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我所团队揭示次中尺度垂向对流对东海高基础生产力的支撑作用

编辑:admin 作者:孟启承 时间:2020年08月23日 访问次数:1263

       近日,卫星海洋环境动力学国家重点实验近海动力过程与生态系统团队孟启承等在Journal of Geophysical Research: Biogeosciences发表了题为“Impact of Submesoscale Vertical Advection on Primary Productivity in the Southern East China Sea”的学术论文,通讯作者为宣基亮副研究员和周锋研究员,共同作者包括德国赫姆霍兹协会海岸带研究所张文彦研究员和Corinna Schrum教授。 

       论文:Meng, Q., Xuan, J., Zhang, W., Zhou, F., Hao, Q., Zhao, Q., & Schrum, C. (2020). Impact of Submesoscale vertical advection on primary productivity in the southern East China Sea. Journal of Geophysical Research: Biogeosciences, 125, e2019JG005540. https://doi.org/10.1029/2019JG005540

       本项研究采用高分辨率物理-生物地球化学耦合模式评估了次中尺度(中纬度海域大约1到10公里)垂向对流对东海南部基础生产力的影响,定量分析了多尺度物理过程向真光层供给营养盐的相对贡献,指出次中尺度垂向对流是东海南部夏季最重要的垂向营养盐供给通路。
       东海在全球范围内属于高生产力海区,这与东海海洋动力环境驱动下充足的营养盐供给有着密切关系。从季节变化角度看,东海南部的基础生产力在水体混合较强的冬季受光照不足限制,在水体层化强烈的夏季受营养盐缺乏限制。但是,基于对大尺度物理-生物地球化学环境的认识,考虑大气氮素沉降、底栖生物再循环、河流输入、近岸上升流、无台风天气下的混合,匡算向真光层供给营养盐的通量,远远不足以支撑夏季观测到的高基础生产力。此研究探究东海其他重要的营养盐供给通道,以解释东海夏季高生产力的支撑条件,对认识高生产力边缘海生态系统具有重要的科学意义。
       次中尺度海流或涡旋对海洋生态系统的关键影响作用体现在其主导了跨界面的物质、能量交换。近海动力过程与生态系统团队之前的研究已揭示东海近岸锋波对跨锋面物质交换及次中尺度垂向对流对跨跃层能量交换的关键作用。由于其尺度小、变化快,目前一般通过高分辨率遥感或数值模拟技术进行研究。本研究利用三维物理-生物地球化学耦合模式进行模拟实验,分别调整了东海的分辨率:低分辨率模式在东海的分辨率约为10公里,高分辨率模式在东海的分辨率约为0.5公里。低分辨率模式无法解析次中尺度对流过程,而高分辨率模式可以解析部分次中尺度对流(图1a, b)。

图1 东海一条跨等深线断面上在2013年8月16日的垂向速度(a:高分辨率模式结果;b:低分辨率模式结果);垂向硝酸盐输运(c:高分辨率模式结果;d:低分辨率模式结果);基础生产力(e:高分辨率模式结果;f:低分辨率模式结果)

       研究表明,东海南部海域夏季水体层化强烈,营养盐在表层极度缺乏,而深层海水由于黑潮次表层水跨陆架入侵而富含营养盐。此时,次中尺度垂向对流引致的快速垂向水体交换可以穿透营养盐跃层(图1c, d),进而建立营养盐的垂向输运通路。定量计算表明,次中尺度垂向对流对表层营养盐供给的贡献超过垂向湍流扩散,成为夏季最重要的垂向营养盐供给通路。次中尺度垂向对流向上输运的营养盐对基础生产力起到至关重要的支撑作用(图1e, f)。高分辨率模式得出的东海南部夏季的基础生产力高于低分辨率模式结果约40%。
       同时,次中尺度对流过程在上层海洋(0-200m)非常活跃。由于陆架海的水深较浅,次中尺度垂向对流在陆架海上常可穿透到水体内部及至底边界层。当海水层化强烈,且表底营养盐浓度差距很大时,次中尺度垂向对流能够有效将深层海水中的营养盐提升至真光层,进而可能成为陆架海层化环境中重要的垂向营养盐补充通路(图2)。另外,赤潮、缺氧等近海生态灾害发生区域往往呈次中尺度斑块状分布,并快速变化。次中尺度物理-生态系统耦合研究的突破,将有助于破解近海生态灾害精确预警、预报等难题。

 图2 次中尺度垂向对流(SVA)在陆架海层化环境中对生态动力系统作用的示意图


       近年来,近海动力过程与生态系统团队广泛开展所内多学科交叉合作与国内外学术交流,聚焦东海动力过程与生态系统的耦合关系,深入研究东海各界面上营养盐通量的动态变化,探索藻华、缺氧等生态灾害的机理及监测预警技术。成果先后发表在Geophysical Research Letters、Progress in Oceanography、Journal of Geophysical Research、Ocean Modelling、Frontiers in Marine Science、Ocean Science、Journal of Marine Systems与《中国科学》等学科主流期刊。