渤海夏季底层溶解氧浓度降低趋势的模拟与机制分析

In recent forty years, bottom low dissolved oxygen (DO) conditions in summer have indicated an intensifying trend in the Bohai Sea, which imposes great stress on marine ecosystems and implies the need for effective management to improve eco-environments. Bottom DO concentrations have overall decreased about 1 mg/L in these years. The observed minimum bottom DO concentration has been down to 2.1 mg/L. The formation of low oxygen zone results from the interaction of physical and biogeochemical processes. Water column stratification inhibiting oxygen supplement to the bottom water and oxygen consumption by organic matter decomposition are essential processes leading to low oxygen zone formation, related to eutrophication induced by terrestrial pollutants, water residence time influenced by bathymetry, circulation and structures of water temperature and salinity. However, the contribution of these influencing factors to low oxygen zone formation and their role in low oxygen condition intensifying are unknown. This project aims to construct a coupled physical-biological model with high resolution to study oxygen dynamics in the Bohai Sea, on the basis of the regional ocean modeling system (ROMS). Key biological parameters in the model will be calibrated based on observations to accurately describe seasonal and interannual variations of the low oxygen zone in the Bohai Sea. Influencing mechanisms of human induced pollutant input, climate changes including summer monsoon and temperature changes on low oxygen condition intensifying will be investigated through diagnostic analysis, which will provide a scientific basis for eco-environmental management in the Bohai Sea.

近四十年来，渤海夏季底层溶解氧低值现象呈现加重的趋势，溶解氧浓度总体降低近1 mg/L，最低溶解氧浓度已降低至2.1 mg/L，给海洋生态环境带来巨大压力，对症下药有效治理刻不容缓。底层氧低值区形成是物理和生物地球化学等过程共同作用的结果，水体层化阻碍溶解氧向下层水体补充和有机物分解耗氧是导致氧低值区形成的主要原因，与陆源污染物排放造成的富营养化，以及地形、环流与温盐结构控制的底层水存留时间等因素相关，但目前这些影响因素对渤海氧低值区形成的贡献、及在氧低值加重现象中扮演的角色尚不清楚。本项目将基于区域海洋模型ROMS建立一个以研究渤海溶解氧动力过程为主要目的的高分辨率物理-生态耦合模型，基于观测资料对模型中的关键生态参数进行率定，以准确刻画氧低值区的季节和年际变化，并诊断分析人类活动引起的污染物排放、夏季风和温度变化等气候变化对渤海氧低值现象加重的影响机制，为渤海生态环境管理提供科学依据。

海水低溶解氧（DO）状态威胁鱼类生存，促进反硝化作用排放温室气体，影响全球生源要素循环。在人类活动与气候变化的影响下，海洋脱氧现象已成为全球性的环境问题。在我国近海，除了长江口和珠江口附近海域的缺氧以外，近年来渤海的氧亏损现象呈现加重的趋势，得到越来越多的关注。本项目基于构建的包含氧动力过程的三维物理-生态耦合模型，实现了对渤海生态环境的长期模拟，并结合现场调查资料，探究了渤海氧亏损季节演变、年际差异与长期变化及其控制因素。在季节变化上，秦皇岛外海和黄河口外海两个氧亏损热点区独立的发展过程。渤海氧亏损演变过程主要受到跃层和生物耗氧控制，同时也收到侧向平流输运的影响。层结是氧亏损形成的前提及维持的条件，生物耗氧决定了氧亏损的空间分布。平流输运会削弱黄河口外氧亏损，但促进秦皇岛低溶氧水体向东北深水区输运，利于氧亏损扩展。2014年与2019年氧亏损空间分布存在显著差异。2014年黄河口外氧亏损区主要位于浅滩西南侧的深水洼地, 而2019 年则从浅滩西侧洼地延伸至黄河口外及莱州湾口区域。这与2019年较强的黄河径流与南风以及引起的冲淡水扩展有关，使得莱州湾口区域的跃层强度较大，跃层持续时间较长。跃层持续时间是影响氧亏损年际差异的重要因素。在长期变化上，溶解氧浓度在2006年前后出现跃迁。2006-2018年DO平均浓度较1978-2005年降低了52 μmol/L。渤海营养盐结构及夏季海表温度也呈现显著变化。DIN浓度、氮磷比与硅磷比均明显升高，且近年来夏季海表温度也显著升高。通过敏感性实验量化了DIN含量及温度变化对DO浓度长期变化的影响，结果表明，在90年代DIN含量加倍情况下，带来的影响可对DO浓度降低的贡献占近一半，近几年的渤海升温的影响约占四分之一。营养盐变化是渤海溶解氧浓度显著降低的重要因素，温度升高也促进了溶解氧浓度的降低。研究结果提升了对渤海溶解氧降低趋势和氧亏损季节演变及其机制的理解，为海洋生态安全和环境保护提供认识，为基于生态系统的海洋环境管理提供科学基础。