西北冰洋二氧化碳分壓變異與海冰變化的關系

趙雨 楊威 吳瀛旭 金梅兵 祁第

(1 南京信息工程大學海洋科學學院, 江蘇 南京 210044;2 集美大學極地與海洋研究院, 福建 廈門 361021)

0 引言

自工業革命以來, 人類活動向大氣排放了大量二氧化碳(CO2), 使得大氣CO2濃度逐年增加,已從1850 年的280 ppm 上升至2022 年的417 ppm(https://gml.noaa.gov/ccgg/trends/gl_trend.html)。在全球碳循環系統中, 逐漸上升的大氣CO2濃度將促使更多CO2通過海-氣界面交換過程溶解進入海水系統, 形成海洋碳匯。研究表明, 海洋作為全球重要的碳匯系統之一, 每年吸收的 CO2為2.8±0.4 Pg, 占人為排放CO2的26%[1], 其中北冰洋占世界海洋面積的2.6%, 吸收的CO2約為當前全球海洋碳匯的2%～7%[2], 在低溫和高生產力因素的調控下成為全球重要的碳匯區域之一[3-4]。隨著全球變暖, 北冰洋海域暴露在大氣下的海水面積逐年增加, 其碳匯量也逐漸上升, 并可能產生另一嚴重的生態環境問題, 即“海洋酸化”。加拿大海盆區的觀測數據表明, 其海表正以每年4.4±1.3 Tg 的速率吸收CO2[5], 使得海表CO2分壓(pCO2)快速增長, 成為西北冰洋海表pCO2增長最快的區域[6]。加拿大海盆區快速增長的海洋碳匯已使次表層水體在一些年份出現大規模文石飽和度低于1 的現象[7], 這將對北極鈣化生物的生存及生態系統的健康發展產生重要影響。

海冰覆蓋是極區高緯度海域有別于其他低緯度海域最為顯著的特征之一[8]。在北極, 海冰消退被認為是“北極放大效應”的直接后果之一, 其主要受控于溫度與海冰之間存在的內在正反饋機制, 即溫度升高海冰減少, 海面吸收長波輻射量增加, 存儲的熱量增加, 海冰進一步減少[9-10], 顯著影響北極的海-氣界面CO2通量。在半個世紀前,無冰海域只占北冰洋的很小部分, 由于冰層覆蓋阻礙了海-氣界面CO2交換過程[11], 此時的北極尚未成為重要的碳匯區域[12]。然而, 近幾十年海冰面積和體積均整體呈下降趨勢[8], 海冰的迅速消退使碳匯增加, 并可能導致未來海-氣通量年代際增加28%[13]。另有研究表明, 海冰覆蓋會影響浮游植物的生產力, 進而影響海表pCO2的分布特征[14]。例如2012 年作為海冰急劇減少的年份,較高的溫度使得東西伯利亞海的海冰融化,大量的淡水覆蓋導致海水分層, 進而降低了表層浮游植物初級生產力, 阻礙了pCO2經由生物作用過程進一步降低的趨勢, 使得海表pCO2高于2011年的觀測數值[14]。

目前, 對北極海冰消退引起的碳匯增加趨勢及其調控機制的定性認識已較為成熟, 但針對pCO2分布特征與海冰變化耦合過程的定量研究還比較有限。Popova 等[15]通過數值模擬預測了北極海冰的變化趨勢, 基于HadGEM2-ES 模式的結果預測在RCP8.5 情景下未來北冰洋表層將出現夏季無冰現象,但海冰消退速率具有較大不確定性。Wang和Overland[10]使用多個模型,預測北極將在2037年出現夏季無冰現象,與Yamamoto等[16]利用新版地球系統模型(ESM)預測的結果一致。此外, Cai 等[17]對海冰完全融化后形成的開闊水域中, 北冰洋表層pCO2的變化趨勢進行了相關研究。在開闊水域, 隨著暴露時間延長, 海表對CO2的吸收將不會以較快速度持續增加。Else 等[18]也評估了2009 年東南部加拿大海盆區的碳吸收能力, 模擬了海冰融化后的100 天內pCO2變化趨勢。研究發現, 表層pCO2在前50 天持續增加, 后50 天持續下降, 且在第35—60 天的海水pCO2高于大氣。Degrandpre 等[11]對加拿大海盆區夏季低冰期pCO2變化趨勢的研究結果也表明,pCO2在融冰后的前一段時間快速增加, 但有所不同的是融冰后期pCO2上升趨勢減緩, 并未呈現下降趨勢, 且最終與大氣pCO2基本保持持平。

