一维物理-生物耦合模型及在大洋站应用

发布时间：2020-07-15 06:53

【摘要】：海洋物理过程是海洋中生物地球化学循环的主导因素,将物理过程与生物过程耦合,可以有效地刻画海洋动力作用下各类要素的循环。本文研究了物理-生物耦合模型,并应用于两个大洋站的物理-生物特征及金枪鱼渔获率的模拟研究。论文在Gill-Turner混合层模型(GT模型)中增加对流和扩散模块,考虑温度梯度对扩散系数的影响,改进了GT模型使之更符合实际的水体混合作用。不仅考虑了水表营养盐循环体系中氮和磷元素的分离计算,而且修正了浮游植物生长速率方程,改进了 Schmittner生物模型。加入基于氮浓度的叶绿素浓度计算,使Schmittner模型更完整地反映营养盐浓度对生物要素和初级生产力的影响。将改进后的GT模型与Schmittner模型结合,建立起新的物理-生物耦合模型(PBCM),并在Mathematica二次开发平台上自行编程加以实现。基于PBCM对北大西洋中纬度百慕大站物理和生物要素变化进行数值模拟,结果显示,水温、溶解氧、溶解营养盐、叶绿素浓度及初级生产力等要素分布具有明显的季节性变化规律,与混合层深度的变化相一致,反映出强烈的混合作用对生物地球化学循环过程的影响。分析了溶解无机氮密跃层深度的时变规律,从动力角度解释了海水中氮磷浓度比变化的机制。以PBCM成功地复演出水下最大叶绿素浓度层(SCML),从物理耦合生物角度揭示了 SCML始终存在于密跃层上边界的机理。北太平洋近赤道海域夏威夷站的PBCM模拟表明,表层生物地球化学循环过程主要由混合动力控制,下层生物要素浓度则受到涡旋和Rossby波等复杂动力的影响。耦合模拟并分析了水文与生物要素的分布特征及微弱的季节性差异,复演了太平洋水体中氮元素对浮游植物初级生产的限制作用,解释了溶解无机氮密跃层基本维持在最大混合层深度100米附近而季节性波动小的原因,发现夏季固氮浮游植物生长引起的氮磷浓度比与水表初级生产力同步变化。本文的物理-生物耦合模型为海洋生物研究提供了连续的海洋环境因素数据,具有广阔的应用前景。根据太平洋东赤道附近海域金枪鱼捕捞数据和相应海洋环境数据建立了广义加性模型(GAM),分析了金枪鱼的栖息地分布。将PBCM与GAM结合,合理模拟了夏威夷海域金枪鱼渔获率的逐月和季节性变化,可为金枪鱼捕捞管理提供科学依据。
【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：P736.4
【图文】：

图１．２技术路线逡逑

游植物吸收的各类营养盐几乎按固定比例进行。基于该比值，在光合作用过均每１０６ｍｏｌ破与１６ｍｏｌ氮、ｌｍｏｌ淲结合构成有机物，同时释放１３８ｍｏｌ氧＿应式如下：逡逑１０６ＣＯ２邋＋邋１６Ｎ０３邋＋邋Ｈ２Ｐ０４邋＋邋１２２Ｈ２０邋＾邋Ｃ１０６Ｈ２６３０１１０Ｎ１６Ｐ邋＋邋１３８０２逡逑（２－１５而通过氮和磷浓度计算就可获得光合反应中浮游植物吸收的碳量，在此基成完整的要素循环。逡逑基于以上建模理论，Ｓｃｈｍｉｔｔｎｅｒ等提出的生物模型１“１邋（即Ｓｃｈｍｉｔｔｎｅｒ模包括溶解无机氮（ＤＩＮ）、溶解磷酸盐（Ｐ０４）、溶解氧（ＤＯ）、浮游植物、浮（Ｚ）和颗粒有机碎屑（Ｄ）。溶解无机氮代表了硝酸盐、铵盐、亚硝酸盐与氮元素相关的营养盐；浮游植物又分为两个亚类，即非固氮浮游植物（自行固氮浮游植物（Ｄｉａｚｏ）。模型计算共涉及七个要素的浓度，具体关系．１。逡逑Ｎ２氮气逡逑

