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基于BGC-Argo数据分析黑潮延伸体海域多尺度动力过程对硝酸盐垂向分布的影响
编辑 ：邢小罡 时间
：2021-03-31 12:12:31 访问次数 ：
近日，SOED实验室青年海星学者王涛副教授等在国际期刊Progress in Oceanography上发表论文“Influence of multi-scale dynamics on the vertical nitrate distribution around the Kuroshio Extension: An investigation based on BGC-Argo and satellite data"，论文通讯作者为野外站首席科学家柴扉研究员，合作作者包括野外站副站长邢小罡副研究员等。研究利用西北太平洋BGC-Argo浮标和卫星遥感数据，分析了黑潮延伸体区域不同尺度动力过程对硝酸盐浓度垂向分布特征的影响规律。
透光层内的营养盐浓度是海洋初级生产力的一个重要控制因子，它的主要来源之一是从深水区向透光层内的垂向输运。黑潮延伸体附近海域富含多种尺度的动力过程，而这些动力过程都可能会对营养盐和叶绿素的分布产生重要影响。虽然前人对这些动力过程引起的营养盐输运已有一些研究，但仍有一些问题尚未得到清晰的答案，其中包括春夏季副热带的中尺度涡在营养盐垂向输运中所起到的作用，以及黑潮延伸体北侧条带状（宽度在10 km量级）的海表高叶绿素浓度的产生原因等。本研究主要利用两台观测时长均为4年左右的BGC-Argo浮标（图1），结合多种卫星遥感和多台常规温盐Argo观测数据，分析了黑潮延伸体附近海域多尺度动力过程对硝酸盐垂向分布特征的影响规律。研究的主要发现包括：夏季副热带海域的一个气旋涡将硝酸盐垂向输运到次表层，但是由于季节跃层的限制，很难将其输运到表层；在黑潮延伸体北侧，由黑潮延伸体脱落的反气旋暖涡边缘同时出现了高硝酸盐和叶绿素浓度，经过对一系列动力过程分析与验证，研究发现这很可能是由于反气旋涡边缘的次中尺度过程驱动了营养盐的垂向输运（图2），进而导致了海表高叶绿素浓度的出现，从而为黑潮延伸体北侧的条带状叶绿素分布特征提供了一个可能的机制解释。
海洋次中尺度运动同时具有明显的水平和垂向运动特征，从而无论是水平还是垂直方向上都可能对叶绿素的分布产生影响。虽然已有很多研究通过卫星遥感观测到反气旋涡边缘的高叶绿素浓度，并通过数值模拟方法将其主要部分归因于次中尺度过程引起的营养盐垂向输运，然而直接的观测证据还比较缺乏。本研究利用BGC-Argo资料为此提供了一个较为直接的观测证据，同时也证明了BGC-Argo浮标的长期观测资料对于研究不同尺度的物理生物相互作用过程都具有很高的利用价值。
图1 黑潮延伸体区域两个BGC-Argo浮标的运动轨迹和观测的硝酸盐浓度的分布特征。图(a)-(d)和(e)-(h)分别代表浮标5904034和5904035的结果。在(a)和(e)中，颜色代表2016年4月12日的ADT，用于表征黑潮延伸体区域有很多涡旋产生，黑色虚线代表浮标的运动轨迹，蓝色和红色三角分别代表浮标的起始点和终点，A1，A2，B1和C1代表本研究中重点分析的几个时间段内浮标所处的位置；(b)和(f)表示浮标观测到的硝酸盐浓度的分布特征，黑色实线代表硝酸盐浓度等于5 μmol kg-1的等值线，灰色实线代表位势密度等于1026 kg m-3的等值线；(c)和(g)表示跟浮标实时位置对应的ADT；(d)和(h)表示浮标观测到的透光层内的硝酸盐浓度的垂向平均值。
论文信息：Wang T., Chai, F.*, Xing, X., Ning, J., Jiang, W., & Riser, S. (2021). Influence of multi-scale dynamics on the vertical nitrate distribution around the Kuroshio Extension: An investigation based on BGC-Argo and satellite data. Progress in Oceanography, 193, 102543. https://doi.org/10.1016/j.pocean.2021.102543.
