船载和阿尔戈浮载不一致p有限公司₂在南大洋德雷克海峡的强烈上升流区

1介绍

南大洋在全球碳循环中扮演着非常重要的角色，因此调节着全球气候系统(Sarmiento & Toggweiler, 1984；格鲁伯等人，2019a；Gruber等，2019b)．南大洋(30°S以南)的人为CO占海洋总汇的不成比例的很大比例(~40%)₂（Mikaloff Fletcher等人，2006；格鲁伯等，2009年；DeVries, 2014；格鲁伯等人，2019a；Gruber等，2019b)，以及大规模控制向低纬度海洋的营养供应，从而控制低纬度生物生产力的规模(Sarmiento等人，2004年)．观察结果和模型表明，二氧化碳的吸收效率有很大的可变性₂在过去的几十年里南大洋公司的实力₂据报道，从20世纪80年代到21世纪初，由于南大洋风的增加，加强了天然CO的上涌和排出，碳汇已经减弱₂（Le Quéré等，2007；Lovenduski等人，2008)．相比之下，最近的研究(Landschützer等，2015；门罗等，2015b)建议重振南大洋公司₂自2002年以来，由于太平洋的温度下降、大西洋和印度洋的分层加强，以及翻转减少(Landschützer等，2015；DeVries等，2017；Gruber等，2019b)．

南大洋之所以特别重要，很大程度上是因为它的环流。来自大西洋和印度-太平洋的深水被上涌至海面，然后转变为中间水域或密度更大的底层水域(兰普金和施佩尔，2007年；马歇尔和施佩尔，2012年；Talley 2013)．上升流主要发生在南极环极流(ACC)的南部(Orsi等人，1995；索普等人，2002年；查普曼等，2020年)，那里的深水回流到上层海洋通过风动埃克曼运输(马歇尔和施佩尔，2012年)释放再矿化的CO₂它已经从大气中积累和分离了几个世纪。这样的公司₂释放集中在50°S ~ 65°S之间的较窄波段(Chen等人，2022)．以前的研究(例如，吴等，2019)地表溶解无机碳(DIC)表现出强烈的纬向梯度，由于低温和上升流的作用，在高纬度的南大洋DIC最高;高dic地下水沿上涌通道露头。然而，这可能不等于CO的分压₂（p有限公司₂这对海空公司至关重要₂交换)p有限公司₂也受过量总碱度(TA)、海水温度和盐度的调节，导致p有限公司₂（Chen等人，2022)．因此，要更全面地认识上升流对地表的影响p有限公司₂需要破解上升流诱导的深层CO₂释放。

尽管南大洋对碳循环和气候系统有着至关重要的影响，但它仍然是全球海洋中采样最少的区域之一，其特征是CO有很大的不确定性₂通量估算(Bakker等，2016；Gruber等，2019b；Friedlingstein等人，2022年)．然而，德雷克通道是一个例外，自2002年以来，作为德雷克通道时间序列项目的一部分，获得了大量高频和高分辨率的观测数据。因此，人们对德雷克海峡的碳循环和碳酸盐系统有了更好的了解(门罗等，2015a；门罗等，2015b；费伊等人，2018)高于南大洋的其他地方，并表明在季节性和长期CO方面代表了南大洋亚极地更广泛的区域₂的趋势。

