温带风暴引发的二氧化碳释放，揭示南大洋在气候动态中的作用

南大洋在全球碳循环中发挥着至关重要的作用，是世界上最大的碳汇之一。大气和海洋之间的二氧化碳 (CO2) 交换是调节全球气候的重要过程。特别是南大洋，由于其独特的物理和生物特性，由于其能够吸收人类活动排放的相当一部分二氧化碳，因此已成为广泛研究的主题。

然而，海洋碳储存和大气二氧化碳之间的关系并不完全简单。一项新的研究，温带风暴——热带地区以外的强大天气系统——最近被确定为推动南大洋碳排放的重要因素。这些风暴在南半球尤为常见，会导致海洋二氧化碳失衡，从而导致碳释放到大气中。

这一发现为我们理解南大洋在碳循环中的作用开辟了新的维度，并提出了一些关于这些事件对全球碳储存的长期影响的问题。

风暴事件期间碳释放的机制

温带风暴是热带地区以外形成的大气系统，通常位于冷暖气团的边界。这些风暴的特点是强风、强降水和气压的显著变化。在南大洋，这些风暴尤其具有影响力，因为它们能够破坏海洋表层并导致水柱发生显著的物理变化。

这些风暴期间二氧化碳的释放主要是由海洋和大气之间的二氧化碳不平衡引起的。在正常情况下，南大洋充当净碳汇，从大气中吸收的二氧化碳多于其释放的二氧化碳。然而，在风暴事件期间，强风和湍流混合导致深水上升到表面，将富含碳的水带到海洋表面。这些受扰动的水通常含有过饱和的二氧化碳，当海洋试图恢复与大气的平衡时，二氧化碳就会释放到大气中。

强风和波浪作用增加了海洋上层的湍流，导致深层富含碳的海水向上混合。在暴风雨期间，地表水可能由于剧烈的蒸发和热量损失而迅速冷却，这也会影响二氧化碳的溶解度并导致排气。风暴可推动上升流，将二氧化碳浓度较高的深海水带到海底，当暴露于海面较低的二氧化碳浓度时，这些水就会释放到大气中。

这些过程凸显了大气力量和海洋碳循环之间的复杂相互作用，表明温带风暴可以暂时逆转南大洋的碳吸收趋势，导致二氧化碳的净释放。

海洋分层和地表水的作用

风暴期间碳释放的程度受海洋分层的影响。南大洋的特点是明确的跃层——密度变化迅速的一层——将表层水与深层水分隔开来。在平静时期，南大洋会分层，较暖、密度较低的水位于较冷、密度较高的水之上。这种分层有助于将富含碳的水困在海洋深处。

然而，风暴会将较深的水推到表面，与大气接触，从而破坏这种分层。较深海洋层的水通常含有过饱和的二氧化碳，导致与大气不平衡，从而导致碳逸出。这种逸出事件通常很短暂但很强烈，其频率会对南大洋的总体碳预算产生重大影响。

温带风暴对南大洋碳汇的影响

温带风暴期间释放的二氧化碳与南大洋作为碳汇的作用形成矛盾。短期内，风暴可以显著改变海洋和大气之间的平衡，导致大气中二氧化碳水平暂时升高。然而，目前尚不清楚这种短期排气是否与南大洋长期吸收碳的能力相平衡。

南大洋碳汇的强度和变化性是全球碳预算不确定性的一个来源。虽然海洋可能长期吸收大量二氧化碳，但风暴引起的反复排气事件可能会破坏这一功能。这引出了一些列重要的问题：频繁的风暴驱动的气体释放是否会降低南大洋随着时间的推移封存碳的能力？南大洋温带风暴的频率如何与其他碳循环机制相互作用来影响全球碳通量？

虽然南大洋在十年尺度上仍然是一个重要的碳汇，但风暴引起的气体释放可能代表着一种重要的反馈机制，有助于全球碳循环。

气候模型预测，随着气温升高，极地地区可能会经历更强烈、更频繁的风暴。如果这是真的，它可能会导致风暴驱动的二氧化碳释放增加，这可能对南大洋在全球碳循环中的作用产生重大影响。

新的研究发现

一项新的研究利用再分析数据的大气海平面气压场来识别和追踪温带风暴，利用地球系统模型( CESM )的强制海冰模拟来分析风暴对二氧化碳通量的影响​​。

研究发现，在风暴过境期间和过境后，海洋向大气中释放的二氧化碳明显增加，这种现象是由于地表水和上层大气之间的不平衡造成的。这种气体释放的发生是因为风暴引起的混合将富含碳的水从深海带到了海面，而海面的二氧化碳浓度超过了大气中的二氧化碳浓度。这种不平衡导致二氧化碳从海洋释放到空气中。

然而，与模型相比，这种影响在观测中要大一个数量级，并且是由不同的原因造成的。尽管二氧化碳通量和风暴统计数据存在很大的不确定性，但观测表明风暴在驱动南大洋海气二氧化碳释气方​​面起着关键作用。

该研究量化了温带风暴引起的二氧化碳气体释放的程度，发现平均而言，南大洋在风暴期间会释放大量的二氧化碳。气体释放的强度取决于风暴强度，风暴越强，二氧化碳的释放量就越大。研究显示，风暴过后几天内释放的二氧化碳量是暂时的，但与通常充当碳汇的南大洋典型的碳吸收趋势相比有相当大的偏差。

研究表明，温带风暴对海洋与大气之间的碳交换有显著影响。具体来说，温带风暴诱发南大洋二氧化碳释放。

研究还强调，这些风暴的频率和强度在决定向大气中释放多少碳方面起着关键作用。南大洋经常遭遇温带风暴，当这些风暴强烈时，可能导致一段时间的净碳释放，从而扰乱正常的碳封存循环。虽然个别风暴事件可能只会对碳平衡产生短期影响，但它们随着时间的推移而产生的累积效应可能会降低南大洋作为长期碳汇的整体能力。

思考

温带风暴对南大洋碳汇有何长期影响？不同的风暴特征（强度、频率和持续时间）如何影响碳释气？海洋条件（例如分层、营养物有效性）在调节风暴对碳释放的影响方面发挥什么作用？温带风暴如何与南大洋的其他碳循环过程相互作用？

参考文献：Magdalena M. Carranza, Matthew. C. Long, Alejandro Di Luca, Andrea J. Fassbender, Kenneth S. Johnson, Yui Takeshita, Precious Mongwe & Katherine E. Turner ，Extratropical storms induce carbon outgassing over the Southern Ocean.  npj Climate and Atmospheric Science volume 7, Article number: 106 (2024) ，doi. s41612-024-00657-7

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