以獐子岛海域为例模拟研究北黄海夏季锋面上升流对初级生产力的调控机制

Influenced by the topography and climate, the marine ecosystem in the northern Yellow Sea exhibits an apparent seasonal pattern. Summer is a crucial season for the growth of the marine organisms but the existence of the Yellow Sea Cold Water Mass (YSCWM) hinders the vertical transportation of the nutrients from the bottom layers to the surface layers, causing the spatial mismatch between solar energy and nutrients. However, the upwelling inside the thermal fronts that scattered around the brims of the YSCWM facilitates the vertical nutrients transportation, and leads to an increase in the primary production. Quantifying the responses of the marine ecosystem to the cross-interface nutrients transportation is currently a hot research spot. This project will take the Zhangzi Island Ranching as the focusing area. Through analyzing multi-sourced observational data and conducting numerical sensitivity experiments with ROMS-CoSiNE (Regional Ocean Modeling System-Carbon, Silicate, Nitrogen Ecosystem Model) coupled model, this projects aims to reveal the regulation processes of the summertime upwelling on the primary production by quantifying the nutrients fluxes induced by the upwelling and the effects of the nutrient transports on the primary production. Focusing on this research topic, three progressive research contents are planned: reveal the controlling effects on the magnitude of the upwelling, optimize the performance of the ecosystem model on simulating the attenuation and backscattering processes of the photosynthesis available light, quantify the responses of the primary production to the upwelling.

受地形和气候的影响，北黄海生态系统具有明显的季节特征。夏季是海洋生物生长的关键时期，而黄海冷水团的存在阻碍了底层营养盐向海表层真光层的输送，造成了光能与营养盐空间上的错位，削弱了浮游植物初级生产力。黄海冷水团边缘存在的锋面上升流向近岸表层的营养盐输运则增强了初级生产力，增加了海洋生态系统中的食物供给。量化生态系统对跨界面营养物质交换的响应是目前学界研究的热点。结合前期工作，本项目拟以獐子岛养殖区为重点区域，利用ROMS-CoSiNE物理-生态三维耦合模型为主要工具，结合多源观测数据，通过数据分析和数值试验的手段揭示夏季上升流对初级生产力的调控过程，量化由上升流驱动的营养盐输送通量以及由此引发的浮游植物初级生产力的响应。围绕研究目标，项目将从揭示上升流强度的调控机制、优化生态模型对可见光衰减过程的模拟、量化獐子岛海域初级生产力对上升流的响应三部分层次组织研究内容。

大连长山群岛由獐子岛、大小长山岛、广鹿岛等一系列岛屿组成，是我国知名的海水养殖基地。长山群岛海域夏季锋面环流驱动的底层营养盐向海表真光层的输送一定程度上缓解了光能与营养盐空间上的错位，增强了初级生产力。前人对夏季黄海冷水团相关的锋面环流已进行了很多研究，对其形成机制和形态已有大量研究成果，而这些研究大多聚焦于各自的研究海域，对长山群岛海域则少有关注。本项目基于ROMS-CoSiNE模型构建了模拟范围覆盖渤黄东海-长山群岛的三维高分辨率双向嵌套的物理-生态耦合模型。利用模型结果并结合观测数据，项目组全面阐明了长山群岛海域夏季锋面分布位置、锋面环流的形态、锋面上升流的强度和锋面环流的形成机制。项目组利用敏感性数值试验研究了潮、风、河流径流对锋面上升流的调控机制，并开发了营养盐诊断模块定量评估了锋面环流在营养盐自黄海冷水团向近岸浅水区域输送中所起的作用。项目组还进一步分析了河流径流增加所带来的营养盐输入对长山群岛初级生产力的影响。夏季长山群岛温度锋面呈现东北-西南走向，出现在水深大致为20-40m的近岸浅水与黄海深槽之间的过渡海域。长山群岛夏季锋面环流主要由两部分组成，即自东北向西南的沿锋面流和跨等深线的锋面次级环流。沿锋面流流速大致为4~5 cm/s，跨等深线的锋面上升流则出现在40m等深线底部至30m等深线表层，其流速约为 0.001 cm/s。潮汐是长山群岛夏季锋面形成主要的动力因素，而表面风和河流径流的影响则不明显。锋面上升流的存在使得黄海冷水团向近岸浅水区域的营养盐补充明显加强。以40米等深线为黄海冷水团的边界，锋面上升流使黄海冷水团内的营养盐物质向近岸浅水区域输送量提高了65%。夏季和秋季，当鸭绿江径流增大50%后，受局地环流作用，辽东半岛东侧和渤海海峡北部表层海表叶绿素浓度有所增加，增加量的最大值出现在北黄海长山群岛海域。对长山群岛夏季锋面环流形态及其生态效应的研究一方面可以增进对黄海冷水团相关的营养盐输运过程的理解，另一方面也可为海水养殖规划布局,特别是獐子岛周边的扇贝养殖场布局提供依据。