高热交换效率假设下逆流Stommel管人工上升流的现今至未来地球系统效应与海洋碳移除（CDR）潜力评估

《Frontiers in Climate》：Artificial upwelling via Stommel pipes under present and future climate conditions: an Earth system model assessment

　　

人工上升流已被提出作为一种海洋二氧化碳去除（Carbon Dioxide Removal, CDR）途径，以增强海洋碳汇。然而，若采用例如波浪驱动管，人工上升流会通过冷水上涌作为副作用破坏海洋热跃层。大规模海洋热跃层破坏将在管道部署期间及管道终止后对地球能量平衡和全球碳循环造成严重后果。实现人工上升流的另一种方法是逆流Stommel管。这些管在特定盐度和温度条件下，通过两股水流之间的高效热交换建立自持的上涌和同时下沉流，从而减轻直接海洋热跃层破坏风险。在本研究中，研究人员在地球系统气候模式中，采用最大技术潜力方法，在假设高热交换效率的条件下，模拟一种特定Stommel管设计（管长303、643和1,103 m），并在2025–2100年间、低和高未来CO₂排放路径下，评估现今至未来管道性能及其对地球系统的影响，并将这些结果与波浪驱动管的预期影响进行比较。研究人员发现，在大西洋和太平洋副热带环流中心，持续上涌强度可达0.45 m³/s/pipe，并且海洋净初级生产总体随上涌增加。在研究人员的高热交换效率假设下，Stommel管上涌未直接破坏海洋热跃层，而是主要由于盐度再分布导致海洋层结区域性增加。内部海洋营养盐和溶解无机碳（Dissolved Inorganic Carbon, DIC）同时上涌至表层，导致取决于CO₂排放路径和上涌强度的净CO₂向大气释放，主要由南太平洋区域驱动（2030年?249.0 Tg C/yr），而北大西洋在较低上涌强度情景下表现为少量CO₂吸收（2030年+7.1 Tg C/yr）。综上，在高热交换效率假设下，Stommel管可在区域尺度产生可观上涌而不引起直接热跃层破坏，但若作为独立方法模拟，其海洋CDR潜力具有区域特异性且低至为负。

工业革命以来，大气CO₂浓度因化石燃料燃烧和土地利用变化持续上升，并导致全球地表气温升高。除广泛减排外，多种地球化学和生物海洋二氧化碳去除（Carbon Dioxide Removal, CDR）途径正在研究中，以增强全球海洋CO₂吸收并补偿遗留及未来难以减排的CO₂排放。人工上升流是其中一种生物海洋CDR途径，通过布放于开阔海洋的垂直管将富含营养盐的海洋内部水上涌，以刺激并增强生物碳泵。然而，近期研究认为，若不与海洋铁施肥和/或开阔海洋大型藻类养殖结合，人工上升流增加海洋碳汇的潜力相当有限；其还可能增强海洋脱氧并促进反硝化。更关键的是，采用波浪驱动管等方式时，人工上升流会通过冷水上涌破坏海洋热跃层，增强海洋热吸收，并在管道终止后使热量返回大气，导致参考情景下地表气温在随后数十年升高；此前波浪驱动人工上升流模拟（Oschlies et al., 2010）指出该热相关副作用可能成为大规模部署的淘汰性标准。逆流Stommel管通过在特定盐度和温度条件下同时形成上涌与下沉流，并在两股水流间高效交换热量，可减轻直接热跃层破坏风险；但其仅能在表层盐度高于管源深度盐度的海区产生上涌，且上涌强度受管道设计、绝对表层盐度和温度及其梯度、管长影响。此前该概念尚未在海洋CDR背景下得到详细研究。为此，研究人员评估特定Stommel管设计在现今至未来RCP（Representative Concentration Pathway, RCP）2.6和8.5排放路径下的性能、对热跃层、碳循环和海洋生态系统的影响，以及终止后的地球系统响应，并与波浪驱动管的预期影响比较。研究发现，在北大西洋和太平洋副热带环流中心可持续上涌达0.45 m³/s/pipe，并总体随上涌增加海洋净初级生产（Net Primary Production, NPP）；高热交换效率假设下未直接破坏热跃层，但盐度再分布导致区域层结增加；内部营养盐和溶解无机碳（Dissolved Inorganic Carbon, DIC）同时上涌造成排放路径和上涌强度依赖的净CO₂释放，南太平洋为主（2030年?249.0 Tg C/yr），北大西洋低强度情景少量吸收（2030年+7.1 Tg C/yr）；故Stommel管可区域产生可观上涌且不直接破坏热跃层，但作为独立方法其海洋CDR潜力区域特异且低至为负。重要意义在于区分了Stommel管与波浪驱动管的热跃层/终止效应，并指出其不能作为独立CDR，尤其南太平洋，但可在区域尺度作为其他海洋CDR的支持技术进一步研究。

关键技术方法：使用UVic 2.9中等复杂度地球系统气候模式（Earth System Climate Model of intermediate complexity, ESCM），海洋环流、海冰、陆地与单层大气能量-水分平衡耦合，分辨率3.6°×1.8°，海洋19层，包含海洋碳循环、营养盐-浮游植物-浮游动物-碎屑（Nutrient-Phytoplankton-Zooplankton-Detritus, NPZD）生态系统与CaCO₃反泵。基于Kemper et al. (2025)的SP1D输出拟合上涌强度方程，间接耦合，假设100%热交换；按最大技术潜力部署303、643、1,103 m管，密度0.1×、1×、10 pipes/km²；在RCP2.6/8.5下2025–2100连续模拟，并设2050年终止实验；无样本队列。

