近日，中國(guó)科學(xué)院南海海洋研究所熱帶海洋環(huán)境國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（LTO）海洋模擬與生態(tài)動(dòng)力課題組，在海洋亞中尺度過(guò)程對(duì)生物碳泵效率的影響研究方面取得新進(jìn)展，相關(guān)成果以“Efficient biological carbon export to the mesopelagic ocean induced by submesoscale fronts”為題，發(fā)表在Nature Communications。LTO副研究員郭銘先為第一作者，共同第一作者為自然資源部第二海洋研究所研究員邢小罡，通訊作者為廈門(mén)大學(xué)教授修鵬，廈門(mén)大學(xué)高級(jí)工程師陳蔚芳和教授柴扉、意大利國(guó)家海洋與應(yīng)用地球物理研究所研究員Giorgio Dall’Olmo為共同作者。
海洋中尺度渦旋和亞中尺度動(dòng)力過(guò)程是副熱帶流渦區(qū)營(yíng)養(yǎng)鹽垂向供給的關(guān)鍵途徑。以往的研究表明，中尺度渦和亞中尺度過(guò)程的加強(qiáng)能夠帶來(lái)營(yíng)養(yǎng)鹽的垂向供給，促進(jìn)真光層的初級(jí)生產(chǎn)力。然而，由于在中小尺度上進(jìn)行生物地球化學(xué)過(guò)程的連續(xù)高頻觀測(cè)極具挑戰(zhàn)，目前對(duì)中尺度和亞中尺度等動(dòng)力過(guò)程的碳輸出效應(yīng)依然缺乏明確的認(rèn)識(shí)，這限制了對(duì)副熱帶流渦區(qū)固碳能力的準(zhǔn)確估算。為了解決上述問(wèn)題，團(tuán)隊(duì)利用高頻BGC-Argo的自主觀測(cè)能力克服常規(guī)觀測(cè)的不足，解析了中尺度渦旋和亞中尺度鋒面動(dòng)力演化過(guò)程對(duì)POC輸出通量及垂向傳輸效率的影響，并外推量化了亞中尺度動(dòng)力過(guò)程對(duì)副熱帶流渦區(qū)生物碳泵效率的貢獻(xiàn)。
BGC-Argo經(jīng)歷了氣旋渦的加強(qiáng)和成熟期（圖1a, b），測(cè)得的弱光層POC減小速率在加強(qiáng)期低于成熟期，暗示渦旋加強(qiáng)期POC輸出通量的增加。該通量在真光層底部為1.68 mmol C m-2 d-1, 且馬丁曲線垂向衰減系數(shù)b值為1.14，與北太平洋多年的現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)平均值（POC 通量=1.63 mmol C m-2 d-1, b=1.19）接近（圖1c）。上述結(jié)果表明渦旋在加強(qiáng)期能增加POC的輸出通量，但是，并沒(méi)有增強(qiáng)POC通量在弱光層的傳輸效率。
圖1. 中尺度渦旋加強(qiáng)期弱光層POC通量及其傳輸效率。(a) 渦旋中心和BGC-Argo的連續(xù)軌跡；(b) BGC-Argo在渦內(nèi)相對(duì)位置及海表高度時(shí)間序列；(c) 渦內(nèi)POC通量在弱光層的分布及馬丁曲線擬合結(jié)果。
動(dòng)力診斷揭示亞中尺度鋒面存在加強(qiáng)和衰退期（圖2a, c），通過(guò)分析這兩個(gè)時(shí)期的POC減小速率，得到鋒面加強(qiáng)期POC通量的垂向分布和擬合的馬丁曲線（圖2b）。在鋒面加強(qiáng)期，相對(duì)于氣旋渦，鋒面顯著增強(qiáng)了真光層底部的POC輸出通量，達(dá)到了2.11 mmol C m-2 d-1。此外，馬丁曲線衰減系數(shù)b值為0.56。弱光層底部和真光層底部的POC通量比值（代表輸出效率）在鋒面加強(qiáng)期、渦旋加強(qiáng)期分別為37%、12%，而歷史觀測(cè)平均值為10%。