加利福尼亚流系物理——生态过程的时空演变特征及其动力学机制研究
基于现场观测资料、卫星遥感数据以及三维水动力——生态模型(ROMS-CoSiNE)结果，本文研究了1993～2012加利福尼亚流系(CCS)物理——生态要素（如风场、流场、温度、营养盐、浮游生物以及生产力）的时空分布特征及其动力学机制，尤其最能体现东边界上升流区特征的中部海域，并探讨了CCS生态系统对气候变化的响应机制，主要得到以下几个结论: (1)在CCS中部海域，观测资料稀少，人们大多采用只含一种浮游植物的数值模型研究物理——生态要素的季节性变化，因此生态系统结构组成的空间分布、季节性交替过程及其动力学机制都尚未清楚。本文采用含有两种浮游植物的数值模型(ROMS-CoSiNE)来研究CCS中部海域浮游生物随季节变化的交替过程，其中硅藻(s2)与中型浮游动物(zz2)适于生活在高营养盐的海域（如近岸上升流区），小型浮游植物(s1)与小型浮游动物(zz1)适于生活在营养盐贫瘠的大洋海域。与观测数据的比较说明ROMS-CoSiNE不仅能够重现物理——生态要素时空分布的季节性演变特征，还能准确地捕捉其动力机制。ROMS-CoSiNE显示，在近岸上升流区，s2于5～6月份达到全年最大值，中型浮游动物(zz2)于7月份达到峰值，而小型浮游植物(s1)与小型浮游动物(zz1)分别在8月份与9月份达到最大值。浮游生物在空间上也存在明显的季节性交替特征:夏季，营养盐的最大值发生在近岸，s2的最大值发生在离岸(0～100km)的海域，而zz2的最大值出现在离岸(100～150km)的海域，这间接反映了近岸上升流水团随时间的离岸输送过程;秋季，离岸海域所有的浮游生物都下降，近岸上升流区的s2与zz2也急剧下降，但s1与zz1却相对增加，二者最大值向近岸移动，模型结果显示近岸上升流区生态系统的组成成分发生了改变。ROMS-CoSiNE进一步证实，从夏季到秋季，近岸上升流区s2生物量的急剧下降并不是由营养盐降低引起的，而是由zz2的过度摄食导致的，离岸海域s2与s1生物量的降低主要是由于硝酸盐浓度过低引起的。 (2)由于现场调查数据在时空分布上具有局限性，人们对CCS海域的研究多集中在近岸海域，因此CCS中部海域物理——生态要素的低频变化及其动力机制尚未清楚，尤其是离岸区域。与现有观测资料比较显示，ROMS-CoSiNE很好的模拟了CCS中部海域1993～2012物理——生态要素的低频变化，虽然初级生产力的振幅与观测有所出入，误差主要来源于模型中生态参数的设置以及观测资料自身的系统误差。模式结果显示，近岸上升流区表现出明显的低频变化，其动力机制类似于季节性循环，主要受沿岸风调控;离岸加利福尼亚流区的低频变化主要受垂直混合与海水层结的调控;在过渡区，低频变化既受到近岸上升流区域离岸输送的影响，也受局地垂直混合与海水层结低的影响。 (3)观测资料有限，“研究局地生态系统对气候变化的响应过程”一般借助于数值模型，但目前的模型一般仅含有一种浮游植物，或者采用月平均资料驱动模型，忽略浮游生物对中尺度涡(eddies)的敏感响应，使得结论可能与实际动力机制不符。因此，开发既与实际观测相符又含有多种浮游生物的高精度的物理——生态模型显得极为重要。 ROMS-CoSiNE不仅含有两种浮游植物和两种浮游动物，而且时间分辨率为3天，空间分辨率为12.5km，能够分辨中尺度涡过程。本文显示ROMS-CoSiNE不仅能够准确的捕捉到1993～2012年CCS物理—生态要素的低频变化，还能够再现1997～1999年强ENSO事件对CCS的影响过程:首次的厄尔尼诺信号在1997年5月以第一斜压kelvin波或沿岸陷波波速沿着CCS东海岸向高纬度传播，第二次的厄尔尼诺信号于1997～1998年冬季在CCS海域达到最强，并在CCS中部海域一直持续到1998年10月，直到1998～1999年冬季CCS海域才开始呈现拉尼娜信号。此外，该模型还显示了1997～1999年强ENSO期间不同浮游植物的交替演变过程:在CCS中部海域的上升流区，1997年～1998年厄尔尼诺期间，营养盐低于多年平均值，夏季s2呈现明显的负异常，而s1却达到最大值，远高于多年平均值，呈现明显的正异常;1999年拉尼娜期间，夏季s2呈现明显的正异常，而s1却出现负异常。 ROMS-CoSiNE还反映了CCS物理——生态要素对Pacific DecadalOscillation(PDO)和North Pacific Gyre Oscillation(NPGO)的响应过程。当PDO正位相时，CCS海域的风应力异常呈现中心位于大洋海域的气旋式风场，异常的沿岸风从低纬度吹向高纬度，使得离岸大洋海水发生异常的上升运动，近岸海水发生异常的下沉运动，离岸大洋上层海水的层结减弱，而近岸的层结增强，因此营养盐与初级生产力在离岸大洋海域升高，在近岸海域降低。在NPGO正位相时，风应力异常在40°N以北呈现气旋式风场，在40°N以南呈现反气旋，中心都位于离岸大洋海域。通过Ekman机制可知，40°N以北，离岸大洋海水异常上升，海水层结减弱，近岸海水异常下沉，层结增强;40°N以南，离岸大洋海水异常下沉，层结增强，近岸海水异常上升，层结减弱。因此，40°N以北，营养盐以及PP在离岸大洋海域升高，在近岸海域降低;40°N以南，营养盐以及初级生产力在离岸大洋海域降低，在近岸海域升高。
海洋流系;物理-生态过程;时空演变;动力学机制
中国海洋大学
博士
物理海洋学
刘玉光;柴扉
2015
中文
P733
167
2016-01-27（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）