北極是全球氣候變化的「放大器」，全球海洋酸化的「領頭羊」
全球海洋酸化問題與全球氣候變暖是「禍出同因」——都源自於主要溫室氣體CO2的過量排放。北極是全球對氣候變化最敏感的地區，海冰快速融化使北冰洋成為全球海洋重要的CO2碳匯，也是海洋酸化最嚴重的大洋。2017年6月14~15日在北京召開以「北極海洋在全球變化中的作用及其對中國的影響」為主題的第598次香山科學會議，目的是為了深入探討前期國際上針對北極研究所取得的科學進展，我國曆次北極科考中取得的成績和存在問題，來自國內40餘所高等院校和科研機構的50多位專家學者就「北極科學考察」、「維護國家權益」、「深入開展國際合作」等議題展開討論。《科學通報》第22期特邀國家海洋局第三海洋研究所陳立奇研究團隊對「北冰洋海洋酸化和碳循環」科學問題進行綜合評述。
海洋響應大氣CO2升高，引起海水pH和碳酸鈣飽和度下降，這一過程稱為海洋酸化。 海洋酸化會對海洋生物和生態系統造成嚴重危害。在過去的20年中，全球氣候變化引起北冰洋發生一系列快速變化，包括：北極地區溫度升高是全球平均的2倍、海冰快速後退、太平洋入流水增多、北冰洋和大氣環流異常、淡水儲量增加、營養鹽和初級生產力變異等。全球氣候變化所誘發的北極快速變化預計將放大北冰洋的海洋酸化。
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北冰洋發生氣候與環境快速變化
海冰快速融化
近來的觀測表明，北極地區大氣-冰-海洋體系出現了快速的變化。北極近地面氣溫的增幅是同期全球平均增溫的2.5倍，稱為「北極放大」現象。2013年IPCC第五次評估報告指出, 北冰洋海冰範圍在1979~2012期間快速下降，非常可能以每10年3.5%~4.1%的速率下降。衛星觀測數據顯示，1979~2007年間，北冰洋夏季海冰覆蓋的範圍大幅縮減，在2012年9月更是曾經低達341萬平方千米, 為有衛星觀測記錄以來的歷史最低值。
北冰洋環流異常
北冰洋濤動指數(AOO)是揭示北冰洋環流變化的重要指示。北冰洋濤動與許多環境參數密切相關，表徵了加拿大海盆的年際變化，波弗特環流淡水含量以及整個北冰洋淡水儲量的變化。早期的北冰洋濤動指數時間序列表明，氣旋和反氣旋這兩種環流形態每隔5到7年發生更替，濤動時間約為10~15年。然而1997年以來這種格局發生了改變，反氣旋連續18年(1997~2016年)在北極地區居於主導地位。反氣旋式環流異常現象體現在波弗特流渦自旋加速上，這意味著更強的艾克曼輻聚，從而有利於加拿大海盆上層海洋輻聚太平洋冬季水，影響範圍變深、變廣。了解過去20年來北冰洋氣候和環境的變化，包括：海冰快速融化、太平洋入流水增加和路徑改變，以及風驅動環流的變化，有利於我們進一步分析北極系統內部變化驅動發生快速酸化的調控機制。
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北冰洋碳循環研究進展
基於海冰融化引起北冰洋陸架區域初級生產力增強和海表CO2濃度降低，導致海水吸收CO2能力增強的觀點，曾有學者認為北冰洋廣域的海盆將可成為減弱大氣CO2升高的一個新的CO2強匯區。然而基於中國北極科學考察的研究發現，北冰洋海盆無冰開闊區域的CO2吸收能力反而下降。2008年海盆區的CO2濃度相比以前觀測值明顯升高。來自大氣的CO2入侵和較弱的生物吸收是導致表層海水較高CO2濃度的主要原因。
北冰洋表層海水
pCO2影響因素的數據和模型模擬，圖片來源於Science
