区域海洋生物地球化学建模在预测海洋二氧化碳去除效果方面的挑战

《Frontiers in Climate》：Regional ocean biogeochemical modeling challenges for predicting the effectiveness of marine carbon dioxide removal

海洋二氧化碳去除（mCDR）技术需依赖高精度的海洋生物地球化学模型进行监测、报告与核查（MRV），但现有模型存在多个关键局限性。摘要：当前模型在模拟mCDR碳封存效率、持久性及泄漏风险时存在不足，需优化参数化、采用模块化设计增强区域适应性，并通过多区域验证提升预测可靠性，同时需解决数值噪声与碳排放反馈问题。

　　海洋碳去除（mCDR）技术是应对地球气候危机的重要工具之一，这些技术旨在通过增强海洋自然碳循环过程或直接从海水中捕获二氧化碳，从而减少大气中的温室气体含量。然而，实现这些技术的大规模部署需要对海洋生物地球化学模型进行深入研究和改进，以便准确模拟海洋碳汇的效率、碳的长期储存能力以及潜在的生态和地球系统反馈。本文探讨了当前海洋模型在mCDR应用中的局限性，并提出了通过模块化方法和区域化测试来优化模型的策略，以支持未来海洋碳去除的科学评估与实践。

### 海洋生物地球化学模型的重要性

海洋生物地球化学模型在评估mCDR技术的潜力方面发挥着关键作用。这些模型能够模拟海洋中各种碳循环过程，包括无机碳的吸收与释放、有机碳的分解与沉积、以及生物和非生物过程对碳储存的影响。然而，现有的模型虽然能够描述基本的海洋过程，但在模拟mCDR相关的碳汇变化时仍存在诸多不足。例如，许多模型对海洋碳循环的复杂性、微生境的动态变化、以及生物与非生物过程之间的相互作用缺乏足够的细节。这些模型往往基于简化假设，无法充分反映实际的环境变化对碳循环的影响，尤其是在极端条件下。

在mCDR技术的背景下，模型需要能够准确预测碳的持久性（durability）和泄漏（leakage）情况。持久性指的是碳在海洋中储存的时间长度，而泄漏则指碳在储存过程中重新释放到大气中的可能性。这两者对mCDR技术的评估至关重要，因为它们决定了碳去除的实际效果和环境影响。然而，当前模型在这些方面的表现仍然有限，特别是在模拟生物碳泵（biological pump）和碳酸盐系统（carbonate system）的复杂动态时。

### 生物碳泵的模拟挑战

生物碳泵是指海洋中通过浮游植物、浮游动物和微生物等生物过程，将二氧化碳从表层海水输送到深海甚至沉积物中的机制。在这一过程中，颗粒有机碳（POC）和溶解有机碳（DOC）的转化和沉降是关键环节。然而，现有的海洋模型在模拟这些过程时存在多个问题。首先，模型通常采用简化的参数化方法，如Martin曲线，用于估算POC沉降和再矿化之间的关系，但这种方法忽略了沉降过程对碳分解速率的影响。例如，沉降过程中颗粒物的破碎和分解可能加速有机碳的矿化，从而降低其持久性。

其次，模型对浮游动物摄食、微生物分解和有机物再矿化的机制缺乏足够的分辨率。这些过程对碳的储存和释放具有决定性作用，尤其是在生物碳泵增强的场景下。例如，较大的浮游动物可能比较小的个体更有效地将碳从表层输送到深海，但现有模型难以捕捉这种差异。此外，模型通常忽略有机物的化学反应性和不同环境条件下的变化，这使得预测碳的再矿化速率和路径变得困难。

### 无机碳储存的模拟挑战

无机碳储存（如通过海洋碱度增强，OAE）依赖于海洋碳酸盐系统的化学反应，而这一系统在当前模型中的表现同样存在局限。尽管海洋碳酸盐系统的热力学性质已被广泛研究，但模型在模拟碱度添加后的系统响应时仍面临挑战。例如，模型需要准确捕捉碱度对pH和DIC浓度的影响，以及这些变化如何影响碳的长期储存。然而，当前模型在处理高碱度条件下的碳酸盐系统行为时，可能无法准确预测矿化过程或二次沉淀的发生。

