长江口外缺氧区生消过程和机制的再认知

通过对2006~2007年长江口外缺氧区多学科历史资料和相关模拟、遥感资料的分析,深入研究了该缺氧区的生消过程和分布形态及其结构,从水文环流动力学、浮游植物繁殖(导致有机物耗氧分解)以及其他因素等角度综合系统探讨了缺氧区生消及其位置季节性变化的机制,阐释了缺氧区生消过程中多因素的协同作用,揭示了缺氧区分布形态和结构的受控机制.研究表明:冬、春季长江口外的水文环境提供了较低溶解氧(DO)含量的水体,是缺氧区形成的前期背景条件;入夏后,缺氧区逐渐向北发育成熟,受地形、有机物局地分解和黑潮次表层水涌升的影响,7~8月份长江口外缺氧区在空间上呈现出不连续的分布特征,其在内陆架具有南、北"双核"结构,并于东部外陆架亦发现一个低氧核心,各部分的缺氧程度也不相同,北部的整体上最强,南部的次之,外陆架上的最弱;夏季北部缺氧区不仅与南部缺氧区的北向分化有关,也是在局地得以发展和加剧的结果,8月达到鼎盛期,9月以后由于层化削弱很快向南退缩并消失;秋季,于南部浙江沿岸存在缺氧区,并在济州岛西南部也形成一DO低值区,但均很快消亡,同时由于所处动力环境的改变还导致外陆架DO低值区外移.跃层强度的变化及其对DO垂向输送阻隔作用的长时间累积效应对缺氧区缺氧程度具有重要影响;长江口外海域层化区域面积、各流系/水团强度和上升流、锋面、浮游植物生物量高值区的季节性变化共同制约着内陆架缺氧区的扩展及其位置的纬向(南北向)移动;黑潮次表层水等动力因素的综合作用是导致外陆架存在一个DO低值核心的原因所在;东海北部底层冷水是济州岛西南部海域DO低值区在秋季得以形成的动力学基础.长江口外特殊的海底地形以及泥质区分布对缺氧区的发育亦具有一定影响.长江口外缺氧区的生消过程、分布形态以及其结构和位置的季节变化是多种因素协同叠加综合作用的结果.     

长江口外及浙江沿岸夏季上升流的潮生机制

基于普林斯顿海洋模式(POM)建立了MASNUM (Laboratory of MArine Science and NUmerical Modeling)海浪-潮流-环流耦合模式, 对长江口外及浙江沿岸海域夏季的上升流现象进行了数值模拟, 并从潮运动的角度分析了其动力机制, 对该海域潮致上升流的形成机理给出了一种新的解释. 研究表明, 该海域上升流的潮生机制同时体现在正压和斜压2个方面: 单纯的正压潮余流能够通过底层辐合和沿地形坡度爬升两种过程产生上升流; 在斜压海洋环境下, 强烈的潮混合作用在近岸陆坡区形成显著的锋面, 锋面两侧存在明显的密度差异, 该密度差异造成的水平压力梯度诱生出沿锋面的次级环流, 其上升流分支出现在锋区附近. 数值试验表明, 潮运动是该海域上升流的一个极为重要的诱发因子, 甚至占主导地位. 研究还发现, 与单纯模拟M2分潮相比, 对MS2, S₂, K₁及O₁ 4个主要分潮耦合计算有助于改善正压潮致上升流的模拟结果.     

长江口外海区叶绿素a浓度分布及其动力成因分析

2000年8月在长江口外海区应用现代化的观测设备进行了多学科的综合观测. 现场观测资料分析表明, 长江口外海区浮游植物的爆发存在着两个源. 面积广、强度大的一个源存在于表层的羽状锋区, 是由长江径流入海携带大量营养盐造成富营养化和低浊度海水产生良好的光透射引起光合作用产生的. 光合作用产生叶绿素a, 同时释放氧气和吸收二氧化碳, 故出现高浓度叶绿素a分布对应于高浓度溶氧和pH值分布. 面积小强度弱的一个源位于台湾暖流的温跃层中, 但高浓度的叶绿素a并不对应于高浓度的溶氧和pH值, 可能是由台湾暖流的远距离平流作用产生的. 长江大量营养盐入海造成的富营养化是产生长江口外海区赤潮爆发的主要原因. 福建和浙江沿岸海区发生的赤潮可能随台湾暖流影响到长江口外海区. 三维数值模式模拟的流场分布支持上述结论.     

