气候变化下亚南极峡湾环流对冰鱼幼体滞留的影响机制研究

《Progress in Lipid Research》：Sub-Antarctic fjord circulation and associated icefish larval retention in a changing climate

本研究针对气候变化背景下高纬度峡湾环流变化影响海洋生物输运的关键科学问题，通过建立南乔治亚岛坎伯兰湾高分辨率三维水动力模型，结合参数化的冰鱼幼体个体模型，揭示了峡湾环流季节性驱动机制及其对南极冰鱼(Champsocephalus gunnari)幼体滞留的影响。研究发现西湾是关键滞留区，幼体滞留成功率对风场、淡水输入和峡湾-陆架交换等物理过程变化高度敏感，为亚南极海洋生态系统保护和渔业管理提供了科学依据。

　　

在南极洲边缘的亚南极海域，冰川覆盖的岛屿星罗棋布，其中南乔治亚岛以其独特的峡湾生态系统闻名遐迩。这些深邃的峡湾不仅是壮美的自然景观，更是南极冰鱼(Champsocephalus gunnari)等关键物种的重要繁殖场。然而，在全球气候变暖的背景下，这些脆弱的生态系统正面临着前所未有的挑战。冰川加速消融导致淡水输入增加，局地风场模式改变，海洋温度上升——这些变化如何影响峡湾内部复杂的水动力环境？进而又如何影响冰鱼等经济鱼类的幼体存活和种群维持？这些问题成为南极海洋生态研究和渔业管理亟待解决的科学难题。

坎伯兰湾作为南乔治亚岛最大的峡湾，被划分为西湾和东湾两个分支，是南极冰鱼最重要的产卵场之一。这种鱼类在当地食物网中扮演着关键角色，同时也是合法的商业捕捞对象。近年来，南乔治亚岛的冰鱼种群数量呈现波动下降趋势，科学家推测这可能与幼体阶段的输运和滞留机制受到气候变化影响密切相关。由于缺乏对亚南极峡湾海洋动力过程的深入理解，预测气候变化对冰鱼种群动态的影响一直是个科学难题。

为揭示这一复杂机制，研究团队开展了系统性研究。研究人员首先建立了坎伯兰湾的高分辨率三维水动力模型，水平分辨率约200米，垂直分辨率从表层的1米到底层的30米渐变。模型采用NEMO4(欧洲海洋模拟核心)框架，通过过程测试方法分离了边界强迫、大气强迫和淡水强迫等不同驱动因子的贡献。特别值得关注的是，研究团队开发了冰川下泄流产生的浮力驱动环流的参数化方案，通过离线羽流模型计算每日的"修正融水"体积通量Q_p(m³s^-1)。

在物理过程研究的基础上，团队进一步构建了冰鱼幼体的个体模型(IBM)。该模型采用拉格朗日粒子跟踪方法，模拟了2005-2009年间8月16日至10月15日期间每日释放的4462个粒子(代表幼体)的输运过程。粒子被限制在0-100米水层，模拟了冰鱼幼体观测到的垂直分布特征。通过分析90天跟踪期内粒子的滞留情况，量化了不同环境条件下幼体滞留的成功率。

3.1. 过程测试

研究发现坎伯兰湾环流存在明显的季节变化规律。夏季和秋季，大气强迫通过表面加热使上层水体增温，而淡水强迫通过冰川下泄流产生的浮力驱动环流则起到冷却作用。冬季和春季，淡水强迫的影响减弱，环流主要受大气强迫和边界强迫的相互作用控制。在深层水体中，边界强迫全年驱动着密集的沿岸流入和复杂的中层交换，这些过程又受到风场的调节。

西湾和东湾表现出不同的环流特征。西湾的浮力驱动流出影响了更深的表层水体，特别是在冰川附近区域；而东湾则表现出更典型的河口式环流，风场的影响相对较弱。这种空间差异主要源于两个海湾不同的海底地形和冰川接地线深度。

3.2. 个体模型模拟

粒子跟踪结果显示，冰鱼幼体的滞留存在显著的年间差异和空间差异。总体而言，西湾是更重要的产卵和滞留区，大多数成功滞留的粒子起始并终结于西湾。滞留成功率对幼体"孵化"时间与融水强迫周期的相对关系十分敏感，表明物理环境的季节变化对幼体存活有关键影响。

针对气候变化的敏感性实验表明，融水径流量增加会改变幼体滞留格局——8月孵化的幼体滞留率增加，而10月孵化的幼体滞留率降低。焚风事件的模拟显示，由于两个海湾相对于风向的朝向不同，焚风对东湾的幼体滞留有利，而对西湾的影响则相对复杂。这些结果突显了局地气象过程对海洋生态过程的潜在影响。

研究结论强调，峡湾环流变率是影响冰鱼幼体滞留的关键因素，而这一物理过程本身受到多种环境驱动力的调控。气候变化通过改变风场模式、融水径流和海水温度等要素，可能对冰鱼种群产生深远影响。西湾作为关键滞留区的识别，为南乔治亚岛海洋保护区的管理提供了科学依据。研究展示的多学科方法——结合水动力建模和个体模型——为理解气候变化下海洋生态系统响应提供了有力工具。

这项研究的发现不仅对南乔治亚岛海洋保护区和渔业管理有直接应用价值，也为全球类似峡湾生态系统的保护提供了参考框架。随着气候变化的持续，对物理-生态耦合过程的深入理解将变得越来越重要，这需要海洋学、生态学和渔业科学等多学科的持续合作与创新。