对流湍流下亚中尺度过程驱动的浮游植物生长：拉格朗日模型揭示的调控机制

《Progress in Oceanography》：Phytoplankton growth driven by submesoscale processes under convective turbulence: Lagrangian plankton model results

本研究通过大涡模拟（LES）耦合拉格朗日浮游生物模型（LPM），系统量化了在不同冷却强度与营养盐条件下，亚中尺度湍流（如混合层斜压不稳定性MLI）通过改变层结、营养盐夹带、水平异质性对浮游植物生长的多路径竞争机制。研究发现弱冷却低营养时亚中尺度湍流虽增强营养供给但会因潜没作用抑制生长；强冷却时对流混合主导而亚中尺度影响减弱。研究强调了在海洋模型中精确表征物理-生物过程相互作用的必要性。

　　

Highlight

本研究的核心优势在于LES-LPM框架，它可直接与欧拉NP模型对标，却能实现过程级归因。当粒子数量充足且忽略次网格尺度变异时，LPM方程等价于欧拉方程（公式(A.1)；Noh et al., 2021）。LPM的附加价值在于能追踪单个浮游生物 parcels 的光照与营养盐暴露史（图4），这使我们首次能分解亚中尺度过程对浮游植物生长的相对贡献——这是欧拉模型难以实现的。具体而言，我们量化了由亚中尺度湍流引起的浮游植物生长率变化，并将其归因于三个主要物理机制：(i) 由再层结和潜没导致的光照暴露变化；(ii) 营养盐通量的改变；(iii) 水平异质性对反应速率的影响。这种分解揭示了先前未被认识的抵消效应与非线性相互作用，尤其是在弱强迫条件下。

结论

本研究证明，MLI驱动的亚中尺度湍流通过多个相互竞争的路径影响浮游植物生长，包括潜没、再层结、营养盐夹带和水平异质性。这些路径的相对重要性取决于强迫强度、时间演变和生物地球化学条件。在弱冷却和营养盐限制条件下，光限制和营养盐供给的相反效应在很大程度上相互抵消，而异质性引入了额外的微小抑制。然而，在再层结阶段，表面保留效应的增强会带来净增长。在营养盐充足的情况下，亚中尺度湍流通过增强光照暴露显著促进生长。强冷却条件下，对流混合占主导地位，削弱了亚中尺度的影响，但再层结仍能带来微弱的光照增益。这些发现强调了在海洋生物地球化学模型中表征亚中尺度过程与边界层湍流相互作用的重要性，因为忽略这些相互作用可能会错误地估计浮游植物生产力，尤其是在强迫较弱的条件下。未来的研究应探索这些过程在更广泛的海洋环境中的表现，并评估它们对全球生物碳泵的潜在影响。