海洋物理注入泵对有机碳输出的全球观测评估及其气候关联机制

本研究通过整合多维观测数据(1997-2018)，首次量化了海洋物理注入泵(PIP)对有机碳输出的贡献及其年际变异。研究团队利用4D数据驱动方法重建颗粒有机碳(POC)浓度场和海洋环流场，结合溶解有机碳(DOC)气候场，揭示垂直扩散主导POC输出(0.37 Pg C yr-1)，其贡献较既往认知高10倍；发现ENSO与南极涛动(SAM)共同调控输出变异，为理解生物碳泵与气候模态的耦合机制提供新证据。成果发表于《Nature Communications》。

　　

海洋如同地球的呼吸系统，通过生物碳泵(BCP)将表层有机碳输送到深海，每年约10 Pg碳的转移量对调节大气CO₂浓度至关重要。传统研究聚焦重力沉降和生物迁移这两条"明线"，却忽视了第三条隐蔽通道——物理注入泵(PIP)的贡献。这个由湍流混合、平流等物理过程构成的"暗流"，虽被理论预测可能输送0.1-2.1 Pg C yr^-1有机碳，却因缺乏高时空分辨率观测数据而长期处于"盲区"。更棘手的是，气候变暖正改变海洋层化结构和环流模式，但PIP如何响应这些变化仍是未解之谜。

意大利国家研究委员会海洋科学研究所(CNR-ISMAR)的Marco Bellacicco团队联合多国科学家，在《Nature Communications》发表突破性研究。他们创新性地将BGC-Argo浮标数据、卫星观测与机器学习相结合，构建了全球首套4D POC浓度场(1/4°分辨率，周尺度)，耦合准地转环流场，实现了对PIP的全息解析。研究首次量化发现：垂直扩散这个"隐形推手"竟贡献了78%的POC通量(0.29 Pg C yr^-1)，远超混合层泵(0.07 Pg C yr^-1)和涡旋泵(0.06 Pg C yr^-1)；DOC物理输送量达0.48 Pg C yr^-1，主要源自极区强混合过程。

关键技术包括：1) 基于神经网络的POC三维重建算法，融合海洋水色卫星与Argo浮标数据；2) OMEGA3D准地转环流模型，解析中尺度涡动能；3) 多通道奇异谱分析(M-SSA)填补数据空缺；4) 创新性定义"生产输出深度"(z_p)作为动态边界，综合考量真光层深度(z_eu)与混合层深度(z_mld)的时空变异。

【总输出值】研究打破传统认知：当采用最大扩散系数(10^-3 m² s^-1)时，PIP贡献达0.37 Pg C yr^-1，其中垂直扩散占主导(表1)。但该过程存在量级不确定性——若扩散系数降低一个数量级，通量将锐减70%。

【地理变异】北大西洋副极地涡旋和南极绕极流(ACC)区是PIP热点(图1a)，这与模式水形成区高度重合。垂直扩散在北大西洋生产力高区最活跃(图1e)，而垂直平流在南大洋中纬度起关键作用(图1d)。引人注目的是，水平平流呈现"收支平衡"特征，通过ACC将亚热带富DOC水体输向极区(图S6c)。

【空间尺度】大尺度泵(LSP)贡献84%通量(0.31 Pg C yr^-1)，主要受Ekman抽吸调控；而中尺度涡旋泵(ESP)虽仅占16%，但在西部边界流区作用显著(图S5)。

【气候关联】PIP年际变异与ENSO-SAM组合模态显著相关(r=0.617)，在太平洋区主要响应ENSO，而印度洋区更受SAM调控(图5)。2002-2004、2009、2016年的通量峰值对应SAMW形成增强期，揭示出物理泵与中间水团动力学的深层联系。

这项研究将海洋碳循环认知推向新高度：首先，它证实物理过程输送的碳通量可与经典重力泵(4-9 Pg C yr^-1)和迁移泵(0.9-3.9 Pg C yr^-1)形成互补；其次，揭示垂直扩散这个"沉默巨人"才是物理泵的主力军，但需警惕其参数化不确定性；最后，建立PIP与气候模态的定量关系，为预测碳汇变化提供新维度。正如作者强调，未来需发展4D DOC重建技术，并将框架扩展至近岸区，才能完整描绘这幅"海洋碳运输路线图"。这项成果对完善地球系统模型中的碳循环模块具有里程碑意义，为应对气候变化提供更精准的海洋调控蓝图。