长江口悬浮颗粒物中有机质来源及厌氧氨氧化活动的季节性变化

人类活动导致的富营养化与赤潮爆发致使近年来长江口缺氧区日益扩大,厌氧氨氧化过程已经被指出在缺氧区的氮循环中发挥着重要作用.梯烷脂作为一种生物标志物已被用来指示不同生态系统中厌氧氨氧化活动,但悬浮颗粒物中厌氧氨氧化菌和梯烷脂的来源尚不明确.本文通过对春、夏季节长江口悬浮颗粒物中多参数生物标志物进行分析,来研究梯烷脂的来源及其对厌氧氨氧化活动和缺氧区的指示.陆源生物标志物(长链正构烷烃和直链醇)、海源生物标志物(菜子甾醇和甲藻甾醇)和相对陆源有机质指标TMBR(terrestrial and marine biomarker ratio)、BIT(branched and isoprenoid tetraether)的时空分布结果表明,海源有机质在春季(55%)和夏季(86%)都占主要地位.梯烷脂与海源和陆源生物标志物的相关性表明,梯烷脂主要在水体中原位产生,长江口悬浮颗粒物中梯烷脂的浓度主要反映了水体中厌氧氨氧化活动的强度,但梯烷脂的浓度也会受到厌氧氨氧化菌种群结构的影响.本文研究结果表明,厌氧氨氧化活动在长江口海域广泛存在,夏季较高的梯烷脂含量(特别是在上升流区)对应着较低的溶解氧的含量,表明其指示缺氧区的可能性.     

五里湖底质条件与水生高等植物的适应性研究

在五里湖富营养化过程中,氮、磷及有机物质在湖底沉积物中大量积累。在夏季高温、高水位期。底泥中因有机物分解耗氧强烈和溶解氧补给受阻而发生缺氧。挺水植物和浮叶植物均能适应这种底质条件;在水温低于30C或水深小于1m的情况下,五里湖的底质条件对沉水植物生长十分有利;但在夏季,当水温超过30C且水深远大于1m时,底泥和底层湖水中的厌氧环境会引起沉水植物烂根,故沉水植物无法在五里湖渡过夏季,成为重建水生植被的障碍。适当降低水位,开挖湖心区底泥,在沿岸带堆积造成人工浅滩,可以创造出适合水生植物生长的生境条件。     

一次切断低压诱发的暖区深对流与异常副热带锋及其平流层-对流层交换

采用Cloudsat/CPR云雷达,FY2C/TBB亮温,Aura/MLS大气成分等卫星遥感资料,结合ECMWF气象分析资料和HYSPLIT4轨迹模式,研究了2009年6月一次东亚切断低压的暖区深对流和异常副热带锋面的结构和演变.分析表明,由于低压切断前的旧槽背景,在低涡的近成熟期,内部冷、暖锋降水偏弱,边沿的高空副热带锋面异常发展到对流层底部,低空西南暖湿水汽在副热带锋前聚集,形成千公里长的暖区深对流降水带.随着该锋面的快速东移,副热带锋区进入原暖区雨带,锋区热力间接次级环流的强上升支,加强了锋下冷侧（原暖湿区）的深对流,但该锋面阻挡了来自暖侧的水汽补充,降水结束.该异常副热带锋区还发生了强烈的平流层-对流层相互交换,在高空急流出口区的下方,平流层1.5PVU等位涡线向下入侵可达5.5 km（约500 hPa）处,锋下向上的深对流注入可达10 km,在入侵-注入混合区,臭氧和水汽的散点图上出现了二者浓度双高和双低的特殊气团.     