此外，模型对气-海交换（air-sea gas exchange）的模拟也存在不足。气-海交换速率受风速、水体浓度梯度以及化学增强效应（如CO?与水和氢氧根离子的反应）的影响，而这些因素在现有模型中往往被简化处理。例如，在低风速条件下，化学增强效应可能对气-海交换产生显著影响，但目前的模型未能充分考虑这一点。这可能导致对碳去除效率的低估或高估，影响对mCDR技术的科学评估。

### 区域化与模块化模型改进

为了克服上述挑战，本文建议采用区域化和模块化的模型改进策略。区域化模型能够更精确地模拟特定海域的碳循环过程，包括海洋动力学、生物地球化学和化学反应。然而，区域化模型的计算成本较高，需要更高的空间分辨率和更复杂的参数化方法。为此，研究者们提出了模块化模型的概念，即通过耦合不同模块（如生物地球化学、气-海交换、沉积物反应等）来增强模型的灵活性和适用性。

模块化模型的一个重要优势是，它允许研究者根据不同的mCDR技术需求选择特定的模块进行模拟。例如，在研究OAE时，可以引入专门的模块来模拟碳酸盐系统的动态变化，而不需要对整个模型进行大规模修改。这种模块化方法不仅提高了模型的可扩展性，还促进了不同研究团队之间的合作，因为他们可以共享和优化模块，从而减少重复劳动和资源浪费。

### 区域测试的重要性

为了验证和优化这些模块，研究者们建议在不同区域进行广泛的测试。例如，太平洋西北海岸、切萨皮克湾和阿拉斯加湾等区域具有独特的海洋环境和碳循环特征，可以作为测试mCDR技术的理想场所。这些区域的碳酸盐系统、水流动力学、沉积物特性以及生物群落多样性各不相同，为研究不同mCDR技术的适用性和效果提供了丰富的数据来源。

在太平洋西北海岸，强烈的上升流带来了丰富的营养物质，支持了高生产力的海洋生态系统。然而，这种高生产力也带来了高碳酸盐浓度和高气-海交换速率，使得该区域成为研究OAE效果的理想场所。切萨皮克湾则是一个受陆地输入影响较大的区域，其碳酸盐浓度和气-海交换速率的变化更为复杂，能够帮助研究者更好地理解碱度添加对不同环境条件的影响。阿拉斯加湾则展示了不同水流动力学对碳储存的影响，特别是在极地和亚极地海域中，该区域的低碳酸盐浓度和弱循环动力学可能有助于减少二次沉淀的风险。

### 模型改进的未来方向

随着mCDR技术的发展，模型需要具备更高的分辨率和更复杂的参数化方法。例如，使用高分辨率的计算资源（如GPU加速）可以提高模型的运行效率，使其能够在更短的时间内模拟复杂的碳循环过程。此外，模型还需要能够整合不同尺度的数据，从局部到全球，以支持大规模的碳去除部署和评估。

在模型改进的过程中，还需要考虑计算资源的可持续性。随着mCDR技术的广泛应用，模型的运行成本和能源消耗可能变得非常显著。因此，推动模型使用可再生能源和优化计算流程，是实现可持续碳去除的重要策略。此外，研究者们还建议开发基于人工智能和机器学习的预测工具，以提高模型对气-海交换、海洋碳循环和生态系统反馈的模拟能力。

### 科学与社会的协同作用

除了技术层面的模型改进，还需要加强科学与社会的协同作用。mCDR技术的实施不仅依赖于科学模型的准确性，还需要社会层面的支持和参与。例如，建立有效的监测、报告和验证（MRV）框架，是确保碳去除技术有效性和透明度的关键。同时，公众和政策制定者的参与对于推动mCDR技术的广泛应用和长期发展也至关重要。

综上所述，海洋生物地球化学模型在mCDR技术的应用中扮演着不可或缺的角色。通过区域化测试、模块化改进和跨学科合作，可以逐步克服现有模型的局限性，提高其在碳去除评估中的准确性和可靠性。这不仅有助于推动mCDR技术的科学验证，也为实现全球气候目标提供了坚实的理论基础和技术支持。