因此，在亞中尺度鋒面加強(qiáng)期內(nèi)，POC通量在弱光層的傳輸效率顯著高于中尺度渦旋和歷史觀測(cè)平均值。亞中尺度過(guò)程通過(guò)增加真光層內(nèi)營(yíng)養(yǎng)鹽的垂向供給，促進(jìn)局地大浮游植物（如硅藻）的生長(zhǎng)，導(dǎo)致較大顆粒物快速沉降（圖2d），可能是其提高POC通量傳輸效率的潛在機(jī)制。除此之外，物理潛沉作用在弱光層的上層對(duì)POC通量傳輸效率的加強(qiáng)也有一定的貢獻(xiàn)。
圖2. 亞中尺度鋒面加強(qiáng)期弱光層POC通量及其傳輸效率。(a) 鋒面上BGC-Argo的連續(xù)軌跡；(b) 鋒面POC通量在弱光層的分布及馬丁曲線擬合結(jié)果；(c) 理查森數(shù)（Ri）的時(shí)間序列; (d) 顆粒物后向散射系數(shù)（bbp）spike的時(shí)間序列。
利用副熱帶流渦區(qū)衰減系數(shù)（b值）的歷史觀測(cè)數(shù)據(jù)與反映鋒面強(qiáng)度的溫度梯度進(jìn)行回歸分析，發(fā)現(xiàn)b值與溫度梯度呈現(xiàn)明顯的負(fù)相關(guān)關(guān)系，表明鋒面強(qiáng)度增強(qiáng)會(huì)引起b值的降低（圖3）。與以往研究經(jīng)常分析的b值與溫度的關(guān)系（主要解釋POC的礦化過(guò)程）有所不同，b值與溫度梯度的關(guān)系可以解釋POC的生產(chǎn)過(guò)程。將此線性關(guān)系擴(kuò)展至副熱帶流渦區(qū)，發(fā)現(xiàn)本研究計(jì)算得到的平均b值與觀測(cè)更為接近。在海盆尺度上的計(jì)算表明，忽略亞中尺度過(guò)程可能造成對(duì)副熱帶流渦區(qū)深海碳通量的低估達(dá)20%~58%。
圖3. 副熱帶流渦區(qū)馬丁曲線衰減系數(shù)（b值）歷史觀測(cè)值和海表溫度梯度的線性回歸關(guān)系。
北太平洋副熱帶流渦區(qū)是全球海洋CO2的主要匯區(qū)之一。目前大部分現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)或數(shù)值模式未考慮海洋亞中尺度過(guò)程的影響，這給副熱帶流渦區(qū)的生物碳泵估算帶來(lái)很大的不確定性。本研究通過(guò)BGC-Argo高頻觀測(cè)捕捉并量化事件性的海洋中小尺度過(guò)程對(duì)局地POC輸出通量和傳輸效率的影響，揭示了亞中尺度動(dòng)力過(guò)程對(duì)副熱帶流渦區(qū)生物碳泵效率的加強(qiáng)作用。副熱帶流渦區(qū)是海洋中小尺度動(dòng)力過(guò)程活躍的區(qū)域，因此，該研究結(jié)果強(qiáng)調(diào)了考慮亞中尺度過(guò)程對(duì)于準(zhǔn)確估算副熱帶流渦區(qū)固碳和儲(chǔ)碳能力的重要性。
該研究獲得國(guó)家自然科學(xué)基金、重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃及廣東省自然科學(xué)基金等項(xiàng)目的聯(lián)合資助。
相關(guān)論文信息：Mingxian Guo, Xiaogang Xing, Peng Xiu, Giorgio Dall’Olmo, Weifang Chen, & Fei Chai. Efficient biological carbon export to the mesopelagic ocean induced by submesoscale fronts. Nature communications, 15, 580 (2024).
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