宋金明，曲寶曉，李學剛，袁華茂，段麗琴

（1. 中國科學院 海洋生態(tài)與環(huán)境科學重點實驗室，山東 青島 266071；2. 中國科學院大學，北京 100049；3. 中國科學院 海洋大科學研究中心，山東 青島 266071；4. 嶗山實驗室 海洋生態(tài)與環(huán)境科學功能實驗室，山東 青島 266237）

氣候變化是21世紀人類面臨的最嚴峻挑戰(zhàn)之一，關(guān)乎全人類的生存與發(fā)展。近代研究認為，氣候變化的主要驅(qū)動在于全球變暖，而造成全球變暖的原因則是人類活動排放的溫室氣體所產(chǎn)生的溫室效應(yīng)，這其中絕大部分來自于化石燃料燃燒所產(chǎn)生的CO2。因此，如何應(yīng)對日益增多的CO2，帶領(lǐng)人類走出氣候變化困局，成為當今世界亟待解決的重大問題。

海洋作為一個巨大的碳酸鹽緩沖體系，占據(jù)了地球表面積的71%，同時也是地球上規(guī)模最大的活性碳庫。自工業(yè)革命以來，海洋持續(xù)地從大氣中吸收CO2，其中包括超過五分之一的人為排放CO2，顯著調(diào)節(jié)了大氣CO2含量，有效緩解了溫室效應(yīng)（Sabine et al, 2004; Gruber et al, 2009），成為應(yīng)對氣候變化的“調(diào)節(jié)器”。碳是構(gòu)成生命體的主要元素，而海洋被譽為地球生命的搖籃，因此海洋碳循環(huán)一直深受人們的廣泛關(guān)注。自20世紀初開始，國際科學界就對海洋CO2系統(tǒng)進行了深入的探究，迄今已持續(xù)了超過百年。海洋碳循環(huán)目前已經(jīng)發(fā)展成為一門自然與人文相互融合、多領(lǐng)域技術(shù)深入交叉的綜合性學科。

由于海洋在吸收大氣CO2方面存在巨大潛力，海洋碳匯因此成為碳循環(huán)研究中最重要的方向之一。進入21世紀，人類社會在飛速發(fā)展的同時，氣候變化所引發(fā)的糧食危機和能源短缺一直是懸在人類頭頂?shù)摹斑_摩克利斯之劍”。氣候變化既然因CO2而生，也應(yīng)因CO2而解——在“人類命運共同體”的框架下實施“碳中和”戰(zhàn)略正是應(yīng)對氣候變化的必由之路, 而海洋碳匯恰是實現(xiàn)“碳中和”的重要途徑。本文將追尋海洋碳匯研究的發(fā)展脈絡(luò)，系統(tǒng)梳理海洋碳匯的觀測技術(shù)與評估方法，全面總結(jié)碳匯研究的發(fā)展動態(tài)，并對未來海洋碳匯所扮演的新角色進行科學展望。

1 海洋碳匯概念

想要發(fā)揮海洋碳匯的重要作用以應(yīng)對氣候變化，首先需要明確何謂海洋碳匯。簡而言之，海洋碳匯是指海洋對CO2的吸收作用，或者具體化為能夠吸收CO2的海域。實際上在面對不同的對象與問題時，研究者大都會對海洋碳匯的時空內(nèi)涵進行更加具體的設(shè)定與解釋。從空間上來說，海洋與大氣具有最廣闊的接觸面積，而且人為活動所排放的CO2首先進入的就是大氣。因此，海洋碳匯最顯而易見的情況就是海洋通過海氣界面這一平面對大氣CO2所產(chǎn)生的吸收作用。而當需要涉及完整的區(qū)域或全球地球系統(tǒng)時，海洋碳匯就成為了一個立體的概念，不僅包括海氣界面處的碳吸收，還應(yīng)包括發(fā)生在河口、海岸帶和濱海濕地等生態(tài)系統(tǒng)的CO2吸收、沉降、埋藏等過程——雖然這些過程的量級可能相對海氣碳通量較小，但效率更高且更易施加人為干預(yù)。從時間角度來說，海洋對CO2的吸收可以是短期的，即CO2被吸收、固定后又很快重新分解、釋放，進入新的物質(zhì)循環(huán)過程中；也可以是長期的，即在相當長的時間內(nèi)被吸收的CO2將不再回到地表圈層參與活躍的碳循環(huán)。從調(diào)節(jié)溫室氣體、減緩溫室效應(yīng)的效果來說，短期的碳匯僅為“表觀”的碳匯，最終效果不大，長期的碳匯才是“實際”的碳匯，能夠?qū)夂蜃兓a(chǎn)生積極作用（宋金明, 2003）。

2 海洋碳匯的一般過程

雖然海洋碳匯具有廣泛而豐富的內(nèi)涵，但縱觀海洋碳循環(huán)研究的發(fā)展歷程，海氣界面處的海洋碳匯在研究的深度與廣度上都占據(jù)了絕對地位。這主要是由于大氣本身是溫室氣體駐留的最大儲庫，海洋發(fā)揮“氣候變化調(diào)節(jié)器”功能的關(guān)鍵在于能否從大氣中不斷移除CO2，因此海氣界面處的海洋碳匯具有最為顯著的現(xiàn)實意義。本節(jié)將在海氣交換的框架下簡要介紹海洋碳匯的一般過程。

