东海跨陆架交换及其生态作用的观测和预测技术

应用基础类

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周锋、宣基亮、倪晓波、曾定勇、江志兵

东海陆架宽阔，有大河流入，也有强西边界流黑潮经过。近几十年来，近海富营养化较为严重，一般认为与高密度人类活动导致的陆源物质输入增加有关，营养盐主要来自径流。另一种观点则认为，黑潮跨陆架的输运和台湾海峡流的输入，能改变长江口附近的营养盐比例，增强磷酸盐的补充。由于黑潮的流量巨大，跨陆架交换也可能起到加强浮游植物水华的作用。为了厘清不同来源水团及其营养盐输入的贡献，我们在浙闽沿岸、东海陆坡和长江口分别通过锚系、卫星遥感、浮标以及船舶调查等方式，获取了丰富的沿岸水向外输运以及外海水向陆架输运的资料，并支撑了一批跨陆架交换的模拟技术和模型的发展。发表了SCI论文5篇。

通过现场观测资料、卫星遥感和模型发展，我们定量评估了东海陆架与外海之间的交换通量，并分析了跨陆架交换机理。提出了：①东海陆坡存在多个重要交换通道，除了以往研究已经明确的台湾东北部和九州西南部以外，其他比较显著的区域有26−28°N；②2006年较强的跨陆架交换与台湾海峡流的共同作用，使外海高盐水可一直影响到长江口32°N以北海域；③跨陆架交换是沿陆坡方向的地转平衡关系主导的。该研究有助于全方位理解陆架海域生态环境及其演变的驱动机理，并与当年长江口缺氧区北移可能存在关联。成果连续发表国际知名海洋学期刊上[Zhou et al. (2015). Cross-shelf exchange in the shelf of the East China Sea. Journal of Geophysical Research: Oceans 120 (3): 1545−1572.]，[Ding et al. (2016). Cross-shelf water exchange in the East China Sea as estimated by satellite altimetry and in situ hydrographic measurement. Journal of Geophysical Research 121 (9): 7192–7211]和[Ding et al. (2019). Temporal and Spatial Variations of Cross-Shelf Nutrient Exchange in the East China Sea, as Estimated by Satellite Altimetry and In Situ Measurements. Journal of Geophysical Research: Oceans 124 (2): 1331-1356]。

采用FVCOM模型对冬季台湾暖流的季节平均和天气尺度振荡进行研究。冬季台湾暖流的平均结构有两个分支：近岸分支约位于30－100米等深线之间；远岸分支约位于100－200米等深线之间。研究进一步揭示了冬季台湾暖流存在两个强天气尺度振荡的区域：一是台湾北部区域，主要存在跨陆架方向的短期变化。该跨陆架方向振荡由台湾海峡流入侵形成的正压梯度异常引起。当强台湾海峡流入侵台湾北面时, 等压斜坡就从北向南往下倾斜, 这导致从海岸区到近海区的跨陆架方向流。当台湾海峡流入侵减弱时, 往台湾北面的跨陆架方向流就从近海区转向海岸区。另一个强振荡区域在30－100米等深线之间的近岸地区，特别是在纬度26.5°N和28°N位置。该区域天气尺度振荡主要与季风的短期变化相关。当东北季风占优时，东南方向的浙闽近岸流主导了近岸地区；当冬季季风减弱或者西南风占优时，东北向的台湾暖流主导了近岸地区。研究成果以第一作者发表在国际知名期刊[Xuan et al. (2017). "Synoptic fluctuation of the Taiwan Warm Current in winter on the East China Sea shelf." Ocean Science 13 (1): 105-122]

利用区域海洋模拟系统（ROMS）和CoSiNE生态模型，通过在线耦合模拟的方式，研究了2006年的长江口缺氧现象。当年的缺氧是长江口有缺氧数据记录以来面积最大的一次。通过对比分析模拟结果和观测数据间一系列的量化统计指标、过程以及空间分布形态，验证了耦合模式模拟结果与观测数据之间基本一致。模拟结果能很好地重现了缺氧的产生过程以及溶解氧的垂直剖面结构。利用模式也发现，在2006年的7月中旬与9月中旬，由热带风暴或者强北风事件引起的较强的搅拌过程削弱了水体层化，使底层水体的溶解氧浓度升高，即使缺氧在一定程度上得到缓解。风场的变化会改变长江冲淡水扩展的路径，从而会改变缺氧区的位置。通过耦合模式开展的一系列敏感实验表明，在夏季季风期间，如果营养盐浓度不变而河流输入淡水通量增加，缺氧范围也会相应增大；缺氧区的面积不仅受长江输入营养盐的影响，而且也受黑潮输入营养盐的影响；缺氧区面积的大小还跟底层沉积物耗氧有较大的关联。研究结果表明综合考虑了从河口到陆坡的包含物理和生物等多种因素共同作用的三维耦合生态预报模型，对于深入认识不断变化中的缺氧现象和过程是很有帮助的。研究结果发表在：Zhou et al., 2017. Investigation of hypoxia off the Changjiang Estuary using a coupled model of ROMS-CoSiNE. Progress in Oceanography. 159, 237-254。