气候变暖下北极海洋CO2吸收因非对称季节性变化而向极地迁移

《Earth's Future》：Poleward Shift of Arctic Oceanic CO2 Uptake From Asymmetric Seasonal Changes Under Climate Warming

　　

北极地区在全球碳循环中发挥着不成比例的作用，是大气CO₂的关键汇。然而，关于持续变暖背景下北极海气CO₂通量（air-sea CO₂ flux）在空间和时间变化上的响应机制，目前仍认识不足。研究人员利用14个CMIP6（第六阶段耦合模式比较计划）地球系统模型（Earth System Model, ESM），发现21世纪北极CO₂吸收呈现非单调趋势，即先增加后减少，同时伴随高CO₂吸收区域的显著向极地迁移。该迁移主要由海冰消退和变暖引起的海水CO₂分压（partial pressure of CO₂, pCO₂）上升所驱动，后者降低了海气pCO₂差值（ΔpCO₂），进而导致区域CO₂吸收的季节性不对称变化。到21世纪末，极地海（Polar Sea）的CO₂吸收将超过巴伦支海（Barents Sea），北冰洋将超过北欧海（Nordic Seas）。这些发现表明，准确模拟北极气候过程对于评估未来碳-气候反馈及其对全球气候减缓的意义至关重要。

北极海洋在全球碳循环中占据重要地位，尽管其面积仅占全球海洋的3%–4%，却贡献了约5%–10%的全球海洋自然CO₂吸收。北极海洋因冷水的高CO₂溶解度以及夏季高初级生产力而被视为大气CO₂的净汇。近几十年来，受大气CO₂浓度升高和海冰减少的驱动，北极海洋CO₂吸收持续增加。然而，北极正经历着变暖、海冰消退、表层水变淡、环流改变和初级生产力增强等剧烈的物理与生态变化，特别是"大西洋化"（Atlantification）现象的加剧——暖大西洋水侵入北极海洋，驱动海洋增温并加速海冰底部融化。这些快速变化深刻影响着北极海洋的CO₂吸收能力：海冰融化扩大了开阔水域面积和持续时间，有利于增强CO₂吸收；但海表增温导致海水pCO₂上升，可能削弱海洋的CO₂吸收能力。此外，上层海洋变淡增强层化、气候变暖加速再矿化等过程也可能影响碳汇效率。在此背景下，北极海气CO₂通量的纬度依赖性未来变化及其整体时间演化特征尚不明确，这成为本研究开展的核心动机。

研究人员基于14个CMIP6地球系统模型的历史模拟和未来预估数据，系统分析了变暖气候下北极海气CO₂通量的变化趋势、空间格局及驱动机制，该论文发表于《Earth's Future》。研究主要采用以下关键技术方法：首先，利用CMIP6多模式集合平均（Multi-Model Mean, MMM）分析1850年至2100年历史期及SSP1-2.6、SSP2-4.5、SSP5-8.5三种共享社会经济路径情景下的海气CO₂通量、海冰密集度（Sea Ice Concentration, SIC）、10米风速、海气ΔpCO₂、海表温度、海表盐度和海水表层pCO₂等变量，并与Yasunaka等人(2023)基于多源数据整合的观测估算进行对比验证；其次，基于海气CO₂通量参数化公式FCO₂ = K₀ · k · ΔpCO₂ · (1 ? a_ice)，通过单因子扰动法定量归因各因素（SIC、海气ΔpCO₂、CO₂溶解度K₀、气体交换转移速率k）对通量变化的贡献；最后，采用热力学与非热力学分解法，基于海表温度变化及pCO₂温度依赖系数（0.0423），分离海水pCO₂变化的热力分量（thermal component）和非热力分量（non-thermal component），以揭示海气ΔpCO₂变化的物理机制。

