遥感与数模结合的东海有机碳侧向输运通量研究

【摘要】：边缘海是连接陆地与大洋的关键通道,较高的初级生产力使得有机碳在边缘海的水平输送过程(本文称侧向输运)对全球碳循环的研究具有重要意义。通常对于有机碳侧向输运通量的计算都是基于箱式模型和数值模拟,前者可以方便地获得总的有机碳侧向输运通量,宏观认识有机碳的收支格局,但是缺乏对研究海域内部和边界上的输运结构和时空变化认识,后者可以解决上述问题,但对于边缘海复杂生态过程的模拟和验证十分困难,因此有机碳侧向输运通量的计算仍然存在一定的不确定性。针对上述有机碳侧向输运通量的计算缺陷,本文展开了如下工作:(1)以东海作为典型边缘海区域,提出了基于遥感与数值模拟相结合的边缘海有机碳侧向输运通量估算方法。首先,针对2003―2012年十年的遥感数据,利用基于有色溶解有机物吸收系数和叶绿素浓度的反演算法获得水体表层的溶解有机碳(DOC)浓度,利用基于颗粒衰减系数的反演算法获得水体表层的颗粒有机碳(POC)浓度,并结合剖面分布模型分别获得十年平均的东海DOC和POC浓度的三维分布场;其次利用ROMS海洋模式针对整个东中国海进行数学建模,模拟了东海气候态的环流系统,获得东海的三维流场;最后将两者相结合计算DOC和POC的侧向输运通量。通过上述方法,揭示了DOC和POC在东海内部的侧向输运结构。东海内部DOC和POC的侧向输运通量季节变化显著,年平均结果呈现从南到北、从西向东的输运态势。其中,POC侧向输运通量量值比DOC侧向输运通量低10倍左右,这是由于POC浓度比DOC浓度低10倍左右导致。DOC侧向输运通量较高的区域出现在长江口、闽浙沿岸、台湾海峡和黑潮区域,POC侧向输运通量较高的区域在长江口、闽浙沿岸和台湾海峡。在东海陆架上存在从台湾北部延伸到长江口外的北向输运带;同时,存在三条显著的自西向东的DOC输运带,出现在26°N―26.5°N,27°N―28°N,29°N―30°N,强度从南向北依次递减,季节变化显著。该方法也揭示了DOC和POC在东海各界面的交换量和交换通道。东海各界面的DOC交换量之和表现为净输出,约为-1.63 Tg C yr~(-1),其中黑潮的DOC净输入通量低于台湾海峡,但交换量远高于台湾海峡。在不考虑长江输入的情况下,东海各界面的POC交换量之和表现为弱的输入,约为0.72 Tg C yr~(-1),其中黑潮的POC净输入通量略低于台湾海峡,而交换量与台湾海峡相当。由于有机碳交换通道由流场决定,东海DOC和POC的主要净输入通道都位于台湾海峡东侧以及台湾东北部26―26.3°N陆坡,主要的净输出通道位于北边界100―200米的外陆架。(2)基于拉格朗日示踪粒子,提出了长江入海DOC在东海陆架上的扩散分析方法。首先,在一年中分12次布放拉格朗日示踪粒子,通过统计方法计算示踪粒子的分布,获得长江不同月份的水体输运特征;其次,根据长江DOC通量与流量的线性关系估算长江入海DOC的跨陆架输运通量。该方法获得的结果表明,长江入海水体在经过一个年周期(360天)之后,广泛的分布在黄海、东海、南海和日本海,少数通过东海黑潮进入西北太平洋,季节变化较大。长江入海水体在一年之后停留在南海的数量最多,其次是黄海,停留在东海的量不到20%。停留在东海的长江水体,在近岸海域滞留总量低于外陆架,在北部滞留量高于中部和南部之和。本文根据DOC通量与流量的关系得到DOC年平均入海通量达1.72 Tg C,长江入海DOC经过一个年周期后在东海北部的滞留量占东海总滞留量的63%左右,滞留近岸的DOC占东海总滞留量的35%左右。(3)基于悬浮泥沙(TSM)的数值模拟,提出了长江入海POC在东海陆架上的扩散分析方法。在水动力数值模拟的基础上仅加入长江泥沙,获得长江入海悬浮物的跨陆架输运特征,以初步探索长江入海POC的跨陆架输运特征。该方法获得的结果表明,长江入海TSM常年较广的分布在黄海和东海近岸,底层浓度常年高于表层。秋冬季TSM的分布范围较广,在长江口杭州湾海域浓度最高,苏北浅滩次之,东海陆架上几乎没有长江TSM的分布。秋冬季在闽浙沿岸形成了一个窄长型的TSM带状分布,与岸线和海底地形基本平行。春夏季TSM分布范围较小,仅在长江口和苏北浅滩有高值分布。长江入海TSM存留在海水中的部分,约54%滞留在黄海,约21%滞留在东海,其余大部分进入南海近岸。总的来说,本文利用遥感和数模相结合的方法,估算得到东海有机碳侧向输运通量。相比于传统的箱式模型估算方法,本文提出的方法不仅能得到边缘海各界面的输运通量,且可以获得边缘海内部的输运通量,更有利于认知边缘海内部的物质输运结构。此外,虽然本文研究针对东海,但建立的有机碳侧向输运通量估算方法可推广到全球其它边缘海系统。