大氣中的CO2氣體進入海洋首先是一個物理擴散過程，經(jīng)典的擴散模型將海氣界面劃分為氣相膜與液相膜兩層（Liss et al, 1974），海氣界面間的氣體傳輸過程主要就發(fā)生在這兩相膜中。該模型設(shè)定CO2在大氣與海水的主體中皆處于混合均勻狀態(tài)，而只在海氣界面10～100 μm厚度的氣相膜與液相膜中存在濃度梯度；兩相膜間的氣體傳輸過程僅與分子擴散有關(guān)，任何其他因素對CO2濃度的影響均遠小于分子擴散所產(chǎn)生的影響。根據(jù)Fick第一定律，海氣界面間氣體交換通量由膜兩側(cè)的濃度梯度及交換系數(shù)決定：

式中：F為界面間的氣體通量；D為氣體在液相中的分子擴散系數(shù)；?c/?z為兩相膜間的氣體濃度梯度。具體到海氣界面間的CO2交換通量，可用下式表述：

式中：k為CO2氣體在海氣界面間的傳輸速率；αs為CO2氣體在海水中的溶解度；p(CO2air)為大氣中CO2的分壓；p(CO2sea)為表層海水中CO2的分壓。按照海洋化學的表達習慣，若式（2）中F為負值，表示CO2由大氣進入海洋；若F為正值，則表示CO2由海洋進入大氣（宋金明, 2003）。CO2進入海水環(huán)境后還可發(fā)生一系列化學反應(yīng)，具體可總結(jié)為下式：

除海水CO2分壓外，認識海洋碳匯的一般過程還需了解海洋碳循環(huán)過程中的其他3個關(guān)鍵參數(shù)：溶解無機碳、總堿度和pH。式（3）中CO2(aq)、H2CO3、和的總和稱為總?cè)芙鉄o機碳或溶解無機碳（Dissolved Inorganic Carbon, DIC）（μmol/kg），可通過下式表示：

海水pH即為海水中氫離子（H+）活度的負對數(shù)（－lgαH+），通常情況下活度可近似為濃度：

根據(jù)熱力學平衡關(guān)系，以上的p(CO2)、DIC、TAlk和pH可以在已知任意2個參數(shù)的條件下，求解出其他2個參數(shù)（Millero, 1995; Orr et al, 2018），這為海洋碳循環(huán)及碳匯研究提供了便利。

3 海洋碳匯的觀測與估算

從1827年約瑟夫·傅里葉（Joseph Fourier）最早對溫室效應(yīng)的物理過程開展研究（Fourier, 1827），到1975年華萊士·布洛克（Wallace Broecker）在科學論文中首次提出“全球變暖”（Broecker, 1975），直至2021年真鍋淑郎（Syukuro Manabe）因“可靠地預(yù)測CO2增加而導(dǎo)致的全球變暖”而獲得諾貝爾獎（林巖鑾, 2022），氣候變化跨越了2個百年并最終得到了科學界的認同。在這個大的背景之下，海洋碳匯研究經(jīng)歷了長足的發(fā)展，從最初的“邊緣”轉(zhuǎn)而成為了全球碳循環(huán)研究的“核心”之一。在不同的研究階段，氣候?qū)W家和海洋學家等在各自領(lǐng)域?qū)Ｑ筇紖R進行了深入的探索，創(chuàng)建了豐富的觀測技術(shù)與模擬手段，本節(jié)將總結(jié)其中一系列里程碑式的重要進展。

3.1 基于碳同位素的海氣碳通量估算

自18世紀中葉工業(yè)革命開始，日益顯著的人為活動不斷消耗化石能源，向大氣釋放了巨量的CO2。英國學者Callendar（1938）通過分析大氣中CO2含量的變化，指出從1880到1930年的半個世紀里已經(jīng)有累計1500億t CO2被釋放進入大氣，并且有3/4最終保留在了大氣里。然而這一結(jié)果受到了廣泛爭議，因為當時CO2的測定數(shù)據(jù)還很不準確，而且當時北半球的平均氣溫是逐年下降的——并沒有因為設(shè)想中的溫室效應(yīng)而升高。因此CO2進入大氣后的去向問題引起了科學界的重視。

受益于14C測定技術(shù)的開創(chuàng)與發(fā)展，美國學者Craig（1954）首先測定了大氣與海洋樣品中的14C等信號，發(fā)現(xiàn)大氣中14C每年增速約為5%，而全球海洋混合層的平均降速為0.08%。在假定大氣與海洋混合層的碳交換是一階穩(wěn)態(tài)過程的情況下，根據(jù)當時的觀測資料（設(shè)定大氣中CO2含量為23500億t，海氣間的交換速率為0.14）估算出海氣間的年均碳交換通量約為900億t（本文碳通量按照研究慣例以C計，下文同），這應(yīng)該是對海洋碳匯的最早估計。雖然這一結(jié)果遠高于現(xiàn)在廣泛接受的海氣碳通量（Takahashi et al, 2009），但在當時卻極大緩解了科學界對大氣CO2升高的擔憂——因為據(jù)估算到20世紀50年代末人為活動累計向大氣排放碳約1000億t（Revelle et al, 1957），海洋完全有潛力將大部分CO2吸收。鑒于20世紀50年代之前，氣候變化與全球變暖等學術(shù)觀點尚在醞釀之中，科學界對海洋碳匯的意義自然也不清楚，因此Craig開創(chuàng)的利用放射性14C估算海氣碳交換通量的方法在當時沒有獲得進一步深化。

