海洋所在印太交汇区物理-生态耦合模式开发取得新进展

　　近日，中科院海洋所尹宝树研究团队建成了覆盖整个印太交汇区的高分辨率（水平分辨率4公里、垂向50层）物理-生态耦合的海洋模式，并首次使用非线性最优扰动方法对耦合模式生态参数进行整体优化，模式结果合理刻画了不同时空尺度海洋动力过程和结构，再现了关键海峡通道流量的季节变化特征（图1），并揭示出龙目海峡区高生产力的主要动力学成因，研究为印太交汇区生物多样性形成研究奠定了模式和理论基础。研究结果发表于国际学术期刊Journal of Geophysical Research: Oceans。
 
　　印太交汇区是地球多圈层汇聚的地方，也是全球海洋生物多样性最丰富的区域，独特的地质、物理环境支撑着该区域丰富多样的生态系统。然而，已有模式分辨率不能很好的刻画印太海区的复杂水道和岸线地形，对区域物理和生态过程的认识十分有限。
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- E* E$ I4 ~8 x/ S图1 (a) 研究区域；（b）关键海峡通道流量结果；（c）关键海域叶绿素模拟结果
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　　由于观测和现场实验数据有限，为减少模型误差，物理-生态耦合模式的构建往往需要开展大量的敏感性实验，进行参数优化；假定单个参数的调试，需要10次左右的实验，理论上要获得4个参数的最优值，则需要上万次实验，而于精细化、复杂的物理-生态耦合模式，往往涉及数十个参数，其计算资源的需求指数增加，远超出当前计算能力。研究团队首次利用非线性扰动方法（CNOP; Mu et al.,2010）对关键生物化学参数进行了优化，使得对8个关键参数同时进行调整，仅需几十次敏感性实验，模型的误差便降至最低，极大提高了计算效率（图1c）。
 
　　基于精细化的模式结果，研究团队揭示出了印太交汇区关键通道龙目海峡区叶绿素季节变化的核心动力机制（图2）。该区地形复杂，混层深度存在显著水平变化，且混合层上下动力环境截然相反，本研究指出混合层和固定深度收支计算方法的结合使用，可避免使用固定深度计算营养盐收支时各物理过程贡献有明显区别的问题。混合层收支的结果发现，在赤道kelvin波和局地风共同影响下，沿岸流存在半年周期转向，对于营养盐输运有周期性的影响；在上混合层内高营养盐水体形成主要受离岸Ekman输运的影响，而不是上升流的直接作用。
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　　本研究首次在印太交汇区构建了基于非线性扰动方法优化的精细化物理-生态耦合模式，揭示了关键海域营养盐及叶绿素的物理控制机制，对于理解印太交汇区生物多样性中的形成机制有重要帮助。
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% M& e6 K+ t8 D图2 印太交汇区关键海域营养盐物质输运的物理机制示意图
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　　论文的第一作者为中国科学院海洋研究所副研究员高冠东，通讯作者为杨德周和尹宝树研究员。研究得到了中国科学院战略先导科技专项、国家自然科学基金重大专项等项目的支持。
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% o6 z+ @8 }- W: n　　论文信息：  Gao, G., Yang, D., Xu, L., Zhang, K., Feng, X., & Yin, B. (2022). A biological-parameter-optimized modeling study of physical drivers controlling seasonal chlorophyll blooms off the southern coast of Java Island. Journal of Geophysical Research: Oceans, 127, e2022JC018835. https://doi.org/10.1029/2022JC018835