西太平洋的碳和营养盐输送及其对南海生态系统的影响

The circulation pattern in the westernPacific Ocean (WP) is dynamically complicated. The strong water mass exchange between WP and the surrounding ocean can directly affect the heat, freshwater, carbon and nutrient budgets in the marginal seas. The conduction of the Northwestern Pacific Ocean circulation and Climate Experiment (NPOCE) has improvedpeople’sknowledge on physical properties and dynamics of the WP circulation system. Its biogeochemical characteristics and the carbon and nutrient transport via major currents on different temporal scales, as well as their controlling mechanisms, however, still remain unclear. With a large dataset of in situ measurements and a nested, coupled physical-biogeochemical numerical model, this study will examine the carbon and nutrient cycling characteristics andtheir driving mechanisms in the WP. By conducting a number of model sensitivity studies, this study focuses on the variability of nutrient conditions, primary production, phytoplankton biomass and composition, air-sea CO2 flux, and anthropogenic CO2 on interannual and decadal scales in the South China Sea, as well as their connections to thecarbon and nutrient transport from the WP open ocean. The expected outcome of this project will enhance our understanding on the biogeochemical interactions between WP and its marginal seas, and the role of WP in contributing and modulating global carbon cycling.

西太平洋中低纬度海区的环流系统相对复杂，其与周围海域存在强烈的水体交换，从而直接影响它们热量、淡水、碳及各种营养盐的收支过程。西太平洋海洋环流与气候实验计划的实施加深了人们对西太平洋环流的物理性质和动力机制的理解,然而对这些环流系统的碳和营养盐的分布结构以及水体交换过程中碳和营养盐的输运机制,进而在年际和年代际尺度上对边缘海生态系统和海气二氧化碳通量的影响还不甚清楚。本课题拟利用大量观测资料和嵌套的物理和生物地球化学耦合模式来探讨西太平洋碳和营养盐循环在年际和年代际尺度的变异和调控机制；在资料分析的基础上，将以数值模式的敏感性实验为手段，重点探讨南海整体的营养盐分布、初级生产力、浮游植物含量和种群结构、海气二氧化碳通量、以及人为二氧化碳含量在年际和年代际尺度上受大洋水体输入的调控规律和机制。本课题的研究成果将有助于加深人们对西太平洋在全球碳循环中的作用以及西北太平洋与边缘海相互影响的了解。

西太平洋低纬度海区具有非常复杂的环流系统，其与周边海域存在强烈的水体交换，人类活动使大气中温室气体的浓度不断升高，气候变化的速率在加剧。上述过程深刻影响南海与周边海域的热盐、碳和营养物质输运过程，以及南海内区的环流和生态动力过程。目前对于南海周边主要海峡的碳和营养盐输运机制的认识还比较缺乏，对于上述水体和营养盐交换通量在年际尺度上对边缘海生态系统和海气二氧化碳通量的影响还不甚清楚。基于此，本项目首先构建了一个覆盖整个南海和部分西北太平洋的高分辨率的三维物理-生态耦合模式，建立了一种生态模式参数的遗传算法优化方案，基于现场观测资料和卫星遥感资料对耦合模式进行系统的优化和验证。基于耦合模式的结果，定量统计了南海周边主要海峡的水体、营养盐和溶解无机碳的输运通量，并分析了输运通量的年际变化及驱动因子，阐明了吕宋海峡输运通量的年际变化对南海内区次表层盐度、南海环流形态及上层浮游植物年际变化的影响机理。将卫星遥感资料与耦合模式相结合，系统阐释了黑潮入侵引起的海洋锋面和中尺度涡对南海上层营养盐补充和叶绿素浓度季节和年际变化的作用机理。基于耦合模式年际尺度的模拟结果，阐明了人类活动影响下南海海-气界面二氧化碳通量的变化趋势。上述研究成果从生物地球化学角度，深化了大洋与边缘海的多尺度生物地球化学相互作用的认识，有助于加深人们对西太平洋在全球海洋碳循环和气候变化中发挥的作用的认识。项目执行期间发表SCI论文11篇，中文核心论文1篇，其中项目负责人第一/通讯SCI论文8篇，多篇论文发表在地学类TOP期刊，圆满完成了预期研究目标。项目资助一名博士完成博士后研究，培养研究生多名。项目研究过程中，基于南海物理-生态耦合模式年际尺度模拟结果，制作了一套标准化的模式输出产品，并通过网站共享给国内外同行使用。