近日，中国自然资源部第二海洋研究所张思琪博士、陈鹏研究员及中科院湖泊所施坤团队联合国内外多家科研机构，在Science Advances发表研究论文《Substantially underestimated winter CO₂ sources of the Southern Ocean》（南大洋冬季二氧化碳源被严重低估，Zhang et al., Sci. Adv., 2025）。

论文链接：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.aea0024

DOI: 10.1126/sciadv.aea0024

该研究首次结合卫星激光雷达观测（LIDAR）与机器学习技术，对2007—2020年南大洋海–气二氧化碳通量进行了全季节评估，成功突破了“南大洋冬季观测盲区”，揭示了以往研究中对高纬度冬季CO₂释放量的系统性低估，为全球碳循环评估和气候变化预测提供了新的观测证据。

南大洋（南纬35°以南）作为地球气候系统的重要调节者，吸收了全球海洋约40%的人为二氧化碳。然而，受极夜、强风浪与广泛海冰覆盖等环境条件的限制，传统的船基观测与被动遥感手段在南半球冬季几乎处于“盲区”，导致当前气候模型对冬季碳循环过程的描述存在显著不确定性。

为此，研究团队基于云-气溶胶激光雷达与红外探路者卫星（CALIPSO）的长期观测数据，融合神经网络算法，重建了南大洋表层海水二氧化碳分压（pCO₂）及海–气二氧化碳通量的高分辨率时空分布，在国际上首次实现了对南大洋碳通量全年无间断、日夜连续的综合观测。

研究发现，南纬50°以南区域的冬季碳源在传统方法中被低估高达40%，尤其在51°–63°S带最为显著。这一偏差主要源自被动光学卫星在极夜条件下数据缺失，而主动激光雷达凭借自身光源可在无阳光情况下直接获取海面后向散射信号。

分析显示，南大洋中纬带（30°S–50°S）长期维持增强型碳汇，而高纬带（50°S–90°S）则表现为明显的季节反转——夏季为碳汇、冬季转为强碳源，且受南半球环状模态显著调控。

研究团队通过机器学习对海表pCO₂变化的主控因子进行定量分解，首次提出了一个描述南大洋碳循环机制的新概念框架——“三环结构”（Three-loop Framework）。该框架揭示了三种纬向分区的主导过程：

1. 南极环（Antarctic Loop） —— 以盐度与海冰为核心调节因子。海冰的生成与融化通过淡水输入和气体交换通道控制碳释放与吸收，是高纬海洋碳通量变化的关键；

2. 极锋环（Polar Front Loop） —— 大气CO₂浓度与叶绿素变化共同驱动，体现出大气–海洋–生物之间的强耦合关系；

3. 亚极地环（Subpolar Loop） —— 主要受海表温度与溶解度控制，反映温度变化对碳溶解与逸出过程的热力学调节。

   
   

图. 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

这一“纬向三环”框架系统解释了南大洋碳通量随纬度、季节与气候模态的变化规律，从机制层面揭示了南极环流区如何通过物理过程与生物地球化学过程共同塑造全球碳循环。该成果不仅完善了南大洋碳交换的理论体系，也为地球系统模式中引入机制化参数化方案提供了新思路。

该研究在国际上首次利用卫星激光雷达实现海–气CO₂通量的全年反演，凸显了主动遥感在极地碳循环研究中的独特优势。相较于依赖光照的被动传感器，激光雷达能在极夜、多云和强风等极端条件下持续观测，为解决南北半球冬季碳通量数据缺失提供了新路径。

研究指出，纠正冬季碳源的低估现象，不仅更新了对南大洋年际碳汇趋势的认识，也将影响IPCC全球碳收支评估及未来减排目标的制定。此前模型因忽略冬季过程，普遍高估了南大洋的净碳吸收量，而新结果揭示该区域碳汇强度具有更强的季节波动与区域差异。

该成果展现了中国科研团队在全球气候研究中的创新引领作用。通过联合NASA、法国滨海大学等国内外机构，研究团队推动了主动遥感技术在海洋碳观测中的跨领域应用，也为即将实施的国际CALIGOLA任务及中国星载激光雷达计划奠定了基础。这标志着中国在全球海洋碳循环研究领域正由“参与者”向“引领者”转变，彰显了我国在国际科研舞台上的贡献与领导力。

张思琪（Siqi Zhang）博士，自然资源部第二海洋研究所助理研究员。主要从事海洋碳循环与主动遥感研究，长期致力于利用卫星激光雷达与机器学习技术研究海–气二氧化碳交换机制，关注高纬度与热带海域的碳通量变化及其气候效应。主持国家自然科学基金青年项目，发表多篇SCI论文。

陈鹏（Peng Chen）研究员，自然资源部第二海洋研究所，博士生导师。主要研究方向为卫星海洋环境遥感，长期从事主动与被动遥感技术在海洋碳通量、浮游植物和水色要素反演中的应用研究。现任卫星海洋环境动力学国家重点实验室副主任，先后主持国家自然科学基金优青项目、国家重点研发计划课题等国家级项目8项，省重点基金、省重点研发计划课题及其他项目近30项。以第一/通讯作者在RSE、ISPRS、TGRS、L&O等权威期刊发表SCI论文近50篇。

施坤（Kun Shi）研究员，中国科学院南京地理与湖泊研究所。国家青年基金A类和国家青年基金B类获得者，中科院青促会优秀会员，主要从事物理湖泊学研究。主持联合基金重点项目等国家自然科学基金5项、中国科学院科研仪器设备研制项目1项；在Nature Reviews Earth & Environment、Nature Climate Change、Nature Communications、Science Advances、Science Bulletin以及Remote Sensing of Environment等多个刊物发表SCI论文144篇；获中国地理学会青年科技奖以及省部级自然科学一等奖3项。

张镇华（Zhenhua Zhang）博士，南方海洋科学与工程广东省实验室（广州）。研究方向包括激光雷达方程海-气耦合模拟、气候变化与激光卫星遥感监测，主持国家自然科学青年科学基金项目（C类）、博士后面上项目，在RSE、ISPRS等领域顶级期刊发表多篇SCI论文。