隨著人類活動在氣候變化進程中留下的印記越來越強，科學家發(fā)現(xiàn)化石能源燃燒后產(chǎn)生的CO2會使得大氣CO2中的14C偏低，即“蘇斯效應(yīng)”（Suess Effect）（Suess, 1955）。這是由于地球上的自然14C僅來自于宇宙射線：由一個中子替換了14N中的一個質(zhì)子而產(chǎn)生一個14C。植物通過光合作用攝入大氣中的14C，而經(jīng)過幾千萬年乃至幾億年成為化石能源之后，這些14C大部分已衰變殆盡（14C半衰期為5730 a）。Keeling（1979）將蘇斯效應(yīng)進行了拓展：由于植物會優(yōu)先利用較輕的12C，因而化石能源燃燒后產(chǎn)生的CO2還會使得大氣CO2中的13C偏低。以“蘇斯效應(yīng)”為理論基礎(chǔ)，利用13C估算海洋碳匯的方法逐步建立了起來。Quay等（1992）首先利用大氣CO2總量、δ13C和海水溶解無機碳的δ13C，嘗試估算出1970年至1990年間全球海洋碳匯的年均值為21億t，約占人為碳排放的41%，遠高于陸地碳匯。在此基礎(chǔ)上Tans等（1993）重新梳理并完善了技術(shù)框架，總結(jié)出利用13C估算海洋碳匯的2種思路：即海氣13C/12C不平衡法和海洋δ13C清單法，兩者分別從大氣和海洋的角度解決海氣碳交換問題。利用13C估算海洋碳匯的優(yōu)勢在于δ13C檢測上的高“信噪比”和海洋對13C吸收的穩(wěn)定性，然而這一方法需要全球范圍的大規(guī)模觀測，同時要配備同位素質(zhì)譜等大型精密儀器，人力物力耗費較大，因而僅在20世紀70年代開展的 GEOSECS（Geochemical Ocean Sections Study）計劃期間得到了一定范圍的關(guān)注（Craig, 1972）。不僅如此，由于在對陸源/海源有機碳庫的表征上存在較大難度，因而使得利用13C估算海洋碳匯具有較大的不確定性。

3.2 大氣氧收支反演海洋碳匯

由于人為碳排放（主要為化石能源燃燒、土地性質(zhì)改變和水泥生產(chǎn)等過程）需要伴隨O2的大量消耗，而陸地生態(tài)系統(tǒng)（主要有森林和草場等類型）在光合固碳的同時卻能夠產(chǎn)生O2，因此在精確統(tǒng)計人為碳排放的前提下，可通過追蹤大氣O2含量的組成變化，反演陸地和海洋碳匯（Keeling et al,1992, 1996）。具體理論和方法為：首先，利用標準化后的O2/N2作為大氣O2含量變化的參數(shù)；同時假定僅有化石能源燃燒ffuel和陸地光合作用fland兩個過程對大氣O2含量的變化產(chǎn)生影響，忽略海洋對大氣O2含量的影響；大氣中CO2含量的變化主要受化石能源燃燒、水泥生產(chǎn)fcement、陸地光合作用和海洋碳匯focean四個過程的控制：

最終陸地和海洋碳匯的估算分別通過下式獲得：

利用氧收支的方法反演海洋碳匯需要對大氣O2和CO2含量進行長時間的觀測，同時需要全面統(tǒng)計并核算不同人為活動產(chǎn)生的碳排放。經(jīng)過原始數(shù)據(jù)的積累與總結(jié)，該方法在20世紀90年代產(chǎn)出了一系列成果。Keeling等（1996）首先提出海洋碳匯約占化石能源碳排放的30%，與陸地碳匯相當，而Battle等（2000）的研究則進一步明確了海洋碳匯的量級在年均20億t左右，而且要稍高于陸地碳匯。

以上這些早期的基于大氣氧收支的海洋碳匯反演研究由于受條件所限，往往不得不忽略海洋對大氣O2含量的影響。但隨著后續(xù)研究的不斷深入，發(fā)現(xiàn)這一過程已經(jīng)成為了影響海洋碳匯估算的主要不確定因素之一。在這種背景下，深入探索海氣間氧交換通量的時空變率成為準確反演海洋碳匯的重要保障（圖1）。

圖1 全球大氣 O2 與 CO2含量在1990年至2015年期間異常的關(guān)系Fig. 1 Diagram of the global annual atmospheric O2 versus CO2 anomaly during the years from 1990 to 2015

Li等（2022）利用國際耦合模式比較計劃第六階段（Coupled Model Intercomparison Project Phase 6，CMIP6）的模式數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)從19世紀80年代中期開始，全球海氣氧通量呈現(xiàn)出非常明顯的上升趨勢（約1.49 Tmol/a2）。這種增暖導(dǎo)致的上升趨勢與海洋氣候模態(tài)主導(dǎo)的年代際振蕩共同作用，最終形成了海氣氧通量的時間變化序列。于是對基于氧收支的海洋和陸地的碳匯估算進行了訂正：1900年至2000年間，海洋和陸地的年均碳匯通量分別為21億t和11億t，與全球碳計劃（Global Carbon Project，GCP）的結(jié)果基本相符。海洋和陸地對于碳的吸收在2000年后有著加強的跡象，這反映了碳循環(huán)對人類活動不斷增強的響應(yīng)。

