黄海海洋热浪期间表面淡化对CO2通量影响的因子模拟——碱度缓冲削弱放大pCO2敏感性

《Regional Studies in Marine Science》：Influence of surface freshening on the CO 2 flux during a marine heatwave in the Yellow Sea

　　

边缘海在全球碳预算中具有超比例作用，相对于其表面积构成显著的大气CO₂汇。黄海是西北太平洋受中国和朝鲜半岛包围的中等尺度海盆，其碳动力学受河流输入、活跃陆架生产力和浅层混合层高效气体交换的紧密耦合控制，并叠加东亚季风、长江径流和台风事件驱动的显著季节性。近二十年来，该区域复合气候极端事件增多，海洋热浪（marine heatwave, MHW）的频率和强度上升，使夏季海表温度（sea-surface temperature, SST）显著高于气候态。当增温与长江低盐脉冲同时发生时，层化异常抑制垂向混合、扰动营养盐再供给，并可快速重塑初级生产和海气CO₂交换；但此类事件短寿命、局地性强，传统船基调查难以捕捉其完整生物地球化学印记。以往陆架海碳循环研究多关注平均季节动力学，极端事件期间CO₂通量的短期调制仍约束不足。2016年夏季黄海南部出现强热浪与异常高长江径流和广泛表层淡化耦合，低盐表层增强层化并抑制垂向混合，进而促进表层增温；淡水输入通过降低总碱度（total alkalinity, TA）改变碳酸盐化学和缓冲容量，增加表层二氧化碳分压（pCO₂）对内部生成溶解无机碳（dissolved inorganic carbon, DIC）的敏感性。研究人员采用一维（1D）耦合模型比较2011年典型夏季与2016年复合热浪—淡化事件，模型解析湍流混合、低营养级生态、营养盐循环和完全交互碳酸盐系统，并通过因子实验分离大气强迫和表层盐度对CO₂交换的贡献；进一步应用结合盐度归一化TA和DIC（nTA、nDIC）与基于敏感性的ΔpCO₂归因的事件尺度诊断框架，评估温度、盐度、TA和DIC及相关物理和生物地球化学响应如何塑造夏季pCO₂和海气CO₂通量。结果表明，在弱淡化的北站点，pCO₂变率受温度主导；在强淡化的南站点，施加的淡化降低碱度并削弱缓冲，碱度损失放大pCO₂对物理和生物地球化学变化的敏感性。

边缘海在全球碳预算中作用突出，其单位面积的大气CO₂汇强度显著高于其表面积占比。黄海位于西北太平洋，受中国和朝鲜半岛包围，是中等尺度陆架海盆，河流输入、陆架生产力和浅层混合层气体交换紧密耦合，并受东亚季风、长江径流和台风影响。近二十年该区域复合气候极端事件增多，海洋热浪（marine heatwave, MHW）频率和强度上升，夏季海表温度（sea-surface temperature, SST）显著高于气候态；当增温与长江低盐脉冲同时出现时，层化增强抑制垂向混合和营养盐再供给，并改变初级生产与海气CO₂交换。既有研究多聚焦平均季节动力学和生物泵、物理泵，事件尺度CO₂通量调控不足，尤其是增温与淡化并存时碳酸盐缓冲和pCO₂敏感性如何变化尚不清楚。2016年夏季黄海南部强热浪与异常高长江径流、广泛表层淡化耦合，低盐表层增强层化并促进增温；淡水输入降低总碱度（total alkalinity, TA）并改变缓冲容量，使表层二氧化碳分压（pCO₂）对内部生成溶解无机碳（dissolved inorganic carbon, DIC）更敏感，因此需要事件尺度诊断分离稀释驱动的碳酸盐响应与生物和非保守过程。

Young Shin Kwon等采用一维（1D）通用海洋湍流模型（General Ocean Turbulence Model, GOTM）与欧洲区域海生态系统模型（European Regional Seas Ecosystem Model, ERSEM）耦合框架，选择黄海中部北站点（NS）和南站点（SS），比较2011年典型夏季与2016年复合热浪—淡化事件，并进行2011/2016盐度与大气强迫组合的因子实验，以分离盐度和大气强迫对垂向营养盐供给、生产力和海气CO₂通量的贡献；同时以盐度归一化TA和DIC（nTA、nDIC）及基于敏感性的ΔpCO₂归因解释温度、盐度、TA和DIC的作用。研究得出，NS夏季pCO₂和CO₂通量主要受温度控制，盐度作用次要；SS在极端淡化下碱度降低、缓冲削弱，碱度损失放大pCO₂对物理和生物地球化学变化的敏感性，增温提供二次放大。其意义在于表明淡化不一定增强CO₂吸收，复合热浪—淡化可重组陆架海夏季CO₂通量，并提供事件尺度归因框架。

