海洋挥发性有机物释放是海洋-大气之间物质交换的重要环节，可通过生成二次有机气溶胶，改变海洋边界层中的大气组分，进一步影响海洋区域乃至全球气候环境。其中，异戊二烯是海洋排放通量最大、气候效应最显著的挥发性有机物，其向大气释放主要通过两类途径：一类是由浮游植物生命活动代谢产生并释放的生物源排放；另一类是通过海洋微表层有机物在太阳辐射驱动下发生光化学反应产生并释放的光化学源排放。海气系统的复杂过程对海洋异戊二烯排放存在怎样的调控机制？不同时间尺度的排放变化又存在怎样不同的调控机制？破解这些科学问题有助于厘清海气物质交换的调控机制、提升海气耦合模拟与预测能力。
图1. 海洋异戊二烯生成与释放的主要途径示意图
近日，天津大学地科院朱佳雷教授团队围绕“海气系统对海洋异戊二烯排放的调控机制”这一核心科学问题，分别从季节内和年际尺度开展研究，解析大尺度海气系统通过调节海表温度、太阳辐射、海表风场、海表叶绿素浓度和混合层深度等海气要素，驱动海洋异戊二烯生成与释放的物理过程与动力机制。构建了从季节内尺度到年际尺度海气系统调控海洋异戊二烯排放的理论体系。
在季节内尺度研究中，研究团队通过自主构建的排放数据集结合再分析资料、多组海洋航次观测结果分析，创新性发现大尺度大气环流是驱动远洋海域异戊二烯强排放事件的核心因素。研究通过分析全球 300 余次强排放事件发现，对流层上层罗斯贝波的东传与增强，会协同调控海面温度、太阳辐射、风速及混合层深度等关键要素，从而调控海洋异戊二烯排放强度。过去研究仅关注局地气象因子对海洋排放的影响，导致错误认为太阳辐射强度与海洋排放无关。而团队研究发现，太阳辐射峰值往往提前异戊二烯排放峰值 3-4 天，先在海洋微表层完成异戊二烯的大量生成与储存；随后增强的海面风场与风应力触发高效海气交换，驱动异戊二烯集中释放至大气。该机制系统阐明了远洋海域异戊二烯排放的 “累积-触发” 全过程，创新性地将天气尺度环流变异与海洋挥发性有机物排放关联，揭示了海表异戊二烯强排放相对于强辐射作用的滞后响应特征。
图2. 季节内尺度海气协同调控海洋异戊二烯排放的过程示意图
在年际尺度研究中，团队结合机器学习技术和自主研发的排放过程参数化方案重构了 1950–2020 年长时序海洋异戊二烯排放数据集，证实了厄尔尼诺-南方涛动（ENSO）是调控赤道太平洋海域异戊二烯年际变化的主导气候模态。相较于拉尼娜年，厄尔尼诺年冬季该海域异戊二烯排放减少约16%。厄尔尼诺事件发生时，赤道中东太平洋海温异常升高、对流增强、云量增多，导致太阳辐射减弱、浮游植物活性降低，叠加混合层变浅引发营养盐供给不足，共同抑制该海域异戊二烯排放；拉尼娜事件则呈现相反效应，排放显著增强。
图3. 年际尺度海气协同调控海洋异戊二烯排放的过程示意图
两方面成果分别从短周期天气过程与长周期气候演变两个维度，将海洋挥发性有机物排放的认识从局地环境因子的控制拓展到大尺度海气系统的调控，揭示了跨尺度跨圈层海气系统影响海洋有机物排放的精细化路径，为深入认识海气物质交换过程的变化规律、评估海洋二次有机气溶胶形成及其潜在气候效应提供了新的科学依据。
相关成果分别以“Atmospheric circulation drives major marine isoprene emission” 和“Interannual variability in marine isoprene emissions modulated by ENSO dynamics”为题发表于Communications Earth & Environment和Science China-Earth Sciences，第一作者为中国科学院大气物理研究所宋磊副研究员和天津大学地科院2023级硕士生孙梦盈，通讯作者为朱佳雷教授。研究工作得到了天津大学刘丛强院士、崂山实验室蔡文炬院士、天津大学傅平青教授、云南大学陈文教授、浙江大学吴仁广教授的共同指导。中国海洋大学张力老师、天津大学地科院胡伟老师、吴礼彬老师以及团队学生崔乐辉、刘灏、肖昀廷、窦岩等参与了本研究工作。本系列研究得到了国家重点研发计划青年科学家项目（2022YFF0803000）资助。
论文信息：
[1]Song L, Zhu J*, Cui L, Sun M, Dou Y, Hu W, Wu L, Zhang L, Wu R, Chen W, Liu C, Fu P, Cai W. 2026. Atmospheric circulation drives major marine isoprene emission. Communications Earth & Environment, https://doi.org/10.1038/s43247-026-03620-x.
[2]Sun M, Song L*, Cui L, Liu H, Xiao Y, Wu L, Hu W, Fu P, Zhu J*. 2026. Interannual variability in marine isoprene emissions modulated by ENSO dynamics. Science China Earth Sciences, 69(5): 1785–1794, https://doi.org/10.1007/s11430-025-1869-6.
