台湾海峡物理—生态耦合模型的构建与应用研究

摘要

本文建立一个气候态驱动条件下的台湾海峡物理-生态耦合模型(ROMS-NPZD)。与现场、遥感观测数据的比较显示，模型结果与观测数据具有一定的可比性，模型能够较好的模拟出冬、夏季台湾海峡主要的水文、营养盐和浮游生物的分布特征。夏季，南海表层和次表层水通过浅滩的东、西侧通道进入台湾海峡，低温、高营养盐的次表层水在东山、平潭和台湾浅滩上升流区涌升并产生了海表低温、高叶绿素的现象。冬季，低温、低盐、高营养盐的闽浙沿岸水与南部高温、高盐、寡营养盐的黑潮分支水在海峡中部交汇，受到光照的限制和水体强混合的作用，水体中叶绿素的含量较夏季明显偏低。
　　 模型进一步证实了夏季台湾海峡的两个营养盐通道，即西通道-广东、福建沿岸与台湾浅滩之间的水道;东通道-澎湖水道，与南海次表层水的进入台湾海峡通道一致。模型的诊断分析结果表明对流和混合作用分别为营养盐跃层的下部和跃层提供硝酸盐(NO3);光照和营养盐对光合作用的限制作用使NO3的最大生物吸收出现在跃层的位置。由于西通道的地形较浅，水体透光度高，跃层以下的高浓度NO3也被大量消耗，同时上升流将下层NO3带至上层，进一步增强了该通道NO3的消耗。相比之下，东通道的水深较深，跃层以下的NO3不被生物利用，保守性的行为使得输运的距离更远。因此，通量统计结果显示，东通道为海峡贡献了大部分的溶解无机氮(DIN);由于DIN被大量吸收转化为颗粒有机氮(PON)，西通道贡献了45％的PON，其中30％来源于珠江冲淡水。模型估算夏季由南海进入台湾海峡的DIN和PON的通量分别为1.8和4kmol/s，通过海峡北部流出进入东海的DIN和PON通量分别为0.8和5kmol/s。利用Redfield比值(C∶N=106∶16)，模型估算出台湾海峡夏季的平均初级生产力约为300mgC/(m2.d)，新生产力为75mgC/(m2.d)，f的比值为25％。此外，潮汐因素对营养盐的北向输运起到负作用。尽管潮汐混合作用，使得台湾浅滩上升流区的初级生产力显著提高，但海峡平均的初级生产力减小约3％。
　　 模型也进一步证实了台湾海峡冬季两个营养盐通道分别为闽浙沿岸和南部澎湖水道。模型估算闽浙沿岸流进入海峡的DIN通量为2.21kmol/s，南海次表层水进入海峡的DIN通量高达1.63kmol/s，与夏季相当。由于冬季DIN的生物吸收缓慢，大部分进入海峡的DIN通过海峡另一侧流出，因此由海峡南部流入的DIN和PON的净通量分别为0.57和0.45kmol/s，海峡北部DIN净流入通量为0.32kmol/s，PON净流出通量为1.34kmol/s。模型估算台湾海峡冬季的平均初级生产力约为257mgC/(m2·d)，而新生产力约为117mgC/(m2·d)，f的比值为45％。
　　 基于临界湍流强度理论，并结合数值实验和理论分析，本研究首次解释了冬季台湾海峡中部的“藻华”发生的机制。冬季东北季风的间憩期，当湍流强度小于临界湍流强度时，上层的浮游植物净增长率高于湍流向下的输运率，浮游植物开始增加。此外，海峡中部、锋面处适宜的温度和充足的营养盐条件使得局地的“藻华”加剧。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 研究背景和意义

1．2 台湾海峡简介

1．2．1 海底地形

1．2．2 气候和水文条件

1．2．3 径流

1．2．4 潮汐及环流

1．2．5 生物多样性

1．3 国外研究进展

1．3．1 生态动力学模型构建研究

1．3．2 生态动力学模型应用研究

1．4 国内研究进展

1．4．1 国内生态模型的应用研究

1．4．2 台湾海峡的生态系统和模型研究进展

1．5 研究目标与技术路线

第2章 物理与生态耦合模型的构建

2．1 三维物理模型

2．1．1 控制方程

2．1．2 方程离散

2．1．3 内外模态分裂

2．2 海洋浮游生态系统模型

2．2．1 基本方程及参数

2．2．2 底部沉积与再矿化过程

2．3 耦合模型的构建

2．3．1 模拟区域及网格

2．3．2 边界和初始条件设置

第3章 模型验证、评估及敏感性实验

3．1 环流

3．1．1 夏季

3．1．2 冬季

3．2 海表温度(SST)

3．2．1 夏季

3．2．2 冬季

3．3 海表叶绿素(SSC)

3．3．1 夏季

3．3．2 冬季

3．4 断面分布

3．4．1 夏季

3．4．2 冬季

3．5 敏感性实验

3．5．1 沉积过程

3．5．2 陆源营养盐

3．6 小结

第4章 夏季营养盐动力学分析及初级生产力

4．1 营养盐输运通道

4．1．1 东通道和西通道

4．1．2 陆源性营养盐输入

4．2 各通道营养盐输运与消耗

4．3 各通道氮的贡献分析

4．3．1 营养盐通量的垂向分布

4．3．2 无机和有机氮通量

4．3．3 珠江冲淡水的贡献

4．3．4 台湾海峡的氮通量的变化

4．4 夏季初级生产力

4．5 潮汐对营养盐的输运及初级生产力的影响

4．5．1 数值实验设计

4．5．2 流场变化

4．5．3 温度-营养盐-叶绿素的平面分布

4．5．4 温度-营养盐-叶绿素的断面分布

4．5．5 潮汐对于夏季流量及营养盐通量的影响

4．5．6 对初级生产力的影响

4．6 小结

第5章 冬季营养盐动力学分析及初级生产力

5．1 营养盐通道

5．2 营养盐输运与消耗

5．3 各来源氮的贡献分析

5．3．1 营养盐通量的垂向分布

5．3．2 无机和有机氮通量

5．4 冬季初级生产力

5．5 小结

第6章 冬季台湾海峡中部“藻华”发生机制分析

6．1 “藻华”机制研究进展

6．2 “藻华”机制的两个经典理论

6．2．1 临界深度理论

6．2．2 临界湍流强度理论

6．3 台湾海峡中部“藻华”现象

6．3．1 台湾海峡冬季的气象、水文特征

6．3．2 调查期间的气象、水文条件分析

6．3．3 遥感观测的海峡中部的“藻华”

6．4 数值模拟台湾海峡中部的“藻华”

6．4．1 数值模拟设计

6．4．2 实验结果

6．5 “藻华”机制分析

6．5．1 浮游植物浓度变化的诊断分析

6．5．2 临界湍流强度理论的检验

6．6 数值实验

6．7 小结

第7章 总结与展望

7．1 论文总结

7．2 论文创新点

7．3 存在的不足与展望

参考文献

发表及完成的论文情况

致谢