南大洋贡献了全球约40%的海洋人为CO2吸收，是地球系统中最关键的气候调节器之一。然而，受“极夜”和“云层”的限制，传统被动卫星遥感在南大洋冬季的观测数据严重缺失（冰间数据覆盖率<15%），导致全球碳循环模型对南大洋冬季的生物固碳（NPP）和海-气CO2通量（碳源/汇）的评估存在巨大不确定性(Friedlingstein et al., 2025)。南大洋“冬季观测盲区”是全球碳循环与气候变化研究领域长期悬而未决的重大科学难题。利用星载激光雷达（CALIOP和ICESat-2）不受光照限制的独特优势，结合机器学习，首次获取了南大洋全季节（含冬季）的初级生产和海-气CO2通量关键参数，系统攻克了南大洋“冬季观测盲区”难题，在国际上取得了两项颠覆性的科学发现：

（1）国际上首次揭示并量化了南大洋冬季被严重低估的CO2排放源，提出了海-气CO2通量纬向“三环路”驱动机制

通过融合激光雷达（CALIOP）与机器学习，构建了首个覆盖全季节的南大洋海-气CO2通量（2007-2020）数据集。研究发现，以往基于被动遥感和插值数据的评估，严重低估了南大洋冬季（50°以南）的CO2 outgassing（排放源），低估幅度高达40%（2025, Science Advances）。这一发现从根本上修正了对南大洋作为碳汇“稳定性”的认知。进一步分析揭示，pCO2差异而非风速，是主导南大洋碳通量变化的关键驱动力。国际上首次提出了南大洋pCO2纬向“三环路”（three-loop pattern）控制框架（图1）：亚极地环路（45°以北）： 受海温（SST）主导的热力学控制。 极锋环路（45°-60°）： 受大气xCO2和生物活动（Chl-a）共同控制。南极环路（60°以南）： 受海冰（SIC）和盐度（SSS）主导的物理过程控制。该成果首次提供了南大洋冬季海气CO2通量的关键观测证据，揭示了被全球碳预算模型忽视的巨大碳源，为理解南大洋碳循环对气候模式（如SAM）的响应提供了全新的机制框架。

图1 激光卫星揭示南大洋pCO2纬向“三环路”控制框架

（2）国际上首次发现了南极冬季被忽视的、且正在加速增长的浮游植物净初级生产力（NPP），揭示了极地海洋巨大的潜在固碳能力

传统观念认为南极冬季因极度缺乏光照而处于“生物休眠”。利用CALIOP将南极冬季冰间海域的有效观测覆盖率从12.5%（MODIS）提升至80.7%，结合TBTS深度学习与CbPM生产力模型，对16年的卫星数据（2006-2023）进行分析，国际上首次发现南极冬季NPP不仅不为零，而且在过去十年（2012-2022）中呈现出显著的、加速增长的趋势，增速高达2.2 Tg C yr⁻¹（显著性p<0.01）（图2，2025, Nature Communications）。机制突破：该研究明确了这一“冬季加速固碳”的驱动机制：在气候变化（受SAM, ENSO等调控）影响下，南极海冰（SIC）减少，导致冬季光照（PAR）穿透增强，同时伴随更强的营养盐混合，共同驱动了威德尔海（Weddell Sea）和罗斯海（Ross Sea）等关键海域的NPP异常增长。该成果颠覆了对南极冬季“生物休眠”的传统认知，揭示了一个先前未被识别的、且正在快速增强的碳汇过程。这一发现表明南大洋的生物碳泵在冬季同样活跃，为全球碳循环模型提供了关键的缺失环节，对未来气候变化情景下极地固碳潜力的评估至关重要。

图2 激光卫星揭示南极冬季被忽视的、且正在加速增长的浮游植物初级生产