由於這種較高的表層水CO2濃度會阻礙大氣CO2的進一步入侵，預計北冰洋海盆區在無冰的狀況下不會成為大氣CO2的強匯。然而上述研究結論與近期基於衛星遙感的研究結果有著明顯差異，這些基於衛星遙感觀測資料研究結果認為，近年來由於北冰洋夏季海冰快速消退，北冰洋海盆區的初級生產力已經增加了大約10%，生產力的提升，表層海水出現低的CO2濃度，這一階段可顯著增強表層海水CO2的吸收能力。因此，針對海-氣CO2通量如何響應北冰洋夏季海冰快速消融這一重大科學問題，目前尚存較大爭議。基於中國第四次北極科學考察航次期間，從白令海峽到北冰洋中心海域觀測到不同海冰覆蓋條件下表層海水pCO2明顯變化的現象，提出了北冰洋在融冰過程中表層海水pCO2呈現「低-低-高」變異的假設。 研究推斷出不同融冰狀態表層pCO2水平分布的規律性及主要驅動因子，將有利於改善基於衛星遙感的快速融冰情景下北冰洋表層海水pCO2大尺度模擬和碳源匯外推評估模型的不確定性。
冰洋在融冰過程中表層海水pCO2呈現「低-低-高」變異的假設，圖片來源於《科學通報》
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北冰洋快速酸化研究進展
目前，歐盟、美國、加拿大、日本和韓國等國家的科學家已經對北冰洋海洋酸化的研究給予高度關注，美國NOAA成立了海洋酸化研究中心，策劃北冰洋酸化研究的新一輪5年國際計劃。 北冰洋酸化研究已成為全球海洋酸化成因和趨勢預測聚焦和熱點海區。近十年(2005~2013年)的調查研究和模型預測表明，受氣候變暖，海冰快速融化等環境變化影響，靠近太平洋一側的西北冰洋海域，包括加拿大海盆表層海水和陸架坡折區，楚科奇海陸架底層水，東西伯利亞海底層水，波弗特海陸架區域，加拿大北極群島，巴芬灣等區域，海洋酸化速率都較高。相比之下，受大西洋入流水影響的區域則酸化較為緩慢，包括格陵蘭海、巴倫支海、喀拉海和拉普捷夫海的外大陸架深水海域等。因此，對北冰洋酸化的研究主要集中在太平洋扇區的西北冰洋。中美在北冰洋開展了長期的合作，雙方科學家全面分析了1994~2010年間夏季西北冰洋從邊緣海到深海海盆碳酸鈣(文石)與年代際變化。研究結果顯示，西北冰洋斷面上「酸化海水」的區域已經顯著擴張，深度加深並向北延展至北緯86°的中心北冰洋海域。其250 m的上層「酸化水體」在斷面上所佔的比例從1994年5%一直擴張到2010年的31%，16年間的酸化水體截面積擴張了6倍，平均每年增長1.5%。分析討論「酸化水體」快速擴張的誘因: 對錶層海水(
1994~2010年間夏季西北冰洋酸化水體快速增長，圖片來源於Nature Climate Change
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未來北冰洋碳循環和海洋酸化的變化
對於表層海水，引起碳酸鈣不飽和現象主要原因是由於過量吸收大氣人為CO2和海冰快速融化所導致的。模型研究預測未來大約20年隨著無海冰的夏季整個西北冰洋表層海水將被酸化水體所覆蓋; 另一方面，與之相伴的碳埋藏將同步增加，西北冰洋陸架碳泵運轉效率將提升。研究表明，反氣旋模式一直占統治地位這一反常現象，與氣候變暖引起的格陵蘭淡水輸出通量異常單調增加現象密切相關。因此，全球氣候變暖引起的格陵蘭冰蓋持續消失可能將間接通過影響波弗特流渦，從而有利於加拿大海盆上層海洋聚集酸化海水，並且未來可能將持續下去。總之，北冰洋碳儲量增加和海水酸化範圍大幅擴張的現象凸顯出北冰洋過去20年環境快速變化的顯著性。
在國際期刊Science,Nature Climate Change,Deep Sea Research,Marine Chemistry等發表系列成果顯示了中國北極科學考察科學研究的重要意義，同時也表明20年來連續獲取高解析度海洋現場觀測數據的價值。北冰洋是全球大洋研究最為匱乏的區域之一，原因在於海冰覆蓋、自然條件惡劣、調查成本高，以及一些區域的不可接近性，因此，在國際範圍內協調北冰洋研究是非常有必要的。為了支持和協調海洋酸化的持續觀測，基於全球海洋觀測網計劃(GOA-ON)和北冰洋酸化計劃(AOA)，作者在會上提出一個以北冰洋和北太平洋酸化為重點海區的觀測網計劃(nPAOA-ON)，希望以深入全面的科學研究服務於未來的區域管理和生態系統安全保障。
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