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切萨皮克湾(Chesapeake Bay)浮游植物动力学特征的数值模拟研究

于庆云  
【摘要】:浮游植物是海洋生态系统的重要组成部分,是食物链中的生产者,维系着生态系统的能量输入。河口生态系统中,水华现象是重要的浮游植物动力学规律现象,其变化对于河口生态系统中物种组成,营养传递以及生态系统中各要素的循环变化均有重要的影响。近几年,气候变化导致环境因子(如温度、盐度、海表风、营养盐等)的改变对河口生态系统的影响已经引起了科学家们的关注,气候扰动所带来的旱涝周期变化、热带风暴和飓风已经越来越成为影响大洋沿岸河口生态系统的重要因素。本文选择了美国东海岸最大的河口湾-切萨皮克湾(Chesapeake Bay)为研究对象,通过物理-生物化学耦合模型研究其浮游植物的季节变化规律以及影响其春季浮游植物动力学特征的主导因子,探讨了旱涝周期的变化对于切萨皮克湾生态系统的影响及生态系统所作出的响应变化,并对长时间尺度的生态系统主要要素的变化规律进行了模拟,以期为长时间尺度的浮游植物动力学研究以及中国海域的生态动力学研究提供范例和参考。 选取1996年对切萨皮克湾浮游植物生物量及初级生产力的时空分布进行了模拟,再现了春季叶绿素最大值以及夏季初级生产力最大值这一动力学特征;通过对营养盐输运的模拟,探讨了春季水华的发生机制:冬春季随萨斯奎汉纳河(Susquehanna River)径流带来的大量营养盐是春季湾内浮游植物大量生长的主要原因;通过NO3及NH4的垂向分布,证明了夏季初级生产力极大值的营养盐支持来自于再生营养盐这一结论;并通过模型结果阐明了夏季风能够将营养盐重新积累至水体真光层内,带来短时期的浮游植物高初级生产力这一机制。 通过选取旱涝特征差异显著的两年:1998年和1999年研究了切萨皮克湾浮游植物生物量和初级生产力的时空分布,得到河流淡水输入是影响切萨皮克湾内浮游植物动力学特征的主导因子;模型很好地再现了浮游植物生物量在两年间的时空分布,并且通过与叶绿素a飞机遥感水色图的对比,较好地的吻合了观测数据,并且通过对盐度和营养盐的结果分析支持了浮游植物生物量和淡水输入之间的机制性关系,并引入了“资源限制(Resource Limitation)”的概念来判断影响浮游植物的生长的关键性因子;模型的结果表明,切萨皮克湾1998年春季浮游植物水华现象发生在中下部湾区,浮游植物生物量较高,而1999年的水华区域集中在上部湾区并且范围较小,水华区域内浮游植物生物量相比与1998年较低。 在独立年份试验的基础上,选择1995-2004年进行长时间尺度的模拟试验,在通过观测数据及叶绿素a飞机遥感水色图的比对后,模型在长时间尺度的试验中模拟结果较好。在营养盐的季节性变化上,模型模拟冬春季水体中溶解态无机氮的能力较强,skill值及相关性系数均在0.8以上,而在夏秋季模拟能力则较弱;而在浮游植物表层生物量的季节变化上,除2004年模拟结果偏高外,其余年份均能较好地再现浮游植物春季在表层水体中的平面分布,并且支持了河流淡水输入是影响切萨皮克湾春季浮游植物动力学规律的主导因子这一结论。


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