关键技术方法：采用一维GOTM–ERSEM耦合模型，包含k-ε湍流闭合、低营养级生态和完全交互碳酸盐系统；在黄海中部设NS（36.33°N, 124.585°E）和SS（33.407°N, 124.600°E），垂向50 m、50层；初始温度取自Korea Ocean Data Center（KODC）1月观测，盐度向KODC剖面以1天松弛约束，大气强迫取ERA5逐时再分析；经10年spin-up后模拟2011和2016年；用2011/2016盐度与大气强迫四组因子实验分离驱动，并以PyCO2SYS开展ΔpCO₂敏感性归因和nTA/nDIC诊断；以2011和2016夏季KODC温盐、硝酸盐剖面及邻近发表TA和CO₂通量进行验证。

3.1 模型性能与环境强迫。通过模型与KODC观测比较及邻近发表TA和CO₂通量对比，模型重现夏季层化、温跃层和表层营养盐耗竭，温度、盐度误差较小（RMSE≤1.6 °C、≤0.55，r>0.98），硝酸盐呈底層正偏差；2016年短波辐射较高、风速较低，表层增温，SS低盐层持续；模拟TA量级与区域观测相当，但1D配置使7—8月通量偏正，SS 2016最明显，驱动排序仍稳健。

3.2 大气与盐度条件对生产力和CO₂通量的影响。通过四组因子实验，NS的2016—2011差异中盐度差很小，2011年较强混合促进营养盐上输和叶绿素，但CO₂吸收有限，2016年表层pCO₂更高、逸出更强；仅改变大气或仅改变盐度均未增强营养盐供给和叶绿素，说明NS通量由增温主导。SS在2016年生产力仅略高却出现更强正通量，低盐条件是主要控制，温度提供额外放大；将盐度恢复至2011水平显著削弱正通量，最强正异常只在低盐条件下出现；强风事件通过增大气体交换速率造成短时通量增强。

3.3 盐度归一化TA和DIC的碳酸盐诊断。通过原始与nTA/nDIC月均比较，NS原始TA季节下降小，nTA在2011年下降而2016年近常，反映背景TA参数化的温度依赖；SS原始TA在2016年7—8月强降，nTA近不变，表明大部分TA变率与局地盐度稀释趋势一致，残余非盐度碱度信号较弱；SS的nDIC在8月增加，说明表层DIC并非简单保守稀释，而受生物生产、再矿化、弱垂向交换和海气CO₂转移等共同影响。

3.4 基于敏感性分解的ΔpCO₂归因。通过PyCO2SYS对配对实验月均pCO₂进行敏感性分解，NS总ΔpCO₂为+44、+50、+104 μatm，温度贡献+45至+101 μatm，盐度项小，TA正贡献、DIC负贡献，仅大气对比接近总对比而仅盐度对比很小，支持温度主导。SS总ΔpCO₂由+26、+47增至+174 μatm，温度正贡献，直接盐度项为负，8月ΔpTA达+176 μatm并成为最大项，DIC部分补偿；仅盐度对比8月ΔpCO₂为+85 μatm，ΔpTA约+142 μatm、盐度项约?59 μatm；仅大气对比8月为+85 μatm，不能解释总增幅；替换TA参数化后ΔpTA更大但排序稳健，说明SS碱度介导的缓冲削弱是晚夏放大关键。

讨论部分总结：4.1指出淡化对CO₂通量的方向和幅度不具普适性，取决于盐度异常与TA、DIC、温度和层化的协变及生物过程；NS温度主导，SS碱度介导，ΔpCO₂近可加而通量非可加；1D框架解析局部对施加盐度异常的响应而非长江羽流动力学，碱度稀释效应被解析，河流营养盐驱动效应未表示，故SS结果代表淡化驱动pCO₂增加的上界；nDIC升高反映垂向扩散和再矿化累积而非热力学响应。4.2指出1D无水平输运和潮混合、绝对通量存在正偏差、两站点相同初始生物地球化学状态可能不代表SS营养盐预条件、极端低盐下TA–S经验关系不可靠，SS结果应以上界和驱动排序解释；未来需3D模拟、显式河流碳酸盐端元、潮汐、水平交换和高频观测。研究结论部分翻译：本研究表明，黄海夏季海气CO₂交换沿单一淡化梯度对复合热浪—淡化条件在南、北站点响应不同。采用一维GOTM–ERSEM框架和因子实验，2016年样强迫在晚夏产生更强正CO₂通量倾向，且站点主导驱动不同。南站点极端淡化主要降低碱度、削弱缓冲容量，从而放大模拟表层pCO₂对同期物理和生物地球化学变化的敏感性，增温提供二次放大；北站点年际pCO₂和CO₂通量变化可由仅大气对比重现，表明温度主导而盐度影响很小。结果强调，在层化陆架海中淡化不一定增强CO₂吸收；当碱度稀释显著削弱缓冲容量时，施加低盐条件可升高溶解pCO₂并使CO₂通量转向逸出，但最终海气响应仍受群落代谢和物理强迫制约。这表明此类复合条件可能重组黄海等陆架系统夏季CO₂通量，而非记录某一具体年份的观测变化；未来应以显式河流碳酸盐端元、潮汐和水平交换的3D模拟及高频碳酸盐观测检验该机制的稳健性。