为了填补数据空白，更好地了解南大洋碳循环，从2014年开始，南大洋碳与气候观测和建模(SOCCOM)项目在南大洋部署了首个生物地球化学漂浮阵列。超过200个浮标，配备氧气、硝酸盐、pH值和生物光学传感器(Johnson等，2017)已被释放(https://soccom.princeton.edu/)．碳酸盐岩体系数据(例如，p有限公司₂)由浮法测定的pH值和算法计算的TA得到。根据前几年有限的SOCCOM数据，威廉姆斯等人(2017)；格雷等人(2018)而且Bushinsky等人(2019)显示CO值惊人的高₂ACC带周围的排气信号，特别是在冬季，以更大的速率(0.36 Pg C年)排出^－1)高于之前的船舶估算值(从-0.05到0.03 Pg C年^－1；根据Landschützer等，2014而且高桥等人，2009)．他们把高纬度南大洋地表水中碳和营养物质含量的增加主要归因于水资源的稀缺p有限公司₂可获得浮子测量之前的观测以及年际变化，例如，2014-2017年南大洋环形模指数为正，导致风驱动上升流增加(Lovenduski等人，2007；Lovenduski等人，2008)．然而，最近一些独立方法的证据(如航空观测、无人地面飞行器观测、冬季数据重建和配对CO₂- o₂指标;Long等人，2021年；麦凯和沃森，2021年；萨顿等，2021年；Wu等人，2022)表明生物地球化学-阿尔戈可能高估了海面p有限公司₂，从而给CO的准确估计增加了更多的争议₂通量。基于船舶和基于浮动的水面估计之间的差异p有限公司₂和海空交换因此促使我们检验这种强CO的有效性₂南大洋ACC带的排气。为此，我们利用Drake Passage数据集及其表示的南大洋次极地碳循环来研究基于船舶的海面季节性变化p有限公司₂．为了获得机理的理解，我们发展了一个表面碳平衡计算(考虑深层夹带CO₂从地表水和上升水)来估算冬季地表的理论值p有限公司₂受垂直混合和上升流的影响。

2材料与方法

2.1研究区域:德雷克通道

纬向无界的南极环极流(ACC)的强流被压缩至约800公里，使德雷克海峡成为在相对较短的距离内研究整个南极环极流系统的天然实验室(Sprintall等，2012)．我们遵循了之前的研究(门罗等，2015a；门罗等，2015b)，根据其独特的物理、海洋和地理环境，将德雷克海峡划分为四个区域。四个地区(图1一个)的方向与南极极锋(APF)和ACC的平均流平行，其中两个(R1和R2)位于APF的北部，另外两个(R3和R4)位于APF的南部。亚南极锋(SAF)位于R1内，APF位于R2和R3之间。

2.2数据来源

我们使用了几个包含地表的观测数据集p有限公司₂碳酸盐岩体系参数如下所示。南方的夏季是从一月到三月，其他季节依此类推。

2.2.1德雷克通道的时间序列数据

离散表面样品的参数(如盐度，宏量营养素和DIC)以及高频进行p有限公司₂南极研究补给船每年在德雷克海峡的5到8个横断面上收集和测量数据劳伦斯·m·古尔德．碳酸盐系统参数以及船上测量的其他生物地球化学变量(称为Drake Passage Time-series, DPT)可以全面了解Drake Passage的生物地球化学。2002 - 2017年DPT数据集(图1一个)已从https://www.ldeo.columbia.edu/res/pi/CO2/．分析精密度为±2 μ atmp有限公司₂， μ mol kg约±1^－1适用于DIC (门罗等，2015a；门罗等，2015b)．TA由DIC计算，p有限公司₂、温度、盐度、磷酸盐和硅酸盐数据。每个TA值的估计精度为2µmol kg^－1的分析精度p有限公司₂及DIC (高桥等人，2014；门罗等，2015a；门罗等，2015b)．计算得到的TA值与样品的实测值比较接近p有限公司₂， DIC和TA测量)滴定(均方根偏差±4 μ mol kg^－1)．

我们亦于2006年3月、2009年2月及9月利用德雷克水道现有的水柱剖面(图1一个)．数据来自GLODAPv2.2020数据集(奥尔森等人，2020年)，不确定度为4 μ mol kg^－16 μ mol kg^－1，分别为DIC和TA。

2.2.2 SOCCOM浮动数据

SOCCOM生物地球化学-阿尔戈浮子数据下载自https://soccom.princeton.edu/，在本研究中使用了8个横跨Drake Passage的漂浮物(2014 - 2020年)(图1 b)．浮子测量水柱pH值、氧气、硝酸盐、荧光和后向散射(Johnson等，2017)．碳酸盐岩体系参数包括p有限公司₂和其他数据首先通过传感器测量的温度、盐度、pH值、LIAR算法估计的TA、硅酸盐和磷酸盐浓度(Williams等，2016；Williams等，2017；卡特等人，2018)．所有浮子数据均按约翰逊等人(2017)．具体来说，pH值数据的质量控制基于浮子和船载(包括可用的南大洋数据集和SOCCOM部署巡航)测量之间的深水交叉分析。估算现场pH值的经验算法作为温度、盐度、压力和O的函数₂用于1000-2000米深度的船载瓶测量，然后应用于漂浮测量的温度、盐度、压力和O₂．通过比较1500米深度下的两个pH值，pH值的偏移量应用于整个浮子剖面。所测pH值报告的不确定度分别为1%(相当于0.005)(Johnson等，2017)，估计TA和p有限公司₂报告的不确定度为5.6 μ mol kg^－12.7% (Williams等，2017)．