**3.1 CMIP6地球系统模型评估**

研究人员将CMIP6多模式集合平均模拟的北极气候态海气CO₂通量与Yasunaka等人(2023)的多源估算数据进行对比。结果显示，1985–2018年间CMIP6多模式集合平均的北极年均海气CO₂通量为110.9 ± 27.4 TgC yr^?1，与基于观测pCO₂产品的116 ± 4 TgC yr^?1、基于海洋模式的92 ± 30 TgC yr^?1以及基于大气反演的92 ± 21 TgC yr^?1相符。分区验证表明，巴伦支海、极地海、巴芬湾和格陵兰海西部的模拟结果均与多源估算基本一致，证实CMIP6多模式集合平均能够合理表征北极海气CO<sub>2通量，支持其用于未来预估研究。

**3.2 北极海气CO2通量的非单调变化**

21世纪北极海气CO2通量呈现非单调趋势，即先增加后减少。研究人员将北极划分为北冰洋（含极地海和巴伦支海）和北欧海两个区域进行分析。三种排放情景下，北冰洋和北欧海的海气CO2通量均在21世纪初持续上升后转为下降。该非单调行为在子区域同样存在：巴伦支海和极地海均呈现类似特征。通量下降的起始时间随纬度呈现规律性推移——从低纬度向高纬度逐渐延迟：SSP1-2.6情景下北欧海和巴伦支海约2020年开始下降；SSP2-4.5情景下约2030年；SSP5-8.5情景下则推迟至2050–2060年代。极地海仅边缘区域在21世纪末前出现下降，中心区域尚未呈现下降趋势。高排放情景下下降起始时间的延迟归因于更高的大气CO2浓度维持了更强的海气ΔpCO2，从而延长了海洋CO2吸收的持续时间。

**3.3 CO2吸收的向极地迁移**

北冰洋年均海气CO2通量在2020年代即已超过北欧海，表明最大CO2吸收区从北欧海向北冰洋发生了向极地迁移。SSP1-2.6、SSP2-4.5和SSP5-8.5情景下交叉年份分别为2017 ± 17、2018 ± 27和2016 ± 29年。同时，北冰洋内部也发生向极地迁移：极地海CO2吸收预计将在21世纪内超过巴伦支海，交叉年份分别为2068 ± 41、2043 ± 35和2035 ± 33年。

该向极地迁移与季节性不对称的时间演化密切相关。北欧海和巴伦支海四季均呈现非单调演化，夏季和秋季约21世纪中期开始下降，冬季和春季则延迟至2080年代。相反，极地海夏季呈非单调变化，但冬、春、秋季则持续显著增加。这种区域间对气候变暖的差异化季节响应解释了最大CO2吸收区向高纬度迁移的现象。此外，21世纪末北极夏季海气CO2通量将转为负值，意味着北极海洋可能出现季节性的碳源特征，该转变主要发生在北极陆架海。

**3.4 CO2吸收向极地迁移的主要决定因素**

通过分析各季节和各30年时段内海气CO2通量、SIC、海气ΔpCO2、CO2溶解度和气体交换转移速率的趋势，并以SSP5-8.5情景为重点进行机制解析，研究人员发现：海气CO2通量上升趋势与SIC下降趋势在多数季节具有显著空间相关性，证实开阔水域扩张增强CO2吸收的机制；但在2040年后的夏季，极地海通量趋势转为负值，与海气ΔpCO2下降相吻合。CO2溶解度在各季节均呈下降趋势且逐渐向高纬扩展，但其趋势与海气CO2通量趋势空间一致性较差；气体交换转移速率在多数区域呈正趋势，但因各季节普遍增加，无法解释通量变化的季节差异。

定量归因分析表明，海冰消退和海气ΔpCO2变化是决定北极海气CO2通量趋势的两大主因，且该结论适用于包括春季和秋季在内的所有季节。冬季，正通量趋势区随时间逐步向极地扩展，至21世纪末极地海呈现最强正趋势，而北欧海和巴伦支海转为负趋势，该向极地迁移主要归因于海冰消退增加开阔水域面积；北欧海和巴伦支海负趋势的出现则主要由海气ΔpCO2降低驱动，其中极地海海冰消退在2071–2100年间贡献了大通量总增幅的80%。夏季，极地海2040年前通量增加主要由海冰消退驱动，之后整个北极区域通量下降则归因于海气ΔpCO2降低；海表增温通过降低CO2溶解度、提升海水pCO2，对海气ΔpCO2降低有关键贡献，但仅占海水pCO2变化的约三分之一。2040年后北极夏季基本无冰，海气ΔpCO2降低效应主导，导致北极海气CO2通量大幅下降，极地海该效应在2071–2100年间贡献了总降幅的约90%。