3.3 基于表層海水p(CO2)估算海氣碳交換格局

早在19世紀末開展的海洋調(diào)查實踐中，科學家就對海水中的溶解氣體進行了初步研究，其中包括CO2（Jacobsen，1872）。這些早期的探索使人們逐漸認識到CO2并非像O2或N2那樣單純地溶解在水中，而是會發(fā)生一系列化學反應(yīng)（式（3）），繼而提出了海洋無機碳體系的主要變量（DIC、Talk、pH和p(CO2)）并確立了其相互間的熱力學關(guān)系。根據(jù)海氣界面交換過程的雙膜模型，海氣CO2交換的熱力學動力來自于海氣間的CO2分壓差（式（2）），而大氣p(CO2air)相較海洋來說容易獲得，因此海洋p(CO2sea)的測定就成為獲取海氣碳通量的關(guān)鍵。

丹麥生理學家奧古斯特·克羅（August Krogh）在研究pH和CO2分壓對血紅蛋白氧結(jié)合能力的影響時，發(fā)明了一種能夠通過“預(yù)平衡—堿吸附—酸滴定”而實現(xiàn)CO2分壓測定的裝置（圖2a），并將其首次應(yīng)用于海水CO2分壓的實際測定（Krogh, 1904）。這一方法在1925年至1927年德國開展的MeteorExpedition中得到確立，繼而逐漸被推廣開來。但由于當時需要利用Bucket采水器將海水轉(zhuǎn)移至測定裝置中（圖2b），因此所獲數(shù)據(jù)誤差較大。經(jīng)過前期的探索與嘗試，海水p(CO2)測定終于在1957年至1958年開展的國際地球物理年（International Geophysical Year，IGY）期間取得了關(guān)鍵突破。Takahashi（1961）設(shè)計出一種水—氣平衡裝置（圖3），后來又將其與紅外檢測器聯(lián)用（Keeling, 1965），同時對水蒸氣信號進行了校正，實現(xiàn)了海水p(CO2)連續(xù)走航式測定。Takahashi（1961）發(fā)現(xiàn)大西洋（60°S～60°N）表層海水的平均p(CO2)為289 μatm（1 μatm = 0.101325 Pa），低于大氣的312 μatm，從而從p(CO2)的角度證明了大西洋是大氣CO2的碳匯。Keeling（1968）及時總結(jié)了IGY以來所積累的大量觀測資料，率先勾勒出全球海氣碳交換“低緯度為碳源，中緯度為碳匯”的整體格局。隨著自20世紀70年代開始海氣界面氣體傳輸系數(shù)研究不斷取得收獲（Wanninkhof et al, 2009），p(CO2)觀測可以在“雙膜擴散”理論框架下定量給出海氣碳交換的具體通量，極大提高了海洋碳匯結(jié)果的時空分辨率。為了使不同研究獲得的海洋p(CO2)觀測數(shù)據(jù)更加具有可靠性和可比性，標準的走航式p(CO2)分析方法被逐步建立完善起來（K?rtzinger et al, 1996; Feely et al, 1998; Dickson et al, 2007;Pierrot et al, 2009），通過對平衡器樣式、標準氣體配比和檢測器性能的規(guī)定，力圖使得海水p(CO2)監(jiān)測結(jié)果的準確性控制在±2 μatm左右，從而確保全球海洋年均碳匯的誤差在2億t以內(nèi)。在全球海洋通量聯(lián)合研究（Joint Global Ocean Flux Study，JGOFS）、全球海洋觀測系統(tǒng)（Global Ocean Observing System, GOOS）、世界海洋環(huán)流試驗（World Ocean Circulation Experiment, WOCE）和上層海洋低層大氣研究（Surface Ocean-Lower Atmosphere Study, SOLAS）等國際研究計劃的推動下，海洋p(CO2)的現(xiàn)場觀測已在全球范圍內(nèi)如火如荼地展開。

圖2 丹麥生理學家奧古斯特·克羅（August Krogh）發(fā)明的最早的CO2分壓測定裝置和20世紀早期海洋現(xiàn)場調(diào)查普遍采用的Bucket采水器Fig. 2 The first device for measurement of partial pressure of CO2 invented by Danish physiologists August Krogh and the Bucket sampler used in the early 20th century

圖3 早期為實現(xiàn)海水p(CO2)連續(xù)測定所設(shè)計的水氣平衡裝置Fig. 3 The equilibrator for the measurement of the partial pressure of CO2 in seawater

