海洋生态与环境科学重点实验室知识库

  自工业革命以来，人类活动排放的二氧化碳不断增加，其中约四分之一被海洋吸收，导致全球大洋表层海水二氧化碳分压持续上升以及pH下降（酸化）。海洋碳汇增强是驱动表层海水酸化的重要因素，但全球大洋的海洋碳汇是否会随着大气二氧化碳浓度上升而持续增强、海水酸化是否在加速等科学难题都未得到明确的答案，其主要原因在于海水二氧化碳分压和pH缺乏长期、连续、高覆盖度的实测数据，从而严重限制了对海洋碳汇演化及海水酸化进程的研究。尽管有一些研究尝试使用不同的机器学习算法来构建全球大洋表层海水二氧化碳分压的格点数据，但仍存在不少问题，导致利用构建的二氧化碳分压估算得到的海洋碳汇有很大的不确定度。至目前尚未有研究将机器学习算法用于全球大洋海水pH格点数据构建的研究报道。

为了获得长期、连续、高覆盖度的数据来研究近30年来全球大洋海水酸化的进程，同时分析海洋碳汇变化对海水酸化进程的影响，本论文开发了一种利用逐步前反馈神经网络算法为主来构建全球大洋表层海水二氧化碳分压和0-2000m水深pH格点数据的机器学习算法。使用SOCAT数据集的二氧化碳分压和GLODAP数据集的海水pH实测数据，通过这种新的机器学习算法从73种与二氧化碳分压和pH变化可能相关的参数中筛选出关系最密切的参数来拟合其与二氧化碳分压和海水pH间的非线性关系，进而构建格点数据。目前已构建完成国际上首套全球大洋0-2000m水深共41层的pH格点数据产品和目前精度最好的全球大洋表层海水二氧化碳分压格点数据产品，这两套产品的时间跨度均为1992到2020年，时间分辨率为每月，空间分辨率为1°×1°。以此为基础，研究了近30年来全球大洋海洋酸化和大洋碳汇的演化特征，获得的主要结论如下：

（1）近30年来全球大洋碳汇强度随大气二氧化碳浓度上升而波动变化，但自2008年开始全球大洋碳汇强度不断增强，并在2020年达到2.14±0.33 PgC yr^-1。

  全球大洋碳汇近30年来的变化可以根据趋势分成四个阶段，首先是在上世纪90年代的显著地持续减弱，从2001年开始又迅速地增强，随后在2003-2008年间再次持续地减弱，最后从2008年到2020年持续地增强，在2020年达到2.14±0.33 PgC yr^-1。这种反复的减弱和加强主要是由厄尔尼诺-拉尼娜事件驱动的太平洋碳汇变化引起的，而过去研究给出的结果并没有很好地捕捉到碳汇的波动变化。在厄尔尼诺事件期间，通过上升流向表层输送的深层水大幅减少，导致赤道太平洋碳源减弱。而在拉尼娜事件期间，上升流增强，更多的富含CO₂的深水被输送到表层，导致赤道太平洋碳源增强，并向大气释放更多的二氧化碳。使用本研究构建得到的表层海水二氧化碳分压格点数据估算得到的全球大洋碳汇在2008年之后的强度和变化趋势与GCP模型的结果有非常好的一致性。由于SOCAT数据集中南大洋冬季的二氧化碳分压观测数据量几乎不到夏季的四分之一，过去基于该数据集使用机器学习算法估算大洋碳汇的同类研究很可能高估了南大洋的碳汇强度。本研究在校正这种数据分布不均匀对格点数据构建的影响后，发现得到的南大洋碳汇强度要比不进行校正更低，并且更加接近使用南大洋浮标数据得到的结果。校正后的南大洋碳汇虽然存在同样的短期变化，但是在近30年来的长期变化上几乎没有增强的趋势，与现有的认知明显不同。

（2）近30年来全球大洋表层海水pH平均每年下降0.0015，其中酸化速度最快的是北冰洋，最慢的是太平洋和大西洋。尽管全球大洋碳汇强度总体上是不断增强，但全球大洋的表层海水酸化程度并没有明显的加速趋势。

  在近30年来全球大洋表层海水酸化速度虽然波动较大，但从整体上看并没有出现显著的加速趋势。结合全球大洋碳源汇数据，发现在南温带太平洋、近极地北太平洋和整个印度洋区域碳源汇强度是影响表层海水酸化速度的最主要因素，近30年来平均碳汇强度和表层海水平均酸化速度呈现出较强的正相关关系。而在赤道太平洋区域，表层海水pH短期内的年际变化与厄尔尼诺指数显示出非常高的相关性。在1997-1998和2015-2016两次强厄尔尼诺事件期间，赤道太平洋表层海水pH在短时间内升高了约0.01，但在近30年间上升流强度变化对表层海水酸化速度造成的影响更多地是短期上的，而对表层海水酸化速度的长期变化趋势影响不大。在北温带太平洋，尽管碳汇强度存在显著的东西差异，并且近30年来这种东西差异在持续地增大，但北温带太平洋的表层海水酸化速度东西差异并不明显，在这些碳汇强度和表层海水酸化速度相关性较低的区域，表层海水酸化速度还受到的生物泵的影响，表层海水吸收的二氧化碳被更多地转化成颗粒有机碳向深层大洋输送。

