海洋环流与波动重点实验室知识库

  中尺度涡在全球海洋中普遍存在，与之相关的营养物质和浮游植物的输运对海洋生态环境乃至全球碳循环有着重要的影响。卫星观测为研究涡旋中的物理-生物地球化学相互作用打开了一个新窗口，促进了对表层中尺度涡生态效应较为清晰的认识。但根据垂直结构的不同，中尺度涡可以分为表层涡和次表层涡，并且由于次表层中尺度涡特殊的结构，其对海洋生态的影响也区别于表层涡，然而目前对次表层中尺度涡生态效应的系统研究仍然不足。本文主要使用BGC-Argo浮标和三维生物地球化学模式数据研究次表层涡旋的生态效应。所得结论如下：

  （1）发现并详细分析了日本以南超强次表层反气旋涡的物理-生物地球化学结构。在黑潮大弯曲路径期间，该次表层反气旋涡的中心结构存在明显的季节变化：1月至4月为“下凹”形状的等位势密度面结构，而5月至12月表现为“上凸下凹”的凸透镜状结构。这种季节变化与模态水的潜沉有关。涡旋内部动力结构的季节变化决定性地影响了其生物地球化学结构。2月由于等位势密度面的下凹，涡内的溶解氧、叶绿素和硝酸盐浓度均表现为正异常；5月到12月，由于凸透镜状等密度面结构的出现，涡内的叶绿素、硝酸盐和溶解氧在次表层叶绿素最大值深度（50 − 80 m）附近为正异常。而在该深度以下的涡旋边缘处，叶绿素和溶解氧浓度升高，而硝酸盐浓度降低。涡旋内2−3倍的叶绿素增加，与冬季混合的增强和上凸的等密度面造成的营养物质注入真光层有关。日本以南黑潮处于非大弯曲路径时，该次表层反气旋涡增强引起的中心等位势密度面的下凹，以及2017年初较深的混合层和前一个暖季较弱的层结，使得该年冬季混合加深到营养线。这两个过程的综合影响导致整个混合层中营养物质和叶绿素增多，从而在接下来的4月发生藻华。

  （2）次表层涡旋在影响叶绿素分布方面起着重要作用。次表层反气旋涡（气旋涡）在真光层深度处（~110 m）叶绿素正（负）异常占据了70%以上的涡旋区域。并且叶绿素异常与涡旋振幅正相关，相关性随着距涡旋中心的距离增加而减小。利用次表层涡识别结果合成得到次表层中尺度涡的平均温盐、叶绿素、溶解氧以及硝酸盐异常三维结构。与表层涡相比，西北太平洋热带海域次表层涡的温盐、溶解氧和硝酸盐结构存在两个相反相位的显著异常核心：分别位于200−400 m和600−800 m，在400 m流速最大的位置是正负异常的分界。在平均状态下由次表层反气旋涡引起的贡献占比更高。次表层反气旋涡（气旋涡）中心对真光层内的叶绿素改变的贡献占比超过6.7%（-4.5%）。而次表层反气旋涡中心引起的硝酸盐变化在100 m深度高达12.6%，其他贡献占比均在2%以内。尽管平均状态下贡献占比相对较小，但在次表层涡旋活跃的寡营养盐的海区是不可忽略的。

  （3）计算了2019−2020年西北太平洋热带海域（5°–22°N，120°−180°E）次表层涡致叶绿素、溶解氧和硝酸盐改变量。结果表明，次表层涡在真光层内引起叶绿素的净增加量为2.9×10⁵ kg，意味着初级生产力的大幅提高。除此之外，次表层涡在200−400 m（600−800 m）会引起硝酸盐净的增加（减少）；200 m以上营养盐的大量增加会促进浮游植物的光合作用，这对生产力低下的寡营养盐海区有巨大的影响。而次表层涡在200−400 m（600−800 m）均会引起溶解氧的减少。

  （4）海−气CO₂通量和海表CO₂分压异常在次表层反气旋涡（气旋涡）中表现为正（负）异常，意味着它们分别充当大气CO₂的源（汇）。由次表层涡引起的CO₂通量的改变约占西北太平洋通量的6−15%，次表层反气旋涡（气旋涡）会减弱（促进）对大气CO₂的吸收。