沉积物耗氧在长江口缺氧发展中的作用机理和模拟研究

Estuary and coasts are the main gathering area for human activity and also the major contributor of economy and resources. As a result of the superimposition of human activities and global changes, hypoxia in coastal waters has been a universal marine environmental issue over the world, posing a long-term threat to marine ecological security, and has become a key issue in multidisciplinary oceanographic studies. Previous researches have collected a large number of the evidence, revealing the characteristics of repeated hypoxia events over the years, and their large spatial-temporal variability. A tremendous literatures focus on the stratification, circulation, nutrients, primary production and oxygen consumption in the water column. However, the complexity of interaction between hypoxic multidisciplinary factors and multi-scale processes determines that it is very difficult for us to understand the key factors that lead to the development of hypoxia simply from the observed data. Especially in the high turbidity and high deposition area around the Changjiang Estuary, the existing numerical model lacks the field experiments needed to calibrate and verify the key ecological process parameters, so the rationality of the model and parameters needs to be improved. This project will focus on how to reasonably reflect the key role of sediment on hypoxia, the effect of suspended matter on light and oxygen consumption of sediment. Through a series of observations, cultivation experiments and assimilation techniques, the project intend to establish a reliable parameterization and further improve the simulating accuracy and rationality.

近海是人类活动的主要聚集地带，也是经济和资源的主要提供者。由于人类活动和全球变化的叠加影响，近海缺氧成为全球普遍的海洋环境事件，对海洋生态安全构成长期威胁，成为海洋学多学科研究的重点问题。以往的研究围绕观测获得了大量缺氧现象的证据，揭示了历年来缺氧重复出现但具有较大的时空变率的特征，阐述了层化、环流、营养盐、初级生产和水体耗氧等因素在缺氧发展中的角色。但是，缺氧多学科因素和多尺度过程交互作用的复杂性决定了我们很难单纯从观测资料上定量解释导致缺氧发展演变的关键因素，尤其在高浊度、高沉积的长江口周边海域，现有的缺氧预测模型缺乏关键生态过程参数建立所需的现场实验，因而参数的合理性和预测的准确性尚待提高。本项目将侧重研究如何合理体现沉积物对缺氧的关键作用，研究悬浮物对光的影响和沉积物耗氧的作用，通过一系列观测、培养实验、同化技术，建立溶解氧生消过程的可靠参数，提高数值模拟预测的准确性、合理性。

在人类活动和全球变暖的叠加影响下，近海缺氧成为全球普遍的海洋生态失衡事件，对海洋生态安全构成长期威胁，成为海洋学多学科研究的重点问题。以往的研究围绕观测获得了大量缺氧现象的证据，揭示了历年来缺氧重复出现但具有较大的时空变率的特征，阐述了层化、环流、营养盐、初级生产和水体耗氧等因素在缺氧发展中的角色。但是由于长江口底质沉积类型的多样性，以及强潮动力环境下底边界层观测的困难，加上缺氧过程中的物理、生地化过程共同作用，如何量化水体中有机质耗氧与沉积物中有机质耗氧的贡献，仍然是较大的挑战。项目通过搭载方式开展9个多学科要素综合观测和连续4年夏季以浮标为载体的连续观测和现场实验，优化和提升了物理-生地化耦合的数值模型，建立了水体有机质耗氧与沉积物耗氧耦合、亚中尺度增强温度垂向对流等2套参数方案。前者揭示了水体有机质耗氧对长江口缺氧年际变化的主要作用，而沉积物耗氧相对次之。后者提升了长江口海域浮游植物生物量的模拟性能。利用模式，研究了黑潮跨陆架输运的不同类型的营养盐和溶解氧对长江口缺氧的作用，揭示了黑潮携带的低溶解氧水体入侵影响超过了其携带营养盐的影响。模拟重建了历史代表性年份的长江口-东海历年缺氧的分布特征，部分年份较为合理，若干年份与实际仍有一定差距，说明该海域的缺氧过程较为复杂，同时海洋观测从时间和空间覆盖面而言仍有不完善之处。总体上，项目按照预定的研究方向开展了相应的研究，并取得了有效的成果，提高沉积物耗氧对缺氧过程作用程度的认识。项目表明，开展实地海洋科学观测并将观测资料用于校准和检验数值模型，构建合理参数方案，提升小尺度海洋过程对区域海洋环境重要作用的认知，是一条可行的科学研究途径。