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次中尺度垂向对流对东海夏季基础生产力的重要贡献

孟启承   2020-08-24

      近期,我室孟启承等在Journal of Geophysical Research: Biogeosciences发表论文“Impact of Submesoscale vertical advection on primary productivity in the southern East China Sea”,研究了次中尺度垂向对流对东海南部基础生产力的影响,通讯作者为我室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、Corinna Schrum,我所海洋生态系统动力学实验室郝锵,国家海洋局宁波海洋环境监测中心站赵强。

      东海(图1a)在全球范围内属于高生产力海区。从季节变化角度看,东海的初级生产力在水体混合风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。由于真光层内的营养盐快速消耗及底层黑潮次表层水侧向输运,东海南部夏季营养盐在垂向形成表低底高的强烈反差。在中纬度海域,次中尺度海流或涡旋的尺度大约在1到10公里之间。由于非地转平衡作用,次中尺度海流或涡旋引起的次中尺度垂向对流(Submesoscale Vertical Advection (SVA))比大尺度环流引起的垂向对流速度快一个量级以上。也就是说次中尺度垂向对流可以造成快速的垂向水体交换。东海南部陆架上的次中尺度物理过程非常活跃(图1b)。研究利用三维物理-生物地球化学耦合模式分析物理过程对生态动力系统的影响。模式在东海的分辨率进行了调整:一个数值实验在东海的分辨率约为10公里,称为低分辨率模式(LRM),另一个数值实验在东海的分辨率约为0.5公里,称为高分辨率模式(HRM)。低分辨率模式无法解析次中尺度上的对流过程,而高分辨率模式可以部分的解析次中尺度对流。基于大面调查的数据与遥感数据的验证高分辨率模式相较于低分辨率模式可以更好地重现叶绿素的分布特征。

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图1 (a)东海环流示意图,虚线框内为本研究区域;(b)静止轨道卫星GOCI水色遥感数据反演所得2013年8月3日东海南部陆架表面叶绿素分布。

      研究发现,两个模式输出的结果在夏季差别最大,高分辨率模式得出的基础生产力高于低分辨率模式结果约40%。在东海一个跨陆架断面上定性地观察在高分辨率模式与低分辨率模式得到的夏季某一天的垂向速度、垂向硝酸盐输运和基础生产力(图2)。高分辨率模式模拟出很多沟通表底水层的次中尺度垂向对流通路(图2a, b)。然而,次中尺度垂向对流对营养盐的垂向输运能力还取决于营养盐的垂向浓度梯度(图2c, d)。东海夏季水体层化强烈,营养盐在表层极度缺乏,而深层海水则富含营养盐。即使次中尺度垂向对流不频繁发生,但其向上输运的营养盐对浮游植物的生长具有至关重要的支撑作用。这种现象直观地反应在高分辨率模式与低分辨率模式模拟的此断面上不同的基础生产力(图2e, f)。利用雷诺平均方程将大尺度环流、中尺度过程、次中尺度垂向对流、垂向湍流扩散对表层(0-20m)水体营养盐变化的贡献分解,从而定量地研究了次中尺度垂向对流对营养盐垂向输运的贡献。发现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。

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图2 图1b中断面A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)。

      次中尺度过程常发生在上层海洋(0-200m)。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(如图2a)。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。因此,次中尺度垂向对流可能成为陆架海层化环境中重要的垂向营养盐补充通路。这个机制的示意图在图3中展示。由于高生产力的陆架海在全球范围内广泛存在,次中尺度垂向对流对陆架海生态系统的影响需要更加广泛与深入的研究。

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图3 SVA在陆架海层化环境中对生态动力系统作用的示意图。

      本研究由国家重点研发计划(2016YFC1401603),二所青年英才项目(QNYC201603),二所基本科研业务费专项资金项目(JG1811),国家自然科学基金(41876026, U1609201, 41621064, NORC2016‐03),浙江省自然科学基金(LR16D060001),SOED自主课题(SOEDZZ1905)等项目资助。

      引用: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 ofGeophysical Research: Biogeosciences, 125, e2019JG005540. https://doi.org/10.1029/2019JG005540