黑潮入侵东海陆架途径及其影响研究进展*

杨德周 尹宝树, 侯一筠, 孙 松, 俞志明,

宋金明1, 3, 4, 5 许灵静1, 2, 5 于 非1, 2, 3, 5 宋秀贤1, 3, 4, 5 于仁成1, 3, 4, 5袁华茂1, 3, 4, 5 李新正1, 3, 4, 5 袁涌铨1, 3, 4

(1. 中国科学院海洋研究所 青岛 266071; 2. 中国科学院海洋环流与波动重点实验室 青岛 266071; 3. 青岛海洋科学与技术国家实验室 青岛 266237; 4.中国科学院海洋生态与环境科学重点实验室 青岛 266071; 5. 中国科学院大学 北京100049)

在全球变化和人类活动共同影响下, 近年来我国近海生态系统动荡加剧, 生物资源衰退, 赤潮、绿潮、水母旺发等生态灾害频发, 危及社会经济发展和近海生态安全。国际上对海洋生态系统的研究主要围绕着环境变化、生态系统演变、生态安全以及它们之间的关系展开(Chavezet al, 2003)。发起并组织实施的相关大型研究计划包括以研究赤潮为主的“全球有害藻华生态学与海洋学研究(GEOHAB)”和“有害藻华与环境响应(HARRNESS)”; 强调陆海相互作用对生态系统影响的“海岸带陆海相互作用研究(LOICZ)”; 以及全面研究生态系统的“全球海洋生态系统动力学研究(GLOBEC)”、“海洋生物地球化学与生态系统整合研究(IMBER)”等。以上研究计划加深了对近海生态环境现状的了解, 也为理解生态环境变化机制提供了基础。

我国近海生态环境领域已经开展了大量的调查和研究工作, 对我国近海环境演变和生态系统的基本结构与功能的研究有了一定的科研积累。例如, “渤海生态系统动力学与生物资源持续利用”重大基金项目和“东、黄海生态系统动力学与生物资源可持续利用”国家“973”计划项目等, 研究主要集中在陆源输入、人类活动和近海本身的变化, 但对大洋输入影响近海的过程认识不足, 对环境演变的主要驱动因子和生态系统变化规律缺乏系统的了解和认识。

我国邻近海域处于北太平洋环流系统中, 外海环流及其变异是影响我国近海生态系统的稳定性和演变趋势的重要驱动器之一。在北太平洋热带和副热带海域, 赤道东风带和西风带的存在导致了风应力负涡度的输入, 根据 Sverdrup关系(Pedlosky, 1996; Huang,2010), 该负涡度的输入必然导致太平洋副热带海域海水向赤道方向的水体输送; 根据质量守恒和涡度守恒,向南输送的水体必然通过西边界流——黑潮, 向北输送。由于东海大陆架和冲绳海槽的存在, 向北输送的海水在台湾东北进入冲绳海槽后为保持位涡守恒其流动路径基本平行于东海陆架的大陆坡, 从而黑潮主轴主要出现在200m等深线附近。然后, 在30°N附近黑潮主轴通过吐噶喇海峡流出冲绳海槽, 离开东海进入太平洋, 从而构成了热带、副热带海域闭合的海洋环流系统。黑潮源源不断地把热带太平洋海水向北输送到副热带海区, 携带了大量的热能、机械能和营养盐,对东海陆架的环流和生态系统具有重要的调控作用(Su, 1998; Isobe, 2008; Guoet al, 2012; Yanget al, 2012;Guoet al, 2013; Yanget al, 2013)。黑潮带来的高温、高盐的表层水及高磷酸盐的次表层水, 可以改变近海的水团结构, 改变近海生源要素, 从而影响近海的生物多样性和生态系统的结构与功能。

为从协同研究的角度探究太平洋西边界流与中国近海生态系统演变之间的关系, 刻画邻近大洋对我国近海的影响, 中国科学院及时启动了战略性先导科技专项(A类)“热带西太平洋海洋系统物质能量交换及其影响”, 该专项的项目二为“黑潮及其变异对中国近海生态系统的影响研究”。基于该项目对黄、东海大量的现场观测调查、历史资料和数值模拟研究,目前对黑潮入侵东海陆架的途径、机理和影响取得了重要研究进展, 得到了黑潮入侵东海陆架底部分支结构、变异及其物质输送影响的重要科学结果。

