科研成果
长江口外缺氧时空分布年际变化的控制机理
时间：2024年02月21日
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近期，我所近海动力与生态环境方向周锋研究员团队在Journal of Geophysical Research: Oceans上发表了题为“Mechanisms Controlling Interannual Variability of Seasonal Hypoxia Off the Changjiang River Estuary”的研究成果。第一作者为我所张文霞副研究员，通讯作者为张文霞副研究员和周锋研究员，合作者包括我所黄大吉研究员和陈建芳研究员，以及华东师范大学的朱建荣教授。
图1. 2011-2020 年八月平均底层溶解氧浓度的空间分布。表层 31 等盐度线用品红色表示。60 和 90 mmol/m3等溶解氧线分别用橙色和白色表示。灰色等值线分别为 20、50 和 100 米等深线。
由于近海水体富营养化与气候暖化的持续加剧，全球近海底层水体溶解氧下降的状况令人堪忧，溶解氧浓度小于2mg/L的缺氧灾害频繁发生，对近海生态系统的可持续性构成了现实的威胁。从20世纪90年代至今，长江流域经济的迅猛发展导致长江口及邻近海域的富营养化问题加剧，同时，东海又是气候暖化的热点区域，因而缺氧现象在长江口外
海域愈发严重。波罗的海、切萨皮克湾等封闭海域的缺氧区年际时空变化较小，且缺氧影响范围显著正比于径流量大小。经过多年的观测资料积累发现，长江口外海域的缺氧事件在时间上生消迅速且爆发频率高，在空间上影响范围大且异质性极强。这导致单纯依赖巡航或浮标观测难以捕捉长江口外海域缺氧灾害的时空特征，因而该区域缺氧灾害的年际变化特征及影响机制在很大程度上是未知的。这在客观上也阻碍了对该区域缺氧灾害进行管控，因为管理计划通常是以年为单位制定与实施的。本研究基于ROMS构建了长江口外海域的物理-生物地球化学耦合模型，模拟分析了2011年至2020年该区域溶解氧的变化情况（图1），阐明了该区域缺氧灾害的年际变化特征及主要控制因子。
图2. 2011-2020年(A)长江径流量(RD)；(B)底层溶解氧浓度(BO)，29˚N-33˚N 和 122˚E-124˚E 的平均值； (C) 底部缺氧面积（HA）（黑色）和底部缺氧水厚度（HLT）（红色）； (D) 底部缺氧水体积（HV）； (E) 溶解氧收支（IOB）（29˚N-33˚N 和 122˚E-124˚E 的积分值）。蓝色、绿色、粉色、橙色、红色和品红色线条分别表示水平平流（HADV）、垂直平流（VADV）、水平扩散（HDIFF）、垂直扩散（VDIFF）、水体呼吸（WCR）和沉积物耗氧引起的含氧量变化。
本研究评估了缺氧灾害的开始时间与持续时间、缺氧区空间位置、缺氧水体垂向扩展厚度、缺氧体积、溶解氧极小值等多个指标（图2）。这些指标的趋势分析表明10年来长江口外海域的缺氧状况在不断加剧，底层溶解氧以−1.2 mmol/m3/year的速率损失。进一步分析溶解氧收支发现，水柱呼吸耗氧与沉积物耗氧10年来不断增强，而水平方向与垂直方向上的对流、扩散等物理作用在输运溶解氧方面的年际变化趋势各异。诸多指标与长江径流量密切相关，这表明长江冲淡水对该区域缺氧的年际变化有强烈影响。然而与封闭海域不同的是，长江口外缺氧区扩展范围并不正比于长江径流量（图2，图3）。2020年长江流域洪水导致长江夏季径流量超出10年平均水平60%，而同一时期频繁的台风事件伴随的强混合使长江冲淡水与陆架水较充分混合，这就导致2020年长江口外缺氧强度及扩展范围远小于2016年无台风的情况（图3）。缺氧水体的空间分布虽然在年际间变化极大，但是其一直位于长江冲淡水的包络范围（过量营养盐输入引起的强耗氧及大量冲淡水引起的强垂向层结），这表明长江冲淡水在陆架上的扩展对缺氧时空格局至关重要（图3）。
图3. 纬度坐标上 (A)表层盐度，与 (B) 底层溶解氧浓度的时间序列（122˚E-124˚E 的平均值）。虚线标注了30˚N与32˚N的位置，黑色长框标注了2016与2017年的位置。
进一步分析发现陆架风（包括台风等强风事件）调制冲淡水的空间分布并并决定了陆架上垂向层结的强度以及生物地球化学循环的速率，在年际尺度上控制该区域缺氧灾害的影响范围与强度（图4），对缺氧灾害扩展范围年际变化的贡献可达73%。在气候变暖的条件下，陆架风的方向和强度(包括极端事件)的变化具有高度的不确定性，要全面了解风对沿海缺氧的影响机制，并将沿海生态系统与影响风场的大尺度海洋和大气现象联系起来，还需要进一步的深入研究。
该研究得到上海市科委（No. 21JC1402500），国家自然科学基金（No. 41876026）和浙江省万人计划（No. 2020R52038）的联合资助。
图4. 29˚N-33˚N和120˚E-124˚E区域平均的(A1)2016年8月，(A2)2017年8月，和(A3)2020年8月的风速。2016 年（B1），2017 年（B2），和 2020 年（B3）八月平均的淡水厚度。淡水厚度是指从表层到盐度大于 31 的最大深度的距离。2016 年（C1），2017 年（C2），和 2020 年（C3）8 月平均的深度积分硝酸盐含量。
论文引用：Zhang, W., Zhou, F., Huang, D., Chen, J., & Zhu, J. (2023). Mechanisms controlling interannual variability of seasonal hypoxia off the Changjiang River Estuary. Journal of Geophysical Research: Oceans, 128, e2023JC019996.