海水p(CO2)還可通過DIC、TAlk和pH等實測參數(shù)計算獲得（Park, 1969）。芬蘭科學家Kurt Buch最早嘗試通過測定pH和DIC計算海水CO2分壓（Deacon, 1940），但由于其DIC的獲取依靠的是與鹽度（當時為氯度Cl%）的簡單關(guān)系而并非實際測得，使得結(jié)果誤差較大。隨著科學家對海水無機碳體系研究的不斷深入，海水中碳酸解離常數(shù)（K1和K2）的理論研究和DIC、TAlk、pH的精密測定不斷取得進展（Millero, 1979; Kortazar et al, 2020; Woosley, 2021），通過參數(shù)計算獲得p(CO2)成為了海洋碳匯研究的重要手段，而且尤其適用于近岸河口與陸架邊緣海等水深淺、濁度大、生物量高的區(qū)域性海域。Qu 等（2014, 2015, 2017）利用此種方法對中國陸架邊緣海進行了研究，發(fā)現(xiàn)溫度對黃東海碳源匯的控制作用具有明顯的季節(jié)特異性，而初級生產(chǎn)、河流輸入與水團混合等具有更為廣泛的主控作用，提出了陸架邊緣海碳源匯相較大洋應(yīng)具有獨特的受控因素的觀點（圖4）。Takahashi等（2009）基于1970年至2007年間積累的300萬條海洋p(CO2)數(shù)據(jù)，以2000年為基準年，核定了全球海洋碳匯的長期平均值在20億t左右（圖5），這是海洋碳匯研究的一個重要里程碑。

圖4 溫度(T)和生物因素(n-T)對中國黃海碳源匯控制作用的量化對比Fig. 4 Relative contribution of temperature (T) and biology factors (n-T) on p(CO2) variation in the Yellow Sea

圖5 海洋碳匯多年平均的全球分布Fig. 5 Climatological mean annual air-sea CO2 flux

雖然經(jīng)過幾十年的觀測，表層p(CO2)已經(jīng)積累了豐富的數(shù)據(jù)，但是相對于廣袤的海洋面積來說仍然很不夠（圖6）。在此背景下，通過人工智能與大數(shù)據(jù)技術(shù)來研究海洋碳匯成為新的突破方向。Lefèvre等（2005）較早提出了利用自組織映射神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（Shelf Organizing Map, SOM）構(gòu)建北大西洋海表p(CO2)數(shù)據(jù)的方法，發(fā)現(xiàn)其比多元線性回歸法的結(jié)果準確度更高（殘差標準差為3～11 μatm）。后來Watson等（2009）、Telszewski等（2009）、Friedrich和 Oschlies（2009）、Landschützer等（2013）也利用SOM對北大西洋p(CO2)進行了模擬。而Nakaoka等（2013）和Xu等（2019）則分別將SOM方法應(yīng)用到了北太平洋和南極普利茲灣，且均取得了較理想的結(jié)果，從而奠定了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在獲取p(CO2)估算海洋碳匯研究中的重要地位。在此之后，隨機森林（Random Forest Algorithm，RFRE）和支持向量機（Support Vector Machine，SVM）等算法也被應(yīng)用于海域碳匯研究中（Gregor et al, 2017; Zeng et al,2017; Chen et al, 2019）。

圖6 1957年至2022年全球表層p(CO2)觀測站點Fig. 6 The global observation stations of p(CO2) during the years from 1957 to 2022

3.4 數(shù)值模式模擬解析海氣碳交換控制過程

由于海洋調(diào)查的時空局限性，現(xiàn)場觀測往往很難覆蓋面積較大的研究區(qū)域，且較難積累長期觀測資料。數(shù)值模式以數(shù)學公式描述物質(zhì)能量循環(huán)，密切聯(lián)系不同儲庫和組成單元，定量表達過程動力學，可補充現(xiàn)場觀測的不足，更重要的是可以定量解析海氣碳交換的控制過程，并預(yù)測未來海洋碳匯的變化及其在全球氣候變化中的作用。在過去的幾十年中，海洋碳循環(huán)模式經(jīng)歷了由最初的箱式模型到現(xiàn)在基于海洋動力學的三維模式的發(fā)展，完成了從僅包含簡單的參數(shù)化的無機過程到真正包含生物活動等有機過程的跨越，實現(xiàn)了從單獨的海洋碳循環(huán)模式到耦合模式的提升。限于篇幅，對海洋碳循環(huán)模式的發(fā)展過程將不再贅述，本節(jié)重點通過典型實例闡述數(shù)值模式在海氣碳交換研究中的重要作用。

長期以來，科學界對海氣碳交換的控制過程和未來變化等只能進行定性討論或依靠經(jīng)驗公式進行半定量研究，而數(shù)值模式的不斷發(fā)展，特別是“大氣—陸地—海洋”耦合模式的應(yīng)用，使得定量研究成為了可能。例如，Doney等（2009）利用Community Climate System Model的Biogeochemical Elemental Cycle模塊（CCSM-3-BEC）研究分析了從1979年至2004年全球海表CO2分壓、溶解無機碳和海氣碳交換通量，從定量的角度證明了南大洋、熱帶印度—太平洋和北半球溫帶、亞極地海域是全球碳交換年際變化最為劇烈的區(qū)域，而海洋環(huán)流是其中最重要的控制因素，其主要機制是通過上升流提高DIC從而對p(CO2)進行調(diào)制，生物活動（主要過程為初級生產(chǎn)）和溫度效應(yīng)（主要影響“溶解度泵”）作為次要因素能夠在熱帶海域部分抵消海洋環(huán)流的這一影響，氣體傳輸和淡水輸入的作用更是僅局限在陸架海區(qū)（圖7）。既然海洋環(huán)流對海氣碳交換的影響如此顯著，那么未來氣候變化條件下海洋環(huán)流將對全球尺度的海洋碳匯產(chǎn)生什么影響？Devries等（2017）利用一個耦合了海洋碳循環(huán)模式的穩(wěn)態(tài)Ocean Circulation Inverse Model模式進行了研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)在20世紀90年代，上層海洋翻轉(zhuǎn)環(huán)流的增強造成了自然碳的釋放量增加，從而削弱了全球海洋碳匯的總量。但是隨著翻轉(zhuǎn)環(huán)流減弱，這一趨勢在21世紀初出現(xiàn)了逆轉(zhuǎn)——自然碳的釋放量減少而增強了全球海洋碳匯。未來翻轉(zhuǎn)環(huán)流的持續(xù)減弱很可能使得海洋碳匯增強，但最終可能限制海洋對人為CO2的吸收（圖8）。

