极地与亚极地陆架海在海洋热浪期间主导增强的沿海CO2吸收

《Nature Communications》：Polar and subpolar shelf seas dominate enhanced coastal CO2 uptake during marine heatwaves

　　

海洋热浪（MHWs）扰动海-气CO2通量，但其对全球沿海碳汇的累积影响仍知之甚少。研究人员利用四个基于观测的CO2通量数据集（优先采用全球沿海产品），发现1985—2020年间MHWs使全球陆架海净CO2吸收增强11.0±1.6%，与开阔大洋吸收减弱形成对比。该增强主要归因于极地与亚极地陆架海，此处频繁MHWs与海冰丧失及溶解无机碳（DIC）的非热学下降相重合，抵消了低纬度暖化主导区吸收的减弱或脱气增强。借助全球海洋生物地球化学模式的分析表明，观测到的DIC下降主要与增强的生物碳固定有关。研究揭示了MHWs对沿海碳动态的区域特异性影响，凸显了高纬度陆架系统在持续气候变化下全球碳收支中的关键作用。

研究背景与立项依据

沿海海洋是陆-海界面上高动态、高生物生产力的系统，仅占全球海表约7%，却贡献了全球海洋约0.18—0.25 Pg C yr^?1的CO₂吸收中的绝大部分由极地与亚极地陆架海承担。温度驱动的CO₂溶解度形成宽泛的纬度格局，但局地非热过程（环流、水团混合、生物地球化学）强烈调制该格局。已有研究多聚焦开阔大洋或单个沿海地区，指出MHWs在开阔大洋平均抑制约8%的CO₂吸收，而沿海研究（如美国东岸、黄海东海）则报告吸收减弱。这种区域矛盾使“MHWs对全球沿海海-气CO₂交换的净效应”成为未解问题。该文于《Nature Communications》发表，旨在用多数据集全球评估填补此空白。

主要技术方法概述

研究人员采用四个全球海-气CO₂通量（FCO₂）重建产品（ULB–SOM–FFN–coastalv2、CMEMS-LSCE-FFNN、OceanSODA-ETHZ、SeaFlux），以ULB–SOM–FFN–coastalv2为主，因其专为沿海开发并覆盖冰区。SST（海表温度）去趋势后依Hobday框架判定“MHW月”。将FCO₂异常按网格面积积分得全球陆架海总异常；用Reynolds分解分离海冰、风速、ΔpCO₂（海-气CO₂分压差）及残差贡献，并将ΔpCO₂拆为pCO_2,sea热/非热项与pCO_2,air；非热pCO_2,sea进一步用DIC、碱度（ALK）、盐度（SSS）灵敏度系数归因。机制验证采用ICON-Coast全球海洋生物地球化学模式（显式分辨沿海过程），量化净初级生产（NPP）、无机碳（IC）与有机碳（OC）收支。

研究结果

沿海CO₂交换在MHW月的异常

全球尺度上，1985—2020年MHW月沿海FCO₂积分异常为?40.02 Tg C，相当于沿海CO₂吸收增强11.0±1.6%；三个辅证数据集给出4.7%—12.3%增强区间，方向一致。空间上，热带与西边界流（WBC）区呈正异常（脱气增强/吸收减弱），极地-亚极地陆架海呈负异常（吸收增强），且后者年际异常与全球异常显著相关（P<0.05），证明全球增强由高纬度陆架主导。

MHW月沿海CO₂交换异常的驱动因子

Reynolds分解显示ΔpCO₂是FCO₂异常主导项（r=0.80, P<0.001）。pCO_2,sea热贡献在全球一致促进脱气，但在极地-亚极地被海冰减少（占补偿21.9%）与非热pCO_2,sea异常（占78.1%）抵消。热带/WBC区热效应主导（正异常），西伯利亚陆架、巴伦支-喀拉海、南极陆架、西北太平洋则由海冰丧失+非热过程超越热效应，产生负异常。风、残差、pCO_2,air贡献可忽略。

MHW月海冰覆盖减少

MHW月极区海冰分数广泛负异常，热点（西伯利亚陆架、巴伦支-喀拉海、南极陆架、西北太平洋）与最强负FCO₂异常重合。海冰丧失扩大大气接触面、淡化表层、增加透光，从而提升CO₂溶解度与光合作用，放大吸收。

MHW月生物碳固定异常

非热pCO_2,sea异常中DIC负异常主导全部沿海区，西北太平洋、西伯利亚陆架、巴伦支-喀拉海、南极陆架最强；极端灵敏度系数下DIC贡献仍大于ALK。ICON-Coast模拟显示上述区MHW月NPP显著上升，开阔水面因海冰丧失扩大约30%，营养盐变化仅?0.5%，证实光照与升温（非营养输入）驱动藻华。表层DIC降，但垂直积分IC输运与OC分解释放部分抵消；西北太平洋陆架NPP增量超过OC分解，净生态生产为正。这与开阔大洋靠水平平流产生DIC异常的机制不同。

讨论与结论翻译

研究人员指出，沿海对MHWs的净响应与开阔大洋相反：后者平均抑制吸收约8%，前者增强约11%。该反差源于高纬度陆架海冰-生物耦合反馈（海冰丧失→透光增→NPP增→DIC降→pCO₂降→吸收增）压过热溶解度损失。热带/低纬沿海由热效应主导呈脱气增强，但被高纬强信号掩盖。研究限制包括月度FCO₂产品与日尺度MHW匹配、模式对IC输运偏差等。结论：1985—2020年MHWs通过极地与亚极地陆架海的海冰丧失与生物碳固定增强，使全球陆架海CO₂吸收增强11.0±1.6%，该区域特异性机制需在地球系统模式（ESM）中显式表征，以可靠预估持续变暖下沿海碳汇韧性及全球碳收支。