一次切断低压诱发的暖区深对流与异常副热带锋及其平流层-对流层交换

采用Cloudsat/CPR云雷达,FY2C/TBB亮温,Aura/MLS大气成分等卫星遥感资料,结合ECMWF气象分析资料和HYSPLIT4轨迹模式,研究了2009年6月一次东亚切断低压的暖区深对流和异常副热带锋面的结构和演变.分析表明,由于低压切断前的旧槽背景,在低涡的近成熟期,内部冷、暖锋降水偏弱,边沿的高空副热带锋面异常发展到对流层底部,低空西南暖湿水汽在副热带锋前聚集,形成千公里长的暖区深对流降水带.随着该锋面的快速东移,副热带锋区进入原暖区雨带,锋区热力间接次级环流的强上升支,加强了锋下冷侧(原暖湿区)的深对流,但该锋面阻挡了来自暖侧的水汽补充,降水结束.该异常副热带锋区还发生了强烈的平流层-对流层相互交换,在高空急流出口区的下方,平流层1.5PVU等位涡线向下入侵可达5.5km(约500hPa)处,锋下向上的深对流注入可达10km,在入侵-注入混合区,臭氧和水汽的散点图上出现了二者浓度双高和双低的特殊气团.     

地表拖曳对斜压波地面锋生的影响

利用三维非静力中尺度数值模式MM5模拟了干湿大气条件中纬度典型斜压波及其锋面系统的生成与演变过程, 重点讨论地表拖曳对干、湿大气中地面锋结构、锋生过程的影响作用. 研究结果表明, 在干大气中, 地表拖曳力对地面锋锋生具有双向作用, 一方面是锋消作用, 主要体现在地表拖曳力减慢地面锋锋生、地面斜压波系统发展; 另一方面, 地表拖曳力导致强的非地转流形成, 从而延长了冷锋锋生过程维持时间, 有利于冷锋强度增大. 同时地表拖曳力可以造成边界层内锋面近乎垂直于地面, 导致锋前垂直运动增强, 这些结果进一步推广了谈哲敏和伍荣生的理论结果. 在湿大气中, 地表拖曳过程对锋面雨带分布有重要的影响作用, 地表拖曳力可减缓对流上 升, 从而导致地表能量的耗散减缓. 当大气低层湿度较小时, 对流不是很强, 地表拖曳力可减缓地表水汽、能量的迅速耗散, 且在锋后边界层中产生摩擦辐合上升区, 这些上升区可逐渐东移到冷锋前, 补偿了锋前上升带的强度, 有利于冷锋降水的维持. 当大气低层湿度场很强时, 对流发展比较旺盛, 此时地表拖曳对低层水汽与能量的束缚作用相对较弱, 相应地表拖曳对锋面及其降水系统影响较小.     

长江口外氧的亏损

1999年8月20~30日, 对黄海和东海海域进行了一次为期10 d的海洋科学考察,在长江河口外发现有一处面积达13700 km², 平均厚度达20 m的底层低溶氧区(DO<2 mg/L), 其含氧量最低值达到1 mg/L. 沿-100 m的等深线DO值低于3.5 mg/L的底部低氧海区向东南方向一直延伸到了东海大陆架. 在低溶氧区域, 表观耗氧量(AOU)为5.8 mg/L, 亏损氧总量达1.59×10⁶ t. 在这一海域存在着由于长江径流的注入以及台湾暖流造成的海水上涌形成强的温盐跃层, 限制了表层高含量氧向底层扩散, 表层浮游植物光合作用产生的大量颗粒态有机碳向底层输送, 并在底层进行化学和生物氧化是形成低氧海区底层氧亏损的主要原因. 同时, 长江径流携带的N, P污染物输入的不断增加更是为氧亏损水域表层浮游植物的生长提供了丰富的营养盐, 从而加剧了该水域氧的亏损.     

中高山地区滑坡发育地形地貌因子敏感性研究

为分析海拔高度大于1 300m的中高山地区地形地貌因子对滑坡发育的敏感性程度,运用基于因子综合贡献率的敏感性分析方法,研究黔东北中高山地区坡面形态、地形坡度、相对高差三类影响因子对滑坡发育的影响程度.在各类影响因子对滑坡发育频数、面积及体积分量贡献率的基础上,利用顺序赋值法量化各分量贡献率的贡献指数,并以各分量贡献指数的几何平均数构建敏感性系数,定量分析三类地形地貌影响因子对中高山地区滑坡发育的敏感性.研究结果表明,阶梯形和凸形坡面形态的斜坡中后部为地貌演化堆积区,能提供较大重力势能,属滑坡发育的敏感性坡面形态因子;地形坡度在18°～22°之间的较陡坡和相对高差在40～80m之间的矮坡常分布于受地表水强烈冲刷的地带,在一定重力势能和强烈地下水共同作用下,极易诱发浅层小规模滑坡;地形坡度大于27°的极陡坡和相对高差大于120m的高坡由于具备较大重力势能,常诱发深层大规模滑坡.     