与浮动估计相关的不确定性p有限公司₂主要由三个因素决定:估算TA的准确性、测量pH的准确性以及用于计算碳酸盐岩体系的平衡常数的选择(Williams等，2017)．其中，pH值的测量精度被证明是主导因素(Williams等，2017；Takeshita等，2018)．根据截至2016年12月的质量控制评估(Johnson等，2017)， pH传感器的良好数据返回率最低(88%)，而氧传感器的良好数据返回率最高(100%)。先前的一些研究揭示了漂浮pH值和船载pH值之间的不匹配(Álvarez等，2020；Wu等人，2022)．

2.3数据处理

2.3.1 .趋势pCO₂

为了防止暂时性CO₂由于人为CO而产生人为空间变异的趋势₂影响，我们去了表面的趋势p有限公司₂并将其归一化，以2005年为参考年，以便更好地与全球研究进行比较(例如，高桥等人，2014)．趋势速率为1.67 μ /年^－1增加了大气CO₂2002-2017年期间从正在进行中确定p有限公司₂本研究所采用的测量方法(图2一个)．在Drake Passage的特定区域(r1 ~ r4)，速率变化不大，偏差小于0.23 μ atm年^－1（图2中)，等于2005 - 2017年12年归一化的2.76 μ atm偏差。这是不确定的p有限公司₂因此可以忽略不计。我们进一步将这个比率应用到整个德雷克通道，当规范化船基和浮基p有限公司₂到2005年。

2.3.2地表碳平衡计算

图3显示德雷克海峡的水质性质的季节性变化(埃文斯等人，2014)．在冬季，南极冬季水(AAWW)和南极中间水(AAIW)主要是由于强烈的地表冷却和由此产生的深层混合层而形成的，而在夏季，AAWW由于地表增温和与地表水内部混合而被侵蚀，直到随后的冬季。与夏季或冬季的地表水相比，AAWW的盐度和DIC (表1)．通过量化夏季地表水(SSW)和夏季地表水(AAWW)对冬季地表水(WSW)表层碳平衡的个体贡献，可以估计季节水质量转换对表层DIC和表层碳平衡的影响p有限公司₂．

由于大多数浮子观测到的强CO₂排气发生在ACC区(Williams等，2017；格雷等人，2018)，我们将德雷克通道的R3及R4区(APF以南及ACC南部以北)合并(图1)，以调查地表碳平衡。在SSW与AAWW混合形成WSW的过程中，AAWW的分数(f_AAWW)计算为将特定示踪剂的表面浓度[X]从夹带期(即夏季月份)开始的观测值改变为夹带期结束(即冬季月份)的值所需要的量，根据式1和式2:

在[X]_量为夏季地表水浓度，[X]_西南偏西为冬季地表水。此外，我们还考虑了环极上深水(UCDW)和SSW混合形成WSW的情况，这是一种极端情况，在研究区很少发生(图3一)．在这种情况下，端元AAWW被UCDW取代。两个保守参数，总碱度(TA)和绝对盐度(S_一个)，分别对这一过程进行量化。绝对盐度被定义为海水中盐的质量分数，相对于实际盐度，实际盐度本质上是衡量海水的电导率来描述海水的含盐量;绝对盐度是国际单位制的浓度单位，单位为g kg^－1．

AAWW水体质量由其在绝对盐度和保守温度(T_缺点)，加上S_一个从34克公斤不等^－1到34.3克公斤^－1，和T_缺点范围从-2°C至1°C (埃文斯等人，2014)．保守温度是海洋学学界采用的海洋温度新标准，作为海水热力学方程- 2010 (TOES-10)的一部分，它是基于海面压力的假设绝热和异卤变化。表1总结了两种示踪剂的平均值以及各混合端元的碳酸盐参数;AAWW和UCDW的值来自深度剖面数据，SSW和WSW的值来自去趋势的水面航行数据。采用吉布斯-海水工具箱计算绝对盐度和保守温度。

