南大洋（35°S以南）是全球海洋最重要的碳汇区域，贡献约40%海洋对人为排放CO₂的吸收。这一巨大的碳汇量级得益于南大洋长年持续的风生上升流，高营养盐、高CO₂的环南极深层水涌升至表层并向低纬度开阔大洋运输，刺激生产力并提升碳汇。然而南大洋位于55°S-65°S间的绕极流区域因为上升流的影响，冬季有强烈的碳排放（CO₂ outgassing），这将一定程度削弱南大洋的整体碳汇。由于观测的缺失，其具体机制和量级尚存较大争议和不确定性。

近年来美国领衔的南大洋碳与气候观测和模拟项目（SOCCOM）在南大洋源源不断投入BGC-Argo浮标进行时间序列观测，科学家正逐渐摸索南大洋碳汇的准确量级，Argo最新观测表明南大洋显著偏小的碳汇量级（0.35±0.19 Pg C/yr; Bushinsky et al., 2019）仅为传统船载观测估算量级（1.14±0.19 Pg C/yr）的30%，这无疑激起了广泛的学术界热议和质疑。例如2021年Science曾报道Long等科学家通过大气机载观测CO₂数据证实BGC-Argo漂流浮标观测对南大洋碳汇有所低估，与之类似的观点还包括Mackay and Watson（2021, JGR: Oceans）和Sutton et al（2021, GRL）等。

针对上述科学问题，来自集美大学极地与海洋研究院的吴瀛旭副教授（第一作者）、祁第教授（共同通讯作者）与英国南安普顿大学的Toby Tyrrell教授（共同通讯作者）等人通过分析表层海水溶解气体CO₂和O₂浓度，建立CORS（Carbon and Oxygen Relative to Saturation）示踪手段，并将其应用至南大洋BGC-Argo的数据分析和校验，得出结论认为南大洋高纬度区海表pCO₂被BGC-Argo高估约5.8 μatm，相当于南大洋高纬度区冬季碳排放量被高估约50%。这一发现与基于船载或大气机载观测CO₂的估算基本一致。该研究于2022年4月发表在Nature杂志旗下新刊物Communications Earth & Environment，指出BGC-Argo观测可能存在测定及计算偏差这一致命问题并提出可能的校正方案。

作者使用经过严格评估和校正的高质量全球数据集GLODAPv2.2020绘制了一种新型的CO₂与O₂相对于饱和度不平衡的关系图（CORS图，ΔCO₂ vs ΔO₂），用来研究两种溶解气体的时空分布特征及受控机制。全球各开阔大洋的CORS图谱显示出一些共性，即数据最佳拟合线的斜率为负值（指示生物作用是影响CO₂与O₂分布的主要贡献者），并且拟合线的截距趋于零（指示海气交换平衡是最终状态）（图1）。

图1. 全球开阔大洋各海盆ΔCO₂和ΔO₂的关系。

作者将该创新方法应用至南大洋BGC-Argo观测数据，发现其可以作为一项很有效的数据校验手段。因为海水中溶解CO₂和O₂高度相关且通过生物地球化学过程耦合，任何有悖于分布规律的异常点都会被即刻发现。图2举例展示了CORS对“问题”BGC-Argo数据的识别，与Argo项目组的质控结果基本吻合。除了立即检测到的“问题”数据外，作者还发现CORS分布图中y轴截距与全球参考值（基于GLODAP的y轴截距，图1）相比存在显著差异（图3），通过对现有的高纬度区48个BGC-Argo浮标数据的整合，作者发现BGC-Argo对南大洋冬季碳源强度的高估。

图 2. SOCCOM在南大洋布放的BGC-Argo F9096和F9099的CORS图。圆圈表示质控后的“好”数据，十字表示 “问题”数据。所有“问题”数据都偏离了CORS分布的正常轨迹。

图3. 举例示范部分BGC-Argo的CORS分布图。

随着国际对全球海洋Argo计划（https://www.us-ocb.org/implementation-of-the-global-ocean-biogeochemistry-go-bgc-array-request-for-community-engagement/）的大力支持和推进，未来自动化观测平台和手段会更加普及并用以弥补船载观测的不足（图4），CORS技术将有利于快速检测和诊断数据质量并提供校正建议。

图4. （左）SOCCOM BGC-Argo在南大洋的布放；（右） “雪龙2”破冰船首航南极工作照

参考文献

Bushinsky, S. M., Landschutzer, P., Rodenbeck, C., Gray, A. R., Baker, D., Mazloff, M. R., . . . Sarmiento, J. L. (2019). Reassessing Southern Ocean air-sea CO2 flux estimates with the addition of biogeochemical float observations. Global Biogeochem Cycles, 33(11), 1370-1388. doi:10.1029/2019GB006176

Long, M. C., Stephens, B. B., McKain, K., Sweeney, C., Keeling, R. F., Kort, E. A., . . . Wofsy, S. C. (2021). Strong Southern Ocean carbon uptake evident in airborne observations. Science, 374(6572), 1275-1280. doi:10.1126/science.abi4355

Mackay, N., & Watson, A. (2021). Winter air-sea CO2 fluxes constructed from summer observations of the Polar Southern Ocean suggest weak outgassing. Journal of Geophysical Research: Oceans, e2020JC016600. doi:10.1029/2020JC016600

Sutton, A. J., Williams, N. L., & Tilbrook, B. (2021). Constraining Southern Ocean CO2 Flux Uncertainty Using Uncrewed Surface Vehicle Observations. Geophysical Research Letters, 48(3), e2020GL091748. doi:10.1029/2020GL091748

Wu, Y., Bakker, D., Achterberg, E., … Qi. D., Tyrrell. T. (2022). Integrated analysis of carbon dioxide and oxygen concentrations as a quality control of ocean float data. Communications Earth & Environment, doi: 10.1038/s43247-022-00421-w

论文链接：https://www.nature.com/articles/s43247-022-00421-w

研究团队及资助：

集美大学是我国极地考察重要的支撑单位，于2017年获得极地考察先进单位称号，集美大学极地与海洋研究院组建于2021年。团队的研究定位基础前沿科研，以极地海洋碳汇研究为主要特色，具备国际合作视野。本论文由集美大学、英国南安普顿大学、英国国家海洋研究中心（NOCS）、东英吉利亚大学（UEA）、德国GEOMAR研究所合作完成，得到国家重点研发（2019YFE0114800、2019YFC1509100）、国家自然科学基金（42106222）、福建省自然科学基金（2020J05075）、中科院海洋大科学研究中心重点部署项目（COMS2020Q12）的资助，并得到国家海洋局极地考察办公室、中国极地研究中心大力支持。