（3）首次发现深层海水也存在酸化，在不同大洋都存在混合层底部海水平均酸化速度比表层海水更快的现象，从混合层深度到2000m范围整体上海水酸化速度随深度增加而逐渐减慢。近30年来印度洋140-300m和太平洋650-750m的海水酸化在加速，但其他大洋表层以下到2000m范围的海水酸化没有出现明显的加速趋势。

  近30年来海洋酸化已经扩展到2000m深的中层海洋，0-2000m范围的全球大洋平均pH都在持续降低，并且160m深处的平均酸化速度比表层更快，海水pH平均每年降低0.0016。而在160-2000m范围，平均酸化速度随着深度增加而逐渐减慢, 到2000m时平均酸化速度只有0.0003 yr^-1。同时，与校正到25度的pH数据的趋势对比，显示出近30年来海水变暖对酸化的直接影响大约为0.0001-0.0003 yr^-1, 深度越深海水变暖对酸化的直接影响越小，并且温度并不是导致160m水层比表层海水酸化速度更快的主要原因。除了表层海水酸化速度最快的北冰洋，在不同区域都发现了次表层酸化速度比表层快的现象，并且酸化速度最快的深度位置与最大混合层深度十分接近的区域占多数，揭示了近30年来全球大洋海水酸化较快的位置是在混合层底部。推测这种现象主要是有机质再矿化的增加导致的。分析各大洋不同深度的海水pH每年的年变化率的长期趋势，发现在表层以下，印度洋140-300m区域和太平洋650-750m区域的海水酸化在近30年来出现加速趋势，但在其他大洋并未发现相同的现象，并且大西洋1000m以下海域近30年来的海水酸化速度还出现减慢的趋势。尽管部分区域海水酸化在加速，但酸化速度保持不变和速度减慢的区域占多数，在整体上0-2000m范围全球大洋平均pH的变化并没有显示出显著的酸化加速趋势。

第1章 绪论... 1

1.1 海洋碳源汇与海水酸化... 1

1.1.1 海洋碳源汇... 2

1.1.2 海洋生态环境的变化与海水酸化... 3

1.2 海水酸化进程研究... 7

1.2.1 海水pH观测数据与长期变化... 7

1.2.2 对深层海水酸化认识上的争议... 10

1.2.3 机器学习算法用于海洋碳源汇与海水酸化研究... 12

1.3 本论文选题意义及主要研究内容... 14

第2章 全球大洋表层海水pCO2与0-2000m海水pH格点数据获取... 15

2.1 数据来源与格点数据构建方法... 15

2.1.1 实测数据与预测参数来源... 15

2.1.2 基于机器学习算法的格点数据构建原理... 20

2.1.3 逐步前反馈神经网络算法... 23

2.2 海洋碳源汇估算方法... 29

2.3 pCO2与海水pH格点数据产品... 30

2.3.1 全球大洋表层海水pCO2格点数据产品... 31

2.3.2 全球大洋0-2000m海水pH格点数据产品... 39

第3章 近30年来全球大洋碳源汇格局变化... 47

3.1 近30年来全球大洋碳源汇分布格局与变化趋势... 47

3.1.1 全球大洋碳源汇分布格局... 47

3.1.2 全球大洋碳汇变化趋势... 49

3.1.3 厄尔尼诺-拉尼娜事件驱动的赤道太平洋碳源波动... 55

3.2 近30年来逐渐增大的东西太平洋碳汇差异... 59

3.2.1 东西太平洋平均碳汇差异... 59

3.2.2 东西太平洋碳汇差异年际变化... 63

3.3 可能被高估的南大洋碳汇强度... 65

3.4 本章小结... 71

第4章 近30年来全球大洋海水酸化进程... 73

4.1 近30年来全球大洋海水酸化速度... 73

4.1.1 表层海水pH变化趋势... 73

4.1.2 海水酸化速度垂直分布... 74

4.2 近30年来海水酸化速度变化趋势... 78

4.3 海水酸化速度控制因素... 83

4.3.1 海水升温和海洋碳汇对表层海水酸化速度的影响... 83

4.3.2 混合层底部的快速酸化及成因... 91

4.4 本章小结... 94

第5章 结论与创新... 97

5.1 结论... 97

5.2 创新点... 98

5.3 不足与展望... 99

参考文献... 100

致谢... 113

作者简历及攻读学位期间发表的学术论文与其他相关学术成果    114