夏末该站点水表最高温度大致维持在２８．５°Ｃ，为四年间最大；而２００２年夏末该逡逑站点水表最高温度接近２７．５Ｔ，为四年间最小，反映了年间不同的热能输入情况。逡逑在图３．１邋（下）中，２００３年与２００６年初混合层最大深度约为１５０米，却小于接逡逑近２００米的２００４和２００５年初的混合层最大值。逡逑水。」（。0逡逑ｉ灥桯帽逡逑２００３逦２００４逦２００５逦２００６逡逑时间（年）逡逑１８邋￣１￣￣１￣１￣Ｊ￣１￣１￣１￣＿￣１￣￣１￣￣N＾￣■■一￣１￣１＾邋－２２０逡逑２００２逦２００３逦２００４逦２００５逦２００６逡逑Ｍ慕大站…＋…水表温度邋一－？一混合１＾深度逡逑图３．１百慕大站２００２？２００６年实测数据分布逡逑（上）水温剖面分布；（下）水表温度（虚线）以及混合层深度（实线）逡逑混合层以下等温线的起伏基本反映了水体内的热扩散和输移运动。可以认为，逡逑等温线抬升与上升流运动有关，下层低温水体随之入侵上层水体，造成水温下降；逡逑相反，等温线下压与下沉流有关，热量由上层水体向下传递，造成了下层水体的逡逑升温效应。逡逑根据图３．１邋（上）所示水温剖面图中等温线的分布规律，明显发现２００２？２００３逡逑年间等温线在混合层之下的间距大于其余三年，即水体内的温跃层梯度要略小于逡逑其他年份，说明该年内水体由上向下的热扩散作用超出平常值。同时，注意到逡逑１９°Ｃ等温线在２００２年夏季明显下压，其深度一度超过２５０米，意味着存有较为逡逑强烈的下沉流

【相似文献】

相关期刊论文 前10条

1 蔡子颖;张敏;韩素芹;李培彦;刘敬乐;姚青;;天津重污染天气混合层厚度阈值及应用研究[J];气象;2018年07期

2 ;一种更为客观的海洋混合层厚度测量新方法[J];传感器世界;2018年04期

3 杜吴鹏;房小怡;黄宏涛;程宸;党冰;邢佩;;北京近年地表风速和大气混合层厚度变化特征研究[J];环境科学与技术;2017年06期

4 杨希;卜银军;陈雪芹;;三明市大气混合层高度变化特征分析[J];海峡科学;2017年06期

5 陈磊;俞科爱;林宏伟;孙军波;蒋飞燕;孙仕强;;宁波市大气混合层厚度变化特征及其与空气污染的关系[J];气象与环境学报;2017年04期

6 俞科爱;陈磊;张晶晶;朱纯阳;林陈爽;胡晓;陈迪辉;;浙江省大气混合层高度变化特征分析[J];气象科技;2017年04期

7 石永芳;尹训强;杨永增;;基于观测资料的海浪与混合层深度相关性分析[J];海洋科学进展;2016年01期

8 巩坤;;基于气象条件的大气混合层高度模型研究[J];重庆工商大学学报(自然科学版);2015年06期

9 璧合子;;可爱的沙漠[J];广东第二课堂(上半月小学生阅读);2017年06期

10 陈建文;胡琳;王娟敏;张文静;毛明策;吴素良;王琦;;陕西省混合层高度变化规律研究[J];水土保持研究;2014年05期

相关会议论文 前10条

1 张少锋;景学义;李树岭;;哈尔滨市污染天气大气混合层高度特征分析[A];第35届中国气象学会年会 S12 大气成分与天气、气候变化与环境影响暨环境气象预报及影响评估[C];2018年

2 徐贤钧;李成才;;北京地区大气混合层高度的激光雷达探测研究[A];第34届中国气象学会年会 S10 大气物理学与大气环境论文集[C];2017年

3 周锟;杨炜;;混合层中纤维取向的拉格朗日粒子法模拟研究[A];中国力学大会-2015论文摘要集[C];2015年

4 汪文雅;;太原市大气混合层厚度变化特征分析[A];第33届中国气象学会年会 S12 大气物理学与大气环境[C];2016年

5 李聪;张澄铖;姜迪;;南京地区大气混合层厚度特征与分析[A];第33届中国气象学会年会 S10 城市、降水与雾霾——第五届城市气象论坛[C];2016年

6 李启兵;符松;;高速混合层中化学反应影响的初步研究[A];庆祝中国力学学会成立50周年暨中国力学学会学术大会’2007论文摘要集（下）[C];2007年

7 甘才俊;何枫;杨京龙;熊红亮;王金勇;李p

本文编号：2756140