南海沉降生源颗粒通量对台风事件响应的连续观测研究

Typhoon is known as the most intense synoptic scale air-sea interaction. After its passage, strong water mixing was generated, which could result obvious changes of air-sea carbon flux and the biogeochemical processes in the ocean, especially in the oligotrophic areas such as South China Sea. In present, most studies are based on remote sensing data and instantaneous field observations, which couldn’t fully reveal the impact of typhoon on Marine biological pumps. The regulation mechanism is also unclear. We hypothesize that due to the superposition of Ekman pumping and near-inertial oscillation induced by typhoon, the subsurface nutrients were supplied to upper layer periodically, which will stimulate the growth of phytoplankton and the export of sinking biogenic matter. Under such a framework, the project sets the Northern South China Sea basin as the focused research area. High resolution profile observations (sensors and sampling) and floating trap deployment will be carried out to better quantify the contributions of typhoon on the nutrient supplement, phytoplankton growth and sinking biogenic flux in the upper SCS. With the aid of mooring time-series sediment trap data, we are to verify the scientific hypothesis above. This project focuses on the response of sinking biogenic particle flux to typhoon event to investigate its process and mechanism systematically, which is of great scientific significance to the study of carbon cycle under the background of global change.

台风是最强烈的海气相互作用事件，其引起的上层水体混合可以影响海气碳通量和生态过程的变化，对南海等寡营养海区更是如此。但是，目前应用较多的卫星遥感和单次现场观测不能完整揭示台风事件对生物泵过程及其输出通量的影响，其调控机制也尚不清楚。我们推测，台风引起的Ekman抽吸和近惯性振荡的叠加作用将有利于次表层营养盐周期性补充至真光层，刺激生物生产，促进颗粒有机碳等生源物质的输出。针对上述科学假设，本项目以南海北部海盆为研究区域，在台风过境之后开展1条断面和1个定点连续站的高分辨率剖面观测（传感器和采水）、漂浮式沉积物捕获器取样，同时结合深层时间序列沉积物捕获器样品和数据，量化台风事件对南海上层营养盐供应、生物生产和沉降颗粒有机碳通量的贡献，验证上述台风生态响应的科学假设。本项目以台风这一极端天气事件的生物颗粒物输出为核心，系统研究其过程和机制，对全球变化背景下的碳循环研究具有重要科学意义。

台风是最强烈的天气尺度气候事件，有研究发现台风过境后，表层叶绿素增高近30倍，也有研究发现这可能只是它搅动后再分配的结果，也就是台风事件是否存在生态响应仍有争议，同时次表层和深层的生态响应研究更少。本项目围绕南海台风事件影响下的生态响应问题，在台风“康森”过境后第4天和第10天分别进行现场高分辨率的生化剖面仪连续站观测，并布放了两套沉积物捕获器。研究结果发现台风过境后，其路径右侧温跃层明显变浅，在近惯性等作用下垂直混合强度增强了近2个数量级，营养盐扩散通量从增加近24倍，水柱积分叶绿素浓度增加近2倍，在过境后第10天已恢复到平均水平。依托团队在南海构建的长时间序列生物地球化学观测平台，开展了沉积物捕获器的布放与回收维护，结合卫星遥感资料、历史台风强度、路径等信息，开展南海台风事件的统计分析及其对中深层沉降颗粒物输出通量的影响，在此基础上开展氨基酸组分及单体碳同位素分析，探讨了台风事件影响后沉降颗粒有机质的组成特征及新鲜程度。研究结果表明，仅有少数台风事件影响的POC通量呈现明显的高值，而其余台风事件前后，尽管某些台风途经位置与捕获器观测站位非常近，POC通量均没有显著增高现象。表明台风过境后虽然刺激了浮游生物生长，但这些有机质可能在上层海洋快速循环再生，并没有有效输出至深层。然而在台风“彩虹”影响下，1000米深的POC和氨基酸百分含量显著增高，表明台风等极端天气事件可能更有利于新鲜有机质的快速输出。研究期间，在国际知名期刊GRL、JGR-Ocean、ERL等共发表8篇SCI论文，联合培养博士研究生3名，硕士生2名，其中1名博士生于2022年毕业。