东海北部海洋浮游生态系统季节变化的模拟研究

论文摘要

作为生物圈的重要组成部分,海洋生态系统在连接大气圈和岩石圈中扮演着重要的角色,同时也是海洋物质循环和能量流动中的重要组成部分。东海是中国典型的大陆架边缘海,常年受到长江冲淡水、近岸水团和外海洋流的影响,其水文条件和生物地球化学过程十分复杂。研究者们通常结合实地观测数据和三维物理-生物地球化学耦合模型,来研究东海海洋生态系统,但目前,尚缺乏对东海局地海洋生态系统的时空变化的高分辨率研究。本研究基于GOTM、ERSEM模型,在东海北部（125°E,31°N）建立了浮游生态系统要素的垂向一维模型,并动态模拟了这些要素的季节、垂向变化。通过分析该区域浮游群落结构的季节、垂向的变化,分析了要素间的相互作用和反馈机制,讨论了控制这些过程的主控因子和协同作用,发现光照和营养盐对浮游生态系统的季节性变化存在显著性影响,从而为未来扩展到三维模型的应用奠定了基础。模拟结果显示,东海的物理场和营养盐的模型数据和观测数据的对比具有良好的一致性,说明该模型可以较真实的模拟东海的物化环境。其次,我们还分析了浮游生物的生物量的季节、垂向变化。在此基础上,探讨了浮游生态系统的主要要素间的相互作用和反馈机制,并进一步分析了系统中的物质循环和能量流动。在模型结果的基础上,对浮游群落结构变化的分析表明,除特殊阶段外,硅藻是研究区域的常见优势种群,微型、微微型浮游植物是春季藻华后期和夏季上层水体中的优势种群,说明它们在低营养盐的环境中具有较高的竞争优势。其次,浮游植物群落的季节、垂向变化的影响因素包含光照、温度、浮游动物、细胞粒级、营养盐及其供给速率。浮游动物的季节变化分析显示,1-4月的优势种群为微型浮游动物;4-5月为小型浮游动物;5-12月,除夏季上层水体外,多以中型浮游动物为优势种群。其中,浮游动物种群变化的影响因素包含温度、浮游植物、细胞粒级、细菌和溶解氧。浮游植物种群和主要环境因子的CCA分析结果显示,两者关系存在显著季节性变化。在冬季,光照是控制硅藻生长的主要因子,而温度是小型、微型和微微型浮游植物的主要控制因子。在春季,营养盐是小型、微型和微微型浮游植物的主要控制因子,而温度和光照对它们的生长也有明显的促进作用。在夏、秋两季,光照和营养盐对所有的浮游植物种群生长都具有明显的促进作用。为了进一步研究大气强迫和光照的变化对东海北部浮游生态系统的影响作用,我们为模型提供了以3小时为间隔的10年大气强迫和太阳辐射数据。对比2006和2012年的模拟结果表明,两组参数的年际变化会导致浮游生态系统要素的季节、垂向变化。总体而言,除夏季上层等水体外,两年模拟结果的对比显示,物理参数基本相同,两年浮游生物的分布格局也基本相似。但是,2012年的浮游生物的生物量普遍高于2006年,这可能是由于两年营养盐分布的差异所引起的。然而,该研究中的一维耦合模型仅考虑了局地过程,无法考虑水平物质输运和环流过程,是影响该模型完整分析海洋生态系统的限制因素。因此,在该研究的模型架构下,未来可以构建三维物理-生物地球化学模型（FVCOM-FABMERSEM）,用于更好的进行东海浮游生态系统的研究。

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摘要

ABSTRACT

1.Introduction

1.1 Overview of the hydrography,biogeochemistry and pelagic ecology of the East China Sea

1.1.1 Introduction of the East China Sea

1.1.2 Overview of the marine ecosystem in the East China Sea

1.2 Application of numerical models in marine science

1.2.1 International development of marine biogeochemical and ecological modelling

1.2.2 Domestic development in marine biogeochemical and ecological modelling

1.2.3 Application of1D marine ecosystem models

1.3 Research significance and content

2.Methods and materials

2.1 Study area

2.2 Physical model:GOTM

2.2.1 Mean flow model

2.2.2 Turbulence model

2.2.3 Grid and heat flux

2.3 Biogeochemical model:ERSEM

2.3.1 Phytoplankton

2.3.2 Zooplankton

2.3.3 Bacteria

2.3.4 POM and DOM

2.3.5 Nutrients,oxygen and dissolved inorganic carbon

2.3.6 Light

2.4 Coupling model:FABM

2.4.1 The coupling framework between physical model and biogeochemical model

2.4.2 Introduction of FABM

2.5 Model parameters setting,initial condition and data sources

2.5.1 Parameters setting of GOTM

2.5.2 Parameters setting of ERSEM

2.5.3 Initial values and data source

2.5.4 Mass conservation test of GOTM-FABM-ERSEM

2.5.5 Sensitivity analysis

2.6 Canonical Correspondence analysis

3.Seasonal variation of pelagic ecosystem

3.1 Physical variation

3.1.1 Light, mixed layer and turbulence

3.1.2 Temperature,salinity and density

3.2 Nutrients

3.3 Phytoplankton

3.4 Zooplankton and bacteria

3.5 Summary

4.Seasonal variability of pelagic ecosystem community structure

4.1 The annual cycle of the pelagic ecosystem

4.2 Seasonal changes in the relationship between phytoplankton communities and water environmental drivers

4.2.1 CCA analysis between the phytoplankton and environmental drivers in winter

4.2.2 CCA analysis between the phytoplankton and environmental drivers in spring

4.2.3 CCA analysis between the phytoplankton and environmental drivers in spring

4.2.4 CCA analysis between the phytoplankton and environmental drivers in the autumn

4.3 Effects of surface forcing and light on the pelagic ecosystem

4.3.1 Physical condition

4.3.2 Nutrients

4.3.3 Phytoplankton

4.3.4 Zooplankton and bacteria

4.4 Summary

5.Conclusions and prospects

5.1 Conclusions of this study

5.2 Challenges and future work

结论和展望

References

Research activities during the study period

Acknowledgements

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 陈建忠

导师: Richard Bellerby

关键词: 海洋生态系统,东海,海洋模型,浮游生态系统,季节变化,种群结构

来源: 华东师范大学

年度: 2019

分类: 基础科学

专业: 生物学,海洋学

单位: 华东师范大学

分类号: Q178.53

总页数: 153

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