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中国南海、东海和黄海海气CO₂通量与生物生产力的对比：一项三维物理-生物地球化学模拟研究
主要作者与机构
本研究由纪轩良（Ji Xuanliang）、刘桂梅（Liu Guimei）、高山（Gao Shan）、王辉（Wang Hui）和张苗苗（Zhang Miaoyin）等人共同完成。其中，纪轩良、刘桂梅、高山、王辉、张苗苗均隶属于中国北京的国家海洋环境预报中心（National Marine Environmental Forecasting Center），以及国家海洋局海洋灾害预报技术研究重点实验室（Key Laboratory of Research on Marine Hazards Forecasting）。刘桂梅为该文的通讯作者。该研究于2017年3月1日投稿，2017年6月16日被接收，最终发表在《Acta Oceanologica Sinica》期刊2017年第36卷第12期，页码为1–10，文献编号为doi: 10.1007/s13131-017-1098-8。
研究背景
边缘海在全球碳收支中发挥着重要调节作用。然而，对于大陆边缘碳源与碳汇的估算仍存在很大的不确定性。全球尺度上，海洋对人为二氧化碳（CO₂）的吸收量约为每年2 Pg碳，约占总人为CO₂排放量的三分之一。但这些全球性估算尚未充分纳入大陆边缘的碳通量。中国近海（包括南海、东海、黄海和渤海）是西太平洋最大的大陆边缘海，因此研究这些海域对量化边缘海在全球碳循环中的作用具有重要意义。南海、东海和黄海的水深、地形及环流特征差异明显。受东亚季风影响，中国近海的海表温度（SST）、海流和生物地球化学过程呈现显著的季节和年际变化。此前的研究多局限于特定海域和有限观测数据，缺乏对整个中国近海碳收支的综合、系统刻画。在此背景下，作者建立了一个覆盖太平洋海盆尺度的物理-生物地球化学耦合模型，旨在比较南海、东海和黄海初级生产力与海气CO₂通量的时空差异，并厘清控制海水CO₂分压（oceanic pCO₂）的主要因子，同时估算1982—2005年间中国近海pCO₂对人为大气pCO₂升高的响应速率。
研究流程与数据方法
该研究的整体工作流程包括模型构建与配置、模型验证、气候态与季节变化分析、敏感性实验以及长期趋势估算五个主要步骤。
第一步，模型构建与配置。研究使用了基于区域海洋模型系统（ROMS）的物理模型，模拟区域为西北太平洋（NWP），范围为3°—52°N、98°—158°E，水平分辨率为8 km，垂向分为22个sigma层。地形数据来自GEBCO全球30弧秒网格。模型采用真实岸线和地形，南、东、北边界设置为开边界，边界物理场来自SODA再分析资料，初始温盐场来自WOA2009。物理模型先独立运行20年达到准稳态，然后耦合生物地球化学模型。生物地球化学模型基于Fennel等人（2006）开发的碳-氮耦合生态系统模型（NPZD型），包含硝酸盐、铵盐、浮游植物、浮游动物、小碎屑、大碎屑、溶解氧、总无机碳和总碱度等多个状态变量。根据中国近海生态系统特征，作者对相关生物过程参数化方案进行了优化。模型考虑了黄河、长江、珠江和湄公河四条河流的营养盐输入。耦合模型在气候态强迫下先运行10年进行spin-up，之后使用NCEP2再分析资料提供的日平均海气通量进行1982—2005年的高分辨率强迫模拟。海表风应力由10 m风速依据Large和Pond（1982）拖曳系数公式计算，热通量和淡水通量均由块体公式求得。
第二步，模型验证。作者将模拟的海温、盐度、叶绿素a（chl a）、营养盐和pCO₂与已有观测资料进行对比。例如，模型模拟的东海和黄海pCO₂与历史实测值在季节和量级上基本一致；模拟的南海初级生产力季节演变也与观测相符。尽管在近岸、长江口及黄海南部存在一定偏差，但整体上模型能够再现中国近海主要物理和生物过程的大尺度及平均状态。
第三步，气候态与季节变化分析。作者对1982—2005年的月平均输出进行气候态平均，生成冬季（1月）和夏季（7月）的海表pCO₂空间分布，并比较南海、东海和黄海SST、chl a、硝酸盐和pCO₂的季节循环。同时，计算并比较了三海区真光层深度积分初级生产力（IPP）、新生产力（INP）和f-ratio的季节变化。
第四步，敏感性实验。为区分SST和生物活动对海水pCO₂的相对贡献，作者设计了一系列敏感性实验，分别将SST、盐度、总无机碳、总碱度等因子固定为年均值，以分离各因子的单独影响。参照Takahashi等人（2002）的方法，以温度效应与生物效应之比（T/B比值）量化二者的相对重要性。