1　黑潮入侵东海的主要研究进展

1.1　构建高精度的海洋环流模式

为了研究黑潮入侵东海陆架及其变化, 基于ROMS (Regional Ocean Modelling System)模式(Shchepetkinet al, 2005), 针对东海和西北太平洋相互影响区域, 构建了高分辨率的数值模式。模拟区域的经度范围为 105°—136°E, 纬度范围为 15°—41°N,垂向分为 31 层; 模式的水平分辨率为 3′×3′cos(θ),θ表示纬度。该数值模式的水平分辨率在东海可以达到4km, 可以较好地分辨台湾以东的中尺度涡旋。利用气候态驱动场, 对该海域进行了7年的气候态模拟以便模式 spin-up, 然后在气候态模拟结果的基础上,利用热通量、动量通量、水通量以及10个天文分潮对海洋模式进行了 23年(1993—2016年)的后报模拟(Egbertet al, 2002; Deeet al, 2011), 模拟结果可以很好地再现西边界流、黑潮入侵吕宋海峡、东海陆架观测断面的温、盐结构、海洋环流结构等(Guanet al,2006; Guoet al, 2006; Huet al, 2008, 2010; Maturiet al, 2014; Nanet al, 2015)。并且该模式可以很好地再现春季黑潮入侵东海陆架的分支结构等(图 1), 为该模式结合观测及生态动力学模式研究黑潮物质输对东海生态的影响等过程奠定了基础。

1.2　多学科证实黑潮入侵东海的近岸底部分支(NKBC)是影响近岸的关键途径

为了解长江口邻近海域底层海流情况和温度、盐度特征, 在近海 60m等深线处布放了一套坐底潜标(布放位置见图 2a黄色三角形), 并成功进行了回收,获得了2014.6—2014.10近4个月的观测资料。在滤掉潮流以后, 可以发现该处的底层流速主要指向北和东北(图2b)。对比模拟得到的2014年6月的月平均底层流可以发现, 该处位于黑潮入侵分支的北端,模拟的结果也表明该处的流场主要以北向和东北向流为主(图2a)。该资料的观测数据还表明, 长江口邻近海域底层水的盐度高于34.3, 温度在18°C左右(图2c), 该温度、盐度特征表明其源于黑潮次表层水。非常值得注意的是, 该处底层温度存在很强的约 40天的振荡, 该振荡既可能是黑潮分支水和近岸水局地博弈的结果, 又可能反映了黑潮分支水上游的变化信息。黑潮入侵分支可能受到其他水动力学过程的影响, 如黑潮的高频摆动、陆架波、黑潮和陆架水界面处的锋面涡旋等都可能对黑潮入侵分支的高频变化产生影响(Zhanget al, 2001; Huet al, 2008; Changet al, 2011)。此外, 观测到的温度变化范围高达2°C, 这对该区域底层海洋生态和低氧过程具有潜在影响。

综上所述, 该潜标资料证实了 Yang等( 2012,2013)基于夏季数值模拟结果和断面观测资料提出的黑潮入侵分支确实存在, 并且黑潮入侵分支可以在从6月到10月持续存在。由于地球行星β效应和地形效应, 黑潮主要沿着大陆坡流动, 在东海陆架的大部分海域, 黑潮的存在像一个屏障把陆架水和大洋水隔开, 使得外海大洋水难以直接进入东海陆架。该黑潮底部入侵分支是联系外海大洋和近海的一个重要通道, 通过该通道外海大洋水可以进入到长江口邻近海域的底层, 并通过上升流上升到海洋的表层(Lvet al, 2006; Qiaoet al, 2006), 从而对该生态灾害高发区的溶解氧和赤潮产生重要的调控作用。

图1　春季(5月)表层(a)和底层(b)流场Fig.1 The surface(a) and bottom(b) current fields in spring(May)

