台风期间东海内陆架跨陆架沉积物输运及其调控机制

跨陆架沉积物输运不仅是陆海相互作用的重要组成,而且是陆源沉积物“源-汇”过程的关键环节。作为一种天气尺度事件性过程,台风能够对陆架海洋沉积动力过程以及跨陆架沉积物输运格局产生不可忽视的影响。然而,受限于台风期间现场观测数据的稀缺性以及卫星资料的有效性,有关台风期间跨陆架沉积物输运仍然缺乏系统的研究。本文基于高分辨率FVCOM数值模型,对2015年超强台风“灿鸿”过境期间东海内陆架的跨陆架沉积物输运过程及其调控机制进行了研究。结果显示,台风能够引起东海内陆架海洋沉积动力过程的强烈响应,并产生显著的跨陆架离岸输运现象,悬沙通量较正常天气增加了2~3个数量级。该过程主要受控于两种因素:首先,台风期间持续性的水位堆积在近岸引起正压效应,产生经向上均一的跨陆架离岸输运,这是台风对沉积物跨陆架输运的间接影响;其次,旋转风场所激发的“齿轮效应”在台风路径两侧产生顺风向沉积物输运模式,左侧表现为离岸方向,右侧为向岸方向,此为台风对沉积物跨陆架输运的直接影响。两种机制叠加后共同控制着台风期间东海内陆架沉积物的跨陆架输运过程。

从陆架海到西太平洋:黄、东海悬浮体跨陆架输运通道与机制

黄、东海是亚洲大陆与西太平洋物质和能量交换的重要海域之一,在复杂的环流动力背景下,悬浮体的跨陆架输运是海洋地质学的研究热点。目前的研究表明,黄、东海物质跨陆架输运主要通过三条路径,包括苏北沿岸流作用下向济州岛西南搬运、浙闽北部向东输运和台湾暖流向东分支作用下跨陆架输运。其控制机制有水深地形、陆架环流、冬季风、水体斜压结构等研究结论,但尚未取得共识。且研究结论多基于叶绿素、水温等表层遥感分析获得,悬浮泥沙尤其是中下层高浓度泥沙跨陆架向深海输运的机制有待深入研究,此外,其季节变化、时空演变、输运通量等有待研究,台风、冬季风暴等的作用有待甄别。

汕尾外侧冷水跨陆架输送的形成机制

采用三维斜压非线性海洋模型(regional ocean modeling system,ROMS),设计1个标准模式和2个理想实验,研究汕尾外侧冷水跨陆架输送的影响因子并估算其量值.标准模式中汕尾外侧存在高密冷水团在陆坡处涌升并向内部陆架输运,且在等深线向岸辐聚凸起(等深线曲率变化显著)区域跨等深线运动最强.理想实验说明影响汕尾外侧冷水跨陆架输送的影响因子主要是对流和底部Ekman作用.采用理论公式分别估算对流和底部Ekman作用产生的跨陆架流速,结果显示等深线辐聚凸起区域的跨陆架输送受对流和底部Ekman作用共同控制,且对流的作用更大;等深线变化平缓区域的跨陆架运动主要受底部Ekman作用的影响.

黑海西北部涡旋与环流对跨陆架水交换的影响

涡旋对海洋中的能量传递和物质交换有重要作用。黑海西北部陆坡边缘是长生命周期涡旋经常发生的海域,但涡旋引起的陆架和海盆之间水交换通量的季节性特征,以及海盆边缘环流对跨陆架水交换的作用等方面的研究还不是很充分。本文对黑海西北部陆架区与深海盆区间的跨陆架水交换进行了研究,利用高分辨率三维原始方程模式模拟的温、盐、流等资料,结合涡旋自动探测方法,统计了黑海西北部海域的涡旋活动,研究了涡致跨陆架水交换的季节性特征,计算对比了2002年到2010年间海盆边缘环流与涡旋对跨陆架水交换通量的各自贡献。结果表明:黑海西北部地区海盆边缘环流强度与跨陆架进、出通量的相关系数分别为0.57和0.67,海盆边缘环流位置与跨陆架交换量的相关系数为0.52;海盆边缘环流强度与位置的季节性变化导致了黑海西北部跨陆架通量的季节性变化。黑海西北部地区表层3月到8月之间涡旋所引起跨陆架交换量约占了跨陆架交换总量的16%～31%;涡致跨陆架通量也具有季节性特征。文中对单个涡旋进行了详细研究:2005年5月5日到2005年7月20日之间在黑海西北部存在一个直径最大值时达到120km的反气旋式涡旋,涡旋存在期间完成了从陆架区向深海区的水体传输,相当于黑海西北陆架区水体积的30.9%。

