南大洋淡化延缓气候变化下深海CO2释放：层化作用对碳汇的暂时缓冲机制

《Nature Climate Change》：Southern Ocean freshening stalls deep ocean CO2 release in a changing climate

本研究针对模型预测与观测中南大洋碳汇演变的分歧，通过环南极水文与碳酸盐化学剖面分析，揭示表层淡化增强层化作用，抑制富碳深层水上涌，延缓CO2释放。结果表明，1990年代以来上层绕极深水（uCDW）抬升约40米，但淡化驱动的层化加剧使其未能抵达海表，暂时维持碳汇强度。该机制为理解碳循环对气候反馈提供新视角，发表于《Nature Climate Change》。

　　

南极洲环绕的南大洋被誉为地球的“碳汇引擎”，每年吸收约40%人类活动释放的二氧化碳（CO₂），显著减缓全球变暖。然而，气候模型预测与实地观测长期存在矛盾：模型显示，随着西风增强推动富含CO₂的深层水（如绕极深水，uCDW）上涌，碳汇能力应减弱；但近几十年数据显示，南大洋碳汇反而增强。这一谜题成为气候科学界的焦点。

为解开矛盾，Lea Olivier与F. Alexander Haumann团队分析了环南极七条重复水文剖面的碳酸盐化学数据（1990s至2019年），发现表层淡化引发的层化作用如同“隐形屏障”，阻止深层碳抵达海表。与此同时，上层绕极深水（uCDW）悄然抬升，替代了部分冬季水（Winter Water, WW），在100-200米深处形成CO₂富集区。这一发现不仅解释了碳汇暂未衰退的原因，也警示未来层化减弱可能触发CO₂爆发式释放。

关键技术方法

研究基于全球海洋数据分析计划（GLODAP）数据库的环南极重复剖面数据（1972-2021年），通过水团识别（温度-盐度定义uCDW与WW）、保守示踪剂总碱度（TA）反推循环驱动溶解无机碳（DIC_m），并利用CO₂SYS计算CO₂逸度（fCO₂），剥离人为CO₂与生物活动影响，专注海洋动力过程。

环南极次表层fCO₂上升

分析显示，1990年代以来，所有剖面100-200米层fCO₂平均上升10.0 μatm（范围2.4-17.0 μatm），最高达480 μatm，远超当前大气水平（420 μatm）。

异常信号集中于深层-表层水界面（D_ref）附近（70-200米），且环南极一致性高，表明为大尺度海洋动力变化。

深层水垂向位移

水团分布显示，uCDW在近年剖面中平均抬升40米，取代部分WW。

以A12剖面为例，uCDW具高DIC（约2,260 μmol kg^-1）、低氧（<220 μmol kg^-1）特性，其fCO₂达570 μatm；而WW更淡、冷且低DIC。抬升使高碳水更接近海表，但未突破层化屏障。

近表层淡化加剧层化

WW核心盐度下降最高达0.37（A12剖面），

强化WW与uCDW间密度梯度。淡化归因于降水增加、海冰北输及冰架融水，其引发的层化增强有效隔离次表层高fCO₂水团，延缓CO₂释放。

结论与意义

本研究揭示南大洋淡化通过增强层化“封存”次表层碳，暂时抵消模型预测的碳汇衰退。uCDW抬升与fCO₂上升印证西风驱动上涌加强，但层化延迟其表现。该机制与古气候研究中层化调控大气CO₂的结论一致，强调海洋动力与淡水反馈对碳循环的关键作用。未来若层化减弱（如近年盐化趋势），南大洋可能迅速转为碳源，加速气候变化。研究呼吁加强冬季观测以捕捉层化-碳通量耦合过程，为气候预测提供新框架。