全球变暖下海洋 CO2吸收 “空洞” 的出现：区域碳循环变化与潜在影响

　　为探究海洋对人为 CO₂排放的响应，研究人员利用社区地球系统模型（CESM2）开展不同 CO₂排放率实验。发现亚极地北大西洋（SPNA）海洋 CO₂吸收显著减弱，出现 “CO₂吸收空洞”，这对区域 CO₂减排策略具有重要意义。

　　在全球气候变暖的大背景下，人类活动排放的二氧化碳（CO₂）数量急剧增加。海洋作为重要的 CO₂“汇”，吸收了约 30% 的人为排放 CO₂ ，在调节全球气候方面发挥着关键作用。然而，海洋对 CO₂的吸收能力并非一成不变，不同海域的吸收情况差异明显。以往研究表明，在全球变暖的趋势下，部分海洋区域的 CO₂吸收能力有所增强，比如热带和南大洋；但北大西洋（NA）的情况却较为特殊，其 CO₂吸收的未来变化存在诸多不确定性。目前，地球系统模型（ESMs）对海洋 CO₂吸收的预测大多基于线性响应，但实际情况可能更为复杂。此外，北大西洋的深海对流和区域碳循环与全球气候系统紧密相连，全球变暖对这些过程的影响尚不明确，这使得深入了解海洋碳循环的变化机制变得尤为迫切。

为了深入探究这些问题，首尔国立大学地球与环境科学学院等机构的研究人员开展了相关研究。研究成果发表在《Nature Communications》上。

研究人员利用社区地球系统模型（CESM2），设计了不同 CO₂排放率（ER）的理想化模拟实验，包括 ER1.5、ER1.0 和 ER0.5 三种情景。同时，为确保研究结果的可靠性，研究人员还分析了 17 个耦合模式比较计划第六阶段（CMIP6）的模型数据。

海洋碳循环在变暖情景下的变化

随着人为 CO₂排放率的增加，大气中 CO₂浓度呈指数上升。在不同排放情景下，全球海气 CO₂通量显著吸收了大气中多余的 CO₂，并在实验后期达到准稳态。从空间分布来看，全球 CO₂吸收主要受南大洋和热带地区的影响，这些区域的海冰减少、西风增强以及赤道信风减弱等因素，都为吸收大气 CO₂创造了有利条件。然而，亚极地北大西洋（SPNA）却表现出与全球趋势不同的变化，其海气 CO₂通量呈强正变化，意味着该区域的 CO₂吸收能力相较于初始阶段有所下降。在不同排放率情景下，SPNA 的 CO₂吸收峰值出现时间不同，之后便开始减少海气 CO₂通量变化，出现明显的异常释气现象，研究人员将这种现象称为 “CO₂吸收空洞”。通过对 CMIP6 多模型均值的分析发现，尽管存在一定的不确定性，但不同模型在 SPNA 区域的 CO₂通量变化特征上具有相似性，这表明 “CO₂吸收空洞” 现象具有一定的稳健性。

SPNA 区域 pCO₂^ocn变化的贡献

海气 CO₂通量主要与海洋（pCO₂^ocn）和大气（pCO₂）之间的 CO₂分压差异（dpCO₂）成正比。研究发现，SPNA 区域的 pCO₂^ocn增长速度比其他海洋区域更快，导致 dpCO₂大幅减小，进而削弱了该区域海洋对 CO₂的吸收能力。通过对海洋 pCO₂变化（ΔpCO₂^ocn）进行一阶泰勒级数展开分析，研究人员发现海表面温度（SST）、表面总碱度（ALK）和淡水（FW）的变化对 SPNA 区域 ΔpCO₂^ocn的增加起到抑制作用，而表面溶解无机碳（DIC）则是促使 ΔpCO₂^ocn增加的主要驱动因素。特别是在海气 CO₂通量反弹时间附近，DIC 的贡献加速增加，这表明 SPNA 区域 DIC 的加速积累是 “CO₂吸收空洞” 出现的关键原因。