以上研究雖然對海冰融化后海表pCO2變化趨勢進行了模擬, 但缺少從模擬的時間尺度上對融冰初期的pCO2變化特征進行研究, 而該時期海冰密集度(Sea Ice Concentration, SIC)變化較大,pCO2受融冰面積增加的影響顯著, 其海-氣界面交換過程將顯著改變海表pCO2分布特征。因此,本文采用質量平衡模型, 基于2008 年夏季西北冰洋的走航數據, 分析了加拿大海盆區pCO2與SIC的關系, 并以海冰融化天數為變量, 研究了包括海冰融化過程中、海冰完全融化以及海面持續開放情況下的pCO2變化趨勢, 分析了在這段時間內溫度、凈初級生產力以及海-氣交換過程對海表pCO2的影響。

1 數據與方法

1.1 數據方法

本研究的pCO2走航數據獲取自2008 年8 月1 日—9 月8 日中國第三次北極科學考察航次,海冰數據下載自美國國家冰雪數據中心網站(https://nsidc.org/data/nsidc-0079/versions/3)。本文將海冰數據進行網格化, 定義每個網格中SIC 第1 次小于0.15 時的日期為海冰消退日(Day of Ice Retreat, DOR), 數據測量日期與DOR 的時間差即為海冰消退天數(Day since Ice Retreat, DSR)。采用質量平衡模型模擬在海冰融化時期及海冰消退后, 加拿大海盆區表層pCO2的變化趨勢。

在質量平衡模型中, 主要通過輸入溶解無機碳(Dissolved Inorganic Carbon, DIC)和總堿度(Total Alkalinity, TA)兩個參數, 利用CO2SYS 程序估算當天海面pCO2, 再利用pCO2數據計算海-氣界面CO2通量及考慮通量之后的新的DIC 及海表pCO2, 如此循環直至最后1 天, 模擬時間間隔為1 d。首先, 在不同時間點, DIC 受海-氣界面CO2交換與生物吸收的影響可定量表示為:

其中, ΔCDIC,t為給定時間間隔內DIC 的變化量(μmol·kg-1);FCO2為海-氣界面 CO2交換通量(mmol·m-2·d-1);VNCP為生物作用對CO2的吸收(mmol·m-2·d-1);VMLD為混合層深度; ΔCDIC,diluted為融冰稀釋引起的DIC 變化, 根據海水稀釋時TA 與DIC 相同的變化率來計算各時刻的DIC,如下:

其中,At為該時刻的堿度, 與鹽度(S)有關[19], 表示為:

海-氣通量(FCO2)則表示為:

其中, ΔpCO2為海-氣界面CO2分壓差,K0為CO2溶解度, 與溫度和鹽度有關[20],ks為氣體傳輸速度[21], 用風速計算, 且受海冰影響, 表示為:

其中,U10為10 m 處的風速,Sc為施密特數, 由溫度控制。

1.2 參數設置

根據經緯度對海冰數據進行插值, 并確定每個區域的DOR 和DSR。計算發現, 本研究的DSR范圍為-35～33 d。為確定輸入模型的溫度變化趨勢, 選取在DSR=-35、0 和33 這3 個時間節點處近10 d 的溫度平均值作為輸入參數, 并假設溫度在DSR 周期內線性增加。確定鹽度變化趨勢時,只需獲取DSR=-35 和0 時的鹽度數值, 采取與溫度相同的計算方式用近10 d 平均值進行計算。在海冰完全融化后鹽度不再變化, 以DSR=0 時的鹽度值持續至最后一天。此處假設海冰在DSR＜0時從0.95 線性減少至0, 之后以0 持續到DSR 最大值?；旌蠈由疃热?0 m[6], 生物凈初級生產力引起的CO2變化為1.88 mmol·m-2·d-1[17]。假設初始pCO2為 280 μatm, 風速取自 NCEP/DOE AMIP-II 再分析資料(https://psl.noaa.gov/data/gridded/data.ncep.reanalysis2.html), 測量間隔時間為6 h, 各項參數如表1 所示。

