台风引起的海洋平流过程可能导致东海缺氧区局部增强

作者:孟启承 发布日期:2022-06-05 阅读:440

近期,我室近海动力与生态环境团队在极端天气(台风)事件作用下长江口外缺氧区变化过程与机理获得新认识。基于物理-生物地球化学耦合模式模拟以及2020年台风巴威过境东海前后的断面对比调查资料,案例研究表明台风引起的海洋平流过程在缺氧区变化中也起到重要作用。成果发表在高影响力期刊Frontiers in Marine Science的“大河口富营养化、藻华、缺氧和海洋酸化”专辑,第一作者为孟启承博士,通讯作者为周锋研究员,合作者包括我室的马晓博士、宣基亮研究员、张翰副研究员、倪晓波高级工程师、田娣副研究员、李佳高级工程师,海洋生态系统动力学实验室王斌副研究员、李德望副研究员、曾江宁研究员、陈建芳研究员,德国赫姆霍兹协会海岸带研究所张文彦研究员,普林斯顿大学大气与海洋科学系王帅博士,自然资源部第四海洋研究所黄大吉研究员。观测资料主要来自自然资源部长三角海洋生态环境野外科学观测研究站(以下简称野外站)以及海洋二所“长江口-浙江近海-邻近东海多学科长期观测计划(LORCE)的历年积累。

长江口水体脱氧是联合国海洋十年计划“融通科学、管理和社会参与:助力海岸带可持续发展(Coastal-SOS)”项目重要研究内容,受到科学家、政策制定者、管理者等的广泛和持续关注。长江口外缺氧区是世界最大的河口季节性缺氧区之一,从空间分布看有多个缺氧频发的热点区域,在横穿水下三角洲与水下河谷的31ºN断面经常发生缺氧现象(图1A)。但因其动力过程复杂、物理-生地化耦合作用交织,缺氧的预测预警存在相当大的挑战。因此,海洋二所多学科团队对此进行长期观测和研究(图1B)。

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图1 A: 基于1988年到2015年20个航次调查统计的长江口外缺氧(溶解氧小于3mg/L)发生频次。B: 2020年8月25日台风巴威过境东海时的风场与台风前后重复调查的断面。

2020年台风巴威过境东海前后,野外站进行对比性调查。在31ºN断面上的调查发现,台风过境后长江口外的水下河谷区域底层水体缺氧并未缓解,反而有一定程度加剧的现象,与2006年和2009年的观测的案例有很大不同。同时,断面现场观测结合卫星遥感资料分析发现,台风过境后浙江近岸海域有增温现象。如果按照以往的理解,在仅考虑台风对海洋造成的强混合作用的情况下,台风过境后的短时间内应该出现表层海水降温、底层缺氧缓解的情况。但这显然无法解释2020年夏季航次发现的现象。

该研究利用物理—生物地球化学耦合模式,在六小时分辨率风场的驱动下,对全年进行了模拟。通过与现场剖面调查数据对比,模式不仅能较准确复现台风过境前后的温、盐、叶绿素、溶解氧等水文、生态关键要素的分布格局,而且可以复现台风过境后发现的近岸增温、水下河谷底层水缺氧加剧等现象。结合数值模拟的水文、生态要素分布变化动态过程及诊断分析,研究发现台风过境东海期间,在区域尺度激发气旋式准正压环流,在水下河谷北部陆架产生向岸流,长江口至浙江近岸产生南向流,并逆转长江口及舟山上升流而产生短暂的下降流过程。向岸流继而输运相对较高温度的陆架水到近岸海域,从而表现出台风过境后近岸海域增温现象(图2)。另一方面,由于台风巴威的影响半径较小、移动速度较快等原因,水下河谷附近海域(深槽深度接近60米)的层化并未被完全打破,而南向平流与下降流跨等深线将北面与西面缺氧较严重的水团输送至水下河谷海域,导致观测到31°N断面局部底层水体在台风过境后反而缺氧迅速加重(图2)。第三,海源颗粒有机质的输运和降解也是这一海域发生缺氧的重要因素之一。这一海域,一般来说,颗粒有机质在近岸累积多,离岸少,在锋区有所汇聚。这一研究暗示,强流引起的大规模再悬浮与跨等深线平流输运向水下河谷补充了大量颗粒有机质(图2)。这可能对该海域后期的溶解氧收支产生滞后的影响,并可能是颗粒有机碳向深水迁移的重要途径之一。

当然,鉴于本文在台风前后的对比观测资料局限于单条断面上,我们对于本案例研究的认识是台风过程造成了长江口外缺氧区的局部增强,而且是相对滞后的影响。然而,在此前研究对台风混合影响积累了较多认识的基础上,本案例成果进一步丰富了我们对于台风过程的生态效应、缺氧对不同动力过程响应的复杂性与多样性等方面的认识,也促使我们更加重视第一手现场观测资料的获取与更加精准化的数值模拟。

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图2 台风巴威(2020)过境东海期间通过驱动海洋平流过程引起近岸海域增温、缺氧水团移动、颗粒有机质迁移的示意图。

本研究由国家重点研发计划(2018YFD0900906),国家自然科学基金(41876026),浙江省尖兵计划,浙江省万人计划(2020R52038),自然资源部全球变化二期缺氧酸化试点任务,海洋二所LORCE计划,SOED自主课题等项目资助。

引用:Meng Q, Zhou F, Ma X, Xuan J, Zhang H, Wang S, Ni X, Zhang W, Wang B, Li D, Tian D, Li J, Zeng J, Chen J and Huang D (2022) Response Process of Coastal Hypoxia to a Passing Typhoon in the East China Sea. Frontiers in Marine Science, 9:892797. doi: 10.3389/fmars.2022.892797

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