海气 CO₂通量反转的潜在机制

在 SPNA 区域，DIC 的积累速度超过其来源，暗示存在独特的过程。大西洋经向翻转环流（AMOC）在全球变暖的影响下持续减弱，使得亚热带贫 DIC 的海水输送减少，从而导致区域 DIC 积累增加。研究发现，海气 CO₂通量对 AMOC 变化呈现非线性关系，当 AMOC 达到一定阈值时，“CO₂吸收空洞” 就会出现。但在 “CO₂吸收空洞” 出现时，AMOC 的强度距离其永久崩溃仍有较大差距，这表明 AMOC 在调节 “CO₂吸收空洞” 方面起到间接作用。除了 AMOC，拉布拉多 - 伊尔明厄海（Lab - Irm）的深海对流崩溃对 “CO₂吸收空洞” 的形成也至关重要。随着全球变暖，Lab - Irm 的混合层深度（MLD）持续减小，当 MLD 接近 200 米时，可视为深海对流停止。此时，上层海洋与深层海洋之间的混合不再活跃，DIC 在 0 - 200 米的上层海洋中迅速积累，进而影响 CO₂的吸收。无论是在 CESM2 实验还是 CMIP6 模型中，都发现 Lab - Irm MLD 的崩溃与海气 CO₂通量的反弹时间一致，这突出了这一动态反馈机制的重要性。

“CO₂吸收空洞” 出现的潜在指标

表面 DIC 浓度与海气 CO₂通量之间也存在非线性关系，当表面 DIC 浓度达到 2200 - 2250 mmol/m3 左右时，海气 CO₂通量开始下降，因此这个浓度值可作为 “CO₂吸收空洞” 出现的阈值。综合来看，化学环境（如 DIC）、区域海洋动力学（如 MLD）和大尺度动力学（如 AMOC）共同与 SPNA 区域的 “CO₂吸收空洞” 建立了非线性关系。通过对比模型预测的阈值与当前观测数据，可以估算 “CO₂吸收空洞” 出现的剩余时间。尽管不同模型的阈值点存在差异，但整体上这些指标都能为预测 SPNA 区域的异常释气现象提供有价值的信息。

研究表明，无论 CO₂排放率如何，SPNA 区域的海气 CO₂通量都呈现出明显的非线性演变，与其他海洋区域不同。该区域的 pCO₂相较于全球平均水平显著升高，主要是由于上层海洋中 DIC 的快速积累。“CO₂吸收空洞” 的出现与 Lab - Irm 深海对流的收缩在时间上相吻合，且这种现象似乎与排放率和模型配置无关。确定 “CO₂吸收空洞” 出现的阈值，如表面 DIC 浓度、AMOC 强度和 Lab - Irm MLD 等，有助于预测其出现的可能性，为评估当前气候系统状态提供重要参考。

此外，当前气候模型对北大西洋未来变化的预测存在一定局限性，实际的 AMOC 可能比模型模拟的更不稳定，Lab - Irm MLD 的变化对碳循环的影响也十分复杂。因此，持续的观测对于全面了解当前碳循环动态、评估 “CO₂吸收空洞” 的潜在影响至关重要。该研究结果为区域碳减排策略的制定提供了重要参考，比如在海洋碱度增强（OAE）等碳去除方法的应用中，需要考虑区域动力学变化带来的影响，这对于合理规划和实施碳减排措施具有重要的指导意义。

研究人员主要运用了以下关键技术方法：首先，利用社区地球系统模型（CESM2）进行不同 CO₂排放率的理想化模拟实验；其次，分析 17 个耦合模式比较计划第六阶段（CMIP6）的模型数据，以验证研究结果的稳健性；最后，采用一阶泰勒级数展开方法，对海洋 pCO₂变化的影响因素进行分解分析。

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