² = 0.787），而春季可预报性极低（R² 仅 0.318），提示存在垂向混合等未被测量的过程。
3. 风暴事件触发“两阶段”pCO₂响应。 团队针对8次独立风暴事件（10 m风速连续≥2天超过10 m/s）做合成分析，发现了船基月调查根本无法看到的机制：海表pCO₂呈明显V形——风峰当日（Day 0）由风暴前基准354.7 µatm降至最低333.7 µatm（溶解度泵效应），随后在第4天反弹至355.8 µatm，净增加22.1 µatm，同时伴随SST下降2.62 °C、盐度上升0.08 psu，与“风驱动垂向卷吸富碳次表层水”的假设一致。
图3. 8次风暴事件合成分析：海表pCO₂的两阶段V形响应（依据原文结果绘制）
4. pCO₂梯度是海气CO₂通量的根本驱动。 海气CO₂通量回归模型进一步确认，控制通量的核心变量是海水与大气之间的pCO₂差（ΔpCO₂），而非单纯的温度或生物量。
研究结论
该研究建立了渤海中部碳汇动力学的机制框架，其核心主张是：高频自主观测是捕捉事件尺度过程的必要条件——这些过程是传统船基调查与卫星反演无法获取的。若仅依赖月尺度断面，风暴引发的一次次脉冲将被系统性漏掉，年度碳收支也将随之失真。
对设备而言，这项研究的价值在于把OceanPack的应用场景从“走航”扩展到了“锚系”。在渤海冬季水温低至0.7 °C、夏季高达27.8 °C、盐度在27—33 psu之间剧烈波动的16个月里，系统依靠膜式平衡+自动两点校准+防生物附着设计+内置校准气瓶，在无人值守条件下持续输出合格的3小时级时间序列。这与中国近海碳监测“由航次走向定点、由间断走向连续”的方向高度契合——渤海之外，东海、黄海、南海及各大养殖海湾的碳源汇业务化监测，同样需要这样“装得上浮标、跑得住长期、校得准数据”的自主pCO₂测量系统。
德国SubCtech公司OceanPack系列可提供BUOY（锚系浮标）、RACE（竞赛帆船/走航）、CUBE（紧凑型）、RACK（机架式）与AUMS（自主水下多参数采样）等全谱系产品，支持CO₂/CH₄/H₂O（红外或激光型）与温盐、溶解氧、叶绿素、营养盐等传感器的灵活集成，具备自动校准、自动清洁与远程遥测能力，既可作为走航系统安装于科考船与机会船，也可作为锚系单元长期值守——是构建中国近海碳源汇高频观测网的适用技术方案。
参考文献
1. Jiang F, Yu B, Shang J, Ma R, Wang C, Liu Y, Liu X, Gao S (2026) High-frequency observations of the variations of pCO₂ in the Bohai Sea. Frontiers in Marine Science 13: 1883447. https://doi.org/10.3389/fmars.2026.1883447
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