浮标 pH 的系统性偏差导致派生 pCO2 高估并低估南大洋的碳吸收量

微小海洋测量为何重要

南大洋是环绕南极的广阔水域，它在悄然间吸收了全球过量热量和二氧化碳的很大一部分。由于该区域偏远且多风暴，科学家越来越多地依赖机器人剖面浮标而非船只来追踪这片海洋实际吸收了多少 CO2。本研究表明，这些浮标在测量酸度（pH）时存在微妙但系统性的误差，导致对溶解在海水中的 CO2 的估算偏高——因此低估了南大洋从大气中实际吸收的碳量。

观测难以到达海区的机器人

生物地球化学 Argo 浮标是随流漂移的仪器，每隔几天从海面下潜到约 2,000 米深处，测量温度、盐度、氧气、营养盐和 pH。在南大洋，这些浮标组成的大量观测阵列现在比船舶能提供更频繁的数据。研究人员从 pH 和估算的另一种化学性质——碱度，计算海水中 CO2 的分压（pCO2），进而估算海气之间的 CO2 交换。令人惊讶的是，基于浮标的计算显示南大洋总体上在释放 CO2，这与船舶和飞机观测所指出的它是净碳吸收区的结论相矛盾。

在陈旧深水中比对机器人与船舶观测

为弄清是浮标还是传统观测存在问题，作者将浮标剖面与来自全球海洋数据分析项目的高质量船舶数据进行了比较。关键在于他们首先关注自工业化以前便与大气隔绝、因此几乎不含人为额外碳的深层水团。在这些“旧”水体中，浮标与船舶观测之间的任何差异主要应该反映仪器偏差而非真实的环境变化。比较结果显示，浮标与船舶在温度、盐度、氧气、硝酸盐和碱度上的读数非常接近，但在碳系统上存在差异：浮标的 pH 平均比船舶低约 0.021 个单位，且由浮标推导出的 pCO2 约高出 20 微大气压。

从表层到深层的偏差，而不仅仅是表面

通过将数据按深度分组，研究发现这些差异贯穿水柱的大部分深度，尤其是在 200 至 1,500 米之间，在最深层才逐渐减小。由于浮标的 pCO2 是由 pH 与碱度计算得出，而碱度在浮标与船舶之间是一致的，最可能的原因是 pH 传感器测量及其校正存在系统性偏移。目前的数据处理假定在约 1,500 米处确定的单点校正可同样适用于所有深度。深度相关的不匹配模式表明这种单点方法并不总是有效：该校正方法在 1,500 米以下似乎工作得相对合理，但在水柱更上层留下了相当大的残余误差。

表层误差如何扭曲碳通量估算

由于海气 CO2 交换直接依赖表层 pCO2，作者接着量化了海面处的偏差。通过联合分析 CO2 和氧气相对于平衡值的偏离，他们估计浮标得出的表层 pCO2 高估约 14 微大气压。与基于船舶和其他直接测量的全球表层 CO2 产品的独立对比给出了非常相似的结果，约为 17 微大气压。多条证据线共同表明，在数百个南大洋浮标剖面上，平均表层偏差为 15±3 微大气压——显著大于此前的假定。统计检验显示，这一偏移不能被随机测量误差、季节性变化或长期酸化趋势所解释。

这对我们认知南大洋意味着什么

如果浮标的表层 pCO2 系统性偏高，先前的研究就会使南大洋看起来比实际吸收碳要少。利用已发表的 pCO2 偏差与碳通量之间的关系，作者估计修正该误差将把基于浮标的估算从净释放 CO2 翻转为净吸收，使其与船舶和飞机的评估更加一致。换言之，与其说浮标让我们失望，不如说南大洋可能吸收了比某些浮标分析显示的更多人类产生的 CO2。研究结论指出，要充分利用自主观测系统并确保全球碳预算的可靠性，必须对浮标 pH 数据进行更复杂的、考虑深度依赖性的校准——并以持续的高质量船舶测量为锚定。

引用: Zhang, C., Wu, Y., Brown, P.J. et al. A systematic bias in float pH leads to overestimation of derived pCO₂ and underestimation of carbon uptake by the Southern Ocean. Sci Rep 16, 13929 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-43863-4

关键词: 南大洋碳汇, 海洋 pH 偏差, 生物地球化学 Argo 浮标, 海气 CO2 通量, 海洋碳循环