计算得到的不同水质量馏分及后续混合DIC和的不确定性p有限公司₂由1000次迭代蒙特卡罗分析估计，其中包含每个输入参数的不确定性，如表1．遵循蒙特卡罗分析的原理吴等(2019)．

3的结果

3.1船基面时空变异性p有限公司₂在德雷克海峡

表面p有限公司₂(归一化参照2005年)在德雷克通道的四个区域显示出不同的季节变化规律(图4)．空间、表面p有限公司₂春、秋、冬季节随纬度总体呈下降趋势;但在夏季由于可能与生物活性相互作用而变得更加活跃(布朗等人，2019年)．值得注意的是，热点高p有限公司₂R4在春季和冬季尤其明显，这是由于ACC带周围上升流所致。纬向梯度p有限公司₂夏季和冬季均有较大的空间变化，冬季的空间变化可达50 μ atm。时间上，夏季水面p有限公司₂在300 ~ 370 μ atm之间，相对于大气，大多处于欠饱和状态p有限公司₂(2005年366台);然而，在冬天，它们大多数都变得过饱和。在APF以南的地区经历了最大的季节变化p有限公司₂(~ 80µatm)。

图5，6显示表面的季节性变化p有限公司₂和Δp有限公司₂(海面p有限公司₂-大气p有限公司₂)由R1至R4。总的来说，该地区是二氧化碳的弱汇₂从大气(图6E)， R1和R2是一个接近中性的区域(冬季CO₂R3和R4是一个汇区(持续性CO₂下沉，除了几个月)。海洋表面的极大值p有限公司₂通常是在南方的冬季，当深水向上输送带来CO₂夏季是生物生产吸收表层CO的高峰期₂级别(高桥等人，2009)．Δ的季节振幅p有限公司₂在整个Drake Passage中通常小于10 μ atm (图6模拟)，与表面综合研究一致p有限公司₂在德雷克通道由费伊等人(2018)而且门罗等人(2015b)．

3.2船基与浮基碳酸盐岩参数对比

我们将8个浮点数限制在R1-R4区域内。对于不同采样年份的比较，有船基和浮子基p有限公司₂，根据已报告的南大洋人为变化速率，调整为2005年的参考年份(见第2.3.1节)。由于Argo浮标在10天的周期内收集了从海面到深海(2000米)的数据，所以恰巧大部分数据位于R4，而且大部分数据是在冬季收集的。船基和浮子基之间的重大分歧p有限公司₂和Δp有限公司₂在R4 (图4 - 6)．

在R4中，基于浮点数p有限公司₂和Δp有限公司₂除了几个月(11月和12月)外，均显著高于海运。因为大气p有限公司₂在南半球是相当稳定的，在p有限公司₂因此等同于Δp有限公司₂．2 ~ 9月，浮-船的变化规律基本一致，变化范围为6 ~ 24 μ atm(平均14 μ atm)，其中秋季和冬季(5 ~ 8月)变化最大。这表明可能高估了p有限公司₂和Δp有限公司₂通过基于浮动的观察。就…而言p有限公司₂，这种高估意味着2-6%的不确定性(6-24 μ atm除以平均值p有限公司₂363 μ atm);然而，就Δ而言p有限公司₂，这意味着100-400%的不确定度(6-24 μ atm除以绝对Δ的平均值)p有限公司₂6 μ atm)。

4讨论

4.1上升流诱导的理论包络p有限公司₂

的示踪器值表1将方程1-2应用于计算地表水中AAWW和SSW的分量。DIC在混合过程中是保守的，但受生物地球化学过程的影响，因此我们仅通过混合AAWW和SSW DIC值计算(使用公式2)WSW中“混合”DIC的浓度;p有限公司₂对于混合过程不保守，“混合”的值p有限公司₂因此，从输入“混合”TA和“混合”DIC的碳酸盐岩体系计算，使用CO₂系统(Van Heuven等，2011)．解离常数的选择遵循全球范围的研究，如吴等(2019)．

