海洋所在印太交匯區(qū)物理-生態(tài)耦合模式開發(fā)取得新進展
近日,中科院海洋所尹寶樹研究團隊建成了覆蓋整個印太交匯區(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)擾動方法對耦合模式生態(tài)參數進行整體優(yōu)化,模式結果合理刻畫了不同時空尺度海洋動力過程和結構,再現了關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)高生產力的主要動力學成因,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。研究結果發(fā)表于國際學術期刊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,獨特的地質、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印太海區(qū)的復雜水道和岸線地形,對區(qū)域物理和生態(tài)過程的認識十分有限。

圖1 (a) 研究區(qū)域;(b)關鍵海峽通道流量結果;(c)關鍵海域葉綠素模擬結果
由于觀測和現場實驗數據有限,為減少模型誤差,物理-生態(tài)耦合模式的構建往往需要開展大量的敏感性實驗,進行參數優(yōu)化;假定單個參數的調試,需要10次左右的實驗,理論上要獲得4個參數的最優(yōu)值,則需要上萬次實驗,而于精細化、復雜的物理-生態(tài)耦合模式,往往涉及數十個參數,其計算資源的需求指數增加,遠超出當前計算能力。研究團隊首次利用非線性擾動方法(CNOP; Mu et al.,2010)對關鍵生物化學參數進行了優(yōu)化,使得對8個關鍵參數同時進行調整,僅需幾十次敏感性實驗,模型的誤差便降至最低,極大提高了計算效率(圖1c)。
基于精細化的模式結果,研究團隊揭示出了印太交匯區(qū)關鍵通道龍目海峽區(qū)葉綠素季節(jié)變化的核心動力機制(圖2)。該區(qū)地形復雜,混層深度存在顯著水平變化,且混合層上下動力環(huán)境截然相反,本研究指出混合層和固定深度收支計算方法的結合使用,可避免使用固定深度計算營養(yǎng)鹽收支時各物理過程貢獻有明顯區(qū)別的問題?;旌蠈邮罩У慕Y果發(fā)現,在赤道kelvin波和局地風共同影響下,沿岸流存在半年周期轉向,對于營養(yǎng)鹽輸運有周期性的影響;在上混合層內高營養(yǎng)鹽水體形成主要受離岸Ekman輸運的影響,而不是上升流的直接作用。
本研究首次在印太交匯區(qū)構建了基于非線性擾動方法優(yōu)化的精細化物理-生態(tài)耦合模式,揭示了關鍵海域營養(yǎng)鹽及葉綠素的物理控制機制,對于理解印太交匯區(qū)生物多樣性中的形成機制有重要幫助。

圖2 印太交匯區(qū)關鍵海域營養(yǎng)鹽物質輸運的物理機制示意圖
論文的第一作者為中國科學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研究員。研究得到了中國科學院戰(zhàn)略先導科技專項、國家自然科學基金重大專項等項目的支持。
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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