UVP6原位采集系統(tǒng)在海洋中尺度渦碳輸出機(jī)制研究中的應(yīng)用

近日，多國研究團(tuán)隊在本格拉上升流系統(tǒng)氣旋渦旋中，首次以準(zhǔn)拉格朗日觀測明確了“全渦旋核心俯沖泵（FECSP）”這一新型海洋碳輸出機(jī)制，并闡明了渦旋碳氧收支平衡規(guī)律。在該研究中，UVP6作為核心裝備，為解析中尺度渦生物地球化學(xué)過程提供了關(guān)鍵數(shù)據(jù)。
 

生物碳泵（BCP）是海洋調(diào)節(jié)全球氣候的關(guān)鍵過程，通過將表層吸收的大氣二氧化碳轉(zhuǎn)化為顆粒有機(jī)碳（POC）并向深海輸送，實(shí)現(xiàn)長期碳封存。其中，傳統(tǒng)認(rèn)知中的生物重力泵（BGP）是碳輸出的主要途徑，但中尺度渦（直徑數(shù)十至數(shù)百公里、壽命數(shù)周至數(shù)月）驅(qū)動的碳遷移長期缺乏系統(tǒng)量化，海洋中層（200-1000米）碳供給與代謝需求失衡、碳氧循環(huán)耦合等問題，受觀測技術(shù)所限難以精準(zhǔn)破解。

渦旋可捕獲富營養(yǎng)水體且孤立于周邊環(huán)境，是研究水團(tuán)生物地球化學(xué)過程的天然“實(shí)驗(yàn)室”。傳統(tǒng)歐拉觀測難以追蹤移動渦旋，而UVP6與生物地球化學(xué)Argo（BGC-Argo）浮標(biāo)的結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了對渦旋的長期跟隨式觀測，為破解上述科學(xué)難題提供了關(guān)鍵技術(shù)支撐。
 

2021年4月，研究團(tuán)隊在本格拉上升流系統(tǒng)氣旋渦旋中，部署了搭載UVP6（法國，HYDROPTIC品牌，圖1） 的BGC-Argo浮標(biāo)（圖2），并以準(zhǔn)拉格朗日策略連續(xù)觀測五個月，直至渦旋與另一氣旋合并消散。

 

圖1 法國HYDROPTIC公司水下顆粒物和浮游動物圖像原位采集系統(tǒng)UVP6

 圖2 BGC-Argo浮標(biāo)運(yùn)行軌跡及分析所得的渦旋軌跡

UVP6作為核心觀測模塊，可原位采集0.102-16.40mm粒徑范圍的顆粒物與浮游生物圖像，精準(zhǔn)獲取顆粒豐度、粒徑分布等關(guān)鍵參數(shù)。后續(xù)通過經(jīng)驗(yàn)關(guān)系計算高分辨率POC通量與再礦化速率。浮標(biāo)還搭配了多種傳感器，結(jié)合衛(wèi)星遙感、船載ADCP數(shù)據(jù)，構(gòu)建“原位觀測-衛(wèi)星驗(yàn)證-模型反演”框架，全程跟隨渦旋核心，獲取覆蓋其完整生命周期的高時空分辨率數(shù)據(jù)集。
 

UVP6獲取的顆粒物粒徑譜與POC通量數(shù)據(jù)顯示，渦旋核心在西向漂移過程中持續(xù)俯沖，帶動水體中的POC向深海輸送。該機(jī)制（FECSP）在450米深度的碳輸出量達(dá)到239±156噸C/天，約占生物重力泵（BGP，647±377噸C/天）的1/4至1/2，成為渦旋環(huán)境下不可忽視的碳匯途徑。這一發(fā)現(xiàn)首次證實(shí)了全渦旋俯沖對碳輸出的顯著貢獻(xiàn)，填補(bǔ)了傳統(tǒng)生物碳泵研究的空白。
 

 圖3 a為FECSP與生物重力泵（BGP）的碳輸出原理示意圖；b量化了不同深度下FECSP與BGP的POC輸出率
 

通過UVP6數(shù)據(jù)計算的顆粒相關(guān)呼吸率（PARR）與水體碳移除率，在擴(kuò)展粒徑譜至0.025-0.102mm（填補(bǔ)UVP與顆粒物后向散射傳感器的觀測空白）后，與氧消耗率實(shí)現(xiàn)了良好匹配（320米以下尤為顯著）。研究表明，0.025-0.102mm粒徑范圍的顆粒物是碳庫的重要組成部分，其貢獻(xiàn)此前被嚴(yán)重低估，這一發(fā)現(xiàn)為調(diào)和長期存在的海洋中層碳供給與需求失衡矛盾提供了關(guān)鍵依據(jù)（圖4）。
 

 圖4 a為碳移除率計算的箱式模型；b、c對比了不同粒徑譜（含0.025-0.102mm 擴(kuò)展粒徑）下，碳移除率、顆粒相關(guān)呼吸率（PARR）與氧消耗率的匹配情況
 

UVP6觀測數(shù)據(jù)顯示，渦旋核心在俯沖過程中，其等密度面深度從290米逐步加深至370米，伴隨溫度負(fù)異常（達(dá)-5.42℃）和POC垂直分布的顯著變化；而渦旋合并事件后，混合層深度從65米加深至181米，核心區(qū)域微米級顆粒物（MiP）的POC濃度顯著升高（圖5）。這些變化表明，渦旋的俯沖與合并過程通過改變水體穩(wěn)定性和顆粒物分布，直接調(diào)控碳循環(huán)效率。

 圖5 b（溫度）、c（溶解氧）展示了渦旋俯沖過程中等密度面加深、溫度負(fù)異常的變化；2f-h（POC相關(guān)參數(shù)）呈現(xiàn)了渦旋合并前后MiP-POC濃度的波動

本研究首次明確FECSP新型碳輸出機(jī)制，證實(shí)中尺度渦在全球碳匯中的重要作用。UVP6所提供的高分辨率顆粒物粒徑譜與POC通量數(shù)據(jù)，是解析渦旋碳循環(huán)過程、量化碳氧收支平衡的核心支撐，其原位成像能力有效突破了傳統(tǒng)觀測技術(shù)在移動水體研究中的局限，凸顯了光學(xué)成像技術(shù)在推進(jìn)海洋生物地球化學(xué)過程研究中的不可替代性。

未來，結(jié)合多平臺自主觀測設(shè)備協(xié)同部署，UVP6將為完善全球氣候模型碳循環(huán)參數(shù)化方案、精準(zhǔn)評估海洋碳匯潛力提供堅實(shí)數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，為應(yīng)對氣候變化提供科學(xué)支撐。