表1 西北冰洋各項參數數據Table 1. Parameter data from the western Arctic Ocean

在以上假設數據的基礎上, 根據CO2SYS 程序進行循環運算, 最終模擬得到pCO2隨海冰融化的變化趨勢。在計算過程中, 各輸入參數的變化可能會導致最終結果的改變。為了評估計算結果對輸入參數的敏感性, 采用以下公式進行定量評估:

在調整變量數值的情況下,pCO2會隨之改變。其中,Ssensitivity表示pCO2對不同變量的敏感性,vmean為變量初始值,pCO2,mean為初始值下的pCO2平均值,nv為調整后的變量值, npCO2為調整變量之后的pCO2平均值。

2 結果

如圖1 所示, 2008 年西北冰洋海表pCO2的最小值(～114 μatm)位于楚科奇海北部, 而最大值則位于加拿大海盆區南部快速融冰區(～369 μatm)。在陸架區, 其海表pCO2大約為110～250 μatm, 低于加拿大海盆區的pCO2(約270～370 μatm), 且海盆區中快速融冰區的pCO2高于海冰覆蓋區(圖1)。楚科奇海位于白令海峽以北, 富含營養鹽的太平洋入流水經由白令海峽注入楚科奇海, 鹽躍層的改變,極大地促進該區域的生物初級生產[22]。在楚科奇海,較強的生物初級生產活動吸收大量CO2, 使海表pCO2降低, 是西北冰洋最大的碳匯區, 其CO2通量高達13.8 mmol·m-2·d-1。在加拿大海盆區, 其海表pCO2顯著低于大氣, 也表現為大氣CO2的強匯,CO2通量為3.7 mmol·m-2·d-1。其中快速融冰區的海冰覆蓋度較海冰覆蓋區小, 因而CO2通量高于海冰覆蓋區(表1)。

圖1 2008 年西北冰洋表層SIC 與pCO2 數據Fig.1. Surface sea ice concentration and pCO2 data in the western Arctic Ocean in 2008

在加拿大海盆區, SIC 隨緯度升高而增加, 快速融冰區的SIC 為0.06, 遠低于海冰覆蓋區(圖1)。同時,pCO2隨海冰增加呈降低趨勢, 具有顯著的負相關關系(r=-0.37,p＜0.005)(圖2), SIC 低的區域pCO2較高, 而SIC 高的區域pCO2較低。海冰融化將使暴露在大氣中的海域面積增大, 且pCO2隨著融化天數的增加而增加。但是, 在融冰前, 海冰覆蓋已對pCO2產生了一定的影響。已有的一些研究模擬了pCO2在海冰融化后的變化趨勢, 發現表層pCO2將隨融化天數的增加迅速增加, 且在后期將逐漸與大氣pCO2持平[11,17-18]。

圖2 加拿大海盆區pCO2 與SIC 的線性關系Fig.2. Linear relationship between pCO2 and sea ice concentration in the Canadian Basin

在快速融冰區, 其海冰濃度比海冰覆蓋區低,暴露在空氣中的海水面積相對較大, 海水吸收了更多的太陽輻射, 因而快速融冰區的海表溫度更高(表1)。較高的海表溫度將在一定程度上影響海水對大氣中CO2的吸收。此外, 在海表直接暴露于大氣期間, 海-氣CO2交換過程促進了海表對大氣CO2的吸收, 海表pCO2增加。這些過程表明表層pCO2不僅直接受海冰影響, 還受到其他與海冰融化相關的因素的調控。

3 討論

為了進一步量化海冰調控pCO2變化, 本文采用海冰消退天數(DSR)作為時間參考, 通過質量平衡模型, 模擬了表層pCO2隨DSR 的變化趨勢(圖3)。結果顯示, 整個融冰過程中,pCO2呈上升趨勢。海冰融化后(DSR＞0)pCO2的上升速率高于融化前(DSR＜0)。從模擬第一天(DSR=-35)到完全融化(DSR=0),pCO2增加了18 μatm。隨著加拿大海盆區開放水域時間的延長, 模擬的最后一天(DSR=33)比剛完全融化(DSR=0)時的pCO2增加了69 μatm。