同时, 基于化学要素观测, 构建了Ba-T-S黑潮入侵指示体系, 化学指标也证实了黑潮入侵底部分支的存在(图 3)。航次断面资料的夏季分析结果表明黑潮次表层水从台湾东北陆架坡折处沿底部向北偏西方向入侵东海陆架, 至122°E左右(DH9-5站位)底部,黑潮水可占95%。随后, 在 约27°N, 122°E附近该水体分为近岸分支和离岸分支, 继续向东海入侵, 其中近岸分支可以一直入侵到浙江近岸(29.5°N), 而离岸分支则沿约100m等深线转向东北方向。黑潮次表层水入侵流至钱塘江口附近时, 黑潮水占比仍可达到65%左右。垂直方向上, 陆架外侧站位受黑潮次表层水的影响范围更大, 黑潮水占 50%比例位置可延伸至外侧 TW0-1站位表层, 而内侧靠近大陆的站位则只限于陆架中部位置底层(Liuet al, 2017)。

另外, 由于溶解无机碘(IO3-和 I-)作为一种半保守化学指标在水团辨析上较温度和盐度更为灵敏(Wong, 1995; Truesdaleet al, 2002, 2003; Wonget al,2003), 因此能够指示黑潮次表层水(KSSW)在台湾岛东北侧的入侵(Wonget al, 2004)及在陆架上的迁移路径。基于溶解无机碘、盐度、水团密度等参数, 构建了多参数水团辨析方法, 并用于指示黑潮次表层水入侵东海陆架海域的路径。该化学观测指标也证实了黑潮入侵分支的存在(Zhouet al, 2017)。如图4所示,2014年5月, KSSW主要从台湾岛东北部入侵东海陆架, 在DH9断面外海区域(26°N), KSSW的厚度接近80m。而随着KSSW沿底部向北偏西方向入侵, 其厚度逐渐减小, 影响范围逐渐变小。随后, 在 DH6和DH7之间(约27.5°N), KSSW分为近岸分支和离岸分支, 其厚度均为20m左右, 并继续北向迁移。其中近岸分支可以一直入侵到浙江近岸 50m等深线以内的次表层位置(约 29.5°N)。

总之, 物理、化学等多学科观测及模拟研究成果均已证实黑潮入侵东海近岸底部分支存在, 并且是连接外海太平洋和东海陆架近岸水的一个关键通道,可以把外海大洋的物质能量输入到东海近海, 使得浙江外海的赤潮、低氧高发区不仅受到人类活动的影响(例如人类活动引起长江入海物质变化等), 而且受到外海大洋变化的调控。

1.3　黑潮入侵东海近岸底部分支(NKBC)存在不同时空尺度的变化

图2　模拟的月均底层流场(a)及潜标测得的流速、温、盐、溶解氧分布(b, c)Fig.2 The modeled monthly bottom current field (a) and the distribution of velocity, temperature, salinity, and dissolved oxygen recorded by the marine submersible buoy (b,c) (its location is shown by the yellow triangle in Fig.2a)

2014—2015年航次的温盐观测数据(图5)和流场数值模拟结果(图 6)都表明黑潮入侵分支存在很强的季节变化。通过浙江外海一个断面(DH-4)的高盐水(盐度＞34.3)通量的计算表明, 通过该断面的高盐水通量在3—4月份就开始在浙江外海出现并逐渐增强,在7月份水通量达到最强, 可入侵达到近岸区域, 然后逐渐减弱, 在10月份高盐水逐渐消失, 说明秋、冬季节黑潮入侵分支向外海偏移, 不能到达浙江外海50m等深线以西的近岸区域。化学多参数水团辨析方法同样证明了入侵存在季节差异: 春季入侵近岸分支可到达近岸区域, 而秋季入侵分支离岸偏向黑潮主轴(图 7)。

图3　基于Ba-T-S指示体系的黑潮次表层入侵水占比Fig.3 Proportions of the Kuroshio subsurface intrusion water based on the Ba-T-S index

