近日，一項發表于《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律，為高精度海洋碳通量估算提供了全新數據支持。

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：高生產力區、低生產力區和近岸上升流區。此次任務持續 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采樣，為這一時期沿海碳動態提供了見解。底層圖是 2022 年 4 月 6 日的葉綠素 -a 衛星圖像（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）和一個總溶解氣體壓力（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1

▍ 高精度傳感器：穩定可靠，數據可信

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

▍ 雙深度同步觀測：揭示傳統方法誤差

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，首次實現雙深度pCO?同步實時監測。結果顯示，傳統走航式測量系統因采樣深度較大，系統性地低估表層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據的時間序列展示。虛線紅框表示區域轉換的時間點。時間序列圖底部箭頭的顏色表示數據所屬的區域。

(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 數據中的空白是由于傳感器在部署期間或遠程關閉時進行零點校準所致。淺灰色數據集表示根據測量的 pH 值和其他狀態變量計算得出的 pCO2 值。

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

(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據，以及每個區域的平均衛星衍生葉綠素 a 濃度。

(D) 溫度 - 鹽度圖，按測量區域進行顏色編碼。

(e) 帶有顏色編碼區域的任務路徑。

小結2

▍ 日變化信號捕捉：展現生物活動影響

數據清晰顯示出日間pCO?異常峰值，尤其在春季藻華期間，日變化幅度超過50 μatm。這一現象與生物活動、光合呼吸周期密切相關，傳統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監測的重要性。

上圖為（A - C）三個不同區域的每日二氧化碳濃度變化疊加圖。(D - F）三個區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。每個區域中的深紫色線條是所有每日周期的平均值，陰影區域再次表示不確定性。

小結3

▍ 溫度校正再評估：推動通量模型優化

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

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

將分組的 pCO2 值的對數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。藍色圓形數據點來自浮標 pCO2 數據集，紅色菱形數據點來自海底 pCO2 數據集。綠色正方形數據點代表在高生產力區域應用了生物修正后的浮標數據集。

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

（B）應用硝酸鹽衍生生物修正后的浮標數據集的溫度依賴曲線。現在的斜率為正，擬合質量與之前類似。

（C）低生產力區域的溫度依賴曲線。

（D）近岸上升流區域的溫度依賴曲線。

結語：邁向更高精度的海洋碳監測

本研究不僅驗證了Pro-Oceanus傳感器在高動態海洋環境中的穩定性和可靠性，也為未來構建更高時空分辨率的海洋碳監測網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鍵技術力量。

Pro-Oceanus CO2-ProCV傳感器特寫

相關論文：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