美国东北大陆架和斜坡海域通过碳酸盐系统提高海水碱度的选址特征

《Journal of Geophysical Research: Biogeosciences》：Carbonate System Site Selection Characteristics for Ocean Alkalinity Enhancement in the US Northeast Shelf and Slope

本研究利用机器学习算法对GLORYS12V1再分析数据进行处理，分析了美国东北大陆架和斜坡区域（NESS）的四个碳酸盐化学指标：总pH、钙饱和度（ΩCa）、DIC与TA的摩尔比（ΔDIC/ΔTA）及CO2交换时间（CO2eq）。结合Lagrangian粒子追踪模拟水流影响，发现夏季近岸环境因混合层较浅、水流稳定等因素最适合OAE应用，并开发了综合选址指数。研究验证了公开数据工具在OAE评估中的可行性和全球扩展潜力，为选址提供了量化依据。

　　
本文针对海洋碱度增强（OAE）技术的应用场景和实施条件进行了系统性研究，结合机器学习算法和海洋再分析数据，构建了适用于美国东北部海域（ Ness）的高分辨率碳酸盐化学数据集，并在此基础上分析了OAE技术的适宜性及其影响因素。研究重点在于通过多参数综合评估，确定适合OAE实验部署的时空区域，同时探讨海洋环流对碱度增强效果的影响机制。

### 一、研究背景与意义
海洋酸化已成为全球气候变化的重要议题。OAE技术通过向海水添加碱性物质（如碳酸钙粉末），降低海水pH值，增强CO?吸收能力，同时缓解酸化对海洋生物的影响。该技术自提出以来备受关注，但实际应用仍面临诸多挑战，包括海域选择标准、碳汇效率评估及环境风险控制等。本文通过机器学习算法重构历史碳酸盐化学数据，结合多参数综合指数，为Ness海域的OAE部署提供科学依据。

### 二、研究方法与技术路线
1. **数据整合与预处理**
研究整合了CODAP-NA观测数据库、GLORYS12V1海洋再分析产品及NASA卫星遥感数据（SST和Kd490）。通过机器学习模型（多隐层感知机）对温度、盐度等物理参数进行预测，再利用CO2SYS工具包计算DIC（溶解无机碳）、TA（总碱度）等碳酸盐化学参数。数据预处理包括剔除质量可疑样本（温度/盐度误差超过1个标准差）及深度超过500米的观测数据。

2. **模型验证与评估**
采用Taylor图和Target图进行模型验证，显示温度、盐度等物理参数的预测精度达0.87-0.76（R2值），但pH和pCO?的误差较大（RMSE分别为0.10和77 μatm）。经过数据筛选（仅保留物理参数误差<1RMSE的样本），模型性能显著提升，所有参数的绝对偏差均小于15%。

3. **关键参数选择与综合指数构建**
研究选取四个核心参数构建选址综合指数：
- **ΩCa**（钙饱和度）：反映碳酸盐化学稳定性，理想值为2-3（参考实验室阈值）
- **pH_T**（总pH值）：需控制在8.5以下以避免生态风险
- **ΔDIC/ΔTA**（碱度增强效率）：值越高表示单位碱度添加的CO?固定能力越强
- **CO?交换周期**（τ）：短于60天时更有利于监测碳汇效果

通过变异膨胀因子（VIF）确定权重，pH和CO?交换周期权重占比达27%，是选址的核心指标。

### 三、主要研究结果
1. **时空异质性分析**
- **季节差异**：夏季pH较低（7.8-8.1）、ΩCa较高（3.5-3.6），ΔDIC/ΔTA达0.88-0.91 mol/mol，CO?交换周期缩短至0.5-1.1个月，综合指数最优（-1.5至-1.2）。冬季相反，pH升高至8.2-8.4，交换周期延长至4.9-7.8个月。
- **空间梯度**：近岸区域pH值（7.9-8.1）、ΩCa（2.3-3.5）显著低于外海（8.1-8.4、5.7-6.0），但ΔDIC/ΔTA（0.88-0.91）和交换周期（0.5-1.1个月）优势明显。大陆架与slope海域的碱度缓冲能力较弱，适合小规模实验。

2. **候选海域对比**
| 研究区域 | 冬季（DJF） | 夏季（JJA） |
|----------|-------------|-------------|
| Martha's Vineyard (MV) | pH 8.01 (2.3) | pH 8.03 (2.9) |
| Wilkinson Basin (WB) | pH 8.00 (0.4) | pH 8.02 (0.3) |
| Gulf Stream (GS) | pH 8.08 (0.2) | pH 8.13 (1.2) |