第五步，长期趋势估算。作者分析了1982—2005年海气CO₂通量和海水pCO₂的长期变化趋势，计算线性回归斜率，并与全球其他时间序列站（如BATS、HOT、ESTOC）的观测结果进行比较。
主要研究结果
模型结果显示，1982—2005年气候态月平均海气CO₂通量在中国近海呈现冬季为大气碳汇、夏季为碳源的季节转换特征。年平均尺度上，南海是大气CO₂的源，每年向大气释放约16 Tg碳；而东海和黄海则是大气CO₂的汇，每年分别吸收约6.73 Tg和5.23 Tg碳。在1月，黄海pCO₂最低（240—290 μatm），东海居中（270—360 μatm），南海最高（320—400 μatm），三海区整体表现为大气CO₂的汇。在7月，三海区pCO₂均升至380—480 μatm，整体表现为碳源。黄海和东海的pCO₂季节变化与SST呈明显正相关，但南海pCO₂的年均值和变幅另有特点。
SST、chl a和硝酸盐的季节变化在三海区差异显著。黄海和东海的SST呈正弦型季节变化，冬季最低、夏季最高；南海SST季节振幅最小但变率较大。黄海chl a在3月出现春季水华峰值（0.7 mg/m³），夏季和秋季降至0.2 mg/m³以下；东海chl a冬春季低于黄海，但春末、夏、秋季高于黄海；南海chl a全年低于0.4 mg/m³，呈冬、夏双峰结构。硝酸盐浓度冬季高、夏季低，三海区冬季最高值分别为3.5 mmol/m³（黄海）、3.3 mmol/m³（东海）和2.3 mmol/m³（南海）。
生物生产力方面，黄海的IPP季节变化最强，变化范围为174—470 mg/(m²·d)（以碳计），峰值出现在4月（490 mg/(m²·d)）；东海的IPP变化范围为190—390 mg/(m²·d)，呈4月和7月双峰；南海的IPP变化范围为230—390 mg/(m²·d)，主峰在冬季1—3月，次峰在9月。1982—2005年期间，南海、东海和黄海的年平均IPP分别为293、297和315 mg/(m²·d)，年平均INP分别为103、109和139 mg/(m²·d)，对应的f-ratio分别为0.35、0.37和0.45，说明黄海真光层碳垂直输出效率最高，南海最低。
敏感性实验表明，南海、东海和黄海的T/B比值分别为1.22、1.15和0.59。这说明在南海和东海，SST对海水pCO₂的控制作用大于生物活动，其中南海的温度控制更强；而在黄海，生物活动对pCO₂的控制作用大于SST，生物过程是主导因子。与全球其他海区对比，南海和东海的T/B比值高于北太平洋Station P（0.9）但低于百慕大BATS站（2.7），而黄海的T/B比值低于Station P但高于南极罗斯海（0.02），进一步印证了不同海区物理与生物过程相对重要性的区域差异。
长期趋势方面，1982—2005年，南海、东海和黄海的海水pCO₂均呈显著上升趋势，上升速率分别为1.66 μatm/a、1.04 μatm/a和0.91 μatm/a。这一上升趋势与同期大气pCO₂以约1.5 μatm/a的速率升高密切相关。模型估算的海水pCO₂上升速率与全球其他亚热带时间序列站（如ESTOC、HOT、BATS）的观测结果基本一致，进一步支持了人为CO₂排放驱动中国近海海水pCO₂上升的结论。此外，南海1995年之后pCO₂异常出现突变，分析表明大气pCO₂升高为主要影响因子，物理和生物过程变化为次要因子。
结论与研究意义
该研究利用太平洋海盆尺度的ROMS-NPZD耦合模型，系统评估了1982—2005年南海、东海和黄海的海水pCO₂季节变化、长期趋势及海气CO₂通量，揭示了三海区碳循环的区域差异。研究表明，SST是控制南海和东海海水pCO₂时空变化的关键因子，生物活动起补偿作用；而在黄海，生物活动是主导因子。这一发现深化了对中国近海碳循环物理-生物相互作用机制的理解。研究还量化了三海区初级生产力、新生产力和f-ratio的差异，进一步揭示了三海区生物碳泵效率的不同。此外，模型估算的海水pCO₂长期上升速率与全球其他观测站结果一致，证明中国近海表层海水正持续响应人为大气CO₂增加，为评估中国近海碳源汇格局的长期变化提供了重要参考。
研究亮点
本研究的亮点在于：第一，使用统一的太平洋海盆尺度物理-生物地球化学耦合模型，对南海、东海和黄海的碳循环进行系统对比，克服了以往观测研究空间覆盖不足的局限；第二，通过敏感性实验定量区分SST和生物活动对海水pCO₂的相对贡献，给出了三海区T/B比值的定量估计，这在以往中国近海碳循环研究中较少见；第三，利用1982—2005年长达24年的模拟结果，估算三海区海水pCO₂的长期上升趋势，并与全球多个长期时间序列站进行比较，展示了中国近海对人为CO₂排放的区域响应特征。此外，模型纳入四条主要河流的营养盐输入，提高了近岸碳和营养盐过程的模拟真实性。