海洋所在印太交匯區(qū)物理-生態(tài)耦合模式開(kāi)發(fā)取得新進(jìn)展
近日,中科院海洋所尹寶樹(shù)研究團(tuán)隊(duì)建成了覆蓋整個(gè)印太交匯區(qū)的高分辨率(水平分辨率4公里、垂向50層)物理-生態(tài)耦合的海洋模式,并首次使用非線性最優(yōu)擾動(dòng)方法對(duì)耦合模式生態(tài)參數(shù)進(jìn)行整體優(yōu)化,模式結(jié)果合理刻畫(huà)了不同時(shí)空尺度海洋動(dòng)力過(guò)程和結(jié)構(gòu),再現(xiàn)了關(guān)鍵海峽通道流量的季節(jié)變化特征(圖1),并揭示出龍目海峽區(qū)高生產(chǎn)力的主要?jiǎng)恿W(xué)成因,研究為印太交匯區(qū)生物多樣性形成研究奠定了模式和理論基礎(chǔ)。研究結(jié)果發(fā)表于國(guó)際學(xué)術(shù)期刊Journal of Geophysical Research: Oceans。
印太交匯區(qū)是地球多圈層匯聚的地方,也是全球海洋生物多樣性最豐富的區(qū)域,獨(dú)特的地質(zhì)、物理環(huán)境支撐著該區(qū)域豐富多樣的生態(tài)系統(tǒng)。然而,已有模式分辨率不能很好的刻畫(huà)印太海區(qū)的復(fù)雜水道和岸線地形,對(duì)區(qū)域物理和生態(tài)過(guò)程的認(rèn)識(shí)十分有限。

圖1 (a) 研究區(qū)域;(b)關(guān)鍵海峽通道流量結(jié)果;(c)關(guān)鍵海域葉綠素模擬結(jié)果
由于觀測(cè)和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)有限,為減少模型誤差,物理-生態(tài)耦合模式的構(gòu)建往往需要開(kāi)展大量的敏感性實(shí)驗(yàn),進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化;假定單個(gè)參數(shù)的調(diào)試,需要10次左右的實(shí)驗(yàn),理論上要獲得4個(gè)參數(shù)的最優(yōu)值,則需要上萬(wàn)次實(shí)驗(yàn),而于精細(xì)化、復(fù)雜的物理-生態(tài)耦合模式,往往涉及數(shù)十個(gè)參數(shù),其計(jì)算資源的需求指數(shù)增加,遠(yuǎn)超出當(dāng)前計(jì)算能力。研究團(tuán)隊(duì)首次利用非線性擾動(dòng)方法(CNOP; Mu et al.,2010)對(duì)關(guān)鍵生物化學(xué)參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化,使得對(duì)8個(gè)關(guān)鍵參數(shù)同時(shí)進(jìn)行調(diào)整,僅需幾十次敏感性實(shí)驗(yàn),模型的誤差便降至最低,極大提高了計(jì)算效率(圖1c)。
基于精細(xì)化的模式結(jié)果,研究團(tuán)隊(duì)揭示出了印太交匯區(qū)關(guān)鍵通道龍目海峽區(qū)葉綠素季節(jié)變化的核心動(dòng)力機(jī)制(圖2)。該區(qū)地形復(fù)雜,混層深度存在顯著水平變化,且混合層上下動(dòng)力環(huán)境截然相反,本研究指出混合層和固定深度收支計(jì)算方法的結(jié)合使用,可避免使用固定深度計(jì)算營(yíng)養(yǎng)鹽收支時(shí)各物理過(guò)程貢獻(xiàn)有明顯區(qū)別的問(wèn)題?;旌蠈邮罩У慕Y(jié)果發(fā)現(xiàn),在赤道kelvin波和局地風(fēng)共同影響下,沿岸流存在半年周期轉(zhuǎn)向,對(duì)于營(yíng)養(yǎng)鹽輸運(yùn)有周期性的影響;在上混合層內(nèi)高營(yíng)養(yǎng)鹽水體形成主要受離岸Ekman輸運(yùn)的影響,而不是上升流的直接作用。
本研究首次在印太交匯區(qū)構(gòu)建了基于非線性擾動(dòng)方法優(yōu)化的精細(xì)化物理-生態(tài)耦合模式,揭示了關(guān)鍵海域營(yíng)養(yǎng)鹽及葉綠素的物理控制機(jī)制,對(duì)于理解印太交匯區(qū)生物多樣性中的形成機(jī)制有重要幫助。

圖2 印太交匯區(qū)關(guān)鍵海域營(yíng)養(yǎng)鹽物質(zhì)輸運(yùn)的物理機(jī)制示意圖
論文的第一作者為中國(guó)科學(xué)院海洋研究所副研究員高冠東,通訊作者為楊德周和尹寶樹(shù)研究員。研究得到了中國(guó)科學(xué)院戰(zhàn)略先導(dǎo)科技專(zhuān)項(xiàng)、國(guó)家自然科學(xué)基金重大專(zhuān)項(xiàng)等項(xiàng)目的支持。
論文信息: Gao, G., Yang, D., Xu, L., Zhang, K., Feng, X., & Yin, B. (2022). A biological-parameter-optimized modeling study of physical drivers controlling seasonal chlorophyll blooms off the southern coast of Java Island. Journal of Geophysical Research: Oceans, 127, e2022JC018835. https://doi.org/10.1029/2022JC018835
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