塞内加尔南部陆架底层溶解氧的多尺度变异性：基于高分辨率耦合模型的机制解析

研究人员针对西非塞内加尔南部陆架(SSUS)底层水体间歇性缺氧问题，通过建立2公里高分辨率区域耦合模型(CROCO-PISCES)，系统研究了2015-2019年间溶解氧(DO)的季节、天气尺度和年际变化特征。研究发现上升流季节深层低氧水的平流输入与垂直混合的再氧作用形成动态平衡，而夏季弱环流导致外陆架底层水体滞留是缺氧主因。该研究首次揭示了该区域DO变化的物理-生物地球化学耦合机制，为西非沿岸生态系统管理提供了科学依据。

　　

在气候变化和人类活动双重压力下，全球海洋正经历着"呼吸衰竭"的危机。最新观测表明，1960年以来全球海洋平均溶解氧(DO)浓度已下降2%，而地球系统模型预测到210年可能进一步减少1%-7%。这种脱氧趋势在营养盐富集的沿岸区域尤为显著，西非塞内加尔南部陆架(SSUS)作为典型的东边界上升流系统(EBUS)，其底层水体已多次出现间歇性缺氧甚至无氧事件。2012年3月该区域曾记录到持续2天的无氧事件，导致氮素通过反硝化作用流失。然而受限于观测数据匮乏，人们对这个支撑重要渔业资源的生态敏感区，其缺氧事件的时空格局和形成机制仍知之甚少。

为破解这一科学难题，来自法国海洋开发研究院(Ifremer)等机构的研究团队在《Deep Sea Research Part II: Topical Studies in Oceanography》发表了创新性研究成果。该研究构建了2公里高分辨率的区域耦合模型，将水动力模型CROCO与生物地球化学模型PISCES有机结合，首次系统揭示了SSUS区域底层DO的多尺度变异特征及其调控机制。研究团队利用Melax系泊观测数据验证模型性能，通过DO收支分析和拉格朗日粒子追踪等先进方法，定量解析了物理输送与生物地球化学过程的相对贡献。

研究采用的关键技术包括：1) 基于AGRIF的网格嵌套技术，实现10公里父网格与2公里子网格的双向耦合；2) WENO5平流方案确保生物地球化学要素计算的数值稳定性；3) KPP垂直混合参数化方案；4) 基于ROFF软件的拉格朗日粒子追踪技术；5) 采用ASCAT日风场和MERCATOR再分析数据驱动模型。

【模型描述与验证】
研究采用的CROCO-PISCES耦合模型成功再现了SSUS区域DO的时空变化特征。与Melax系泊观测对比显示，模型能较好捕捉DO的季节和天气尺度波动，如2015年3-4月和2016年4月的典型波动事件。垂直结构方面，模型再现了观测中约25米深度处的显著氧跃层，以及底层约100 μmol L^-1的低DO特征，但在某些时段对中层低氧核心的模拟存在约25 μmol L^-1的高估。

【季节尺度DO收支】
在上升流盛季(2-4月，FMA)，研究发现了有趣的"平流亏损-混合补偿"机制：20-30米等深线附近，底层流的跨陆架输送将低氧水(<100 μmol L^-1)向岸平流，造成约-15 μmol L^-1 day^-1的DO损失；而强烈的风生混合(最大达6×10^-3 m² s^-1)通过表层富氧水下沉产生约+17 μmol L^-1 day^-1的补偿效应。生物过程方面，再生生产(PRP)和新生产(PNP)分别在表层产生约10和5 μmol L^-1 day^-1的DO，但被有机质矿化(REMIN)和浮游动物呼吸(RESPZ)过程完全抵消。

【年际变异特征】
模型揭示了2017年FMA和2016年JAS两个显著缺氧事件的形成机制。拉格朗日分析显示，2017年南部外陆架(12.8°N-13.2°N)底层水滞留时间异常延长，底部流速标准差较常年低20%，导致局部REMIN消耗加剧。而2016年夏季则因前期源水DO本底值偏低(<70 μmol L^-1)，加之弱环流环境，造成13°N-14°N区域大范围缺氧。值得注意的是，这两个事件中POM输出量均非历史极值，证实水动力条件是缺氧的主控因素。

【天气尺度过程】
研究统计了24次上升流事件，发现多数事件(约60%)导致DO下降，其中2016年一次强事件(CUI≈2 Nm^-2 day)引发高达110 μmol L^-1的DO骤降。典型事件中，平流(ADV)和生物(BIO)分别贡献约-30和-15 μmol L^-1的消耗，而垂直混合(VMIX)可产生+20 μmol L^-1的补偿。少数"反常"事件中，强烈的湍流混合(达100 μmol L^-1)或北向平流可导致DO不降反升。

这项研究首次系统阐明了SSUS区域DO变异的物理-生物地球化学耦合机制，建立了"风场-环流-混合-生态"的级联响应框架。其创新性体现在：1) 揭示上升流季节平流