**讨论**

研究人员指出，北极海气CO2通量的非单调行为和向极地迁移揭示了北极海洋在全球碳循环中 evolving 角色的变化。气候变暖初期，海冰消退暴露更大开阔水域，增强北极CO2吸收能力；但随着增温加剧，CO2溶解度降低和生物碳泵效率下降，海水pCO2上升削弱了海洋CO2吸收能力，特别是在传统高生产力区域如巴伦支海，这可能指示对大气CO2浓度负反馈的减弱。未来北极海气CO2通量变化由海冰融化与海气ΔpCO2之间的竞争性相互作用决定，其相对重要性随季节和区域变化。21世纪中叶前，海冰融化仍是增强北极碳汇的主因；21世纪后半叶，特别是夏季，海水增温导致的海气ΔpCO2降低成为主因，表明未来日益无冰的北极碳吸收能力将主要受海洋增温和海洋生物地球化学过程调控。CO2溶解度和气体交换转移速率变化贡献较小但随时间渐趋显著。

CO2吸收的空间再分布对北极海洋生态系统具有重要意义。吸收区向生物活动和人为影响相对有限的极地海迁移，可能扰乱当地碳酸盐化学，加剧生态敏感区域的酸化，威胁钙化生物并改变食物网结构。随着北极向新气候体制转型， Arctic Ocean 在气候减缓中的作用变化必须纳入全球碳管理策略。生物过程同样影响CO2吸收，例如浮游植物群落从营养盐丰富的硅藻向小型浮游植物的转变通常导致碳输出效率降低。陆地输入则具有双重效应：既可增强初级生产力，也可能加速生物再矿化、降低碳输出效率并促进沿岸CO2释放。但CMIP6地球系统模型在表征陆地输入、浮游物候和生物地理变迁方面存在局限性，导致模拟不确定性。

参数化选择也引入不确定性。海冰处理和气体交换转移速率是北极碳汇估算不确定性的主要来源；不同非线性参数化方案可能导致显著差异。此外，当前地球系统模型在模拟海冰和海洋水文方面仍存在系统性偏差，如高估气候态海冰范围、低估海冰下降趋势，且模拟的北极海洋温度和盐度具有较大的模式间离散度。改善模型模拟精度对降低北极在全球碳循环中作用预估的不确定性至关重要。一些重要物理过程如海面破碎波增强湍流、降水通过降低盐度和碱度影响碳酸盐系统等尚未在CMIP6地球系统模型中得到充分刻画，未来研究需加以整合。

**研究结论翻译**

本研究利用CMIP6地球系统模型多模式预估，调查了变暖气候下北极海气CO2通量的未来变化。研究人员发现21世纪北极海气CO2通量呈现非单调趋势：海洋CO2吸收先增加、后减少，伴随最大CO2吸收区的向极地迁移——既包括从北欧海向北冰洋的迁移，也包括北冰洋内部从巴伦支海向极地海的迁移。季节和空间变异性在这些变化中发挥关键作用，主要由两个主导因素驱动：海冰密集度下降，以及变暖引起的海水pCO2上升导致的海气ΔpCO2降低。定量分析表明，海冰消退是冰覆盖季节和区域CO2吸收增加的主因，而海水pCO2增加导致的海气ΔpCO2降低则是后半世纪开阔水域吸收下降的主因。海洋增温对海气ΔpCO2降低有关键贡献。即使在高排放SSP5-8.5情景下，北极极地海在21世纪末除夏季外的大部分季节仍将持续增加CO2吸收。</sub>