降雨稀释效应增强全球海洋CO2吸收通量的综合评估

《Nature Geoscience》：Global carbon dioxide flux into the surface ocean intensified by rain-induced dilution

　　

降雨通过三种机制影响海-气界面的二氧化碳（CO₂）通量：湿沉降、通过湍流增强的表面气体交换以及海洋表层微层的温度和盐度变化。对这些效应的理解已取得进展，从而能够改进降雨对全球海洋碳吸收影响的估算，但降雨诱导的盐度稀释估算中存在的实质性认知不确定性限制了对海洋碳汇的进一步约束。本文利用最真实的降雨稀释模型（RIM-3）结合高分辨率卫星数据集，对降雨对CO₂交换的影响进行了全球分析，得出降雨引起的海洋吸收总量相对于仅风效应增加了13.6%。研究人员发现，由于淡水稀释引起的碳酸盐系统重新分配，稀释效应约占额外吸收总量的三分之二。这使先前报道的降雨增强海洋碳吸收上限翻倍，凸显了雨水对海水稀释的重要性以及相应提高降雨期间和降雨后表层海洋定量理解的必要性。研究人员估计，表层海洋碳观测覆盖隐含捕获了稀释效应的30%，并发现当前全球碳预算估算因未考虑降雨效应可能低估海洋碳汇10 ± 5%。

海洋与大气之间的二氧化碳（CO₂）交换对发生于海-气界面附近的小尺度过程高度敏感。CO₂的传输速率取决于穿过微米级水体质边界层（MBL）的浓度梯度，而温度或盐度变化在MBL顶部和底部通常会驱动海水CO₂浓度向相反方向变化。温度效应（如冷皮层）已被纳入估算，明显增加了全球海洋碳吸收。盐度效应中，海洋表层盐度增加会降低界面溶解度并减少吸收，其量级约为冷皮层效应的1/6。由于盐度皮肤层厚度与MBL相当，通常认为盐度不会在MBL底部产生碳酸盐系统的再分配，但降雨是个例外。降雨通过三种机制影响海-气CO₂通量：雨滴撞击增强湍流、湿沉降添加大气CO₂、以及冷却和淡化驱动浓度梯度增大。前两种机制已有成熟的参数化方案，但第三种降雨诱导的盐度稀释效应由于观测稀少、全球尺度建模困难，存在显著的认知不确定性。此外，浅层（1–3 m）浮力雨层可在降雨后持续数小时，影响卫星海表盐度（SSS）和海表温度（SST）反演，而大多数原位观测（船、Argo浮标、锚系）都在5 m深度以下，难以捕获雨层信号。因此，需要采用更真实的雨层模型对降雨稀释效应进行全球评估。

研究人员采用目前最真实的降雨诱导稀释模型RIM-3以及S20经验参数化方案，结合高分辨率卫星降水、再分析风场、海表温度和盐度、碳酸盐系统气候态等数据，对2000年全球海-气CO₂通量进行了全面计算，量化了降雨三种效应的贡献。研究发现，降雨使全球海洋碳吸收相对仅风效应增加13.6%，其中稀释效应贡献了约三分之二的额外吸收，这使先前报道的降雨增强海洋碳吸收上限翻倍。研究还估计，现有表层海洋碳观测（SOCATv2025）隐含捕获了约30%的稀释效应，而当前全球碳预算估算因排除降雨效应可能低估海洋碳汇10 ± 5%。该成果发表在《Nature Geoscience》上，凸显了降雨对海洋碳汇的重要性以及改进降雨期间和之后表层海洋定量理解的迫切需求。

研究人员使用的主要技术方法包括：基于RIM-3物理模型估算降雨引起的表层盐度稀释，并辅以S20经验参数化进行对比；利用PyCO₂SYS软件计算碳酸盐系统对盐度稀释的响应，从而获得CO₂逸度（f_CO2）对盐度变化的斜率；采用参数化方案分别计算雨滴湍流增强的交换速率和雨水湿沉降的通量。数据来源包括CMORPH高分辨率卫星降水（8 × 8 km，30分钟）、ERA5风场、CMEMS GLORYS12v1盐度、OISSTv2.1海表温度、GLODAPv2碳酸盐系统气候态、RECCAP2-ocean的f_CO2以及SOCATv2025观测数据库。这些数据集被时空插值到统一网格上，用于驱动通量计算。

### 雨层尺度挑战

通过梳理雨层观测现状，研究人员指出雨层在原位观测中严重欠采样，卫星观测也受亚公里尺度降水不均匀性影响，一维物理模型可能低估雨层效应。RIM-3模型由于能够考虑降水历史的时间演化且在卫星SSS验证中表现良好，被认为是最适合全球尺度估算的工具。

### 现实稀释模型增强海洋碳吸收

通过对比RIM-3和S20两种稀释模型的计算结果，研究人员发现RIM-3产生的稀释和界面通量效应是S20的两倍以上，使稀释成为降雨碳通量预算中的主导项。总降雨通量增强为风驱动通量的13.6%，其中湿沉积约3.8%，高于先前研究（P24）的上限7.7%。湍流效应单独评估时很小，但与稀释共同作用时，因湍流增强与表面稀释同域发生，界面通量大于单独项之和。

### 区域影响

通过纬度带和区域-季节矩阵分析，研究人员发现降雨效应在热带辐合带（ITCZ）和东热带印度洋尤为显著。在热带印度洋，由于空气-海水CO₂梯度弱而降水强，降雨对通量影响最大。除了东赤道太平洋极小区域外，降雨总是将净通量推向海洋吸收方向。

### 降雨诱导冷却

通过结合温度敏感性分析和观测的雨率-皮肤温度关系，研究人员粗略估计降雨冷却效应带来额外吸收0.027 PgC yr^?1（约为风驱动通量的1.9%），可能上限约2%。该效应未在主要通量计算中显式计入，但小于稀释和湿沉降效应。

### 对全球碳预算的含义

通过将RIM-3模拟的5 m深度SSS异常与表层比较，研究人员估算在理想连续观测情况下，5 m深度测量可隐含捕获62%的界面通量。但基于SOCATv2025的实际时空覆盖，当前观测仅隐含捕获约30%的雨致界面通量（3%对9.67%增强）。因此，现代模型可能低估海洋碳汇10 ± 5%。

讨论部分强调，降雨稀释效应目前缺乏可靠的统计不确定性量化，类似于过去冷皮层和昼夜温层校正的情况，但观测基础更为薄弱。研究人员提出需要协调努力，进行原位和遥感观测，包括近表层盐度剖面和雨率系统观测，以及直接测量CO₂通量和MBL内盐度、p_CO2异常的现场过程研究，以验证和改进现有模型。研究结论部分指出：“综合来看，这些论据意味着现代模型很可能因排除降雨效应而低估海洋碳汇10 ± 5%。”该不确定性为一般性指导值，考虑了先前研究（P24）的结果和多种认知不确定性来源。研究人员未发现存在雨层条件下进行原位海-气CO₂通量观测的记录；他们强调，虽然RIM-3模型是目前全球评估降雨影响的最合适工具，但目的并不是裁决哪种稀释方案正确，而是揭示当前对降雨效应的定量表征约束不足及其对海洋碳汇建模准确性的影响。