长江河口南槽纵向余环流:径流、潮汐和地形耦合机制

经典河口环流理论认为河口纵向上存在表层向海、底层向陆的单环流,但该理论中并未包含对地形因素的考虑.本研究于2018年洪、枯季(7、12月)在长江口南槽开展全潮周期的现场调查,通过锚系剖面和座底三脚架观测获得了从陆向海3个站位的同步流速、温盐剖面等数据,探讨了河口拦门沙地形对纵向余环流的影响.研究结果显示,长江口南槽拦门...     

南海北部东沙海底冲蚀河谷及其成因探讨

对覆盖南海北部东沙区的50多条多道地震剖面进行了解释.通过剖面解释,发现东沙隆起后,南海北部海底地形发生了较大变化.这其中包括东沙岛在陆架坡折处的隆起,以及沉积地层以较大的幅度向上翘起.向上翘起的地层在很大的范围内遭受海底剥蚀.在东沙隆起区的北侧,海底发育下切沟.本文解释为现代海底在更强烈的剥蚀条件下形成的海底冲蚀地形,称为海底冲蚀沟.海底冲蚀沟分布于东沙岛的北侧,大致与陆架坡折线,以及600m等深线相平行,其宽度一般在20km左右,NE-SW向长度可达200km,本文称为东沙海底冲蚀河谷.无论是冬季还是夏季,东沙岛以北的吕宋海峡都有黑潮分支从太平洋贯入南海.这一黑潮分支在冬季演化为太平洋-印度洋贯通流,在夏季演化为吕宋海峡次表层流.东沙海底冲蚀谷的分布与太平洋-印度洋贯通流,以及吕宋海峡次表层流的位置完全一致.本文认为,黑潮分支在遇到南海北部陆坡的阻挡后,黑潮水体由陆坡向陆架堆积,并因水深变浅,水体通过空间变小而使流速加大,从而有能力对海底产生剥蚀.东沙区海底地层的剥蚀,以及东沙海底冲蚀谷的发育都是黑潮分支在东沙陆架区形成的强底流和海底长期耦合作用的结果.     

南海西南海域夏季上升流的地震海洋学研究

本文首次提出了一套从反射地震数据提取反射强度、反射体倾角和反射体波动振幅等属性参数的方法,并将其应用到南海西南海域.计算结果进一步表明南海西南海域在夏季主要的海洋学现象为西南季风诱发的冷流.它首先在越南东部海域自南向北流动,然后在约12°N附近开始向东弥散.海表面表现为温度低异常和海面高度低异常;水体内部则表现为以温度低异常为特征的底层冷水上涌.同时,由于地震海洋学数据具有高横向分辨率和全海洋深度成像的优点,从计算结果中还可以识别出3个视宽度为~20 km的上升流区;其上涌的视幅度约为50~150 m,且在不同的深度具有各自的特点.我们的结果可以为南海西南海域夏季上升流的精细化、定量化研究提供必不可少的数据支持;这套方法在其他海域的扩展应用也有望成为研究海水垂向分布横向变化的有力工具.     

