我所卫星海洋环境监测预警全国重点实验室潘德炉院士团队在国际知名期刊Science Advances上发表了题为Substantially underestimated winter CO₂ sources of the Southern Ocean的研究成果。第一作者为张思琪助理研究员和陈鹏研究员，合作者包括潘德炉院士、中科院南京地理与湖泊研究所施坤研究员、南方海洋科学与工程广东省实验室（广州）张镇华博士后及来自美国NASA、俄勒冈州立大学、法国滨海大学、巴斯利卡塔大学与意大利国家研究委员会海洋科学研究所等国际机构的等多位合作者。该研究首次结合卫星激光雷达观测（LIDAR）与机器学习技术，对2007—2020年南大洋海–气二氧化碳通量进行了全季节评估，成功突破了“南大洋冬季观测盲区”，揭示了以往研究中对高纬度冬季CO₂释放量的系统性低估，为全球碳循环评估和气候变化预测提供了新的观测证据。
南大洋（南纬35°以南）作为地球气候系统的重要调节者，吸收了全球海洋约40%的人为二氧化碳。然而，受极夜、强风浪与广泛海冰覆盖等环境条件的限制，传统的船基观测与被动遥感手段在南半球冬季几乎处于“盲区”（图1），导致当前气候模型对冬季碳循环过程的描述存在显著不确定性。为此，研究团队基于云-气溶胶激光雷达与红外探路者卫星（CALIPSO）的长期观测数据，融合神经网络算法，重建了南大洋表层海水二氧化碳分压（pCO₂）及海–气二氧化碳通量的高分辨率时空分布，在国际上首次实现了对南大洋碳通量全年无间断、日夜连续的综合观测。
本研究发现，南纬50°以南区域的冬季碳源在传统方法中被低估高达40%，尤其在51°–63°S带最为显著。这一偏差主要源自被动光学卫星在极夜条件下数据缺失，而主动激光雷达凭借自身光源可在无阳光情况下直接获取海面后向散射信号。分析显示，南大洋中纬带（30°S–50°S）长期维持增强型碳汇，而高纬带（50°S–90°S）则表现为明显的季节反转——夏季为碳汇、冬季转为强碳源，且受南半球环状模态显著调控。
图1 南大洋（90°S–50°S）区域被动与主动遥感产品在海–气 CO₂ 通量上的时空差异对比；色标为平均 CO₂ 通量。
研究团队通过机器学习对海表pCO₂变化的主控因子进行定量分解，首次提出了一个描述南大洋碳循环机制的新概念框架——“三环结构”（图2）。该框架揭示了三种纬向分区的主导过程：
1.南极环（Antarctic Loop） —— 以盐度与海冰为核心调节因子。海冰的生成与融化通过淡水输入和气体交换通道控制碳释放与吸收，是高纬海洋碳通量变化的关键；
2.极锋环（Polar Front Loop） —— 大气CO₂浓度与叶绿素变化共同驱动，体现出大气–海洋–生物之间的强耦合关系；
3.亚极地环（Subpolar Loop） —— 主要受海表温度与溶解度控制，反映温度变化对碳溶解与逸出过程的热力学调节。
这一“纬向三环”框架系统解释了南大洋碳通量随纬度、季节与气候模态的变化规律，从机制层面揭示了南极环流区如何通过物理过程与生物地球化学过程共同塑造全球碳循环。该成果不仅完善了南大洋碳交换的理论体系，也为地球系统模式中引入机制化参数化方案提供了新思路。
图2.研究提出的“南大洋三环框架”示意图，展示南极环、极锋环与亚极地环的主要控制机制
该研究在国际上首次利用卫星激光雷达实现海–气CO₂通量的全年反演，凸显了主动遥感在极地碳循环研究中的独特优势。相较于依赖光照的被动传感器，激光雷达能在极夜、多云和强风等极端条件下持续观测，为解决南北半球冬季碳通量数据缺失提供了新路径。
研究指出，纠正冬季碳源的低估现象，不仅更新了对南大洋年际碳汇趋势的认识，也将影响IPCC全球碳收支评估及未来减排目标的制定。此前模型因忽略冬季过程，普遍高估了南大洋的净碳吸收量，而新结果揭示该区域碳汇强度具有更强的季节波动与区域差异。
该成果展现了中国科研团队在全球气候研究中的创新引领作用。通过联合NASA、法国滨海大学等国内外机构，研究团队推动了主动遥感技术在海洋碳观测中的跨领域应用，也为即将实施的国际CALIGOLA任务及中国星载激光雷达计划奠定了基础。这标志着中国在全球海洋碳循环研究领域正由“参与者”向“引领者”转变，彰显了我国在国际科研舞台上的贡献与领导力。
论文引用： [1] Zhang, S., Chen, P., Bisson, K., Jamet, C., Di Girolamo, P., Dionisi, D., et al. (2025). Substantially underestimated winter CO2 sources of the Southern Ocean. Science Advances, 11(45), eaea0024, doi:doi:10.1126/sciadv.aea0024