以TA为示踪剂，计算得到的AAWW分数为13%，SSW分数为87%(分数不确定度为20%)，后续混合DIC为2139±13 mol kg^－1而且p有限公司_{2 =}307±27 μ atm，均低于WSW和大气中观测到的水平。以盐度为示踪剂，计算得到的AAWW分数为48%(比ta衍生的上涌水更多)，SSW分数为52%(分数不确定度为24%)，后续混合DIC为2153±15µmol kg^－1而且p有限公司_{2 =}337±22 μ atm，仍低于WSW和大气中观察到的水平。

而且，即使我们将UCDW、AAWW和SSW三者混合形成WSW，结果仍然较低p有限公司₂(“混合”p有限公司₂μ μ atm范围为310±30 ~ 330±34,UCDW分数根据示踪剂的不同，范围为6±10% ~ 14±10%)。虽然这似乎违反直觉，因为UCDW终端成员可以向海洋表面提供大量的自然碳(DeVries等，2017)，混合p有限公司₂由于高上升流的TA (吴等，2019；Chen等人，2022)．

尽管估计的表面p有限公司₂冬季夹带和上升流在不同示踪剂的选择上表现出偏差，它们互为敏感性试验，均提示较低的水平p有限公司₂高于大气水平。身体上的“混合”p有限公司₂因此不能诱导强CO₂排气(与…一致)图5）;因此R4仍然是CO₂下沉区域，这也与之前的评估一致，德雷克通道总体上是一个持续的CO₂在所有地区下沉(门罗等，2015b；费伊等人，2018)．

4.2是强冬季CO₂源合理吗?

研究结果表明，德雷克海峡是CO的弱海洋汇₂（图6)，并挑战SOCCOM浮子数据的发现，即高纬度南大洋释放大量CO₂（Williams等，2017；格雷等人，2018；Bushinsky等人，2019年)．本研究中使用的两种方法都表明，冬季深水夹带/上升流进入德雷克通道表层可能在Δ产生震级是不可能的p有限公司₂的大至40 μ atm(这是由漂浮估计;Williams等，2017)或者是一个杰出的天生的CO₂排气信号(Bushinsky等人，2019年)．高的上升流p有限公司₂因此，在高纬度南大洋德雷克通道的表层混合层之下，地下水在冬季大量排放气体方面受到限制。虽然我们没有将方法扩展到更广阔的南大洋，因为缺乏基于船舶的数据，这阻碍了表面碳平衡计算的构建，但我们认为，德雷克通道提出的理论框架也适用于印度-太平洋区域，这是天然CO上涌的热点₂源自印度-太平洋深水区(Chen等人，2022；Prend等人，2022年)．船派生和浮子派生之间存在一些差异是合理的p有限公司₂是否可归因于浮子观测期间的偶发性或短期(每周到每月)变化(例如，风暴和中尺度事件)，这会导致p有限公司₂（Kwak等人，2021年；Nicholson等人，2022年)．然而，我们的研究表明，在更长的时间尺度上(每年;图6 d)．此外，我们的研究也与其他一些应用新技术的研究一致(Long等人，2021年；麦凯和沃森，2021年；萨顿等，2021年；Wu等人，2022)，以表示可能高估的CO值₂SOCCOM浮球的排气可能是由于错误的pH值测量或碳酸盐系统相关的偏差(Álvarez等，2020；Wu等人，2022)．

