编辑推荐：
为探究平流层臭氧恢复与气候变化对南大洋环流的影响，研究人员利用地球系统模型（UKESM1）量化 1950-2100 年消耗臭氧层物质（ODSs）和温室气体（GHGs）对南大洋 CO?汇的影响，发现 21 世纪其碳气候反馈减弱，对预测碳循环有重要意义。
在全球气候变暖的大背景下，南大洋作为重要的 CO?汇，对缓解气候变化起着关键作用。然而，其未来演变却因平流层臭氧恢复与气候变化对海洋环流的复杂影响而充满不确定性。过去的研究表明，南大洋碳汇存在年代际变化，且其对气候变化的响应可能产生正反馈，但反馈幅度和模型间差异较大。同时，关于过去南大洋碳汇变化的驱动因素，不同研究存在争议，有的认为与臭氧损耗导致的风力增强有关，有的归因于南半球环状模（SAM）的变化，或是区域自然碳循环的动力和热力响应的复杂相互作用。因此，明确消耗臭氧层物质（ODSs）和温室气体（GHGs）作为外部气候驱动因素对南大洋碳汇的影响，对于预测其强度和演变以及限制未来碳循环 - 气候反馈至关重要。
为解决上述问题，研究人员利用英国地球系统模型（UKESM1），结合一系列生物地球化学观测数据，开展了关于 ODSs 和 GHGs 对南大洋碳汇相对影响的研究。研究设计了三种规定 ODS 的情景（无臭氧损耗、臭氧损耗与恢复、臭氧损耗无恢复），并将每种 ODS 情景与两种 GHG 排放情景（SSP3-7.0 高排放和 SSP1-2.6 低排放）相结合，分析了 1950-2100 年期间臭氧和 GHG 对风速、海表温度（SST）、混合层深度（MLD）和经向翻转环流（MOC）等的影响，进而推断它们对南大洋表面碳浓度和碳气候反馈的相对影响。研究结果发表在《SCIENCE ADVANCES》上。
研究主要采用的关键技术方法包括：利用 UKESM1 模型进行模拟，该模型包含全球耦合的大气 - 海洋气候模型 HadGEM3-GC3，其大气部分为统一模型的全球大气 7.1 科学配置，海洋模型为欧洲海洋建模核心 3.6 版，碳循环由 MEDUSA 海洋生物地球化学模型表示；设计多组 ODS 和 GHG 排放情景进行对比模拟；通过线性趋势分析等方法量化臭氧和 GHG 对各物理场和碳汇的影响；结合观测约束的生物地球化学值和模型输出值进行分析。
变化的风场模式和主导驱动因素
研究发现，1950 年至 21 世纪末，50°S 以南地区各季节风速均呈增加趋势，1950-2000 年期间臭氧损耗是风速变化的主要原因，而 GHG 的影响在统计上不显著。21 世纪，风场趋势从臭氧主导转向 GHG 主导，GHG 对风速增加的贡献在 21 世纪初开始显现并稳步上升，高排放情景下的影响幅度更大。臭氧恢复会导致风速减速，而 GHG 增加对风速加速的影响取决于排放幅度。在低 GHG 排放情景下，风速在 21 世纪中叶开始减慢；在高 GHG 排放情景下，风速先因臭氧恢复与 GHG 效应抵消而趋于平稳，随后再次增加。
外部气候强迫对物理海洋特性的控制变化
SST 的演变主要遵循 GHG 情景，是相关辐射强迫的响应，高排放情景下的变暖幅度约为低排放情景的两倍。尽管 GHG 情景对 SST 起主导控制作用，但臭氧效应在夏季可见，1980-2000 年因臭氧损耗出现表面冷却。MLD 的变化由热力和淡水驱动的变浅与风力驱动的混合之间的平衡决定，20 世纪下半叶，MLD 因臭氧损耗驱动的风力增强和混合而加深，21 世纪则逐渐变浅，高排放情景下更明显。MOC 的强度因臭氧损耗和 GHG 强迫而增强，20 世纪末对翻转控制的影响以臭氧效应为主，21 世纪末则以 SSP 情景为主导。
对南大洋碳汇和碳气候反馈的影响
在高排放情景下，南大洋 CO?汇持续增长，而在低排放情景下，到 2100 年其汇强度降至 1980 年水平。1950-2000 年，臭氧驱动的 MLD 加深和 MOC 增强导致表面溶解无机碳（DIC）增加，部分被臭氧驱动的表面冷却和生物生产力效应抵消，此期间臭氧驱动效应占主导。21 世纪上半叶，随着臭氧恢复，臭氧效应逆转，GHG 驱动的表面变暖及相关 DIC 容量减少变得更加突出。21 世纪下半叶，臭氧相关效应可忽略，GHG 驱动的 SST 变暖对碳循环有显著影响，而 MLD 变浅和 MOC 增加对表面 DIC 的影响几乎抵消。总体而言，碳气候反馈从 20 世纪下半叶的臭氧强迫、环流驱动为主，转向 21 世纪下半叶的 GHG 强迫、温度 / 溶解度驱动为主，且反馈幅度相对于总 DIC 变化呈下降趋势。
研究表明，南大洋的碳气候反馈在本世纪呈减弱趋势。尽管量化海洋碳气候反馈的确切幅度仍有难度，且研究基于单一模型可能存在局限性，但结果表明，过去几十年的趋势不能用于预测未来南大洋对气候变化的响应，臭氧损耗驱动的风力变化在本世纪将大幅逆转，未来即使海洋环流发生较大变化，其对 CO?汇的影响也会因人为碳吸收导致的 DIC 垂直梯度减少以及 MLD 变浅和 MOC 增强的相互补偿而减弱。因此，南大洋在本世纪不太可能成为放大碳气候反馈的主要来源，这为减少模型差异和限制海洋碳循环预测提供了重要方向，应注重改进模型中平均海洋传输的表示，包括模式水形成、涡旋诱导传输、MOC 和冰缘深水形成等。该研究为理解南大洋碳汇的未来演变及其在全球碳循环中的作用提供了关键见解，有助于更准确地预测气候变化的发展趋势。
