科研成果
白令海海表pCO2和海-气CO2通量的时空变化研究取得新进展
时间：2024年02月21日
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我所白雁研究员及其合作者在海洋学领域知名期刊Frontiers in Marine Science 发表了题为“Spatial and temporal variations in sea surface pCO2 and air-sea flux of CO2 in the Bering Sea revealed by satellite-based data during 2003–2019”（2003-2019年白令海海表pCO2和海-气通量的时空变化）的研究论文。论文的第一作者为我所的张思琪博士，论文通讯作者为白雁研究员，合作者包括我所何贤强研究员、李腾副研究员、龚芳高级工程师、余舒洁博士、潘德炉院士以及上海交通大学联合培养的博士生江治廷。
白令海是北太平洋海水进入北极的重要通道，了解白令海海-气二氧化碳（CO2）通量的长时间序列变化对全球碳循环研究具有重要的借鉴意义。本研究基于白令海走航海水二氧化碳分压（pCO2）数据和多源卫星数据，利用高斯过程回归（GPR）模型反演了2003-2019年白令海的海水pCO2，估算了相应的海-气CO2通量，并在此基础上分析了海水pCO2和海-气CO2通量的时空分布和主要控制机制。
本研究在利用GPR方法，以6个参数组合作为模型输入参数（XCO2、Chla、SSH、MLD、SST和水深数据）对白令海海水pCO2，进行了反演。经评估数据集验证，在陆架海区反演海水pCO2 的RMSE为23.08 μatm（R2= 0.91），海盆区RMSE为12.56 μatm（R2=0.96）。研究保留了两个覆盖度较大的航次用于独立验证（1424个组观测数据），RMSE为23.49μatm（R2为0.94）（见图 1）。GPR算法可以较好模拟白令海海水pCO2的时空分布特征。
图1 （a）白令海独立验证集获得的GPR算法反演结果与观测数据比较。（b）海盆和（c）陆架
在此基础上，本研究反演了2003-2019年17年间白令海海水pCO2遥感月平均产品，空间分辨率为4km。如图2所示，2003-2019年期间，白令海海水pCO2数值范围是250~450 μatm，呈现出明显的季节和空间变化，虽然，陆架和海盆区域都表现为典型的亚极地pCO2季节变化模式，即夏季海水pCO2较低，冬季和春季海水pCO2较高，但是海盆与陆架区的季节性变化并不同步，陆架海水pCO2季节性下降比海盆区域的早2-3个月，并且在4-9月陆架海水pCO2都保持在较低值。
本研究重建了2003年-2019年白令海海-气CO2通量，其季节变化与海水pCO2的季节变化相似，平均海-气CO2通量约为±0.7 mol m−2 mon-1。整体上从11-次年4月海水向大气释放CO2，并在6-10月成为大气CO2汇。除阿拉斯加沿岸外，陆架则持续表现为大气CO2的汇，并在春季达到最大的CO2吸收量。阿拉斯加沿岸在夏季，特别是6-8月表现为大气CO2的弱源。白令海南部（阿留申群岛沿海）整体呈现为碳源。由于海水pCO2在冬季的缺失，冬季海-气CO2通量数据也存在较多的缺失。
图2 2003-2019年白令海-气候态月平均海面pCO2
图3 2003-2019年白令海-气候态月平均海-气CO2通量
本研究计算了温度对海水pCO2的影响（T(pCO2)），以及所有其他非温度过程对海水pCO2的影响（nonT(pCO2)）（图4）。结果表明，在白令海，非温度效应，包括生物效应、上升流作用和季节性混合共同主导了海水pCO2的时空变化；和具有相反的影响，同时非温度效应比温度效应大~2-4倍，温度效应平均贡献为12.7 μatm，而平均非温度效应为−51.8 μatm。这种差异也证实了前人所提出的温度不是白令海海水pCO2变化的主要控制机制的结论。
图4 2003-2019年白令海-气候态的（a）温度效应和（b）非温度效应对海水pCO2的贡献分布
在大气pCO2持续上升（约2.1 μatm yr−1）的背景下，白令海海盆和陆架的碳源/汇格局向不同方向演化。从2003年到2019年，海盆作为大气CO2的源，海水pCO2呈持续增加趋势（2.8 μatm yr−1）。陆架海区海水pCO2并没有明显的趋势变化，一直保持在<360 μatm的较低值（季节性波动为±63 μatm），其初级生产力较高，是一个重要碳汇。总体来说，白令海总体上可以被视为一个不断增加的碳汇。由于碳酸盐系统的变化，陆架区海水pCO2的季节性振幅也在显著增加，这可能会影响未来白令海的碳汇能力。
论文引用
Zhang S, Bai Y*, He X, Jiang Z, Li T, Gong F, Yu S and Pan D (2023) Spatial and temporal variations in sea surface pCO2 and air-sea flux of CO2 in the Bering Sea revealed by satellite-based data during 2003–2019. Front. Mar. Sci. 10:1099916. doi: 10.3389/fmars.2023.1099916