虽然这似乎有点矛盾费伊等人(2018)我们的研究使用了类似的数据集(都使用了DPT和SOCCOM数据集)，但在基于船的和基于浮动的一致性方面得出了不同的结论p有限公司₂(Fay等人声称，基于浮动的p有限公司₂由于估计的不确定性，处于基于船舶的值的范围内)，他们的研究确实揭示了整体较高的基于浮动的值p有限公司₂而不是海运，尤其是在冬天，这与我们的发现一致。费伊等人(2018)在船基和浮基的交叉分析中可以看出p有限公司₂在他们的图9B中，同样大的差异和高度可变的差异(即大的标准偏差)。他们所有的发现都一致指出了一个事实，即基于浮动的偏见p有限公司₂是相当大的。然而,费伊等人(2018)使用不同的平均方法来获得最终的不确定度值(图9B中的灰框)，在此过程中，总体不确定度降低到±11 μatm，即在这些作者认为的观测不确定范围内。值得注意的是，±11 μ atm绝不是一个可接受的不确定度范围p有限公司₂它比一般的舰载机大五倍p有限公司₂±2 μ atm (皮埃罗等，2009)．在所有情况下，p有限公司₂最终被用来计算海空CO₂基于F的通量_二氧化碳= k×α×Δp有限公司₂， k为CO₂气体转移速度，α为CO₂溶解度和Δp有限公司₂是海面与大气水平的差值。考虑到大气p有限公司₂是稳定的，在短时间尺度上可以视为常数，F_二氧化碳很大程度上取决于Δ的不确定性p有限公司₂，在他们的情况下，这将导致~180%的不确定性F_二氧化碳因此不能忽视估算。

5的结论

自主的生物地球化学-阿尔戈浮标收集了大量宝贵的数据，以了解全球海洋碳循环，并为填补采样严重不足的南大洋的数据空白作出了巨大努力。自从SOCCOM项目的首批碳酸盐岩系统研究(Williams等，2017；格雷等人，2018；Bushinsky等人，2019年)揭露了一个惊人的指挥官₂由于南洋高纬度(特别是冬季)上升流导致的排气信号，对于基于浮子的数据质量和由浮子衍生的南洋CO的量级一直存在争议₂通量(例如,Álvarez等，2020；Long等人，2021年；麦凯和沃森，2021年；萨顿等，2021年；Wu等人，2022)．在本研究中，我们选择德雷克海峡作为研究窗口来解决上述问题，因为它已经被船舶和漂浮物广泛观察。我们收集了所有的船p有限公司₂2002-2017年在德雷克海峡的观测结果，并与2014-2020年在同一区域的8个系列浮子观测结果进行了比较。有趋势的基于船和基于浮子的p有限公司₂但在14µatm(浮体>)上存在差异。我们进一步应用基于地表碳平衡的独立方法估算地表的理论值p有限公司₂如果是上升流增强，则表明上升流不足以引起上述差异。这些发现与之前的陈述(例如，费伊等人，2018)，基于float的p有限公司₂尽管我们都发现了与他们的(平均14 μ atm，最多24 μ atm)(平均11 μ atm，最多25 μ atm)具有可比性的偏差，但由于估计的不确定性，它们处于基于船的值的范围内。这是因为费伊等人(2018)报告的结果是基于相对不确定性，因此不确定性在p有限公司₂±2.7%(相当于±11 μ atm)听起来很合理，尽管±11 μ atm已经比一般的船载大了5倍p有限公司₂不确定性。我们认为，在报告/估计不确定度时必须更加谨慎，因为本质上±2.7%p有限公司₂不确定度为CO中~180%的不确定度₂通量估算。

数据可用性声明

本研究分析了公开的数据集。这些数据可以在这里找到:https://www.ldeo.columbia.edu/res/pi/CO2/；https://soccom.princeton.edu/．

作者的贡献

YW概念化。方法,YW。软件,YW。验证、DQ。写作-初稿准备，YW。写作审查和编辑，YW和DQ。所有作者都已阅读并同意出版版本的手稿。

资金

本研究由国家重点研究发展计划项目(2019YFE0114800, 2019YFC1509101)、国家自然科学基金项目(4266222)、福建省自然科学基金项目(2020J05075, 2019J05148)和自然资源部科研基金项目(2019032)资助。

致谢

我们感谢数据提供者和科学家在数据收集、质量控制和合成方面所做的工作，这些工作导致了本文使用的数据集的生成。我们也衷心感谢两位审稿人提出的建设性建议和意见。

利益冲突

作者声明，该研究是在不存在任何可能被解释为潜在利益冲突的商业或金融关系的情况下进行的。

出版商的注意

本文中表达的所有主张仅代表作者的观点，并不代表其附属组织的观点，也不代表出版商、编辑和审稿人的观点。任何可能在本文中进行评估的产品，或可能由其制造商做出的声明，都不得到出版商的保证或认可。

参考文献