南海溶解有机碳生产的定量评估

南海是西太平洋最大的半封闭型边缘海,也是受东亚季风强烈影响的海区.叶绿素、初级生产力和输出生产力等重要生物地球化学指标都具有显著的季节性变化.而溶解有机碳(DOC),尤其是具有不同生物可利用性组分的源汇变化研究则相对较少.本研究利用物理-生物地球化学耦合模式定量评估了活性、半活性和惰性DOC的季节性生产速率,分析了南海有机物时空变化的动力机制及其收支平衡.模拟结果显示三类DOC的生产均与浮游植物初级生产力(NPP)高度相关.在海盆内部,DOC生产及NPP在冬季最高,夏季较低.而在北部近岸区域,珠江径流变化控制了NPP与DOC生产,夏季高,冬季低.在东北部的吕宋海峡西侧,黑潮入侵引起的锋面过程造成了高的冬季DOC产率.在西南部的越南岸外,夏季上升流与冬季混合都促进DOC生产.惰性DOC生产对海洋碳封存的贡献不可忽视,其年平均产率为(1.8±0.5)mg C m^?2d^?1,相当于1000m水层颗粒有机碳输出通量的26%.     

南海北部陆架陆坡流系研究进展

受季节性反转的季风强迫、海峡水交换、地形等影响,南海北部陆架陆坡流系呈现复杂多变的形式.南海北部陆坡流、南海暖流、沿岸流及其与之相关的上升流(夏季)和下降流(冬季)系统等构成了南海北部典型的流系.本文回顾了自20世纪90年代以来南海北部陆架陆坡流系的研究进展,总结了黑潮入侵南海、季风、地形、冲淡水浮力热力效应等因素在南海北部陆架陆坡流系中的作用.指出南海北部内区海盆与陆架陆坡流的动力联系、南海暖流是否稳定存在、冬季下降流时空特征及其物质能量输运等方面还需要进一步加强研究.     

大型深水水库溶解氧层化结构演化机制

深水水库溶解氧(DO)的演化成因目前尚不完全清楚,研究其演变机制对制定水库水质保护和管理策略十分重要.本文以我国京津冀地区重要的大型深水水源水库潘家口水库为例,系统分析了水库水温和DO浓度的时空分布特征、演化成因,以及水库的水质响应情况.结果表明:4月中旬-11月底该水库存在显著的季节性热分层,水库热分层为DO层化结构的形成提供了垂向分异性物理环境;与热分层类似,DO层化表现为3层结构,本文从上至下将其分别定义为混合层、氧跃层和氧亏层.垂向各层不同生化过程的作用为DO浓度空间差异性演变提供了驱动力,其中混合层受浮游藻类过量生长的影响,DO往往处于过饱和状态;氧跃层受大量生物的呼吸及有机物分解等耗氧的影响,DO浓度急剧下降,7-8月一般处于缺氧状态(DO2 mg/L);氧亏层受重污染沉积物耗氧的影响,DO浓度持续下降,热分层末期水库底部可能出现缺氧.热分层末期DO浓度降低的同时,沉积物中会发生Mn的还原、Mn-P解吸释放等现象,但沉积物中含量较高的Fe没有发生还原以及Fe-P的解吸释放现象.潘家口水库目前正在逼近缺氧、内源污染大量释放的临界点,其水环境治理应予以高度重视.     

德雷克海峡的打开对海洋环流的影响——基于一个箱式模型的研究

本文研究了德雷克海峡的打开对海洋环流的影响.德雷克海峡未打开时,南半球中高纬度之间风应力旋度产生的流涡促进了中高纬度之间的热量交换;德雷克海峡打开后,南极绕极流(ACC)形成,绕极流区的强锋面阻隔了南半球低纬度向高纬度的热量传输.基于以上认识,本文利用一个箱式模型分析了德雷克海峡闭合时的风应力和打开时的海洋温度锋面分别对南极底层水(AABW)和北大西洋深层水(NADW)形成的影响.实验发现:(1)德雷克海峡闭合时,风应力产生的流涡强度增大,可导致AABW形成减少、NADW形成增多;南半球高纬度增温,整个大洋底层水的温度也同时升高.(2)德雷克海峡打开时,只有温度梯度达到一定强度才会有AABW形成,并导致南半球高纬度地区和大洋大部分底层水变冷;而当锋面强度小于临界值(本模式中为4.03℃)时,没有AABW形成,海盆中大部分区域的海温都偏高.模式实验结果表明,德雷克海峡打开的过程中,风应力的改变与海洋温度锋面的形成影响了AABW和NADW的形成,从而改变了大洋经向翻转环流的状态.     