透光层内的营养盐浓度是海洋初级生产力的一个重要控制因子，它的主要来源之一是从深水区向透光层内的垂向输运。黑潮延伸体附近海域富含多种尺度的动力过程，而这些动力过程都可能会对营养盐和叶绿素的分布产生重要影响。虽然前人对这些动力过程引起的营养盐输运已有一些研究，但仍有一些问题尚未得到清晰的答案，其中包括春夏季副热带的中尺度涡在营养盐垂向输运中所起到的作用，以及黑潮延伸体北侧条带状（宽度在10 km量级）的海表高叶绿素浓度的产生原因等。本研究主要利用两台观测时长均为4年左右的BGC-Argo浮标（图1），结合多种卫星遥感和多台常规温盐Argo观测数据，分析了黑潮延伸体附近海域多尺度动力过程对硝酸盐垂向分布特征的影响规律。研究的主要发现包括：夏季副热带海域的一个气旋涡将硝酸盐垂向输运到次表层，但是由于季节跃层的限制，很难将其输运到表层；在黑潮延伸体北侧，由黑潮延伸体脱落的反气旋暖涡边缘同时出现了高硝酸盐和叶绿素浓度，经过对一系列动力过程分析与验证，研究发现这很可能是由于反气旋涡边缘的次中尺度过程驱动了营养盐的垂向输运（图2），进而导致了海表高叶绿素浓度的出现，从而为黑潮延伸体北侧的条带状叶绿素分布特征提供了一个可能的机制解释。
海洋次中尺度运动同时具有明显的水平和垂向运动特征，从而无论是水平还是垂直方向上都可能对叶绿素的分布产生影响。虽然已有很多研究通过卫星遥感观测到反气旋涡边缘的高叶绿素浓度，并通过数值模拟方法将其主要部分归因于次中尺度过程引起的营养盐垂向输运，然而直接的观测证据还比较缺乏。本研究利用BGC-Argo资料为此提供了一个较为直接的观测证据，同时也证明了BGC-Argo浮标的长期观测资料对于研究不同尺度的物理生物相互作用过程都具有很高的利用价值。
图1 黑潮延伸体区域两个BGC-Argo浮标的运动轨迹和观测的硝酸盐浓度的分布特征。图(a)-(d)和(e)-(h)分别代表浮标5904034和5904035的结果。在(a)和(e)中，颜色代表2016年4月12日的ADT，用于表征黑潮延伸体区域有很多涡旋产生，黑色虚线代表浮标的运动轨迹，蓝色和红色三角分别代表浮标的起始点和终点，A1，A2，B1和C1代表本研究中重点分析的几个时间段内浮标所处的位置；(b)和(f)表示浮标观测到的硝酸盐浓度的分布特征，黑色实线代表硝酸盐浓度等于5 μmol kg-1的等值线，灰色实线代表位势密度等于1026 kg m-3的等值线；(c)和(g)表示跟浮标实时位置对应的ADT；(d)和(h)表示浮标观测到的透光层内的硝酸盐浓度的垂向平均值。
图2 时间段C1前后BGC-Argo浮标（编号5904034）的位置和对应的SST，SLA以及strain rate。黑色虚线代表浮标的运动轨迹，黑色三角代表浮标在对应日期的位置。(a) 颜色表示SST，等值线表示SLA；(b) 颜色代表无量纲化（除以科氏参数f）后的strain rate，等值线代表SST，间隔为1°C，每个子图右下角的蓝色实线代表对应位置处硝酸盐的垂向剖面，横坐标代表硝酸盐浓度，范围为0-30 μmol L-1，纵坐标代表深度，范围为-300-0 m。
论文信息：Wang T., Chai, F.*, Xing, X., Ning, J., Jiang, W., & Riser, S. (2021). Influence of multi-scale dynamics on the vertical nitrate distribution around the Kuroshio Extension: An investigation based on BGC-Argo and satellite data. Progress in Oceanography, 193, 102543. https://doi.org/10.1016/j.pocean.2021.102543.
