南海低营养级生态模型营养盐循环过程的数值模拟研究

The lower trophic levels of marine ecosystem are the foundation of organisms within the food webs. Phytoplankton are primary producers; they pull nutrients from the deep ocean and manufacture their own organism by photosynthesis, which transfer energy from the solar radiation that usually power the base of the food chain. Therefore, the existing form and level have direct impact on the production and respiration of phytoplankton. Based on in-situ historical cruises observation of nutrients and other data, this study is focused on the South China Sea (SCS) to investigate seasonal variation and spatial distribution of marine ecosystem elements. The three-dimensional physical-biogeochemical model is used to simulate about 10-year variabilities of nutrient cycling and phytoplankton growth, after improving mainly parameters of modeling modules and equations for the SCS. Aiming at marine ecosystem dominated by upwelling or mesoscale eddies, the processes of nutrient cycling are analyzed and discussed on their dynamic response and influencing pattern of phytoplankton growth. The study will not only be favorable for developing the forecast and prediction of marine ecosystem in the SCS, but also be important for evaluation and protection of marine ecological environments and resources, which both enhance our abilities to respond to climate change.

海洋低营养级是海洋生态系统食物链组成部分，以浮游植物为代表的生产者，吸收太阳辐射能量，将营养盐等无机物转化为生物有机物，为海洋生态系统奠定了物质循环和能量流动的基础，因此海水中营养盐的存在形式和浓度高低则直接影响浮游植物的生长、繁殖和代谢过程。本项目以南海为研究对象，以分析南海营养盐历史资料等为基础，了解南海低营养级生态要素的季节变化和空间分布特征；建立海洋水动力-低营养级生态模型，结合南海海域环境模拟特点进行相应的参数化改进和变量调试，模拟近十年的南海营养盐循环和浮游植物生长变化的动态过程；分析典型上升流或中尺度涡等海洋生态系统活跃区的营养盐主要循环过程，讨论不同海洋环境条件下营养盐对浮游植物生长的作用机制与影响方式。该研究可以有效促进我国开展南海海洋生态环境的预测预报，为开发利用、评估保护南海环境生态资源提供科学依据，提高科学防灾减灾以及应对气候变化的能力。

海洋低营养级是海洋生态系统食物链组成部分，本项目以南海为研究对象，分析历史观测资料，利用水动力-低营养级生态模型研究生态要素季节变化分布特征，讨论典型上升流或中尺度涡等海洋生态系统活跃区的营养盐循环过程和作用关系，可有效促进开展南海海洋生态环境的预测预报，提高科学防灾减灾以及应对气候变化的能力。主要研究成果：.1.选取历史观测资料和近十年遥感数据，利用气候平均和统计方法，分析发现南海叶绿素和营养盐季节变化和分布特征显著，分别是夏季南海西部海域上升流区和冬季东北部吕宋岛西北外海域上升流区。南海低营养级生态系统对ENSO气候事件存在响应关系，其中南海西部海域，除1997-1998年叶绿素低值对应海表温度高值，体现出较强El Nino效应外，1999-2000年叶绿素高值对应海表温度低值，体现出较强La Nina效应，2002-2003年叶绿素下降对应海表温度升高，体现出中等强度El Nino效应，2005年异常暖事件后至2008年对应海表温度下降和叶绿素升高。.2.构建南海水动力-低营养级生态系统模型，通过温度、盐度和流场的对比验证说明高分辨率模型可较好刻画气旋和反气旋环流、上升流以及中尺度涡等水动力环境信息。根据中国近海环境特征，主要是南海，优化了生态模型源汇项方程和浮游植物生长代谢公式等，模拟了硝酸盐、叶绿素a、溶解氧、总无机碳量等，可较好地体现季节分布特征以及中尺度涡等对生态环境变量分布的影响，垂直分布上捕捉到深层水高营养盐分布。.3.分析了南海典型上升流活跃区，即夏季南海西部海域和冬季吕宋岛西北外海域的营养盐和叶绿素高值分布，其作用过程的共性主要体现在近岸、季风和上升流的影响，叶绿素高值均以显著季节性上升流为主要扩散源，在季风系统影响的海盆尺度环流结构驱动下形成扩散方式，牵连近岸和河口高值区在海表扩散；差异则主要体现在混合强度、海水温度、河流排放量等。上升流将底层营养盐带入表层和次表层，为浮游植物大量生长提供有利条件，在冷涡变化过程中浮游植物生长对营养盐累积存在一定的时间滞后性。.4.引入以大型浮游动物为代表的状态变量开展数值模拟实验，研究海洋低营养级生态模型循环过程，各状态变量之间的源汇项循环过程是海洋生态模型的基础，某一变量的变化可对整体低营养级生态系统带来生态效应，不同海洋环境条件下营养盐、叶绿素、浮游植物以及浮游动物的相互作用与影响是一种动态平衡的关系。