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基于卫星和现场观测数据的东海跨陆架水交换和营养盐交换的时空变化研究

丁睿彬  
【摘要】:东海的跨陆架水交换和营养盐交换,对东海陆架的环流结构、水团分布和生物化学过程有重要的影响,其时空变化特征已引起较多的关注和讨论。通常对于跨陆架水通量和营养盐通量(下文简称跨陆架通量)的计算都是基于箱式模型和卫星高度计数据,前者可以很方便地得到总的跨陆架通量,但是缺乏对其沿着200米等深线的空间分布和长时间变化的认识,后者可以解决上述问题,但是只有表层的信息,因此跨陆架通量的计算仍然存在一定的不确定性。针对上述跨陆架通量的计算缺陷,本研究首先利用卫星高度计数据作为参考流速,现场观测的温盐数据作为水平密度梯度,并且结合热风方程得到了跨陆架地转流速的垂向分布。其次,利用表层风场和底部地转流速,本研究还计算了上、下边界层内的跨陆架流速。最后,通过将这三部分相加得到了 200米等深线处1993到2014年共计22年的跨陆架水通量资料。利用现场观测的硝酸盐和磷酸盐数据,本研究重构了与跨陆架水通量在时空上匹配的跨陆架营养盐通量。利用以上计算结果,本研究从整体到局部去研究跨陆架通量的时空变化及其动力机制:分别是总的跨陆架通量的时间变化;局部跨陆架通量的水平空间差异以及时间变化;跨陆架通量的垂直结构差异以及时间变化,得到的主要结论如下:(1)揭示了跨陆架水通量和硝酸盐通量的水平和垂向空间分布特征。跨陆架营养盐通量由硝酸盐通量表示,磷酸盐通量可以通过硝酸盐和磷酸盐之间的比值(13.75)得到。1993到2014年平均的总的跨陆架通量分别为1.7±2.0 Sv和22.0± 12.9 kmol s-1,正方向为向岸方向,其向岸和离岸部分都要显著地大于总的跨陆架通量。根据跨陆架通量在水平方向上的分布差异性,本研究将东海陆坡划分出了三个区域:即台湾东北部、陆架中部和九州西南部。台湾东北部拥有最大向岸和离岸输运的水通量和硝酸盐通量,陆架中部也存在明显的向岸输运的硝酸盐通量和离岸输运的水通量,九州西南部的水通量和硝酸盐通量较小,但是不能忽略。跨陆架通量的垂向结构进一步显示最大的向岸和离岸方向输运的流速和硝酸盐通量分别位于台湾东北部表层以下5 0米和底层以上5 0米。陆架中部和九州西南部底层以上50米区域分别存在明显的向岸输运的硝酸盐通量,而流速在这两个区域的垂向分布相对比较均匀。(2)揭示了跨陆架水通量和硝酸盐通量的季节和年际变化特征。小波分析结果表明总的跨陆架水通量和硝酸盐通量存在周期为1年左右的显著震荡,但是季节变化的强度要显著地小于年际变化的强度。它们的向岸和离岸部分不仅存在显著的1年周期,还存在2年和4年的周期,在更长时间则表示为逐年上升的趋势。总的跨陆架通量的时间变化主要由台湾东北部的跨陆架通量向岸部分的时间变化决定。最显著的跨陆架流速和硝酸盐通量的变化分别位于台湾东北部表层以下50米和底层以上50米。经验正交函数分析结果表明它们在台湾东北部都存在两个显著的空间模态,其中第一模态的变化占主导,其季节变化与黑潮主轴的迁移有关,即冬季黑潮主轴的向西摆动会造成靠近台湾区域的跨陆架向岸输运的加强,夏季则相反。(3)阐明了硝酸盐通量、流速和硝酸盐浓度在空间和时间变化上的联系,揭示了跨陆架水通量和硝酸盐通量的时空变化的物理机制。根据流速和硝酸盐水平和垂直分布特征,跨陆架硝酸盐通量的水平空间分布主要由流速决定,而它的垂向空间分布主要由硝酸盐浓度决定;跨陆架硝酸盐通量的时间变化则主要由流速决定,其长期变化趋势主要由硝酸盐浓度决定。通过将跨陆架通量分成表层艾克曼分量、地转分量和底层艾克曼分量三个动力部分,本研究进一步探讨了相应的动力机制。22年平均的总的跨陆架水通量和硝酸盐通量主要由向岸输运的底艾克曼分量和离岸输运的地转分量决定。总的和局部跨陆架水通量的时间变化主要由地转分量决定,其中台湾东北部的地转分量变化最显著,;与水通量不同,总的和局部跨陆架硝酸通量的时间变化分别由底艾克曼分量和地转分量决定,其中台湾东北部的地转分量变化起到主导作用,同时陆架中部底层50米以上区域的底艾克曼分量的变化也起到调制的作用。


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