圖3 2008 年加拿大海盆區pCO2 與冰消退天數(DSR)的關系。水平虛線為2008 年夏季大氣pCO2, 豎直虛線為DSR=0 的pCO2Fig.3. The relationship between pCO2 of the Canadian Basin and DSR days in 2008. The horizontal dotted line is the atmospheric pCO2 in the summer of 2008, and the vertical dotted line is pCO2 of DSR=0

在改變輸入模型的部分參數后, 加拿大海盆區pCO2的變化趨勢會有一定程度的改變(圖4)?；旌蠈由疃群蛢舫跫壣a力增加均會使pCO2升高的趨勢有所減緩, 在相同DSR 下,pCO2將隨這兩個因素的增加而降低。與之相反, 溫度和風速的增加均促進了海表對CO2的吸收。在對海表pCO2進行關于溫度、混合層深度、風速以及初級生產力的敏感性分析后發現, 開闊水域中表層pCO2變化對風速敏感性最大, 對混合層深度敏感性最小(表2), 這與Degrandpre 等[11]的結論有所差異。Degrandpre 等[11]的研究表明,pCO2同樣對風速敏感性最大, 但對初級生產力的敏感性最小, 其與本研究的結果差異可能是由于Degrandpre 等人的研究中對凈初級生產力的不同處理所造成。此外, 其輸入模型的凈初級生產力隨SIC 增加而減少, 而本研究輸入的凈初級生產力為固定數值, 這與實際情況有一定差距, 因此本研究在模擬過程中通過改變凈初級生產力來計算敏感度時, 計算結果相對較大。在海冰完全融化前,pCO2仍然對風速敏感性最大, 而對混合層深度敏感性最小。但在整個融冰過程中, 敏感性最小的參數仍為溫度, 這可能是由于整個模擬過程包括了海冰未完全融化階段, 海冰融化所需的潛熱限制了水溫的上升, 從而降低了海表pCO2對溫度變化的敏感度。這種更改部分參數值會改變pCO2變化趨勢的結果, 表明由于參數存在一定的取值范圍, 模式結果也有在一定的區間變化的可能性。根據敏感性實驗,pCO2的變化范圍在DSR=0 和35 時分別約為5～23 μatm 和7～44 μatm。

圖4 模型中不同輸入值模擬出的加拿大海盆區pCO2 范圍。a)溫度; b)混合層深度; c)風速; d)凈初級生產力Fig.4. The pCO2 range in the Canadian Basin simulated by different input values in the model. a) temperature; b) mixing layer depth; c) wind speed; d) net primary productivity

表2 模型中加拿大海盆區pCO2 對部分參數的敏感性Table 2. Sensitivity of pCO2 in the Canadian Basin to some parameters in the model

在整個融冰過程中, 表層海水的pCO2均低于大氣(圖3), 海-氣之間的CO2梯度差促使大氣CO2溶解進入海水, 水體DIC 增加,pCO2升高。通過模型將各因素對海表pCO2的影響進行定量計算后發現, 表層pCO2在僅受海-氣CO2交換過程的影響下增加了～33 μatm(圖5), 這是導致pCO2升高的主要因素。同樣, 溫度升高也將導致pCO2的增加, 但其貢獻量低于海-氣界面CO2交換, 為～19 μatm。凈初級生產過程在調控pCO2變化的過程中所起到的作用最小, 且與前兩個過程相反。生物吸收會降低海水的DIC, 從而降低表層pCO2, 在整個融冰階段對pCO2的貢獻量為～-13 μatm。

圖5 在海冰融化前后(all DSR)、海冰融化前(DSR＜0)和海冰融化后(DSR＞0)階段, 溫度、凈初級生產力和海-氣交換作用對加拿大海盆區pCO2 的影響Fig.5. Before and after sea ice melting (all DSR), before sea ice melting (DSR＜ 0) and after sea ice melts (DSR＞ 0)phase, the effects of temperature, net primary productivityand air-sea exchange on pCO2 in the Canadian Basin

