海洋作为地球的重要碳汇，吸收了约26%的人类活动排放的CO2，对全球碳平衡与气候调控至关重要。但长期以来，海上大气CO2浓度的原位观测面临较多技术挑战，如船基观测受限于航程和航次，卫星受限于观测周期及气象条件，海上CO2浓度数据时空覆盖不足；且由于高精度仪器成本高昂，海洋高温、高湿、高盐和强风浪环境，实现海上大规模布网的难度较大，导致海上CO2浓度观测数据十分稀缺。
近日，复旦大学大气与海洋科学系姚波教授团队和王桂华教授团队及合作者在南海北部近岸海域搭建海气界面浮标观测平台，设计并部署了一个集成了3个SenseAir K30的CO2传感器，应用基于多元线性方程的环境校正算法提高传感器观测精度，成功实现对海上大气CO2的稳定连续观测——这是低成本传感器观测海上CO2浓度方法的首次提出与应用，为获取海洋大气CO2浓度并进一步评估海洋碳汇提供了全新技术方案和研究视角。
研究有效修正了温度、气压、湿度等气象环境参数对传感器观测数据的影响并校正了仪器零点漂移，显著提高了数据精度：陆地测试中的均方根误差从8.03 ppm降至3.64 ppm，海洋观测中的均方根误差从24.26 ppm降至1.59 ppm。这一精度水平满足了解析海表CO2浓度动态变化的要求，且传感器观测的高值与大气传输路径经过高排放区吻合：CO2浓度出现的明显波动峰值与陆源输送有关，该阶段浓度受人为排放影响显著；而当气团来自清洁海洋时，浓度稳定接近大气本底值，约3 ppm的海洋大气边界层CO2日变化信号被成功捕捉。传感器与浮标平台经受住了多次台风考验，展现出卓越的防水性能、机械强度以及在波浪条件下的稳定性，传感器在部署期间保持了近100%的运行可用性，回收后内部模块完好且无腐蚀迹象。这些结果证明了低成本传感器观测海上大气CO2浓度的数据可靠性，并具有远洋观测的潜力，能大幅降低海洋CO2观测成本，为数据稀缺的海洋区域提供了经济高效的观测手段。
图1 浮标搭载传感器观测海上大气CO2的初步应用。（a）海上观测点示意图。（b）海上观测现场图。（c）传感器、数采仪及百叶箱结构。
图2 陆地外场观测期间3个传感器模组CM1（a-c）、CM2（d-f）和CM3（g-h）与参考仪器Picarro的随温度（a、d、g）、气压（b、e、h）和湿度（c、f、j）变化图。
图3 传感器海上观测结果。（a）校正前（黄线）后（绿线）传感器 CO2小时滑动平均时间序列及MLO站点CO2日平均序列（红线），背景色浅红色和浅蓝色分别对应CO2波动段和稳定段。（b）温度（红线）和湿度（蓝线）时间序列。（c）校正前后CO2分布直方图及箱线图。
该研究由复旦大学大气与海洋科学系/大气科学研究院、中国科学院大气物理研究所、国家海洋环境预报中心、浙江省环境监测中心等单位合作完成，以“Deployment and evaluation of a low-cost sensor system for atmospheric CO2 monitoring on a sea–air interface buoy”为题发表于《Atmospheric Measurement Techniques》。我系硕士生刘佳璐为论文第一作者，姚波教授为共同通讯作者。
论文信息
Liu, J., Han, P., Ouyang, H., Zeng, N., Wang, Z., Wang, J., Fu, W., Lv, H., Lin, W., Xia, Z., and Yao, B.: Deployment and evaluation of a low-cost sensor system for atmospheric CO2 monitoring on a sea–air interface buoy, Atmos. Meas. Tech., 19, 2837–2854, https://doi.org/10.5194/amt-19-2837-2026, 2026.
