本文是发表于 Nature Reviews Earth & Environment 的一篇综述文章，题为《Trends and variability in the ocean carbon sink》（海洋碳汇的趋势与变率），由 Nicolas Gruber 等九位作者共同撰写，文章于2023年2月在线发表。Nicolas Gruber 来自瑞士苏黎世联邦理工学院（ETH Zurich），其他作者分别来自英国东安格利亚大学、美国加州大学圣塔芭芭拉分校、德国阿尔弗雷德·魏格纳研究所、德国马克斯·普朗克气象研究所、比利时弗兰德海洋研究所、美国哥伦比亚大学及拉蒙特-多尔蒂地球观测站等机构。该文系统回顾了自20世纪60年代以来海洋对人为二氧化碳（CO₂）吸收的长期趋势、年代际变化及其驱动机制，并探讨了未来海洋碳汇在气候变化与减排背景下的可能演变。

文章的核心主题是海洋碳汇的长期增长趋势及其在不同时间尺度上的变率。作者首先指出，从20世纪60年代初至2010年代末，海洋累计吸收了人为CO₂排放总量的约25±2%，且吸收速率在该时段内增长了两倍以上，1990年至2019年的平均吸收速率为−2.7±0.3 Pg C yr⁻¹（吉吨碳每年；1 Pg = 10¹⁵ g）。这一长期增长趋势主要受大气CO₂浓度持续上升的驱动，海洋吸收人为CO₂的速率与大气CO₂浓度之间存在近似线性的比例关系，其敏感性系数（sensitivity β）约为1.4±0.1 Pg C ppm⁻¹。然而，海洋碳汇并非单调增长，其在1990年代曾出现停滞，吸收速率维持在约−2 Pg C yr⁻¹，2000年以后则重新增强，2010—2019年平均吸收速率约为−3 Pg C yr⁻¹。

在概念框架上，文章将海洋碳循环区分为自然CO₂（natural CO₂）与人为CO₂（anthropogenic CO₂）两个组成部分。自然CO₂指工业化以前海洋中已存在的溶解无机碳库（dissolved inorganic carbon, DIC），其通量受海气交换、生物泵、沉积作用及河流输入等过程影响；人为CO₂则是由于人类排放导致大气CO₂升高后，海洋额外吸收的扰动成分。在稳态海洋假设下，自然CO₂通量在全球尺度上相互平衡，因此海洋碳汇的长期趋势主要由人为CO₂的吸收决定。然而，越来越多的观测证据表明，自然CO₂通量同样存在显著的非稳态变化，尤其在较短的年代际时间尺度上。

在方法层面，文章总结了海洋碳汇的多种估算途径。早期研究主要依赖海洋内部DIC储量的变化，采用ΔC等回算方法（back-calculation method）从离散的海洋水文断面数据中分离人为CO₂信号。基于1990年代JGOFS/WOCE全球调查数据，Sabine 等人于2004年首次给出了1994年全球海洋人为CO₂储量为118±19 Pg C的观测约束。Gruber 等人于2019年利用扩展多元线性回归方法（eMLR(C)）进一步估算了1994—2007年间海洋人为CO₂储量增加了34±4 Pg C，对应平均吸收通量为−2.6±0.3 Pg C yr⁻¹。这些基于海洋内部观测的估算在年代际尺度上与贝塔标度关系（β-scaling）的预测基本一致，支持海洋碳汇长期趋势以人为CO₂吸收为主的观点。

与海洋内部观测互补的是基于海表CO₂分压（ocean partial pressure of CO₂, pCO₂）的海气通量重建。Surface Ocean CO₂ Atlas（SOCAT）汇集了过去数十年积累的三千多万条海表pCO₂观测数据，但观测覆盖在时空上仍高度不均。为此，研究者发展了多种插值与外推方法，将稀疏的pCO₂观测转化为全球时空连续的CO₂海气通量产品。SeaFlux 产品整合了六种独立重建结果，显示全球海洋在1990—2018年间海气CO₂净吸收几乎翻倍，从约−1.5 Pg C yr⁻¹增至约−2.7 Pg C yr⁻¹；在扣除河流来源碳的稳态外释通量（约0.65±0.30 Pg C yr⁻¹）后，1990年代、2000年代和2010年代的平均海洋碳汇分别为−2.1±0.3、−2.3±0.2和−3.1±0.2 Pg C yr⁻¹。

