极端降水对南太平洋与南大西洋海气CO2通量的减弱效应及其机制

《Nature Communications》：Decreases in South Pacific and South Atlantic sea-air CO2 fluxes caused by extreme precipitation

随着全球变暖，极端降水事件加剧，但其对海洋碳汇功能的影响尚不明确。本研究聚焦南太平洋与南大西洋，揭示了最大1日降水量（Rx1day）对海气CO2通量（FCO2）的显著抑制效应。研究发现，强降水通过稀释海水盐度和碱度，促使海区由碳源转变为碳汇，模型若忽略降水因素将高估FCO2。这凸显了将降水过程纳入海洋碳收支模型的必要性。

　　

海洋，作为地球上巨大的“碳库”，默默地吸收着大气中过量的二氧化碳（CO₂），对缓解全球气候变化起着至关重要的作用。然而，这个碳吸收过程并非一成不变。在全球变暖的大背景下，一个日益凸显的现象是极端降水事件的频率和强度都在增加。瓢泼大雨倾泻入海，除了带来淡水，还会对海洋表层水的化学性质产生怎样的扰动？这种扰动又是否会改变海洋与大气之间CO₂交换的“节奏”？长期以来，科学家们在评估海洋碳汇时，更多关注温度、风速、生物活动等因素，而降水，尤其是极端降水的影响，则像一个未被完全揭开的谜题。如果忽略了这一环，我们对海洋碳收支的估算是否会存在偏差？为了回答这个关键问题，一项发表于《Nature Communications》的研究将目光投向了广袤的南太平洋和南大西洋。

研究人员利用1990年至2023年的观测与再分析数据，深入探究了极端降水指标——最大1日降水量（Rx1day）与海气CO₂通量（FCO₂）之间的关系。他们运用了统计分析与模型模拟相结合的方法。数据主要来源于多个国际海洋与大气观测数据集，包括海表CO₂分压（pCO₂）、降水量、海表温度、盐度等变量的网格化产品。通过构建统计关系模型，量化了Rx1day变化对FCO₂的影响，并进一步利用地球系统模型（Earth System Model）的模拟结果，在排除了其他气候变量（如厄尔尼诺-南方涛动，ENSO）的干扰后，验证并揭示了其物理机制。

研究结果揭示了极端降水对海洋碳通量的显著调控作用：

极端降水驱动海气CO₂通量转变：分析表明，在南太平洋和南大西洋，Rx1day的增加会显著降低FCO₂。当Rx1day从0毫米增加至30毫米时，这两个海区的FCO₂值分别从96 mmol m^?2month^?1下降至-27 mmol m^?2month^?1，以及从70 mmol m^?2month^?1下降至-70 mmol m^?2month^?1。这意味着，随着降水增强，海区从向大气释放CO₂的“碳源”，转变为从大气吸收CO₂的“碳汇”。

降水引发的物化稀释效应是主要机制：为了解释上述现象，研究人员探讨了背后的物理化学过程。他们发现，极端降水导致的FCO₂下降，主要归因于降水对表层海水的稀释作用。大量淡水输入直接降低了海水盐度，同时，由于淡水通常碱度较低，也稀释了海水的总碱度（Alkalinity）。盐度和碱度的下降共同导致了海表CO_{2分压（pCO2）的降低，从而增强了海洋对大气CO2的吸收能力，即FCO2值减小（向负值方向变化）。}

忽略降水将导致碳通量估算偏差：研究通过模型实验量化了这种影响的重要性。当降水量增加20%时，会导致南太平洋的FCO₂最大减少27%（相当于5.6 mmol m^?2month^?1），南大西洋的FCO₂最大减少10%（相当于6.4 mmol m^?2month^?1）。这一结果表明，在当前的气候与碳循环模型中，如果忽略降水因素，可能会对FCO₂产生不可忽视的高估。

综上所述，这项研究明确指出了极端降水是调控南太平洋和南大西洋海气CO₂交换的关键因素之一。它通过稀释表层海水的盐度和碱度，有效增强了海洋的碳汇强度。这一发现挑战了传统海洋碳预算评估中可能存在的盲点，强调了在未来的地球系统模型和全球碳收支评估中，必须更精细地考虑并纳入降水，特别是极端降水过程的影响。在全球气候变化导致水文循环加剧的预期下，此项研究对于更准确预测未来海洋碳汇的动态变化、完善全球碳循环模型具有重要的科学意义。