长江口外低氧现象的成因机制研究

Hypoxia formation and sustain off the Changjiang estuarine is a recurrent phenomenon that often seen in summer and early fall, and hypoxic condition often causes undesired consequences to local ecosystem and economy. However, the dynamical mechanisms of seasonal hypoxia formation and spatiotemporal distribution have yet to fully understood. Motivated by the analysis of observational measurements, this study focuses on establishing a three-dimensional comprehensive ecosystem model with the purpose of investigating dynamical mechanisms controlling hypoxia formation and sustain off the Changjiang estuary. Comparisons between a series of long-term simulations based on the ecosystem model are performed to evaluate and discuss contribution that different factors make in hypoxia formation and sustain. This study aims to quantitatively identify hypoxia formation mechanisms off the Changjiang Estuarine, which has important implications for the biogeochemistry of the region.

长江口外底层水体的季节性缺氧已成为日益严重的环境问题。研究人员已经揭示了低氧环境形成的一般机制，即水体和沉积物中有机碎屑的氧化分解等生物过程消耗了海水中的溶解氧，而水体的密度层化又阻碍了底部溶解氧的补充。由于水体中浮游植物死亡后的有机碎屑含量与水体的密度层结均与富含营养盐的河流冲淡水有关，而后者在海域的扩展与混合又同时受到了风场、陆架环流和潮汐等的影响，因此对于具体的低氧事件到底是物理作用重要还是生物作用重要一直是争议的焦点。动力过程的复杂性增加了对低氧事件形成机制认识的难度。理解低氧的生消机制是对其进行预测、预报并进一步制定环境保护措施的关键一步。因此，本课题拟在充分分析观测资料的基础上，利用一个三维高分辨率的水动力、生物地球化学和溶解氧数值模型，综合考虑径流、潮汐、风场和陆架环流等影响水体层化、混合和滞留时间的动力过程，以及消耗水体中溶解氧的生物地球化学过程，模拟研究长江口外低氧事件形

本项目基于观测资料分析与高分辨率水动力、生物地球化学和溶解氧数值模拟相结合的手段研究了长江口外季节性底层水缺氧的控制机制。本项目所建立的高分辨率生态模型能准确再现底层溶解氧的季节变化、分布特征以及与参与生物耗氧的多个过程。研究结果分析发现陆架上风速、风向、特定风向持续时间对长江口外底层缺氧的时空扩展有显著的调制作用。南/东南风将长江冲淡水通过艾克曼输运向扬子浅滩区域输送形成高层化水体并促使底层缺氧的形成。而台风等高频强风事件加强了局地混合作用，通过垂向扩散向底层供氧以缓解底层的缺氧环境。本项目还对比了长江口及北墨西哥湾的缺氧环境，结果显示高层结的持续时间是底层缺氧环境在垂向扩展的关键控制因素。长江冲淡水在口门外的扩展、长江携带营养盐浓度、以及黑潮次表层水入侵对长江口外缺氧环境的时空扩展也有显著的调制作用。在诸多因子的协同控制下，长江口外缺氧水的存留时间较短且在口门外形成两个缺氧发生的热点区域。研究发现降低长江所携带的营养盐浓度能显著改善口外水环境质量，将长江水营养盐浓度降低到当前水平的70%就能使底层夏季缺氧水面积及厚度大幅度降低，并使缺氧水体积降低到当前水平的54%。本项目研究取得的科研成果为更深入的研究长江口外缺氧现象提供了较好的研究基础，并为长江口外缺氧现象预报预警及环境治理提出相应的陆海统筹管控策略以降低缺氧对临近海域生态环境的负面影响。