文章重点讨论了海洋碳汇在年际至年代际尺度上的变率及其区域分布。太平洋和南大洋（文中定义为44°S以南）对年代际变化贡献最大。1990年代海洋碳汇的减弱在南大洋尤为显著，2000年前后达到低谷，随后出现显著恢复；太平洋则表现出与厄尔尼诺—南方涛动（El Niño–Southern Oscillation, ENSO）密切相关的年际信号。通过将稳态人为CO₂通量从总通量异常中扣除，作者揭示出非稳态通量在热带地区主要受ENSO控制，在副热带至中纬度地区则表现出南、北半球同步的年代际变化模态，其中南大洋的变化幅度最大。这一发现与早期海洋生物地球化学模式模拟结果存在差异，后者通常将大部分变率集中在热带地区，且变率幅度较小，这提示模式可能低估了中高纬度海洋碳汇对气候变率的敏感性。

关于年代际变率的成因，文章梳理了两种互补机制。一种观点强调外部强迫（external forcing）的作用，尤其是1991年皮纳图博火山喷发导致的大气CO₂增长率短期下降及全球降温效应，可能在1990年代抑制了海洋CO₂吸收，2000年以后大气CO₂增长率恢复则促使碳汇增强。另一种观点则突出内部气候变率（internal forcing）的贡献，例如南半球环状模（Southern Annular Mode, SAM）在1990年代趋于正位相，使绕南极西风带增强并极向收缩，加强了富含CO₂的深层水上涌，从而削弱南大洋碳汇；2000年以后风场结构的变化与海表温度异常则促进了碳汇恢复。文章指出，这两类机制并非相互排斥，而是可能共同驱动了观测到的年代际变化。

在综合海洋内部与海表观测约束的基础上，文章提出了几个重要推断。首先，1990—2019年间海洋累计吸收人为CO₂约83 Pg C，但基于海表pCO₂重建的总通量比稳态预测少约6±5 Pg C，暗示存在由气候变率或海洋变暖引起的自然CO₂非稳态损失。其次，已有研究估计1990—2020年间海洋变暖可能导致约5±1 Pg C的自然CO₂额外释放，但这一数字目前仍具有较大不确定性。再次，海表pCO₂观测产品与海洋生物地球化学模式在2010年以后的碳汇增长幅度上出现分歧，前者显示碳汇增强更快，后者则给出较低的敏感性系数（β≈1.11±0.18 Pg C ppm⁻¹），部分原因可能与模式系统性低估人为CO₂吸收有关。

文章最后强调了海洋碳汇研究对气候政策和碳移除（CO₂ removal）评估的重要意义。如果海洋碳循环对气候变化的敏感性高于当前耦合碳—气候模式（coupled carbon-climate models）的估计，那么未来海洋对大气CO₂的吸收可能低于预期，从而加剧全球变暖并提高实现特定温控目标的减排成本。海洋碳汇的非稳态损失还可能降低基于海洋的负排放方案（如海洋碱化、营养盐施肥、人工上升流等）的有效性。为应对这些挑战，作者呼吁加强全球海洋碳观测网络，尤其是对南大洋、南太平洋和印度洋等关键区域的观测覆盖；发展自主观测平台（如生物地球化学Argo）和新型传感器技术；推进SOCAT、GLODAP及SeaFlux等数据合成产品的快速更新；并加强模式与观测的整合，通过数据同化和反演方法提高对海洋碳汇变率的约束能力。文章认为，只有将海洋碳汇视为一个对气候变化和人为扰动具有较高敏感性的动态系统，才能更准确地预测其未来演变，并为《联合国气候变化框架公约》下的全球盘点（global stocktake）及碳移除技术评估提供可靠的科学基础。