东海陆架黑潮入侵及生态响应数值模拟研究

论文摘要

基于ROMS模式（Regional Ocean Model System）,利用单向嵌套的方法（即用整个太平洋粗网格（10’x10’）的模拟结果为中国近海的细网格数值模式（5’x5’）提供开边界条件）,研究了东海陆架上,黑潮水入侵的水动力学特征;此外基于NEMURO（North Pacific Ecosystem Model for Understanding Regional Oceanography）,我们自己开发了包含磷酸盐限制的三维物理-生态-化学耦合生态模型,并用其研究了长江口外海域的生态响应过程。获得了以下几个方面的创新性研究成果。1.模拟得到了比以往数值模拟研究更准确的结果。模式给出的对马海峡的流量为2.70 Sv （Sv≡106m3s-1）,该模拟结果比已有的模拟结果更接近于观测值2.64 Sv（1997.2.21-2002.8.25平均流量）;此外模式给出的台湾海峡的流量（1.03 Sv）也很接近最近的估计值（1.20 Sv）。2.提出了夏季东海陆架上存在两个黑潮底部分支,并给出了具体的入侵路径,此两个黑潮底部分支和黑潮表层分支KBC构成了东海陆架黑潮入侵的反气旋楼梯状三维结构。利用覆盖整个东中国海南部区域的夏季航次资料和数值模拟,对台湾东北的黑潮入侵进行了详细研究。本文发现,在垂向上,台湾东北的黑潮入侵,夏季存在三个分支:近岸黑潮底层分支（N-KBBC）、远岸黑潮底层分支（O-KBBC）和黑潮表层分支KBC。N-KBBC从台湾东北逐渐向西北涌升到60m等深线,在27.5°N, 122°E这个区域,转向东北,沿着60m等深线流动,其可以到达长江口外31°N的地方,形成了浙江外海的底部高盐水;O-KBBC从台湾东北冲出台湾岛后向西北方向涌升,然后沿着100m等深线向东北方向流动,最后在28°N附近一部分重新回到黑潮主轴,另一部分水继续沿着100m等深线向东北流动。起源于台湾东部黑潮表层水的KBC前人已有研究,其从黑潮主轴分离后很快就转向东南东,然后在27.0°N重新加入黑潮。3.发现了,N-KBBC起源于台湾东部黑潮水的120-300m层,O-KBBC起源于台湾东部黑潮水的60-120m层。也就是说黑潮近岸分支N-KBBC的源头水在黑潮远岸分支O-KBBC的源头水的下方。这就解释了浙江外海60m等深线上的温度和盐度,比浙江外海100m等深线上的温度、盐度更低的这个观测现象;同时很好的解释了浙江外海60m等深线底层水的磷酸盐浓度,比浙江外海100m等深线上的底层水磷酸盐浓度更高的这个观测事实。这是因为浙江外海60m等深线的底层水由低温、相对低盐和高磷酸盐浓度的N-KBBC导致,而浙江外海100m等深线的底层水而由相对高温、相对高盐和低磷酸盐浓度的O-KBBC导致。4.计算发现,N-KBBC对长江口外邻近海域贡献的磷酸盐比长江径流输入的磷酸盐高一个量级。计算表明夏季N-KBBC分支的流量大概为0.3 Sv,该数值比长江径流量（0.04 Sv）高了一个数量级。夏季N-KBBC向长江口外海域,源源不断的输入磷酸盐,数值试验表明,N-KBBC输入江口外邻近海域的磷酸盐量约为0.5万吨,长江径流输入江口外邻近海域的磷酸盐的量约为0.03万吨/月。5.提出了,夏季浙江岸线附近（30°N以南）的高叶绿素分布和从舟山到（122.5°E, 31°N）这条线上的高叶绿素分布条带,主要由N-KBBC导致。利用我们升级的生态模式,对长江口外海域的生态过程进行了模拟,数值实现表明,长江径流夏季不会导致浙江岸线附近（30°N以南）高叶绿素分布,其主要由N-KBBC导致;并计算了N-KBBC导致的生物固碳能力,其固碳量约为40万吨/天。由于黑潮的存在,其阻碍了外海大洋水和中国近海陆架的水交换,而本文提出的黑潮底部入侵分支,是外海大洋水和中国近海陆架水进行物质交换的纽带,其对中国近海的生态过程具有重要影响。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 引言
• 第二章 模型描述
• 2.1 ROMS 求解的原始方程的导出
• 2.1.1 层流下的流体运动学方程
• 2.1.2 湍流下的流体运动学方程
• 2.2 生态模型
• 小结
• 第三章 东海陆架黑潮入侵数值模拟
• 3.1 模式配置
• 3.1.1 模式水深和计算网格
• 3.1.2 气候态模拟驱动场
• 3.1.3 后报模拟（2000.1.1—2010.1.1）驱动场
• 3.2 Nest1 模拟结果及验证
• 3.2.1 黑潮延伸体（Kuroshio Extension）
• 3.2.2 吕宋海峡黑潮入侵
• 3.3 Nest2 模拟结果及验证
• 小结
• 第四章东海陆架黑潮入侵的垂向结构
• 4.1 2009 年夏季观测到的东海陆架黑潮水入侵现象
• 4.2 台湾以东黑潮底层水示踪数值模拟
• 4.2.1 台湾以东黑潮次表层水示踪试验
• 4.2.2 台湾以东黑潮Lagrange 轨迹实验
• 4.3 台湾东北黑潮入侵的垂向结构
• 4.4 东海陆架黑潮底部分支的起源
• 4.5 黑潮入侵东海陆架的反气旋阶梯结构的机制猜想
• 小结
• 第五章东海陆架黑潮入侵的生态响应
• 5.1 黑潮分支N-KBBC 的流量估算
• 5.2 黑潮分支N-KBBC 对长江口海域的营养盐输送
• 5.3 生物过程对N-KBBC 输入的营养盐的响应
• 小结
• 结论及未来工作展望
• 参考文献
• 发表文章目录
• 致谢