类型a：学术研究报告

作者及机构
本研究由Andrew F. Thompson（加州理工学院环境科学与工程系）、Lilian A. Dove（布朗大学地球、环境与行星科学系）、Ellie Flint（加州大学圣地亚哥分校）、Leo Lacour（塔斯马尼亚大学海洋与南极研究所；法国索邦大学Villefranche海洋学实验室）和Philip Boyd（塔斯马尼亚大学海洋与南极研究所）共同完成。研究论文《Interactions between multiple physical particle injection pumps in the Southern Ocean》发表于期刊《Global Biogeochemical Cycles》，2024年出版，DOI: 10.1029/2024GB008122。

学术背景
研究领域为海洋生物地球化学循环，聚焦南大洋的“物理粒子注入泵”（physical particle injection pumps, PPIPs）及其对“生物泵”（biological pump）的贡献。生物泵是海洋通过光合作用将表层溶解的CO₂转化为有机颗粒物，并通过沉降或高营养级消耗将其输送至深海的机制。而PPIPs指由物理环流驱动的碳垂向输送过程，包括混合层泵（mixed layer pump, MLP）和涡旋潜沉泵（eddy subduction pump, ESP）。尽管两者均影响碳输出，但其相互作用机制尚未明确。本研究旨在通过南大洋亚南极锋区的现场观测，量化MLP与ESP的贡献及其协同或拮抗关系，以降低全球碳通量估算的不确定性。

研究流程
1. 观测平台与数据采集
- 研究区域：南大洋亚南极锋区（47°S, 142°E），部署了准拉格朗日浮标（WMO 5906623）和水下滑翔机（Seaglider SG674），观测期为2020年12月至2021年1月。
- 浮标：搭载CTD传感器、氧传感器、光学后向散射仪（bbp700）等，每12/36小时剖面一次（深度1000 m），记录温度、盐度、颗粒有机碳（POC）浓度等。
- 滑翔机：完成200次下潜（深度1000 m），水平分辨率2–4 km，垂直分辨率1 m，重点捕捉亚中尺度（<10 km）的物理-生物地球化学耦合信号。

1. 数据处理与参数化

   • MLP估算：基于混合层深度（MLD）变化和POC积分浓度（公式：F_MLP = −(1/Δh)∫[POC]dz），利用bbp700与POC的经验关系（[POC] = 37,601×bbp700 + 4.95 mg/m³）计算碳通量。
     
   • ESP估算：采用混合层不稳定性（MLI）参数化（公式：F_ESP ∼ ψ_e·γ·Δ[POC]/h_m），其中ψ_e为涡旋翻转流函数，γ为等密度面斜率（m²/n²），结合滑翔机观测的密度梯度与POC垂向分布。
     

2. 不确定性分析

   • MLP误差主要来自bbp700-POC转换（±25%）；ESP通过蒙特卡洛模拟（1000次迭代）评估，考虑MLD、n²、m²和POC梯度的误差（±15–25%）。
     

主要结果
1. MLP与ESP的时空动态
- MLP：滑翔机数据显示，MLP通量呈间歇性，持续1–2周的出口事件（峰值450±110 mg C m⁻² day⁻¹）与混合层快速变浅相关（如12月中旬）。浮标数据验证了MLP的高频波动（日尺度±2000 mg C m⁻² day⁻¹）。
- ESP：涡旋边缘和锋面区域ESP通量显著（峰值400±300 mg C m⁻² day⁻¹），受垂直速度（w′）和等密度面斜率（γ）共同驱动。例如，气旋涡边缘（12月10–15日）因强m²和弱n²导致γ增大，ESP贡献突出。

1. PPIPs的相互作用

   • 协同作用：12月15日前后，MLP（混合层变浅）与ESP（涡旋边缘潜沉）同时增强，总通量取两者最大值（非简单相加）。
     
   • 拮抗作用：12月20日后，MLP因混合层加深转为负值（POC再夹卷），而ESP因锋面活动维持正通量，两者部分抵消。
     

2. 示踪剂垂向分布

   • 滑翔机在σ₀=26.6–26.8 kg/m³等密度面上观测到POC异常（图11），证实亚中尺度过程（如涡旋边缘的应变）将表层信号传递至次表层。
     

结论与价值
1. 科学意义
- 首次量化了南大洋MLP与ESP的协同/拮抗关系，表明现有参数化可能高估总物理碳通量（因未考虑相互作用）。
- 揭示了中尺度涡旋通过调控亚中尺度锋面位置（如增强应变）间接影响ESP效率，为全球模型改进提供依据。

1. 应用价值
   
   • 支持“ twilight zone”碳输运研究（如JETZON计划），强调需结合高分辨率观测（如滑翔机）与Lagrangian追踪（如浮标）以解析PPIPs的时空异质性。
     

研究亮点
1. 方法创新：联合滑翔机（亚中尺度分辨率）与浮标（Lagrangian视角），克服传统Argo浮标（10天采样间隔）对高频过程的漏诊。
2. 发现新颖性：提出PPIPs的“最大通量叠加原则”（非线性相互作用），修正了Omand et al. (2015)的独立参数化假设。
3. 对象特殊性：聚焦南大洋亚南极锋区——全球物理泵贡献的关键区域（弱层结、高涡动能）。

其他价值
研究数据公开于SOCCOM和GO-BGC项目，支持后续分析（如年际变异、群落组成对PPIPs的调控）。