UVP6助力海洋中尺度涡碳输出机制研究

近日，多国研究团队在本格拉上升流系统气旋涡旋中，首次以准拉格朗日观测明确了“全涡旋核心俯冲泵（FECSP）”这一新型海洋碳输出机制，并阐明了涡旋碳氧收支平衡规律。在该研究中，UVP6作为核心装备，为解析中尺度涡生物地球化学过程提供了关键数据。

研究背景

生物碳泵（BCP）是海洋调节全球气候的关键过程，通过将表层吸收的大气二氧化碳转化为颗粒有机碳（POC）并向深海输送，实现长期碳封存。其中，传统认知中的生物重力泵（BGP）是碳输出的主要途径，但中尺度涡（直径数十至数百公里、寿命数周至数月）驱动的碳迁移长期缺乏系统量化，海洋中层（200-1000米）碳供给与代谢需求失衡、碳氧循环耦合等问题，受观测技术所限难以精准破解。

涡旋可捕获富营养水体且孤立于周边环境，是研究水团生物地球化学过程的天然“实验室”。传统欧拉观测难以追踪移动涡旋，而UVP6与生物地球化学Argo（BGC-Argo）浮标的结合，实现了对涡旋的长期跟随式观测，为破解上述科学难题提供了关键技术支撑。

研究方法

2021年4月，研究团队在本格拉上升流系统气旋涡旋中，部署了搭载UVP6 的BGC-Argo浮标（图1），并以准拉格朗日策略连续观测五个月，直至涡旋与另一气旋合并消散。

图1 BGC-Argo浮标运行轨迹及分析所得的涡旋轨迹

UVP6作为核心观测模块，可原位采集0.102-16.40mm粒径范围的颗粒物与浮游生物图像，精准获取颗粒丰度、粒径分布等关键参数。后续通过经验关系计算高分辨率POC通量与再矿化速率。浮标还搭配了多种传感器，结合卫星遥感、船载ADCP数据，构建“原位观测-卫星验证-模型反演”框架，全程跟随涡旋核心，获取覆盖其完整生命周期的高时空分辨率数据集。

研究结果

1.发现新型碳输出机制——全涡旋核心俯冲泵（FECSP，图2）

UVP6获取的颗粒物粒径谱与POC通量数据显示，涡旋核心在西向漂移过程中持续俯冲，带动水体中的POC向深海输送。该机制（FECSP）在450米深度的碳输出量达到239±156吨C/天，约占生物重力泵（BGP，647±377吨C/天）的1/4至1/2，成为涡旋环境下不可忽视的碳汇途径。这一发现首次证实了全涡旋俯冲对碳输出的显著贡献，填补了传统生物碳泵研究的空白。图2：a为FECSP与生物重力泵（BGP）的碳输出原理示意图；b量化了不同深度下FECSP与BGP的POC输出率。

图2

2.破解海洋中层碳氧收支失衡难题

通过UVP6数据计算的颗粒相关呼吸率（PARR）与水体碳移除率，在扩展粒径谱至0.025-0.102mm（填补UVP与颗粒物后向散射传感器的观测空白）后，与氧消耗率实现了良好匹配（320米以下尤为显著）。研究表明，0.025-0.102mm粒径范围的颗粒物是碳库的重要组成部分，其贡献此前被严重低估，这一发现为调和长期存在的海洋中层碳供给与需求失衡矛盾提供了关键依据（图3）。图3：a为碳移除率计算的箱式模型；b、c对比了不同粒径谱（含0.025-0.102mm 扩展粒径）下，碳移除率、颗粒相关呼吸率（PARR）与氧消耗率的匹配情况。

图3

3.揭示涡旋动态对生物地球化学特性的调控作用

UVP6观测数据显示，涡旋核心在俯冲过程中，其等密度面深度从290米逐步加深至370米，伴随温度负异常（达-5.42℃）和POC垂直分布的显著变化；而涡旋合并事件后，混合层深度从65米加深至181米，核心区域微米级颗粒物（MiP）的POC浓度显著升高（图4）。这些变化表明，涡旋的俯冲与合并过程通过改变水体稳定性和颗粒物分布，直接调控碳循环效率。图4：b（温度）、c（溶解氧）展示了涡旋俯冲过程中等密度面加深、温度负异常的变化；2f-h（POC相关参数）呈现了涡旋合并前后MiP-POC浓度的波动。

图4

研究结论

本研究首次明确FECSP新型碳输出机制，证实中尺度涡在全球碳汇中的重要作用。UVP6所提供的高分辨率颗粒物粒径谱与POC通量数据，是解析涡旋碳循环过程、量化碳氧收支平衡的核心支撑，其原位成像能力有效突破了传统观测技术在移动水体研究中的局限，凸显了光学成像技术在推进海洋生物地球化学过程研究中的不可替代性。

未来，结合多平台自主观测设备协同部署，UVP6将为完善全球气候模型碳循环参数化方案、精准评估海洋碳汇潜力提供坚实数据基础，为应对气候变化提供科学支撑。

参考文献

1.BaudenaA,LaxenaireR,CatalanoC,etal.ALagrangianperspectiverevealsthecarbonandoxygenbudgetofanoceaniceddy[J].CommunicationsEarth&Environment,2025,6:318.