图4　2014年5月, 基于多参数水团辨析方法指示的黑潮入侵路径Fig.4 The constructed Kuroshio intrusion path during May, 2014 determined by the method of multi-parameter water mass analysis注: 颜色代表入侵水团的厚度变化

对比不同年份的断面观测结果, 以盐度为指示可以看出, 黑潮底部分支存在显著的年际变化: 2009年显示出到达近岸的入侵, 而 2012年入侵远离近岸偏向外海(图 8)。模拟的水通量结果也表明, 黑潮底部入侵分支在浙江近海出现的时间和量值存在年际变化(图 9)。

图5　实测的不同季节的温度(左列, 单位: °C)和盐度(右)剖面Fig.5 The observed temperature(left) and salinity(right) profiles of four seasons

图6　模拟的不同季节的底层流场(从上到下: 1、4、7、10月; 流场为月平均的底层流场, 水深大于200m区域的底层流场用200m层的流场代替)Fig.6 The modeled bottom current fields of different seasons (a. January b. April, c. July, d. October)

图8　不同年份的观测站位(左)及盐度剖面(右)Fig.8 The locations of stations(left) and the observed salinity profiles(right) of different years

图9　断面位置(a)及模拟的不同年份通过断面的水通量(b)Fig.9 The location of the transect (left, the black line) and the water volumes that cross the transect in different years

1.4　提出了黑潮入侵东海分支存在和变化的动力机制

黑潮入侵分支存在明显的季节变化和年际变化,黑潮入侵分支为什么会发生？了解其背后的物理机制, 才可以更好的预测。基于地球流体动力学理论,我们提出了地形β-spiral理论, 该理论是大洋(Stommelet al, 1977) β-spiral在陆架的延伸。该理论提出: 当底层流的方向和地形的梯度方向不垂直的时候(也就是说当入侵流的方向不平行于等深线的时候), 海流就会从表层到底层发生逐层偏转。如果底层流的方向和地形梯度方向的夹角小于 90°, 入侵陆架的流就会逐渐发生从表层到底层的气旋式偏转,这对应于很强的底层入侵; 反之, 如果底层流的方向和地形梯度方向的夹角大于 90°, 入侵陆架的流就会逐渐发生从表层到底层的反气旋式偏转, 这时对应于强的表层水入侵。基于该理论, 可以预测: 在东海陆架上, 凡是黑潮路径和等深线不平行的地方都会发生入侵流的垂向偏转, 并且底层流的方向和地形梯度的角度决定了入侵主要发生在底层还是表层(图 10)。

数值模拟结果的动量方程诊断结果表明, 黑潮主轴存在季节变化, 当黑潮主轴发生向岸或向海的偏转时, 就会导致黑潮底层流方向和地形梯度的夹角发生变化, 从而引起黑潮入侵分支的季节变化。此外台湾以东的涡旋, 会影响黑潮的水平密度结构, 从而影响黑潮底层流的方向(Yinet al, 2017), 根据所提出的地形 β-spiral理论, 其会进一步影响黑潮对东海陆架的入侵。

图10　解释黑潮入侵东海分支的地形β-spiral理论Fig.10 The topography β-spiral theory to explain the Kuroshio intrusion branch into East China Sea

1.5　揭示了黑潮物质输入对东海陆架生态过程的影响

为了研究黑潮底部分支输入的磷酸盐的年际变化对长江口邻近海域的影响, 在台湾以东选定的一个固定断面上(Yanget al, 2013), 每年的1月1日根据观测资料给定磷酸盐的浓度, 并在每年的随后计算中, 保持浓度不变。在数值模拟中, 台湾东北的黑潮输入的磷酸盐是东海磷酸盐的唯一来源。在每年数值模拟的初始条件中, 整个海区的磷酸盐浓度设为 0,并且在数值试验中磷酸盐的浓度被认为是保守的,即只考虑磷酸盐的平流输送和扩散过程。模拟结果表明, 2005年和2014年黑潮输入的磷酸盐在长江口邻近海域表层的出现时间相差了约半个月, 并且其出现的规模也存在较大区别(图11)。黑潮底部分支在此处出现的早晚意味着该区域底层水温和磷酸盐浓度的变化时间存在年际变化。对应于水文和生化环境的年际变化, 相应地赤潮出现的早晚和规模也会发生变化。

