南极海洋冬季二氧化碳释放量被严重低估

南大洋（35°S以南）在全球碳循环中扮演关键角色，约占海洋人为CO₂吸收量的40%，但由于冬季观测数据匮乏，其海-气CO₂通量估算存在极大不确定性。传统被动遥感技术在极区冬季因极夜和持续云覆盖而失效，导致冬季碳通量主要依赖插值或气候学方法估算，进一步加剧了不确定性。而卫星激光雷达（LIDAR）技术能突破光照限制，实现全年监测，为解决这一难题提供了可能。

本研究整合2007-2020年Cloud-Aerosol LIDAR和Infrared Pathfinder Satellite Observation（CALIPSO）卫星观测数据与机器学习方法，首次实现了南大洋海-气CO₂通量的全年评估。结果显示，50°S以南区域的冬季CO₂释放量在以往研究中被低估了40%。其中，中纬度南大洋（30°-50°S）作为持续增强的碳汇，年CO₂吸收量在14年间稳步上升；高纬度区域（50°-90°S）则呈现显著的季节性反转，夏季为碳汇，冬季转为强烈的碳源，且这种反转在不同海域存在差异：大西洋扇区主导变率，太平洋扇区季节性波动最剧烈。

机制分析表明，海-气CO₂通量由气体传输速度（kw，受风驱动）和海-气CO₂分压差（ΔpCO₂，受热力学和生物地球化学过程影响）共同控制。整体而言，ΔpCO₂主导大部分区域的通量大小，而kw在南纬45°-60°的环极风应力极大值带起主要作用。此外，南极环状模（SAM，一种主导南半球中高纬度大气环流的气候模式）通过调节西风强度和位置，显著影响高纬度区域的碳通量交替：正SAM相位会增强次南极区的CO₂释放。

研究还提出了南大洋表层pCO₂（CO₂分压）调控的“三纬度环”框架：亚极地环（约45°S以北）主要受海表温度（SST）和大气CO₂浓度（xCO₂）控制；极锋环（45°-60°S）受xCO₂和叶绿素（Chl-a，反映生物活动）主导；南极环（60°S以南）则由盐度（SSS）和海冰浓度（SIC）调控。这一框架揭示了不同纬度带独特的碳循环驱动机制。

本研究强调，冬季过程对南大洋碳循环至关重要，激光雷达等主动遥感技术为解决冬季观测盲区提供了革命性手段。这些发现不仅有助于修正全球碳预算（如IPCC评估），还为改进地球系统模型、制定气候政策提供了关键依据。未来需建立全年、多平台的监测体系，并发展基于机制的碳循环模型，以更准确地预测南大洋在全球气候变化中的作用。