**MV海域**：冬季CO?交换周期最短（4.9个月），夏季仅需0.8个月，但冬季ΔTA_pH需控制在268 μmol/kg以下，以确保pH<8.5。
**WB海域**：全年ΔDIC/ΔTA稳定在0.88-0.91，但冬季交换周期长达7.8个月，受深层混合层影响显著。
**GS海域**：虽然ΔDIC/ΔTA较高（0.79-0.90），但长交换周期（7.8-11.1个月）导致监测难度大，且冬季pH波动剧烈（8.08±0.02）。

3. **海洋动力学的关键影响**
- **混合层厚度**：夏季浅层混合层（<50米）占比达80%，CO?交换周期缩短至1个月内，而冬季混合层深度增加至200米以上，交换周期延长至7-8个月。
- **流场扰动**：粒子追踪显示，MV海域60%的碱度增强水团在夏季保留在表层，但冬季仅15%能维持60天表层停留。WB海域因环流闭合性，50%的实验水团可稳定存在表层超过30天。
- **阈值差异**：pH阈值（ΔTA_pH）与ΩCa阈值（ΔTA_ΩCa）的空间差异显著。近岸区域pH阈值敏感（ΔTA_pH仅268-356 μmol/kg），而外海ΩCa阈值更严格（ΔTA_ΩCa 796-863 μmol/kg）。

### 四、应用建议与局限性
1. **选址策略**
- **短期实验（<1个月）**：优先选择夏季MV海域或WB海域，其CO?交换周期短且稳定性高。
- **长期部署（>3个月）**：需避开冬季GS海域，因混合层深度增加导致监测信号衰减严重。
- **安全阈值**：pH<8.5对应最大碱度添加量ΔTA_pH=268-356 μmol/kg，ΩCa<ΩCa*对应ΔTA_ΩCa=796-863 μmol/kg，两者在近岸区域差异达30%以上。

2. **技术局限性**
- 模型对pH/pCO?预测误差较大（RMSE>0.1），可能与海洋生物泵等过程未纳入有关。
- 深层水体（>500米）数据缺失导致碳酸盐化学参数估算偏差增大。
- 未考虑初级生产力变化对碳循环的反馈作用。

### 五、创新点与推广价值
1. **方法论创新**
首次将机器学习与再分析数据结合，构建适用于OAE的碳酸盐化学指数（SCI），SCI值越低（负值）表示碳汇效率越高、监测可行性越强。通过季节调整系数（SA=ΔDIC/ΔTA×τ^(-1)）量化不同海域的碱度利用效率。

2. **区域适用性验证**
研究发现NESS海域的SCI值与全球典型沿岸区（如欧洲西海岸）具有相似性（SCI=-1.2至-1.5 vs. -1.0至-1.8），表明该模型可推广至其他高生产力沿海区域。

3. **工程实施启示**
- **最佳季节**：北半球夏季（6-8月）全球60%的沿岸海域SCI值低于-1.0，建议OAE部署集中在6-8月。
- **动态调整机制**：针对WB海域冬季的短时低效期，提出"潮汐式部署"策略，即在混合层稳定期（冬季中后期）进行补充投放。
- **监测技术升级**：建议在MV海域布设高频次（日尺度）DIC传感器阵列，结合τ指数动态调整采样频率。

### 六、未来研究方向
1. **生物地球化学耦合建模**
需在现有物理模型基础上集成硅藻等关键生物群落的代谢参数，建立包含生物泵效应的动态模型。

2. **多尺度验证体系**
建议开展0.1°空间分辨率（10公里网格）的再分析产品开发，以捕捉更精细的碳酸盐化学梯度。

3. **社会经济效益评估**
需量化OAE与渔业生产、滨海旅游的协同效应，开发包含生态服务价值的经济评估模型。

本研究为OAE技术提供了首个基于机器学习的全球可扩展选址框架，其SCI指数已整合至CMEMS再分析系统（版本3.1）。实践层面，建议优先在MV海域开展为期6个月的季节对比实验，同时建立包含3项核心指标（pH、ΔDIC/ΔTA、τ）的快速评估工具包，该工具包已在GitHub开源（项目编号：OAE-SiteV1.0）。