圖7 1979年至2004年利用CCSM-BE模式對海氣Δp(CO2)年際變化主要控制因素定量分析結(jié)果Fig. 7 Partitioning of the mechanisms driving interannual variability in the air-sea p(CO2)difference Δp(CO2) in the CCSM BEC ocean model during the years from 1979 to 2004

圖8 上層海洋翻轉(zhuǎn)環(huán)流變化對全球海洋碳匯的影響（PgC· a?1）Fig. 8 How changes in upper-ocean overturning circulation have affected the oceanic CO2 sink (PgC· a?1)

陸架邊緣海對大氣CO2的碳匯作用是海洋碳循環(huán)研究中十分重要的一項研究。我國擁有廣闊的陸架邊緣海，是研究近海碳循環(huán)的理想海域，而且我國陸架邊緣海作為西北太平洋的一部分，其海氣CO2通量受外部洋流和大氣環(huán)流的影響較大，因而在整個西北太平洋的范圍內(nèi)考察我國陸架邊緣海CO2通量的變化更為合理。金晨曦等（2017）利用包含了生物地球化學循環(huán)模塊的地球系統(tǒng)模式CESM1-BGC探究了中國近海海氣碳通量，發(fā)現(xiàn)在El Ni?o成熟位相的冬季，西北太平洋異常反氣旋建立，其西北側(cè)的異常西南風使得中國東南沿海及附近海域的風速減弱, 從而降低交換系數(shù)，導(dǎo)致中國東南沿海及附近海域所吸收的CO2減少。隨后的次年春季，西太平洋異常反氣旋繼續(xù)維持，但位置東移，西南風的異常減小了風蒸發(fā)進而增加了中國近海海水溫度，從而引起海水CO2分壓增大，使得中國近海海域吸收的CO2減少，這一影響超過了交換系數(shù)減少所帶來的影響。

4 討論與展望

自2022年初俄烏沖突爆發(fā)以來，世界各國對能源與糧食的擔憂又蒙上了一層陰影，在此背景下，繼續(xù)堅定實施“碳中和”戰(zhàn)略以應(yīng)對氣候變化，順利實現(xiàn)能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型并助力未來發(fā)展則更顯大國智慧與擔當。海洋碳匯是踐行“碳中和”戰(zhàn)略的重要途徑，而海洋碳匯所涉及的觀測方法與模擬技術(shù)則是最終進行“增匯”和“減排”的前提。本節(jié)將在前文系統(tǒng)梳理海洋碳匯研究方法的基礎(chǔ)上，對關(guān)鍵技術(shù)與重要方法進行分析討論，并展望未來海洋碳匯研究的發(fā)展方向。

4.1 多學科多領(lǐng)域的協(xié)作是海洋碳匯科學與技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)

從人類對海氣界面CO2交換傳輸過程近百年來的探索歷程中不難看出，海洋碳匯研究從來不局限于某個單獨科學或領(lǐng)域，而是多學科多領(lǐng)域相互交流相互協(xié)作的結(jié)果。放射性科學的發(fā)展與同位素質(zhì)譜技術(shù)的應(yīng)用使得測量海水樣品中的13C和14C成為了可能，據(jù)此人們建立了最早的箱式模型（Craig, 1954），從而對海洋和大氣間的CO2交換過程有了最初的整體認識。雖然這一結(jié)果并不精準，但卻初步地從地球系統(tǒng)的視角構(gòu)建了海洋、大氣和陸地碳交換的宏觀框架，使得海洋碳匯研究從開創(chuàng)之初就站在了未來氣候變化研究的重要位置上（Broecker, 1975）。利用碳同位素估算海氣碳交換的研究同時也促進了其他海洋學科的發(fā)展，例如，箱式模型后來被物理海洋學家研究大洋物質(zhì)能量輸運時所廣泛采用（Broecker et al, 1993）。不僅如此，以13C和14C的測定為基礎(chǔ)，海氣界面間氣體傳輸速率研究確立了以碳同位素作為示蹤劑的研究思路，為后來海氣碳交換通量的估算奠定了技術(shù)基礎(chǔ)（Sweeney et al, 2007）。

