首创的分析揭示了风暴在南大洋海气碳交换中的重要性
海洋对天气和气候有着重大影响。科学家估计，海洋吸收了人类活动释放到大气中的 90% 以上的热量和 25% 的过量碳。随着气候危机愈发严峻，我们越来越迫切地需要了解大气与海洋之间的碳交换，特别是南大洋，我们认为近一半的碳吸收发生在那里。
来自南大洋碳和气候观测和建模 (SOCCOM) 项目的 MBARI 科学家与美国国家大气研究中心 (NCAR) 以及来自魁北克大学蒙特利尔分校、美国国家海洋和大气管理局、南大洋碳和气候观测站和亚利桑那大学的研究团队合作，利用来自生物地球化学剖面浮标网络的数据，提供有关风暴如何影响海洋吸收二氧化碳能力的重要信息。
研究团队在《npj 气候与大气科学》杂志最近发表的一篇研究论文中分享了他们的研究成果。他们的工作将使研究人员能够更好地模拟未来海洋和气候的变化。
“南大洋在地球气候中扮演着重要的角色。这个偏远地区从大气中吸收了大量的二氧化碳。随着气候危机的加剧，我们需要了解南大洋到底吸收了多少碳。
“通过使用剖面浮标的数据，我们了解到风暴会改变南大洋气海碳交换的平衡，从而引发碳的释放，”该研究的主要作者、MBARI 研究助理马格达莱娜·卡兰萨说。
大气与海洋紧密相连。在海洋表面，二氧化碳在大气与深海之间涨落。海洋中的二氧化碳通过化学反应或海洋生物的生物学作用发生各种变化，并随着海洋环流和湍流而移动。
在某些情况下，二氧化碳也可能被释放回大气，这一过程称为排气。了解碳如何在海洋和大气之间流动对于模拟海洋吸收碳的能力和预测未来气候变化的影响至关重要。
海洋和其中的微生物是我们对抗气候变化的无名盟友。在工业时代，海洋吸收了人类活动排放的 25% 以上的二氧化碳，为我们缓解了气候变化的影响。从历史上看，南大洋（环绕南极洲的寒冷水域）一直被认为是二氧化碳的主要吸收池。
由于南大洋环境恶劣，传统的用船测量海洋状况的方法很少见。船还会避开风暴，因此无法记录风暴的影响。
然而，建模研究表明，这一偏远地区在地球的碳和气候循环中发挥着重要作用。气候模型表明，南大洋约占人类产生的海洋二氧化碳吸收量的 40%。
SOCCOM 项目于 2014 年启动，旨在在南大洋部署一系列机器人浮标和先进的化学传感器。SOCCOM 设在普林斯顿大学，是一个多机构项目，致力于揭开南大洋的奥秘并确定其对气候的影响。
SOCCOM项目下开展的尖端生物地球化学观测和建模将帮助研究人员更好地了解南大洋的内部运作及其对地球气候的影响。
SOCCOM 的剖面浮标网络不断记录有关南大洋的数据。生物地球化学 (BGC) Argo 浮标穿越水柱，在所有天气条件下（包括暴风雨）每 10 天收集一次重要观测数据。
至关重要的是，BGC Argo 浮标可以使用 MBARI 科学家开发的 pH 传感器测量海洋酸度。通过测量海洋酸度，研究人员可以估算海洋的碳含量并推断出空气与海洋的二氧化碳交换。
BGC Argo 浮标的最新观测表明，南大洋在冬季向大气释放的二氧化碳可能比之前预想的要多。SOCCOM 浮标阵列的数据显示，南极洲较高纬度地区存在强烈的季节性排气现象，这让人对南大洋碳汇的强度产生怀疑。
卡兰萨和 SOCCOM 的合作者调查了从风暴的角度汇总的浮标数据是否可以揭示风暴驱动的南大洋碳交换的见解。
全年，南大洋经常会遭遇风暴。平均而言，该地区的任何一个地方每周都会遭遇一次风暴，强风会持续数天。风暴会影响海洋表面的二氧化碳交换。强风会混合表层水，将更深、更冷的水从下方吹向表面。
较冷的水域可以吸收更多的碳，但较深的水域已经比地表水域含有更多来自有机物再矿化而溶解的碳——这些相互竞争的力量如何影响空气与海洋的碳交换？
对SOCCOM浮标网络观测数据的首次分析表明，风暴会引发南大洋二氧化碳的释放。
大气再分析将过去的观测结果与模型相结合，对观测到的天气和气候（包括风暴）进行详细描述。它们用于驱动海洋模型，使研究人员能够研究海洋和大气之间碳交换的历史。
研究小组还利用大气再分析来识别和追踪风暴。将大气风暴数据与 BGC Argo 浮标收集的海洋状况数据配对，可以对风暴期间和风暴过后记录的海洋-大气碳交换进行观测估计。
风暴识别和跟踪在大气科学中更常用来研究风暴如何影响热量、湿度、降雨模式和其他气象条件，但这种分析尚未广泛应用于海洋学研究。事实上，这项研究是首次使用这种分析来研究风暴期间南大洋的海洋动力学。
具有生物地球化学的海洋模型可以预测风暴如何影响上层海洋的碳路径以及海气碳交换。但是，SOCCOM 浮标阵列对风暴附近海洋状况的综合观测使研究人员能够探测到风暴过后深海向大气中释放的天然二氧化碳。目前强制进行大气再分析的海洋模型无法很好地反映风暴排气。
在风暴期间，南大洋会释放部分储存的碳，因为富含碳的水会上升到表面，并通过强风引起的湍流混入上层海洋。风暴过后一天内，气体释放量最高。从观测推断出的气体释放量大于强制海洋模型的预期。
“风暴混合了水柱，对海气碳交换产生了直接和长期影响。我们了解到，净影响是将海洋中封存的碳释放回大气中，”卡兰萨说。
“这项工作有助于填补我们对南大洋碳通量的理解空白。我们能够量化风暴对年度交换的贡献。事实证明，风暴在观测中发挥着重要作用，约占年度通量的 25%，但在强制海洋模型中，它们的影响被大大低估了。
“由于南大洋风暴频发，这可能会改变该地区对年度净碳吸收贡献的当前估计。海洋模型需要更好地体现风暴的影响，以减少未来气候预测的不确定性。”
这项研究凸显了机器人技术作为评估和追踪海洋碳的重要工具的价值。模型依赖于数据进行验证——单靠海洋模型无法完全代表风暴对南大洋碳交换的强烈影响。
来自 SOCCOM 的 BGC Argo 浮标网络的真实观测可以帮助我们提高对空气-海洋碳交换的了解，从而建立更好的模型，更准确地预测海洋如何变化。
部署先进技术并维持南大洋和世界各地的 BGC Argo 浮标阵列对于了解不断变化的海洋和未来气候至关重要。
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