不同温室气体排放背景下东海冬季跨陆架碳输运通量

基于马普耦合模式,结合现场水文观测资料,估算了东海冬季跨陆架环流的流量及其向深海大洋的碳输送量.由于黄东海冬季的跨陆架环流强度远大于其他季节,且进入黑潮次表层,因此,黄东海跨陆架埋碳过程主要发生在冬季.分析结果表明,黄东海存在明显的跨陆架输运,其中跨越台湾岛至济州岛一线陆架边缘向外海的年平均水体输送量为3.92Sv(1Sv=10~6m^3s^(-1)),净输送量为向外海0.82Sv,与台湾海峡和济州海峡流量之差相当.冬季,跨陆架向外海的溶解无机碳(DIC)、溶解有机碳(DOC)和颗粒有机碳(POC)的净输运量分别为98、12和0.1百万吨.在全球温室气体减排(RCP4.5)和持续增加(RCP8.5)背景下,该跨陆架输运有不断增强的趋势,其中冬季跨越台湾岛至济州岛一线陆架边缘向外海的流量从2006～2099年分别增加了0.54和0.65Sv,增幅分别达15.3%和19.6%.受其影响,冬季跨陆架向外海的DIC、DOC和POC的输运量增加幅度在15.4～25.2%.本文首次评估了全球变暖背景下的东海冬季跨陆架碳输运量,揭示了跨陆架输运在中国近海碳循环中的重要作用.

春季东海营养盐跨陆架输运通量的初步估算

利用2011年5月的调查资料,分析了春季东海营养盐分布特征。受长江冲淡水影响,表层长江口附近营养盐浓度较高;外海受黑潮表层水的影响营养盐浓度较低。计算并分析了跨200 m等深线的营养盐输运通量,结果表明黑潮在台湾东北部和九州岛西南部入侵陆架并将营养盐输运到陆架上,中段(26°N^29°N)则是营养盐向外输运。春季黑潮跨过200 m等深线向东海陆架的体积输运净通量为0.44 Sv,DIN、PO_4-P、Si O_3-Si通量分别为8.93 kmol/s、0.46 kmol/s、8.22 kmol/s。春季通过台湾海峡的营养盐DIN、PO_4-P、Si O_3-Si通量分别为6.65 kmol/s、0.41 kmol/s、6.52 kmol/s。表明春季台湾暖流对东海陆架海域营养盐的贡献与黑潮的贡献相当。

东海内陆架有机碳的源—汇过程及其沉积记录

大陆边缘海是不同来源、不同性质有机碳沉积和埋藏的主要场所,在全球碳的生物地球化学循环过程中具有重要地位。东海内陆架接收大量陆源有机碳,并且具有较高的海洋生产力,是研究沉积有机碳来源、输运和埋藏的理想场所,已取得大量研究成果。在对相关文献进行系统整理的基础上,以沉积学的视角对前人研究成果进行了梳理,旨在为后续相关研究提供参考。全样分析(如TOC/TN、δ^(13)C等)和生物标志化合物(如正构烷烃、甾醇类、木质素等)方法揭示东海内陆架有机碳的来源受沉积环境影响,由海向陆方向陆源组分整体显著增加,并具有季节性特征。东海内陆架沉积物在沿岸方向具有“夏储冬输”的宏观输运格局,该动力过程影响着陆源有机碳沿岸的输运路径和最终归宿;在东海29°N附近存在一个“舌形”的跨陆架输运通道,可能会存在陆源有机碳的跨陆架输运,影响深海有机碳的源—汇过程;另外,人类活动和极端气候事件也显著影响东海内陆架沉积物和有机碳的沉积过程和沉积记录,需要进一步研究。东海内陆架泥质区是陆源有机碳的重要埋藏区域,其埋藏效率受区域沉积有机碳含量和沉积速率控制,并与早期成岩过程中有机质矿化路径有关。沉积物中埋藏有机碳的地球化学特征可以用来重建长时间尺度的海平面变化、初级生产力、古海洋和古气候演化等,相关研究为理清东海内陆架地质历史时期的环境演化提供了依据。

