近日，中國科學(xué)院南海海洋研究所熱帶海洋環(huán)境國家重點實驗室（LTO）海洋模擬與生態(tài)動力課題組，在海洋亞中尺度過程對生物碳泵效率的影響研究方面取得新進展，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，通訊作者為廈門大學(xué)教授修鵬，廈門大學(xué)高級工程師陳蔚芳和教授柴扉、意大利國家海洋與應(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力過程是副熱帶流渦區(qū)營養(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程的加強能夠帶來營養(yǎng)鹽的垂向供給，促進真光層的初級生產(chǎn)力。然而，由于在中小尺度上進行生物地球化學(xué)過程的連續(xù)高頻觀測極具挑戰(zhàn)，目前對中尺度和亞中尺度等動力過程的碳輸出效應(yīng)依然缺乏明確的認識，這限制了對副熱帶流渦區(qū)固碳能力的準(zhǔn)確估算。為了解決上述問題，團隊利用高頻BGC-Argo的自主觀測能力克服常規(guī)觀測的不足，解析了中尺度渦旋和亞中尺度鋒面動力演化過程對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力過程對副熱帶流渦區(qū)生物碳泵效率的貢獻。
BGC-Argo經(jīng)歷了氣旋渦的加強和成熟期（圖1a, b），測得的弱光層POC減小速率在加強期低于成熟期，暗示渦旋加強期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)場觀測平均值（POC 通量=1.63 mmol C m-2 d-1, b=1.19）接近（圖1c）。上述結(jié)果表明渦旋在加強期能增加POC的輸出通量，但是，并沒有增強POC通量在弱光層的傳輸效率。
圖1. 中尺度渦旋加強期弱光層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)相對位置及海表高度時間序列；(c) 渦內(nèi)POC通量在弱光層的分布及馬丁曲線擬合結(jié)果。
動力診斷揭示亞中尺度鋒面存在加強和衰退期（圖2a, c），通過分析這兩個時期的POC減小速率，得到鋒面加強期POC通量的垂向分布和擬合的馬丁曲線（圖2b）。在鋒面加強期，相對于氣旋渦，鋒面顯著增強了真光層底部的POC輸出通量，達到了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）在鋒面加強期、渦旋加強期分別為37%、12%，而歷史觀測平均值為10%。因此，在亞中尺度鋒面加強期內(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平均值。亞中尺度過程通過增加真光層內(nèi)營養(yǎng)鹽的垂向供給，促進局地大浮游植物（如硅藻）的生長，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制。除此之外，物理潛沉作用在弱光層的上層對POC通量傳輸效率的加強也有一定的貢獻。
圖2. 亞中尺度鋒面加強期弱光層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）的時間序列; (d) 顆粒物后向散射系數(shù)（bbp）spike的時間序列。
利用副熱帶流渦區(qū)衰減系數(shù)（b值）的歷史觀測數(shù)據(jù)與反映鋒面強度的溫度梯度進行回歸分析，發(fā)現(xiàn)b值與溫度梯度呈現(xiàn)明顯的負相關(guān)關(guān)系，表明鋒面強度增強會引起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)過程。將此線性關(guān)系擴展至副熱帶流渦區(qū)，發(fā)現(xiàn)本研究計算得到的平均b值與觀測更為接近。在海盆尺度上的計算表明，忽略亞中尺度過程可能造成對副熱帶流渦區(qū)深海碳通量的低估達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)場觀測或數(shù)值模式未考慮海洋亞中尺度過程的影響，這給副熱帶流渦區(qū)的生物碳泵估算帶來很大的不確定性。本研究通過BGC-Argo高頻觀測捕捉并量化事件性的海洋中小尺度過程對局地POC輸出通量和傳輸效率的影響，揭示了亞中尺度動力過程對副熱帶流渦區(qū)生物碳泵效率的加強作用。副熱帶流渦區(qū)是海洋中小尺度動力過程活躍的區(qū)域，因此，該研究結(jié)果強調(diào)了考慮亞中尺度過程對于準(zhǔn)確估算副熱帶流渦區(qū)固碳和儲碳能力的重要性。
該研究獲得國家自然科學(xué)基金、重點研發(fā)計劃及廣東省自然科學(xué)基金等項目的聯(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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