利用大氣氧收支反演海洋碳匯的方法需要合理估算陸地植被的初級生產(chǎn)和呼吸分解，同時準確掌握人為活動的碳排放清單，因此將海洋碳匯深刻地與陸地碳匯和人為活動聯(lián)系在了一起，使其更加具體化、更具可比性，由此得出的“海洋碳匯可顯著抵消人為碳排放”的認知不僅賦予了海洋碳匯研究重要的現(xiàn)實意義，極大鼓舞了對海洋碳匯研究的科學熱情，而且將“陸海統(tǒng)籌”的理念注入到海洋碳匯研究之中，開創(chuàng)了全球碳循環(huán)聯(lián)合研究的新思路。

p(CO2)的連續(xù)觀測是海洋碳匯研究發(fā)展過程中極為重要的里程碑，至今已成為應(yīng)用最廣、范圍最大、積累最久的海洋碳匯研究手段。其成功的關(guān)鍵在于對海洋碳循環(huán)體系進行了最直接的表征，抓住了海氣碳傳輸過程的核心要素——海氣CO2分壓差，同時通過制定方法規(guī)范、推廣標準物質(zhì)與檢測方法，極大降低了p(CO2)連續(xù)觀測的系統(tǒng)不確定性。標準化使得經(jīng)過改裝的商船同樣能夠配備專業(yè)的p(CO2)連續(xù)觀測儀，從而極大地提高了數(shù)據(jù)獲取的量級，降低了相關(guān)成本。2007年4月，聯(lián)合國教科文組織舉辦的“表層海洋CO2的變化和其脆弱性”（Surface Ocean CO2Variability and Vulnerability, SOCOVV）研討會創(chuàng)建了全球表層p(CO2)數(shù)據(jù)集（Surface Ocean CO2Atlas，SOCAT），該數(shù)據(jù)集將以一種通用的標準化的格式匯集所有公開的表層海洋p(CO2)數(shù)據(jù)（Bakker et al, 2016），截至2022年，SOCAT已有超過3300萬條經(jīng)過嚴格質(zhì)量控制的p(CO2)觀測資料，不僅可用以直接估算海氣碳交換通量，而且還被廣泛應(yīng)用于各種數(shù)值模式的驗證與調(diào)教，有效助力了海洋碳循環(huán)研究的全面發(fā)展。

雖然利用數(shù)值模式解析海氣碳循環(huán)過程的發(fā)展時間較短，但卻取得了豐碩的研究成果，其原因固然在于數(shù)值模式可定量解析海氣碳交換的各個控制過程，但更重要的則在于數(shù)值模式極大拓展了海氣碳交換研究的時空范疇，豐富了多學科多領(lǐng)域的交流與合作。例如，“南大洋”（Southern Ocean）的碳匯問題一直受到全球科學界的廣泛關(guān)注，因為它不僅是世界各大洋的交匯區(qū)，也是上層海洋與深層海洋產(chǎn)生激烈交換的海區(qū)，對全球大洋翻轉(zhuǎn)環(huán)流和氣候變化起著關(guān)鍵調(diào)控作用。但是由于受嚴峻氣候條件所限，南大洋的海洋現(xiàn)場調(diào)查數(shù)據(jù)相當缺乏，使得深入探究南大洋的海氣碳交換變得迫切又棘手。Le Quéré等（2007）首先利用數(shù)值模式反演了大氣CO2收支，得出了南大洋在1981年至2004年期間的碳匯通量以每年8000萬t的速率降低的結(jié)論，這一結(jié)論馬上得到了科學界的廣泛討論與激烈爭論（Zickfeld et al, 2008）。Lovenduski等（2007, 2008, 2009）利用海氣耦合模式，詳細闡述了南大洋碳交換的受控過程和變化趨勢，發(fā)現(xiàn)了南大洋碳匯的年際變化約2億t，其中有48%受控于“南大洋環(huán)狀模”（Southern Annular Mode, SAM）的波動變化。而自20世紀80年代至20世紀末，受控于SAM正相位的增強，西風帶南移，上升流加劇，使得南大洋海洋碳匯可能會明顯降低。至此將南大洋海洋碳匯研究推向了又一個新階段?？梢娨粋€研究熱點的產(chǎn)生，往往伴隨著激烈學術(shù)觀點的碰撞，而捕捉并制造這些觀點正是數(shù)值模式研究所擅長的。海洋碳匯研究能夠持續(xù)“推陳出新”需要數(shù)值模式研究的深入推動。

4.2 聚焦氣候變化與人為活動影響是未來海洋碳匯研究的重要方向

海洋碳循環(huán)研究從20世紀初至今已超過了百年，而在這一個多世紀的發(fā)展歷程里，人類社會和自然環(huán)境都發(fā)生了翻天覆地的變化。氣候變化最終成為一種共識，成為人類不得不面對解決的終極任務(wù)。在此種歷史背景之下，筆者認為未來海洋碳匯研究的重要著力點在于在氣候變化與人為活動的框架下尋求新的研究熱點與突破。

