中尺度涡旋通过非对称碳泵效应增强海洋CO2 吸收的机制研究

本研究针对海洋中尺度涡旋对CO2 通量(FCO2 )调控机制不明确的问题，通过机器学习重构数千个涡旋生命周期数据，发现反气旋涡通过溶解无机碳(DIC)下泵作用显著增强CO2 吸收(黑潮延伸体+9.98%，湾流+13.82%)，揭示了当前海洋碳汇评估因忽略涡旋效应导致的系统性低估，为全球碳预算核算提供新视角。

　　

海洋作为地球最大的碳汇，每年吸收约26%的人为CO₂
排放，但其碳汇能力的精确估算仍存在显著不确定性。其中，水平尺度约100公里的中尺度涡旋占据了海洋动能90%的份额，却因其复杂动态过程未被充分纳入现有评估体系。更关键的是，传统理论认为反气旋涡（暖核）会因增温削弱CO₂
吸收，而气旋涡（冷核）则增强吸收，二者效应应相互抵消。但零星观测显示，涡旋对碳通量的影响可能呈现非对称模式，这种矛盾亟待系统验证。

针对这一科学难题，中国的研究团队在《SCIENCE ADVANCES》发表重要成果。他们创新性地结合卫星遥感和现场观测数据，利用前馈神经网络(FNN)重构了2002-2021年间黑潮延伸体(KE)和湾流(GS)区域1326个中尺度涡旋的完整生命周期数据，首次量化了涡旋对海洋碳汇的净影响。研究发现，反气旋涡平均增强CO₂
吸收15.16%，而气旋涡仅减少5.67%，形成显著非对称效应。这种不平衡使得KE和GS区域碳汇分别增加9.98±2.28%和13.82±9.94%，相当于每年额外吸收28.34±9.41 Tg碳，经济价值超500亿欧元。

研究主要采用三项关键技术：1）基于AVISO涡旋轨迹数据集筛选生命周期≥12周的涡旋；2）利用FNN模型融合海表pCO₂
观测与多源卫星数据（叶绿素a、SST等）重构涡旋区碳通量；3）通过泰勒分解量化物理-生物化学因子对FCO₂
异常的贡献。

主要发现
Net enhanced uptake of atmospheric CO₂

通过分析596个反气旋涡和730个气旋涡发现：反气旋涡平均FCO₂
达-33.77±1.90 g C m^-2
year^-1
，比气旋涡(-23.47±1.25)高40%。相对于背景环境，反气旋涡提升碳汇15.16%，而气旋涡仅降低5.67%，导致KE和GS区域净碳汇分别增加9.98%和13.82%。

Mechanism for the enhanced uptake
涡旋引起的FCO₂
异常与混合层深度(MLD)呈显著负相关。泰勒分解显示，盐度标准化DIC(sDIC)贡献率达62%，远高于温度(23%)和叶绿素a(8%)。反气旋涡通过下泵作用将低DIC水体输送至深层，形成表层DIC亏损促进CO₂
吸收；而气旋涡上涌的高DIC水体虽抑制吸收，但被增强的生物活动部分抵消，导致非对称效应。

讨论与意义
该研究颠覆了传统涡旋对称影响理论，揭示DIC垂向输运是调控碳通量的核心机制。在全球涡旋活动增强背景下，当前忽略中尺度过程的碳汇评估可能低估约233 Tg C/year（占全球海洋碳汇不确定性的60%）。研究强调在涡旋活跃区（如南大洋）加强观测的重要性，并为地球系统模型改进涡旋参数化方案提供实证基础。值得注意的是，涡旋对碳汇的增强效应可能随气候变化进一步放大，这对实现《巴黎协定》温控目标具有潜在重要影响。