將pCO2的變化根據海冰狀態分別討論后發現, 在海冰完全融化后, 海-氣CO2交換過程使表層pCO2增加～56 μatm, 為海冰完全融化前的5倍, 這種差異主要受SIC 的調控, SIC 較大時海-氣CO2交換受到抑制。同樣, 溫度對pCO2的影響在融冰前后兩個階段的貢獻率也相差將近 5倍, 這主要與碳酸鹽系統的熱力學平衡有關[23]。本研究中, 假設溫度隨時間線性增加, 升溫使得pCO2上升, 且海冰完全融化后的溫度相對較高,導致pCO2升高較海冰完全融化前更為顯著。浮游生物的初級生產過程在一定程度上抵消了由海-氣界面交換和溫度效應所引起的pCO2增加,在整個融化過程中及海冰完全融化后, 凈初級生產過程的貢獻均最小, 而在海冰完全融化前,凈初級生產力的貢獻量略高于溫度效應。海冰融化使表層接受了更大面積的光照, 促進了水中浮游植物的光合作用, 表層初級生產力將迅速增加。在本研究中, 為方便計算, 采用Cai 等[17]所計算的加拿大海盆區夏季浮游植物的平均凈初級生產力1.88 mmol·m-2·d-1進行數值模擬, 在海冰未完全融化前, 該生產力數值偏大, 最終導致了生物初級生產過程對pCO2的影響程度可能略高于實際情況, 這也是僅在海冰融化前階段,凈初級生產力對pCO2的貢獻量高于溫度效應的主要原因。

在本研究中, 海冰從完全覆蓋到完全融化,并在后期的無冰狀態, 其逐漸融化過程對pCO2的影響不可忽視。研究表明, 在海-氣交換、溫度與凈初級生產力的共同作用下, 加拿大海盆區的pCO2在海冰剛完全融化時較初期增加了18 μatm。在海冰融化過程中, 海-氣交換速率與SIC 呈線性負相關關系[24], 海-氣交換速率隨SIC的減少而加快。模型研究表明, 溫度變化在海冰完全融化前低于海冰完全融化后, 分別有1.2 ℃和3.5 ℃的升高, 相應地使得pCO2分別增加了7 μatm 和32 μatm。雖然融冰前假設的凈初級生產力偏高, 但由于加拿大海盆區的凈初級生產力較小[25], 在融冰過程所起的作用仍低于海-氣CO2交換過程。

4 結論

2008 年夏季, 西北冰洋表現為大氣CO2的凈匯, 其海-氣CO2通量約為6.0 mmol·m-2·d-1。各區域中, 陸架區的碳匯能力最強, CO2通量高達13.8 mmol·m-2·d-1, 高于加拿大海盆區。以DSR為時間參考, 研究各因素在海冰融化不同階段對pCO2的調控機制, 結果表明, 在整個研究階段,pCO2整體呈上升趨勢, 且在海冰完全融化階段的上升速率更大。其中海-氣交換過程對pCO2的影響最大, 生物作用對pCO2的影響最小, 在海冰完全融化階段, 溫度效應、生物活動和海-氣CO2交換這3 個因素對pCO2的影響遠大于融冰階段,且海-氣CO2交換過程在上述兩個階段對pCO2的影響均最大。

本研究在多種因素的影響下, 模擬了西北冰洋海表pCO2的變化趨勢。雖然評估了加拿大海盆區海表pCO2隨海冰消退的變化趨勢, 但模擬的開放水域持續相對較短, 對pCO2的研究具有一定的不確定性。例如, Degrandpre 等[11]與Else等[18]分別將海表開放時間延長至130 天和100 天的模擬結果表明, 在開放時間延長后,pCO2并未持續上升, 而是上升趨勢不斷趨緩, 但數值上始終小于大氣pCO2。因此, 海冰開放時間的延長并不能使pCO2持續增加?；诖? 我們建議需要進行更長時間尺度的觀測和更為全面的數值模擬才能進一步揭示北極海表pCO2與海冰的關系。

致謝 感謝2008 年中國第三次北極科學考察的走航數據采樣及測定者陳寶山。pCO2系統數據由國家極地科學數據中心提供。