基于自主水面测量数据的大西洋东部和地中海的空气-海洋二氧化碳交换

《Frontiers in Marine Science》：Air-sea CO2 exchange in the Eastern Atlantic and the Mediterranean Sea based on autonomous surface measurements

　　海气CO?交换时空变化与多平台观测验证（2019.10-2020.7），通过Saildrone等设备在东大西洋和地中海发现区域差异显著，受物理（温度、盐度）和生物（生产力、呼吸）过程驱动，验证了神经网络模型CANYON-MED的有效性。

　　在人类活动对全球碳排放的持续增加背景下，大气中的二氧化碳浓度已显著上升，这一变化对海洋环境产生了深远影响。近年来，随着全球气候变化的加剧，海洋吸收二氧化碳的能力逐渐受到挑战，而海洋酸化成为关注的焦点。为深入了解海洋与大气之间的碳交换机制，特别是东部大西洋和地中海地区的二氧化碳通量变化，一项名为ATL2MED的科研任务于2019年10月至2020年7月展开。该任务旨在通过高分辨率的自主观测手段，揭示海洋表层二氧化碳分压（pCO?sw）的时空变化，并评估神经网络预测模型（CANYON-MED）在不同海洋区域的应用效果。ATL2MED采用了Saildrone无人水面航行器（USV）进行数据采集，同时结合固定海洋观测站、水下滑翔机和研究船，构建了一个多平台、高时空分辨率的观测网络，为海洋碳循环研究提供了新的视角。

在数据获取过程中，研究团队克服了多种挑战，如传感器漂移和设备维护。通过多平台数据交叉验证，确保了数据的可靠性。特别是在地中海区域，由于其复杂的海洋动力学和生物地球化学过程，传统观测手段存在显著的局限性，因此需要依赖自主观测系统以弥补这一空白。研究发现，不同区域的pCO?sw和二氧化碳通量存在显著差异，这些差异由多种因素共同驱动，包括物理过程（如海水温度、盐度、混合和环流）、生物过程（如浮游植物光合作用和生物呼吸）以及气体交换的动态变化。例如，在东部大西洋，由于西北非洲沿岸的上升流系统，海水表层二氧化碳分压较高，从而形成二氧化碳源；而在地中海的春季，浮游植物的旺盛生长使得该区域成为二氧化碳汇。相比之下，亚得里亚海的某些区域在特定季节表现出短暂的二氧化碳释放，这与热力分层、河流入海和沿岸上升流等过程密切相关。

研究还强调了高分辨率数据在捕捉海洋碳交换中关键过程的重要性。传统的固定观测站和远程卫星数据在时空分辨率上存在不足，而ATL2MED采用的无人航行器能够实时获取高精度的表层二氧化碳分压数据，揭示了海面与大气之间二氧化碳通量的快速变化。例如，在春季的亚得里亚海北部，由于河流输入带来的营养物质，浮游植物大量繁殖，显著降低了表层二氧化碳分压，形成了一个短暂的二氧化碳汇。这种变化在传统观测手段中往往难以察觉，因此高分辨率观测手段对于理解海洋碳循环的细微变化具有不可替代的价值。

此外，研究团队利用神经网络模型（CANYON-MED）对海洋碳系统变量进行了预测，包括溶解无机碳（DIC）、总碱度（TA）和pH值等。这些模型在地中海地区的应用表明，它们可以有效补充自主观测数据，尤其是在某些区域直接观测手段受限的情况下。尽管CANYON-MED模型在开阔海域表现良好，但在近岸区域，如亚得里亚海，由于复杂的海岸影响（如河流输入和地下水排放），模型的预测结果与实际观测存在一定偏差。这种偏差提醒我们，尽管模型可以提供大尺度的碳通量趋势，但要准确反映局部过程，仍需结合高分辨率的现场观测数据。

在东部大西洋，研究团队观察到多个中尺度和次中尺度涡旋的活动，这些涡旋对二氧化碳通量的变化产生了重要影响。例如，在11月至12月期间，SD 1030和SD 1053穿越了一个小型的逆时针涡旋（Brava涡旋），该涡旋通过将深层富含二氧化碳的水体带到海面，导致二氧化碳通量的显著增加。同时，随着涡旋的消散，二氧化碳通量又出现下降趋势，这与浮游植物的光合作用和水体的垂直混合有关。这种动态变化说明，海洋碳通量并非静态，而是受到多种物理和生物过程的共同调控。

在地中海区域，研究团队记录了显著的季节性变化，特别是在阿尔伯兰海和利古里亚海。春季浮游植物的繁殖使得这些区域的二氧化碳分压显著降低，从而形成二氧化碳汇。然而，在夏季，由于海水温度升高和生物呼吸作用增强，这些区域的二氧化碳通量又转变为二氧化碳源。亚得里亚海的二氧化碳通量变化则呈现出独特的特征，例如在7月初，由于河流输入带来的营养物质，表层二氧化碳分压显著降低，形成了一个短暂的二氧化碳汇。这一现象表明，河流输入对局部海洋碳平衡具有重要影响，尤其是在近岸区域。

研究还揭示了不同海洋区域之间的碳通量差异及其背后的驱动机制。例如，在东部大西洋，二氧化碳通量的变化主要受到温度变化的驱动，而地中海的通量则更多由生物活动和海洋环流共同决定。这种差异强调了在不同区域开展针对性研究的重要性，同时也凸显了多平台观测手段在提高数据质量和空间覆盖范围方面的必要性。此外，研究团队发现，通过结合自主观测和神经网络模型，可以更全面地理解海洋碳通量的变化模式，从而为全球碳循环研究提供更可靠的数据支持。

研究结果还表明，高分辨率观测对于揭示海洋碳通量的细微变化至关重要。例如，在利古里亚海，SD 1030和SD 1053的数据揭示了表层二氧化碳分压的显著波动，这些波动与浮游植物的活动、水体混合和海面风速密切相关。相比之下，传统的观测手段往往无法捕捉到这些快速变化，导致对海洋碳循环的认知存在偏差。因此，高分辨率观测手段的应用，有助于更精确地评估海洋对二氧化碳的吸收和释放能力，为全球碳循环模型的改进提供关键数据支持。

此外，研究还强调了海洋酸化对生态系统的影响。随着海洋吸收更多二氧化碳，海水的pH值逐渐下降，这一变化对海洋生物的生存和繁衍构成了威胁。特别是在地中海这样的高碳排放区域，海洋酸化可能对深水生态系统产生深远影响。研究团队通过分析不同区域的二氧化碳分压和pH值变化，揭示了海洋酸化的区域差异，为评估其对海洋生物多样性的潜在影响提供了重要依据。

ATL2MED任务的成功实施不仅展示了无人水面航行器在海洋碳监测中的潜力，也为未来海洋研究提供了新的方法论支持。在疫情期间，由于人员和船只的限制，传统的海洋观测手段面临挑战，而无人平台则成为填补数据空白的关键工具。通过高分辨率数据和多平台观测的结合，研究团队得以更全面地理解海洋碳通量的变化机制，为全球气候变化研究提供了重要的科学依据。

总之，ATL2MED任务为东部大西洋和地中海地区的海洋碳循环研究提供了宝贵的实测数据，揭示了不同区域的二氧化碳通量变化及其驱动因素。这些发现不仅加深了我们对海洋碳循环机制的理解，也为未来的观测技术和模型预测提供了重要的参考。通过结合高分辨率观测和先进的预测模型，研究团队为全球海洋碳监测和气候变化研究提供了新的思路和方法，强调了在复杂海洋环境中开展多尺度、多平台观测的必要性。