纳米气泡改性矿物颗粒的湖泊沉积物-水界面增氧效果实验研究

季节性缺氧导致夏季沉积物内源磷强烈释放,加剧水体富营养化,是我国西南地区深水湖泊（水库）面临的重要挑战.有效增加夏季缺氧期深水沉积物-水界面的含氧量,是减少内源磷释放的关键.现有的深水增氧技术由于缺乏对沉积物-水界面增氧的针对性,因此治理效果有限.近年来,纳米气泡已被证实具有的稳定性好、氧传质速率高和环境风险低等优点,为新型深水增氧技术研发提供了巨大潜力.本文以天然矿物材料白云母、绢云母、硅藻土和沸石为基底,负载纳米气泡,研发纳米气泡改性矿物颗粒技术,开展湖泊沉积物-水界面增氧模拟实验研究,运用平面光电极技术评估其界面增氧效果.结果表明,纳米气泡改性矿物颗粒对沉积物-水界面具有比较明显的增氧效果.其中,改性白云母、绢云母和沸石的界面持续增氧时间可达7天以上,增氧后的界面最大溶解氧（DO）浓度达4.40 mg/L,而改性硅藻土不具有增氧能力.其次,矿物粒度对改性颗粒的增氧效果有一定影响：粒度越细,界面的最大增氧浓度越高,且持续增氧时间越长.纳米气泡改性矿物颗粒技术有望成为夏季缺氧期深水沉积物-水界面精准增氧和内源污染控制的有效技术手段.     

广西杨堤剖面上泥盆统弗拉阶-法门阶之交磷质微球粒的发现及其地球生物学意义

利用醋酸酸解法处理广西桂林杨堤剖面上泥盆统弗拉阶-法门阶(F-F)之交的样品,获得了大量保存完好的磷质微球粒.其直径为150?m左右,球状、扁球状或椭球状,球体外表面光滑,并发育脐状浅凹,球体为实心,内部由浅色的磷灰石和深色的有机质相间分布形成同心环带结构.所有磷质微球粒与牙形刺共同保存,而磷质微球粒的丰度明显低于同层位的牙形刺.显微激光拉曼微区分析表明:磷质微球粒的外壳和内核的拉曼光谱特征分别与牙形刺Palmatolepis sp.的齿片和齿台十分类似.此外,磷质微球粒的富集与藻类生物繁盛在时间上基本一致,而滞后于海水营养盐激增.基于磷质微球粒与牙形刺在丰度的相关性、成分的相似性以及与鱼类耳石在形态和结构特征方面的相似性,本文认为磷质微球粒可能是牙形动物的"耳石",其形成可能与海水富营养化有关.晚泥盆世陆源输入的增加、海底热液活动以及缺氧的底层海水上涌等活动可能导致了海水营养盐富集,并由此诱发菌藻类生物的繁盛,从而可能刺激了牙形动物分泌磷质微球粒—牙形动物"耳石".本文以磷质微球粒为纽带揭示了生物-环境之间的耦合关系,为晚泥盆世F-F之交的生物灭绝成因提供了新的证据.     

黄海的季节性酸化现象及其调控

根据2012和2015年开展的涵盖四季的黄海碳化学调查,研究了水柱溶解氧和碳酸盐体系参数的分布、特征及其生物地球化学调控.结果表明,黄海表层以下的冷水团持续积累群落呼吸产生的CO_2,造成夏、秋季调查区域1/3面积上的底层海水文石型碳酸钙饱和度(Ω_(arag))达不到1.5,对钙化生物的生存与发育构成严重威胁.按照21世纪中叶大气CO_2增量的预测值同步提高黄海底层海水的CO_2逸度,计算得出2050年前后黄海夏、秋季底层水Ω_(arag)不足1.5的区域将比现在扩大55%(夏季)和33%(秋季),届时黄海将有50%左右的海底面积在夏、秋季被Ω_(arag)不足1.5的季节性酸化水体所覆盖,甚至开始出现Ω_(arag)低于1.0的底层海水,相应的总氢离子标度pH为7.85上下(夏季)和7.80上下(秋季).本研究再次说明,黄海冷水团区域可能是中国近海最先遭受海洋酸化潜在负面影响危害的海区之一.