潮汐对海洋初级生产力影响的数值模拟研究

Ocean primary productivity is an important factor of marine ecosystems and it can significantly influence the global carbon cycle, ocean acidification and global climate. Physical-biological models play a key part for understanding the spatial distribution and temporal variability of ocean primary productivity in terms of modern research for ocean environment dynamics. The ocean dynamic process is recognized as a dominant component influencing the simulation of ocean primary productivity. Tide, which is one of the most important dynamic process in the ocean, has significant influences on the oceanic dynamic through vertical mixing among other processes. However, most of global physical-biological models don’t incorporate the tides yet. Based on a global ocean circulation model, our project plans to build a Tide-Circulation-Biological coupled model. The impact of tidal forcing on the spatial distribution and temporal variability of ocean primary productivity will be investigated in this project. We will also study the physical mechanism regarding how tides influence on primary productivity simulation. The accuracy of marine ecosystems simulation in the physical-biological models can be improved in this project. This project is essential to understand the importance of tides on ocean primary productivity; strengthen the understanding of interaction between ocean dynamic process and marine ecosystems. The model can be applied to study the impact of climate change on marine ecosystems in future.

海洋初级生产力是海洋生态系统极为重要的部分，对全球碳循环、海洋酸化和全球气候变化等有显著影响，以物理-生态耦合模式为工具开展海洋初级生产力数值模拟研究是海洋生态动力学的前沿研究方向。已有研究表明海洋物理过程对海洋初级生产力模拟影响显著，潮汐作为海洋重要且常见的运动，在海洋垂直混合等多个物理过程中扮演着关键角色。但是全球生态系统数值模拟多未考虑潮汐运动，潮汐影响海洋初级生产力的研究也相对较少。因此本课题通过构建潮汐-环流-生态耦合模式，进行数值敏感性试验。探究潮汐对海洋初级生产力时空分布规律的影响；揭示潮汐影响海洋初级生产力的物理机制；提高全球海洋初级生产力数值模拟的准确性。本课题的开展有利于阐释潮汐影响海洋生态系统的规律和机制；丰富对海洋物理与生态过程相互作用的认识；同时为探索全球气候变化对海洋生态系统的影响等重要科学问题提供更为丰富的模式基础。

潮汐是海洋运动的重要组成部分之一，也是驱动热盐环流的重要机械能来源。开展三维海洋环流模式潮汐数值模拟工作对研究海洋能量收支和海洋跨密度混合具有十分重要的意义。 另一方面，在潮汐作用下，海洋环流的流量及路径、海洋温度盐度空间分布及垂直结构都发生明显改变，并进一步对北太平洋生物地球化学过程产生影响。因此，在全球海洋环流模式中增加潮汐模块和生物地球化学模块。采用新构建的环流-潮汐-生态耦合的海洋模式，研究潮汐对北太平洋生物化学过程的影响具有十分重要的意义。本项目研究发现，耦合模式模拟的正压潮与观测数据具有较好的可比性，但分潮振幅偏大。由于潮汐的加入，海洋环流尤其是近海环流有明显的减弱。北大西洋经向翻转环流（AMOC）上层环流强度有显著的下降，然而底层环流强度由9Sv增加到10Sv。进一步研究发现潮汐可以对全球增温现象起到抑制作用。瞬时气候敏感度由2.32K下降到1.90K。高纬度区域表面增温滞缓最为显著，降低了约29%。增强的垂直混合可以使海洋多吸收21%的热量，从而使增温减弱。在上述工作的基础上，构建了全球物理-生态耦合模式，与观测数据进行对比，模式模拟的叶绿素、硝酸盐等关键要素与观测数据基本一致，但是在北太平洋和南大洋模拟的叶绿素偏高。针对高纬度模拟偏差较大的现象，使用一维物理-生态耦合模型进行敏感性试验，探究了铁元素对叶绿素模拟的影响。进一步研究发现在海表叶绿素模拟方面，生态参数改变的作用比潮汐过程的影响更为明显。潮汐过程影响不显著可能与生态过程的不确定性以及分辨率粗糙有关。