南海北部次表层叶绿素最大值特征的理论分析及数值模拟研究

【摘要】：海洋中叶绿素垂直分布极不均匀，次表层叶绿素最大值(SCMs)是其中一种主要表现形式，普遍存在于大洋及沿岸海域。次表层叶绿素最大值层（SCML）的深度、厚度与强度是表征海洋SCMs特征的三个主要因子，由海洋水文环境、营养盐分布以及浮游植物种类等因素共同决定。掌握SCMs特征因子的分布规律及主要控制因素，进而发展适合不同海区特点的叶绿素垂直分布模式，对估算海区初级生产力具有重要意义，并能为海洋生物地球化学模式的研究提供重要的生态参数。 本文首先对以往研究中有关关键物理过程（包括光照条件，海水垂直混合，浮游植物沉降），生物-化学过程（主要指浮游植物生长与损耗）对SCML三个特征因子的影响做了系统分析和总结，而后选择南海北部海域作为研究对象，通过现场观测资料分析、数学模型理论分析以及数值模拟，研究了南海北部海域SCMs特征的时空分布规律，系统分析了控制SCML的深度、厚度与强度时空变化的主要环境因子。 南海北部秋季观测资料分析结果显示：南海北部SCML特征因子存在显著的空间变化，SCML深度由近岸向外海逐渐变深，SCML厚度多呈斑块状分布，SCML强度基本呈近岸高，外海低的变化趋势。SCML强度大的站位，其深度往往较浅，厚度也较小，统计结果显示，SCML强度与深度及强度与厚度间均呈现显著的负相关关系，而SCML深度与厚度间则呈正相关关系。 在高斯拟合函数的基础上，本文结合南海北部实际情况提出以一个新的分段函数拟合叶绿素垂直分布，并与简单而普适的生态动力学模型结合，建立了分层水体中SCML特征因子与环境因素间的解析关系式，从理论上分析了分层水体中SCML特征因子的影响因素，并将这些理论关系式应用于南海北部海域，探讨了南海北部海域SCML特征因子时空变化的影响因素。 理论分析结果显示：①分层水体中，叶绿素垂向分布均匀的上层水体（深度为z s）的浮游植物沉降速率及湍流混合系数对SCML特征因子没有影响，对其有所影响的主要物理因素是这一上层水体以深的浮游植物沉降速率和湍流混合系数。②SCML深度随海表光强变大呈对数增长，随光半饱和常数变大呈指数衰减。SCML厚度受物理因素（z s以深的湍流混合系数、z s以深的浮游植物沉降速率及水体光衰减系数）及生物、化学因素（浮游植物最大生长率、损耗率）影响，而与海表光强，浮游植物吸收光的半饱和常数，再矿化率等因素无关。SCML强度与浮游植物再矿化率的相对速率成反比例关系。③在弱混合水体中，SCML深度与厚度相互独立，SCML强度与厚度呈反比例关系。在浮游植物沉降速率极小的海区，SCML深度与厚度的对数呈线性关系；此时若表层叶绿素浓度较小，SCML强度则与深度没有相互依赖关系，而与厚度呈反比例关系。 在确定南海北部海域相关环境参数取值范围后，将理论关系式应用于南海北部海域，验证了该关系式在南海北部的适用性。因子分析结果显示：①光衰减系数是SCML深度和厚度的主要影响因素；②浮游植物最大生长率对SCML厚度有所影响；③浮游植物损耗率及z s以深的湍流混合系数是控制SCML强度的关键因素。浮游植物最大生长率和z s也是影响SCML强度的重要因素。 本文还利用垂直一维物理-生态耦合模型研究了南海北部海盆区SCML特征因子的时间变化及影响因素。利用观测资料验证了模型结果，证明其在南海北部海盆区应用的可行性。参数敏感性分析结果显示：①冬季海表面风速变化及由此引起的上混合层深度变化对SCML深度基本没有影响，冬季海表面风速通过改变营养盐浓度对SCML厚度和强度及其时间变化趋势产生影响；②光衰减系数变大，SCML深度变浅，营养盐跃层深度变浅，表明在南海北部海盆区SCML深度决定了营养盐跃层深度；③营养盐浓度初值的变化主要影响SCML强度及其季节变化趋势。