3.1 Stommel pipe upwelling potential（Stommel管上涌潜力）：通过最大技术潜力瞬态模拟和空间/季节分析，643或1,103 m管可在约1.9×10⁸ km²（37%）海表产生上涌，热点位于大西洋和太平洋副热带环流；1 pipe/km²初期约1.9亿根管产生27 Sv全球积分上涌；最大年均上涌0.45 m³/s/pipe，为Koweek (2022)所述技术可行性上限0.05 m³/s/pipe的九倍。管覆盖面积随时间下降，10 pipes/km²在RCP8.5末下降45%至1.05×10⁸ km²，归因于垂直盐度梯度区域退化，形成自调节；303 m管潜力有限。季节上，2–3月全球平均上涌较低（最高0.137 m³/s/pipe），9–10月较高（最高0.164 m³/s/pipe），由南半球季节和温度梯度主导；RCP路径依赖性很小。

3.2 Global and regional Earth system response（全球与区域地球系统响应）：通过全球和区域碳通量、NPP、输出生产（Export Production, EP）、营养盐、层结与大西洋经向翻转环流（Atlantic Meridional Overturning Circulation, AMOC）分析，Stommel管未增加全球海洋碳吸收，反而造成排放路径依赖的净CO₂释放；上涌越强释放越大，RCP2.6下释放更强（最高?168 Pg C），RCP8.5下较少，差异来自大气CO₂与表层pCO₂梯度。区域上南太平洋是主要释放源（2030年?249.0 Tg C/yr），北大西洋少量吸收（2030年+7.1 Tg C/yr）。营养盐上涌提高NPP和EP（累计EP最高302 Pg C），但南太平洋磷酸盐/硝酸盐积累指示铁限制，未能充分利用上涌营养盐和DIC；高效热交换使上涌水升温降低CO₂溶解度，减压也促进释放；并造成中深层脱氧（最高?8 Pmol，约300 m）和层结增加。盐度再分布及CO₂释放引起的升温增强热跃层，使AMOC最大减弱?4.56 Sv，影响碳热吸收。结论为区域特异低至负CDR潜力。

3.2.1 Termination effect（终止效应）：通过2050年停止上涌并追踪至2100年的实验，CO₂释放停止，全球平均地表气温、盐度等受影响变量缓慢回归参考水平；但海洋碳库存仍偏低，10 pipes/km²在RCP8.5下至2100年?73 Pg C，内部DIC再分布、CO₂释放和层结增加在终止后50年未恢复。未发现波浪驱动管式突然终止后的气温尖峰，因假设100%热交换；较低热交换效率可能产生温度相关终止效应但幅度应较小。

3.3 Wave-driven vs. Stommel pipe upwelling comparison（波浪驱动管与Stommel管上涌比较）：通过概念比较和模拟响应分析，波浪驱动管理论上可全海洋部署，Stommel管受物理条件限制且强度随管长、位置和季节变化；但单根Stommel管上涌强度可达其他技术上可行上限的九倍，且上涌水温度接近周围表层水，避免冷水羽流下沉。Stommel管增强层结、减弱翻转环流，在高热交换假设下不直接破坏热跃层；波浪驱动管降低层结、增强翻转和海洋热吸收，终止后气温反弹。两者均增强NPP和EP并促进中深层脱氧，但因铁限制尤其太平洋未能增强海洋碳吸收，影响随上涌量和源深度变化。

讨论指出，100%热交换效率和计算上涌强度需通过例如原型现场试验验证；直接耦合SP1D与UVic不实际，允许同时动态计算上涌强度和热交换效率的建模方法可进一步揭示地球系统响应。表层生态上，人工上升流可有效上涌营养盐并促进NPP，可能具有改善鱼类生产潜力，但受铁限制并增强脱氧。全球CDR上，Stommel管导致排放路径依赖净CO₂释放并加速地表升温；区域上，若区域上涌量有限，北大西洋副热带环流北侧呈有限正碳吸收。研究结论翻译：从技术角度看，所模拟逆流Stommel管设计若采用643或1,103 m管，可在尤其是大西洋和太平洋副热带环流周围产生可观上涌，且由于假设高效热交换，不具直接通过管道上涌和下沉活动在水柱中再分布海洋热的直接风险。然而，盐度再分布增加海洋层结并使翻转环流减慢。研究人员指出，模拟中假设的100%热交换效率及计算上涌强度需通过例如原型现场试验验证，因为这些细节是研究关键因素，可能影响管道上涌性能以及部署期间和终止后地球碳循环与热收支响应。允许同时动态计算上涌强度和热交换效率的Stommel管地球系统建模方法可进一步揭示地球系统响应并为研究结果及假设提供背景。从表层海洋生态看，人工上升流可有效上涌富营养盐内部水并促进NPP，可能具有改善鱼类生产潜力，但受表层海洋铁可利用性限制，尤其南太平洋副热带环流，并通过增强输出生产导致海洋脱氧。从全球海洋CDR看，Stommel管会造成排放路径依赖的净海洋CO₂释放，尤其南太平洋副热带环流，并通过将碳从海洋内部再分布至表层和大气加速未来全球平均地表气温上升。区域上，若区域上涌量有限，北大西洋副热带环流北侧在模拟中呈有限但正的海洋碳吸收。综上，模拟中Stommel管在高热交换效率假设下产生可观上涌并避免热跃层破坏相关风险，但不应被视为或推进为尤其在太平洋南部作为独立海洋CDR方法部署；Stommel管在北大西洋副热带环流北侧造成少量CO₂吸收，可区域上进一步研究作为其他海洋CDR方法的支持技术，如海洋铁施肥或与开阔海洋大型藻类养殖结合，这些方法强烈依赖向表层海洋补充营养盐。