珠江河口生态系统对耦合物理-生物地球化学过程的响应

The Pearl River Estuary (PRE) is a divided estuary that is governed by tidally induced gravitational circulation in the upper estuary and co-regulated by buoyancy, tides and shelf current in the lower estuary. The physical process and the ecosystem response in the PRE have strong spatiotemporal variability. In this project, we will apply combined high-spatiotemporal resolution field observation and process-oriented numerical modeling to investigate the control mechanism of ecosystem in PRE. Base on the spatial distribution/seasonal variability of biogeochemical parameters and the ecosystem response to the estuary-shelf hydrodynamics, we will focus on the nutrient budget in different regions of the PRE, nutrient fluxes between different interfaces, and the hydrodynamic controls on phytoplankton bloom in the PRE. We emphasize the quantitative analysis in estuarine biogeochemical process and mechanism, and strive for a breakthrough on the method of estuarine research. Through this project, we expect to clarify the ecosystem response under the joint regulation of multiple physical processes; understand its controlling process, mechanism and internal relation; provide scientific support for marine environmental administration and management of the PRE.

针对珠江口具有河口和陆架环流特征，同时受到潮汐、径流及沿岸流季节变化的多重影响，其物理过程及生态系统响应均具有高度的时空变化复杂性的特点，本项目将采用高时空分辨率现场观测结合过程导向数值模型模拟为研究手段，从水动力过程对珠江口生态系统的调控着手，以相关生物地球化学参数在珠江口的分布特征和季节变化为切入点，重点解决营养盐等参数在珠江口不同区域的收支及在不同界面之间的通量、多种物理过程对珠江口浮游植物最大值产生位置的综合控制等科学问题。我们强调对河口生物地球化学过程及机制的定量化分析，并力求在河口的研究思路与手段方面有所突破。通过本项目的研究，我们将探明珠江口生态系统在物理过程综合调控下的响应，并从理论上探索其响应机理及各种过程之间的内在联系，为珠江口的环境管理策略提供科学依据。

本项目采用高时空分辨率现场观测结合过程导向数值模型模拟为研究手段，从水动力过程对珠江口生态系统的调控着手，以相关生物地球化学参数在珠江口的分布特征和季节变化为切入点，重点研究了1）氮磷共限制模型开发及生物地球化学响应；2）珠江口水华控制机制；3）珠江口外测底层缺氧的形成和维持机制。.我们开发了一个基于氮、磷、浮游植物、浮游动物及碎屑的三维物理-生物地球化学耦合模型，以反映近岸区域存在的磷限制情况。我们发现，由于磷限制，冲淡水上中游的浮游植物生产力受到明显抑制，而下游则由于氮营养盐的较强扩散，形成了更大范围的水华。我们发现在水华的形成阶段，死亡和凝结是浮游植物的主要消耗因素，但随着冲淡水的发展成熟，浮游动物的捕食称为浮游植物的最大损失来源。.通过在春夏秋冬四个季节的现场观测调查，我们发现，在干季，水华通常发生在珠江口的中上游位置，在湿季则发生在河口的下游。通过现场观测及动力学分析，我们认为珠江口水华发生主要受到水体停留时间、水柱稳定性及浊度的综合调控，我们通过机制及过程分析，对水华出现位置进行了较好的定量化阐述。.通过对珠江口外侧夏季底层缺氧的形成过程和机制的研究分析，我们发现，较高的淡水流量更有利于营养盐的向河口外扩散，同时形成较高的浮力频率，较弱的风应力则有利于形成较弱的垂直速度切变，从而形成较强的水体层结，有利于缺氧的形成。但是较弱的风应力同时会导致较为紊乱的陆架环流，从而使得缺氧区产生较大的波动。珠江口外侧的底层流倾向于在西侧辐聚，该处的水柱稳定性也较强，从而导致缺氧区中心通常位于珠江口外侧西部。敏感性实验结果表明，缺氧指数随河流营养盐输入的增长呈指数增长。若珠江营养盐排放维持目前的增长趋势，珠江口及临近陆架在未来将面临更为广泛和持久的缺氧。