同时, 针对 2009年夏季个例情况, 建立了环流与生态耦合模式并进行了生态过程模拟, 模拟结果显示, 包括黑潮底部入侵分支磷酸盐输送的模拟结果与实测叶绿素的分布结果更加一致(图12), 说明底部分支供给的营养盐有助于维持长江口外邻近海域叶绿素生长, 进而影响生态过程。

图11　不同年份黑潮入侵底部分支对长江口邻近海域磷酸盐的输送量Fig.11 The phosphates that being transported from the Kuroshio bottom branch to Zhejiang coastal region in different years

图12　模拟和观测叶绿素结果比较Fig.12 Comparisons between the modeled and observed concentrations of chlorophylls

此外, 基于2014年5月份春季调查资料, 分析了调查期间黄东海原绿球藻分布状况。值得注意的是在台湾岛东北部存在一个高的原绿球藻分布区, 而在长江口邻近海域也存在原绿球藻的高浓度分布区,并且两个高浓度区之间也存在着高浓度条带分布(图13)。这也从侧面表明了黑潮入侵水的路径和特征。

图13　2014年5月春季调查期间黄东海原绿球藻分布状况Fig.13 Distribution of prochlorococcus in the Yellow and East China Seas during May, 2014

该结果给出了另外一个重大的启示: 黑潮入侵分支可以把某些热带藻种, 输入到中国近海从而引起近海生态过程的变化。已有研究结果也表明, 某些近岸的藻类, 并不是我国的局地种, 而是外来藻种。此外, 2015年8月底栖生物的调查资料表明, 在黑潮入侵分支的流经区域, 其底栖生物也存在与周边不一样的类群(图14)。

2　急需回答的科学问题和未来的研究展望

国内外已意识到近海生态系统的变化与邻近大洋乃至更大范围的环境变化密切相关, 需要从更为广阔的空间和时间尺度上开展协同研究。例如西北太平洋沿岸上升流区初级生产力异常分布和低氧区异常主要由邻近大洋的亚极地水异常入侵引起, 东北太平洋海洋环境的大时间尺度(年际、年代际)变异,对其海洋生态系统的年际变化起到主要的控制作用(Granthamet al, 2004)。Diaz等(2008)指出: 近海上升流区的生态系统, 除了受人类活动以及入海径流的影响外, 其本身还受到外海大尺度海洋环境变化的影响。

图14　2015年8月底栖生物分布特征Fig.14 Distribution of the benthos in August, 2015

目前的研究已经回答了大洋西边流黑潮影响东海陆架的主要途径及其变化、机制和初步影响效应,但尚有许多科学问题有待回答: 根据绕岛理论, 日本以东太平洋大洋环流必然会导致黑潮入侵东海, 其调整机制和过程目前仍然不清楚。黑潮入侵东海陆架底部分支与太平洋气候变化信号存在什么关系？大洋中尺度涡如何影响黑潮入侵东海陆架分支？黑潮入侵分支和台湾暖流的相互作用是什么样的？外海大洋输入的物质, 有多少进入了我国近岸的生态系统中, 到底对生态过程和赤潮灾害的发生、低氧区的形成等起怎样的作用？哪些区域人类活动比外海入侵更重要, 哪些区域外海入侵起控制作用？近海的藻类有多少是外来物种, 该物种是如何进入到近海的? 这些物种对我国的生态系统的影响是什么样的?东海原甲藻是否存在孢囊？该孢囊是否可以通过黑潮入侵分支输入到浙江外海的赤潮高发区？等等。

这些都是未来需要重点回答的科学问题, 这些问题的回答, 将有助于深化外海大洋物质能量输入对近海生态系统的认识, 提高对近海生态系统变动的预测水平。

致谢本文的数值模拟工作是在中国科学院海洋研究所的高性能计算平台上完成的,特此致谢。

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