秋季东海内陆架悬浮体分布特征

秋季是处于夏、冬季之交的过渡季节,夏季风减弱、冬季风增强的背景下海洋水文泥沙环境有独特特征,关于该时期悬浮体分布特征的研究较少。本文基于东海内陆架2016、2017与2018年秋季悬浮体及温盐数据,分析该海域秋季悬浮体浓度的水平和垂向分布特征。结果表明:悬浮体浓度近岸高于远岸,浓度等值线大致平行于等深线,近底层悬浮体浓度较高,特别是舟山群岛及浙闽沿岸河流入海口附近海域,底层悬浮体质量浓度普遍超过20 mg/L。此外,受到地形和台湾暖流东分支控制,在浙江北部(29°N附近)和台湾岛北部(27°N附近)海域存在向外海凸起的高悬浮体浓度舌,部分悬浮体通过跨陆架输运通道运移到124°E以东的东海北部外陆架海域。总体来看,秋季东海内陆架悬浮体浓度主要受入海河流和海洋环流影响,并且在地形和海洋动力作用下存在两个跨陆架输运通道。

2012年南海西北陆架冬季水文特征的观测分析

本文基于2012年12月南海西北部陆架海区的温盐和流速实测资料,分析了粤西和琼东陆架海区冬季三维温、盐结构和流场特征,给出沿陆架和跨陆架方向的水体和热盐通量。结果表明:(1)在50m以浅,粤西和琼东海区温度均由近岸向外海递增,深层则相反;冬季近岸海区混合层较深,外海密度跃层位于60—120m深度且层结较强,浮力频率大于10^(–2)/s;(2)海流大致沿等深线向西南流动,30m以深流速大小在0.03—0.40m/s之间,且随着深度增加而略有减小;琼东海区100m等深线附近在60m以浅水层观测到水体辐聚并有明显温度锋面存在;(3)沿陆架方向的水体和热盐输送均大于跨陆架方向,其中粤西单位面积沿/跨陆架水体通量平均值为0.13×10^(–6)/0.03×10^(–6)Sv/m^2,低于琼东海区的0.91×10^(–6)/0.56×10^(–6)Sv/m^2。

春季东海营养盐的空间分布格局和控制机制

基于2017年5月所获取的温度、盐度、营养盐和叶绿素a(Chl a)等调查资料,本文从多学科交叉的视角分析了春季东海营养盐的空间分布格局及其与水文动力状况的关系,探讨了黑潮次表层水涌升和跨陆架输运对营养盐与Chl a分布的影响。结果表明:浙江近海和调查海域东北部为2个营养盐高值区,且浙江近海的Chl a质量浓度较高;调查海域东南部上层总体具有低营养盐、低Chl a的特征,而该海域底层水体中的磷酸盐(PO4-P)浓度较高。调查海域的水团格局对营养盐浓度和分布具有重要的调控作用,其中浙闽沿岸水和黄海沿岸流的南下输运对应形成了2个营养盐高值区;受黑潮次表层水入侵的影响,调查海域东南部底层呈现出高PO4-P的特征。春季黑潮次表层水由台湾东北部向东海陆架的入侵和涌升不仅显著影响了研究海域的温、盐度场和流场格局,同时也是实现营养盐跨陆架输运的重要通道和途径。受浙闽沿岸水和黑潮次表层水对营养盐输运的影响,在杭州湾东南—浙江近海对应形成了Chl a高值区;富PO4-P且具有适宜N/P值的黑潮次表层水向陆架入侵所形成的上升流对维持近海的初级生产具有潜在的重要作用。本研究揭示了春季东海营养盐的空间分布格局及其与相关水文、生态过程的关系,为阐释该海域营养盐的控制机制和生态影响等提供了科学依据。

秋、夏季珠江口、南海北部陆坡溶解态铝的分布及其影响因素

于2014年10月和2015年6月对珠江口、南海北部陆坡区域溶解态铝的分布进行观测,探讨影响其分布及季节差异的主要因素,并以其作为示踪因子探讨潜在的陆源物质跨陆架输送途径。研究结果显示,夏、秋季珠江口盐度为0时溶解态铝的浓度分别为690.0 nmol/L和360.0 nmol/L,在淡咸水混合初期溶解态铝迅速自水体清除,夏季的清除率(55.8%)大于秋季(29.7%)。在南海北部陆坡区域,夏季表层溶解态铝浓度表现为沿纬线方向西高东低的分布特点,秋季则相反;夏、秋季底层溶解态铝浓度均呈现出随着离岸距离增加逐渐降低的分布趋势。秋季溶解态铝浓度的分布与盐度呈现显著的负相关关系,表明其行为近乎保守,陆架混合水及黑潮次表层水等水团混合是影响南海北部陆坡区域溶解态铝分布的主要因素。并且以溶解态铝作为示踪因子发现,在21.6~22.2 kg/m^3密度面区间存在自陆架向陆坡方向的跨陆架输送。而夏季陆坡中部受到珠江冲淡水的影响出现低盐水舌,但溶解态铝的浓度相对较低,表现出明显的不保守行为。浮游植物的清除作用是导致夏季陆坡区域溶解态铝分布异常的重要因素。