2020年9月, 《地球物理研究杂志-海洋》（Journal of Geophysical Research: Oceans）在线刊登了我实验室周宽波博士为第一作者, 戴民汉院士为通讯作者，题为Transient enhancement and decoupling of carbon and opal export in cyclonic eddies的研究成果。该研究围绕“中尺度涡旋如何影响海洋生物地球化学过程以及颗粒物质输出通量”这个热点问题，揭示了输出通量在中尺度涡中的空间变化以及时间演替过程，同时也阐明了不同元素通量（比如：碳与硅）之间的耦合与非耦合机制，为涡旋的生物地球化学研究提供了一个新的方向。

海洋中尺度涡旋是全球大洋中普遍存在的动力学现象，它的时间尺度一般为周至年，空间尺度为十至百公里。研究表明在亚热带贫营养海区，海洋气旋式涡旋能够使底层高浓度的营养盐涌升至表层，从而刺激浮游植物的生长以及增加海洋初级生产力，进而促进向下输出通量的增强。然而现场的观测结果显示，涡旋作用下的输出通量并不一致，时有增强时有减弱，在元素水平上，有时涡旋扮演的角色是“硅泵”而不是“碳泵”。而这些观测的普遍弱点是多集中于涡旋核心区而忽略了边缘区，另外涡旋存在明显的时间演替过程，而已有观测又多聚焦涡旋的某一发展阶段。基于以上事实，该研究采用高空间分辨率的采样模式同时覆盖了涡旋核心区与边缘区，另外，在时间演替上，针对两个处在不同发展阶段的涡旋进行观测 （比如成熟期和衰退期）。该研究发现，无论是成熟期还是衰退期，涡旋边缘的输出通量均明显高于核心区，推测该高输出通量可能是由颗粒物由核心区向边缘区的亚中尺度水平输运，并在边缘区沉降造成。因此，只在核心区进行观测很有可能会低估涡旋所引起输出通量。另外，输出通量在涡旋的不同阶段亦有不同响应。在成熟期，输出通量明显增强，碳、硅通量相对于非涡旋区域同时增强 （耦合），而在衰退期，输出通量明显减弱，碳相对于非涡旋区域并无二致，而硅仍有所增强（非耦合）。推测是由群落结构随涡旋时间演替的变动而造成：在成熟期，硅藻快速增长，而浮游动物捕食与细菌矿化分解速率仍相对较低，导致碳硅输出同时增强，而在衰退期，营养盐供应逐渐变低，硅藻丰度迅速下降，浮游动物捕食逐渐增强，细菌矿化速率亦明显增强，而相对于硅而言，碳容易被分解矿化，最终导致碳硅通量的不耦合。综上，该研究提出了涡旋生物地球化学响应的新概念模型 （如图所示）。

研究最后指出，综合考量了空间和涡旋演替的因素，气旋涡可能更多扮演的是“硅泵”的角色而不是“碳泵”，并暗示未来海洋有可能会成为一个硅限制的海洋。

该工作得到了国家自然科学基金重大研究计划（91328202）、重点项目（41730533）、重大项目（41890804）以及科技部重大科学研究计划（2015CB954000）的资助。中国科学院南海海洋研究所修鹏研究员、自然资源部第三海洋研究所王磊副研究员、南卡罗兰纳大学Claudia Benitez-Nelson教授以及我实验室胡建宇教授为该研究共同作者。

中尺度气旋式涡旋物理与生物地球化学演替的新概念模型

 Citation: Zhou, K.B., Dai, M.H., Xiu, P., Wang, L., Hu, J.Y. and Benitez-Nelson, C., 2020. Transient enhancement and decoupling of carbon vs opal export in cyclonic eddies, Journal of Geophysical Research: Oceans. 125, doi: org/10.1029/2020JC016372.

全文链接：https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1029/2020JC016372

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