海洋二所潘德炉院士领衔Science Advances发文，首次实现基于LIDAR的南大洋全年海气CO₂通量评估

公众号平台已修改了文章的推送机制。想要在第一时间看到最新消息，请将本公众号设置为星标。

观海局

南大洋（南纬35°以南）在全球碳循环中发挥着关键作用，约占全球海洋人为二氧化碳吸收量的40%，是地球气候系统的重要调节器。尽管具有重要地位，南大洋在全球海气二氧化碳通量估算中却存在最大的科学不确定性。这种不确定性主要源于对海洋中二氧化碳逸度（fCO₂）的直接测量极度稀缺，而这种稀缺又因南半球冬季船舶航行受限而进一步加剧。

尽管自主观测平台在一定程度上可缓解局部的冬季观测不足，但要在如此广阔的区域内实现充分的观测覆盖，仍需借助具有综合视角的数值模拟与卫星遥感等方法。然而，这些方法在南大洋独特的物理环境中也面临根本性的限制。

当前的海洋碳循环模型往往过度强调热驱动的二氧化碳分压（pCO₂）变化，却未能准确再现观测中由生物和物理过程主导的季节性波动。更为复杂的是，传统的被动海洋水色遥感方法在高纬冬季几乎失效，因为极夜与长期云层遮蔽使其无法获取生物碳吸收的关键信息。

这导致研究者只能依赖插值或气候平均生成的缺测填补型CO₂通量数据，而非直接观测，从而在缺乏原位数据约束的冬季进一步放大了误差。传统观测手段在冬季的“盲区”成为制约揭示南大洋碳循环机制的根本障碍，而本研究所采用的激光雷达（LIDAR）技术恰可弥补这一缺口。

此外，南大洋的海气CO₂通量变化受一系列耦合的动力过程共同调控。主导性的南环模（SAM）通过调节西风带的强度与纬向位置，控制了大尺度的大气强迫。在SAM为正位相时，西风带向极地移动并增强，促进上升流带动深层古碳储库上涌，从而增强亚南极区的天然CO₂释放。

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。

与此同时，海洋动力过程（包括层结变化和由气候模态或区域强迫引起的温度异常）也通过改变垂向混合状态来调节通量，并削弱海洋对人为CO₂的吸收效率。尽管浮游植物在季节性生物碳吸收中发挥作用，但其对长期CO₂通量变化的贡献相对较小，且难以在多年尺度上持续。生物—物理过程之间复杂的反馈耦合，尤其是“冬季混合—光照限制—夏季生产力恢复”的链式过程，使得气候模型难以准确刻画南大洋碳循环特征。

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

随着空间激光雷达技术的突破，研究者如今能够首次实现对南大洋碳循环的全年监测，克服了极地冬季观测的关键空白。空间激光雷达通过直接测量颗粒衰减与反向散射系数以及海面风速，而无需依赖太阳光照，从而突破了传统光学遥感在极夜条件下的限制。

自然资源部第二海洋研究所卫星海洋动力环境学国家重点实验室潘德炉、陈鹏、Zhenhua Zhang研究员中国科学院和南京地理与湖泊研究所施坤携手融合了2007年至2020年间的CALIPSO卫星激光雷达观测数据与机器学习方法，首次实现了基于LIDAR的南大洋全年海气CO₂通量评估，纠正了以往因冬季采样不足而导致的系统性偏差，并揭示了该气候关键区域内碳交换机制的时空异质性。

潘德炉，1945 年12 月26 日出生于浙江东阳，海洋遥感专家，中国工程院院士，国家海洋局第二海洋研究所卫星海洋动力环境学国家重点实验室研究员。其主要学科研究方向为遥感模式识别和应用。潘德炉先后获国家科技进步特等奖一次，国家科技进步二等奖一次，省部级科技进步特等奖一次，一等奖五次。2000 年获国家科技部“863”项目重要贡献奖；2002 年获国际光学工程学会遥感科学成就奖。

为建立和发展我国海洋水色遥感科学和遥感模拟仿真科学的研究起到了奠基和关键的作用。1968年毕业于南京理工大学，曾在加拿大、德国、日本、韩国等从事海洋遥感研究。自1987年回国后，作为第一负责人完成了国家攻关、国家863、901、国家自然基金、国家航天工程、国家卫星应用和国际合作等遥感重大项目多项，曾获国家科技进步特等奖一次和省部级科技进步奖多次，在国内外发表论文100佘篇。

施坤，1985年生，主要从事湖泊光学及水生态环境遥感研究，国家自然科学基金委优秀青年基金获得者（2019年度），中国科学院创新促进会（2017年度），中国科学院青藏高原地球科学卓越创新中心青年骨干。2007年毕业于安徽师范大学，获地理信息系统专业学士学位，2012年获南京师范大学遥感技术与应用专业博士学位，2010-2012年间受国家留学基金委资助在美国印第安纳大学-普度大学（印第安纳波利分校）从事博士联合培养研究工作，2020年起任中科院南京地理与湖泊研究所研究员，现任物理湖泊与水文研究室副主任。在Water Research、Remote Sensing of Environment、Environmental Science & Technology等领域顶级期刊共发表SCI论文85篇，CSCD论文15篇；获授权国家发明专利7项、软件著作权11项；获得吉林省科学技术一等奖、江苏省科学技术奖一等奖和生态环境部环境保护科学技术奖一等奖各1项。

先后主持国家自然科学基金3项，水体污染控制与治理科技重大专项子课题1项。以大型浅水湖泊环境变化为立足点，通过综合长期定位观测、高频监测和遥感反演等手段，建立了湖泊环境立体化综合监测方法和参数化方案，刻画了参数化体系下的湖泊环境时空变化规律，拓展了对湖泊系统生态响应机制的认识，并取得了具有较好影响的研究成果，具体包括：1)针对制约卫星资料应用于湖泊水环境监测的技术瓶颈，解决了大气校正和水体光学特征量化等难题，研发了水环境和水生态多参数遥感反演模型集，实现了水环境和生态过程变化的大尺度、长时序监测；2) 针对湖泊环境变化及影响因素的高时空异质性，综合应用长期定位观测和遥感反演等系列多源数据，精细刻画了典型湖泊环境参数的时空动态规律，明晰了其变化的驱动机制；3) 针对湖泊环境变化所引发的生态问题，揭示了湖泊环境变化对蓝藻、水生植被等湖泊生态要素变化的影响，探明了湖泊生态系统对环境变化的响应机制。

来源：柔谷微信公众号、生态环境科学微信公众号等

请【点赞】，点【在看】，把文章【转发】给您身边的人，谢谢！

添加微信，请备注： 姓名-单位职位

免责声明: 本公众号部分内容来源于媒体、企业机构、网友提供和互联网等公开资料，仅供访问者个人学习、参考、研究、交流或欣赏之用，并已表明出处。如涉及版权等问题，请及时联系我们，我们将在第一时间妥善处理。