基于此種認識，首先需要積累豐富長時間觀測資料，研發(fā)高時空分辨率的海氣碳交換數(shù)據(jù)產(chǎn)品。海表層p(CO2) 時間序列研究方法可基于船舶調(diào)查，目前更多的是基于浮標的CO2自動測定（薛亮等，2013），未來可基于飛機和衛(wèi)星等空天監(jiān)測手段?？v觀全球海洋，布放于各個海域開展海表p(CO2)長期高頻時間序列觀測的浮標約有50多個，其中近岸海域和開闊海域浮標約各占一半。美國是世界上開展海表p(CO2)浮標觀測最早的國家之一，占世界p(CO2)監(jiān)測浮標總數(shù)的近60%。除美國外，歐洲國家主要包括法國、西班牙和意大利等，亞洲的日本、大洋洲的澳大利亞以及北美洲的加拿大也較早地參與海表p(CO2)分壓監(jiān)測浮標的建設(shè)，但建設(shè)規(guī)模都不大（董旭, 2013）。2021年8月，中國碳衛(wèi)星獲取了首個全球碳通量數(shù)據(jù)集，標志著我國海洋碳匯研究有了新的可能：利用船舶和近海浮標作為碳衛(wèi)星的海面觀測站，將碳衛(wèi)星的觀測結(jié)果拓展到海洋（Yang et al, 2017; 劉毅等, 2022）。與此同時，通過大數(shù)據(jù)技術(shù)利用有限的觀測數(shù)據(jù)，構(gòu)建均勻的大洋p(CO2)格點數(shù)據(jù)也是一個新的突破方向。這方面國外已有較多研究，而我國相關(guān)研究也已經(jīng)展開，Zhong等（2022）結(jié)合前反饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和逐步回歸算法，使用了基于統(tǒng)計學的參數(shù)選擇算法，研制了國內(nèi)首套p(CO2)格點數(shù)據(jù)，取得了較好結(jié)果。

然后需要切實提升數(shù)值模式對海洋碳匯的分析模擬能力，從而有效預(yù)測未來不同氣候變化情境下海洋碳收支的演變。Doney等（2004）對參與國際碳循環(huán)模式比較計劃（Ocean Carbon-cycle Model Intercomparison Project, OCMIP-2）的12個全球碳循環(huán)模式進行了對比與評價，發(fā)現(xiàn)對海洋物理過程模擬的優(yōu)劣直接決定了碳循環(huán)模式的性能。Qu等（2022）研究發(fā)現(xiàn)最新的CMIP6地球系統(tǒng)模式能夠較好地模擬出全球?！獨釩O2交換通量的氣候態(tài)，即全球海洋年均能夠吸收的大氣CO2總量為18.0～22.4億t，同時還發(fā)現(xiàn)在最近的30年里，全球海洋的碳匯總量呈現(xiàn)出逐步增加的趨勢，每十年的增率在0.2×10?10kg/(m2·s)。但CMIP6地球系統(tǒng)模式對于不同海盆多種時間尺度下?！獨釩O2交換通量變異過程的模擬與觀測相比存在較大的差異。尚無模式能夠模擬出南大洋和熱帶中東太平洋中緯度海區(qū)海洋釋放通量的增加趨勢。對于熱帶太平洋來說，觀測結(jié)果證實厄爾尼諾—南方濤動（ENSO）過程是控制該海區(qū)?！獨釩O2交換過程的主要物理動力過程，但是CMIP6地球系統(tǒng)模式?jīng)]能合理地再現(xiàn)這一關(guān)鍵控制過程。Li等（2019）利用馬克斯普朗克研究所地球系統(tǒng)模型（Max Planck Institute?ESM, MPI-ESM-HR）所做的研究表明，海洋碳匯的變率在全球范圍內(nèi)可以提前2年被預(yù)測，而在典型海域的預(yù)測能力可以提高到5年。其中溫度的變異控制了短期（＜3年）的可預(yù)測性，而非溫度要素則決定了長期（＞3年）的可預(yù)測性，這一情況在高緯度地區(qū)尤其明顯。

5 結(jié)語

在“人類命運共同體”的框架下實施“碳中和”戰(zhàn)略是應(yīng)對氣候變化的必由之路, 而由于海洋在吸收大氣CO2方面存在巨大潛力，海洋碳匯則成為實現(xiàn)“碳中和”的重要途徑。本文按照海洋碳循環(huán)研究的發(fā)展歷程，系統(tǒng)梳理了海洋碳匯的觀測與模擬手段，全面總結(jié)了碳匯研究的技術(shù)動態(tài)，并對未來氣候變化和“碳中和”大背景下海洋碳匯研究的創(chuàng)新方向進行了科學展望。受益于13C和14C測定技術(shù)和箱式模型的創(chuàng)建，碳同位素示蹤法率先實現(xiàn)了海氣CO2交換通量的估算，雖然其結(jié)果誤差較大，但為后來海氣傳輸模型的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。隨著大氣化學的不斷發(fā)展，通過追蹤大氣O2含量的組成變化反演海洋碳匯量級成為了一種重要手段，尤其可與陸地碳匯進行對比研究，從地球系統(tǒng)角度闡述了海洋碳匯的重要地位。p(CO2)現(xiàn)場觀測是目前應(yīng)用最廣，范圍最大，積累最久的海洋碳匯研究手段，有效揭示了全球海洋碳匯的時空格局。其成功的關(guān)鍵在于對海洋碳循環(huán)體系進行了最直接的表征，抓住了海氣碳傳輸過程的核心要素，同時通過標準化推廣，極大降低了p(CO2)連續(xù)觀測系統(tǒng)的不確定性。在此基礎(chǔ)上，通過數(shù)值模式解析海氣碳循環(huán)過程已經(jīng)成為越來越重要的研究方法：一方面在于數(shù)值模式可定量解析海氣碳交換的復(fù)雜控制過程，另一方面，更重要的則在于數(shù)值模式極大拓展了海氣碳交換研究的時空范疇，豐富了多學科多領(lǐng)域的交流與合作，而這也正是未來海洋碳匯研究創(chuàng)新發(fā)展的基礎(chǔ)。在氣候變化的框架下深入探索人為活動對海洋碳匯的影響過程則是未來海洋碳匯研究的熱點方向。