南海微型生物碳泵时空演变的高分辨率数值模拟

The microbial carbon pump (MCP) is a newly proposed mechanism that sequester carbon in the ocean interior. It is considered as the cutting-edge topic in the book “Chinese Discipline Development Strategy on Ocean Science”. The South China Sea (SCS), the largest marginal sea in the Western Pacific, locates in the East Asiaian Monsoon Area and is influenced by physical processes on multiple scales. This feature makes the SCS an ideal place to study the response of the MCP. This study focuses on the variation in the MCP controlled by nutrient. To model the MCP variation in the SCS, we plan to use a 3-D physics-ecosystem coupled model named ROMS-CoSiNE with the horizontal resolution of ~7 km. The current CoSiNE model will be modified to add the MCP module. The updated model will run from 1990 to 2017 to produce a time series data set. We will analyze MCP’s spatial pattern, seasonal and interannual variability and its link to the biological pump (BP). This study is to reveal the effect of processes including riverine input, monsoon, upwelling and mesoscale eddies on regulating MCP’s spatial pattern. The anticipated outcome is to obtain the spatiotemporal variation of key indices include the transformation rate of refractory dissolved organic carbon, the export flux of particulate organic carbon, the optimal nutrient state that maximize the sum of carbon storage by MCP and BP. This study is also expected to be an example to study the role of microbes on climate change.

微型生物碳泵（MCP）是由微生物主导的一种新型储碳机制，并在《中国学科发展战略ꞏ海洋科学》一书中被列为学科发展前沿命题。南海是西太平洋最大的边缘海，地处东亚季风区，多尺度物理过程叠加，是研究不同物理过程对MCP影响的理想区域。本课题计划采用物理-生态耦合模式（ROMS-CoSiNE），以营养盐对MCP调控机制为切入点开展南海MCP的时空演变模拟。我们将建立7公里分辨率的南海模型，对原有CoSiNE模式进行改进，加入MCP模块。分析1990-2017年时间序列模拟结果中MCP的空间差异，季节性和年际变化并与经典生物泵（BP）比较。阐明河流输入、季风、上升流、中尺度涡等过程对MCP空间分布的调控作用。课题预期得到南海惰性溶解有机碳转化速率、颗粒有机碳输出通量等关键指标的空间分布和时间变化规律，找到MCP和BP总储碳量最大的营养盐最佳范围，成为模拟微生物气候、环境效应的范例。

微型生物碳泵(MCP)是由微生物主导的一种新型储碳机制。南海是西太平洋最大的边缘海，地处东亚季风区， 多尺度物理过程叠加，是研究不同物理过程对MCP影响的理想区域。本课题采用物理-生态 耦合模式(ROMS-CoSiNE)，以营养盐对MCP调控机制为切入点开展南海MCP的时空演变模拟。 我们了建立7公里分辨率的南海模型，对原有CoSiNE模式进行改进，加入MCP模块。分析气候态模拟结果中MCP的空间差异，季节性变化并与经典生物泵(BP)比较。基于沉积物捕获器对颗粒有机碳通量季节性变化的观测，利用1维物理生态环境模型对南海中部生物泵垂直结构开展了模拟工作。100米处年平均颗粒有机碳输出通量为上层水体净生产力的19%，输送至1000米的颗粒有机碳通量为100米处的7%。通过模型计算可以给出南海固碳、储碳的收支状况。上层浮游植物平均固碳量为340.3 mg m-2 d-1，其中78.2 mg m-2 d-1以POC形式输出到100 m之下，输出效率（e-ratio）约为19%。POC转化为DOC通量为5.7 mg m-2 d-1。MCP转化RDOC的通量为1.8 mg m-2 d-1， 相当于1000m水层颗粒有机碳输出通量的26%。总体上，DOC从吕宋海峡流入，而从其他三个浅水海峡流出，通量大致平衡。但活性溶解有机碳的流出通量大于流入通量。陆架高生产力补充了亏损的活性溶解有机碳。本课题阐明河流输入、季风、上升流、中尺度涡等过程对MCP空间分布的调控作用。