Global sea–air CO2 flux based on climatological surface ocean pCO2, and seasonal biological and temperature effects

Abstract

Based on about 940,000 measurements of surface-water pCO2 obtained since the International Geophysical Year of 1956–59, the climatological, monthly distribution of pCO2 in the global surface waters representing mean non-El Niño conditions has been obtained with a spatial resolution of 4°×5° for a reference year 1995. The monthly and annual net sea–air CO2 flux has been computed using the NCEP/NCAR 41-year mean monthly wind speeds. An annual net uptake flux of CO2 by the global oceans has been estimated to be 2.2 (+22% or −19%) Pg C yr−1 using the (wind speed)2 dependence of the CO2 gas transfer velocity of Wanninkhof (J. Geophys. Res. 97 (1992) 7373). The errors associated with the wind-speed variation have been estimated using one standard deviation (about±2 m s−1) from the mean monthly wind speed observed over each 4°×5° pixel area of the global oceans. The new global uptake flux obtained with the Wanninkhof (wind speed)2 dependence is compared with those obtained previously using a smaller number of measurements, about 250,000 and 550,000, respectively, and are found to be consistent within±0.2 Pg C yr−1. This estimate for the global ocean uptake flux is consistent with the values of 2.0±0.6 Pg C yr−1 estimated on the basis of the observed changes in the atmospheric CO2 and oxygen concentrations during the 1990s (Nature 381 (1996) 218; Science 287 (2000) 2467). However, if the (wind speed)3 dependence of Wanninkhof and McGillis (Res. Lett. 26 (1999) 1889) is used instead, the annual ocean uptake as well as the sensitivity to wind-speed variability is increased by about 70%. A zone between 40° and 60° latitudes in both the northern and southern hemispheres is found to be a major sink for atmospheric CO2. In these areas, poleward-flowing warm waters meet and mix with the cold subpolar waters rich in nutrients. The pCO2 in the surface water is decreased by the cooling effect on warm waters and by the biological drawdown of pCO2 in subpolar waters. High wind speeds over these low pCO2 waters increase the CO2 uptake rate by the ocean waters. The pCO2 in surface waters of the global oceans varies seasonally over a wide range of about 60% above and below the current atmospheric pCO2 level of about 360 μatm. A global map showing the seasonal amplitude of surface-water pCO2 is presented. The effect of biological utilization of CO2 is differentiated from that of seasonal temperature changes using seasonal temperature data. The seasonal amplitude of surface-water pCO2 in high-latitude waters located poleward of about 40° latitude and in the equatorial zone is dominated by the biology effect, whereas that in the temperate gyre regions is dominated by the temperature effect. These effects are about 6 months out of phase. Accordingly, along the boundaries between these two regimes, they tend to cancel each other, forming a zone of small pCO2 amplitude. In the oligotrophic waters of the northern and southern temperate gyres, the biology effect is about 35 μatm on average. This is consistent with the biological export flux estimated by Laws et al. (Glob. Biogeochem. Cycles 14 (2000) 1231). Small areas such as the northwestern Arabian Sea and the eastern equatorial Pacific, where seasonal upwelling occurs, exhibit intense seasonal changes in pCO2 due to the biological drawdown of CO2. Une distribution climatologique mensuelle moyenne de pCO2 de surface de l’océan mondial a été établie pour l’année 1995 (pour les années sans El Niño) à partir de 940.000 mesures dans les eaux de surface, acquises depuis l’Année Géophysique Internationale (1956–59), avec une résolution spatiale de 4°×5°. Les flux de CO2 air-mer ont été ensuite calculés, à l’échelle mensuelle et annuelle, en utilisant la distribution des vents mensuels du NCEP/NCAR moyennés sur 41 ans. Le flux net océanique global de CO2 a été estimé à un puits de 2.2 (+22% ou –19%) Pg C an−1 en utilisant l’équation de Wanninkhof (Geophys. Res. 97 (1992) 7373) dans laquelle le coefficient de transfert (ou la vitesse de piston) du CO2 est exprimé en fonction du carré de la vitesse du vent; les incertitudes associées à la vitesse du vent ont été calculées en utilisant une erreur standard de ±2 m s−1 pour un vent moyen observé sur chaque pixel de 4°×5° de l’océan global. Le nouveau flux global ainsi calculé (carré de la vitesse du vent dans le coefficient de transfert) est à 0.2 Pg C an−1 près, en accord avec nos estimations antérieures basées respectivement sur 250.000 et 550.000 mesures seulement. Ce résultat est également compatible avec les estimations de 2.0±0.6 PgC an−1 de Keeling et al. (Nature 381 (1996) 218) et de Battle et al. (Science 287 (2000) 2467) basées sur la variation des teneurs en CO2 et oxygène atmosphériques pendant la décennie des années 90. Cependant l’utilisation de l’équation de Wanninkhof et McGillis (Res. Lett. 26 (1999) 1889), faisant intervenir le coefficient de transfert de CO2 exprimé en fonction du cube de la vitesse du vent, donne des valeurs du flux annuel global ainsi que la sensibilité à la variation de la vitesse du vent plus élevées de 70%. Le puits majeur de CO2 atmosphérique est situé dans la bande de latitude comprise entre 40 et 60° pour les deux hémisphères, où les eaux chaudes se dirigeant vers vers le pôle convergent et se mélangent avec des eaux froides subpolaires riches en sels nutritifs. La diminution de pCO2 des eaux de surface subpolaires est due à la fois à leur refroidissement et à la pompe biologique. L’intensité des vents dans ces régions où pCO2 est faible en surface intensifie encore le pompage de CO2. La variation saisonnière de pCO2 dans les eaux de surface de l’océan global peut atteindre ±60% de la valeur actuelle de pCO2 atmosphérique moyen (360 μatm). Une carte de l’amplitude de la variation saisonnière de pCO2 dans les eaux de surface ainsi que l’effet de l’utilisation du CO2 par la production biologique et l’influence de la variation saisonnière de la température (estimée en utilisant des données saisonnières de température) sont présentées séparément. La variation saisonnière de pCO2 des eaux de surface situées entre les pôles et environ 40° et celles des régions équatoriales est principalement due à l’effet de la pompe biologique, alors que dans les tourbillons des régions centrales c’est l’effet thermique qui domine, ces deux effets étant déphasés d’environ 6 mois. En conséquence, dans les régions frontières de ces deux zones les effets thermique et biologique se compensent, ce qui engendre des variations saisonnières de pCO2 de faible amplitude. Dans les eaux oligotrophes des tourbillons centraux des régions tempérées, l’influence de la biologie est estimé à 35 μatm en moyenne, ce qui est compatible avec le flux biologique exporté estimé par Laws et al. (Glob. Biogeochem. Cycles 14 (2000) 1231). L’importance de l’effet biologique sur pCO2 dù à l’intensité des remontées saisonnières d’eaux a été mis en évidence dans des régions de surface limitées du nord-ouest de la mer d’Arabie et du Pacifique est-équatorial.