黑潮及延伸体区域通过平流和垂直混合向透光层输送营养盐的机制研究

推荐：本研究针对"黑潮悖论"现象，通过高分辨率物理-生物耦合模型，首次系统量化了黑潮及延伸体区域透光层(0-100 m)硝酸盐的水平/垂直输送通量，揭示了吕宋海峡上升流(贡献3.8 kmol s-1)、日本沿岸输入(14.3 kmol s-1)和延伸体区涡度守恒驱动的交错上升流(5.2 kmol s-1)三大关键过程，证实垂直混合与平流对营养盐供给具有同等重要性，为解析西边界流区高生产力机制提供新见解。

　　

在浩瀚的西北太平洋，黑潮作为全球最强的西边界流之一，长期存在一个令人费解的"黑潮悖论"现象：虽然表层水体贫营养化，却支撑着丰富的渔业资源。传统理论认为，只有透光层（euphotic layer，约0-100米深度）的营养盐才能被浮游植物利用，但黑潮区营养盐如何突破物理屏障进入透光层，一直是物理海洋学和生物地球化学交叉领域的重大科学问题。

为破解这一谜题，研究人员采用全球1/10°高分辨率的物理-生物耦合模型OFES-NP，结合现场微结构观测数据，首次系统量化了从吕宋岛东部至160°E的黑潮延伸体区域透光层内硝酸盐的输送通量。研究发现黑潮下游硝酸盐输送呈现显著空间异质性：吕宋岛东侧为2.8 kmol s^-1，台湾以东增至7.9 kmol s^-1，吐噶喇海峡附近达8.9 kmol s^-1，至伊豆-小笠原海岭区域达到峰值21.5 kmol s^-1。这种非线性增长主要受三大机制调控：

研究采用的主要技术包括：1）基于OFES海洋环流模型与NPZD生物模型的耦合系统，水平分辨率1/10°，垂直54层；2）利用1995-2012年月平均模拟数据计算硝酸盐通量；3）结合TurboMAP-L微结构剖面仪实测的垂直涡扩散系数；4）通过ARMOR3D再分析数据和WOA13观测验证模型可靠性。

【垂直结构特征】
模型揭示透光层硝酸盐浓度呈现显著垂向梯度，所有断面最大浓度均出现在100米深度近岸侧。水平通量峰值（1.4-3.2 mmol m^-2 s^-1）对应着0.17-0.87 m s^-1的流速核心区，且位置较流速核心更偏向岸侧。

【吕宋海峡上升流】
通过24 σ_θ等密度面分析发现，黑潮主流和入侵南海分支导致等密度面抬升，产生达3.75 kmol s^-1的硝酸盐垂向输送，贡献了吕宋海峡至台湾以东51%的输送增量。风应力curl驱动的上升流影响范围与此存在显著差异。

【日本南岸输入】
沿岸上升流以16.4 kmol s^-1通量向透光层输送硝酸盐，其中87%通过水平平流进入黑潮主流。该过程可能与地形诱导的涡旋脱落（如纪伊半岛的涡旋生成）或黑潮锋面扰动有关，理论可支持70.6 gC m^-2 yr^-1的初级生产力。

【延伸体区交错上升流】
在23.5-26 σ_θ层，绝对涡度(η=ζ+f)的平流变化导致典型的上升-下沉交错分布，符合位势涡度守恒原理。这种"泵吸"机制为延伸体区贡献了5.16 kmol s^-1的净硝酸盐输入。

【湍流混合贡献】
微结构观测显示吐噶喇海峡的垂直涡扩散系数(K_z)高达1.55×10^-4 m² s^-1。通过四种梯度估算方法证实，垂直扩散在东海的贡献(0.28-0.68 kmol s^-1)与平流相当，而在日本以南可抵消3.44 kmol s^-1的下沉通量。

【涡致输送效应】
涡旋活动显著改变平均输送格局：在伊豆-小笠原海岭断面产生2.80 kmol s^-1的离岸通量，在黑潮-亲潮混合区引发9.34 kmol s^-1的向南输送，同时在日本以南通过2.66 kmol s^-1的向上通量补偿了平均流的下沉效应。

这项发表在《Progress in Oceanography》的研究，首次系统阐明了黑潮系统透光层营养盐补给的多尺度调控机制。研究突破传统上对垂直混合作用的单一认知，揭示出等密度面变形、涡度守恒和边界过程共同构成的"三维输送网络"，为理解西边界流区高生产力维持机制提供了新的理论框架。特别是发现日本沿岸输入占黑潮主流营养盐来源的66%，这一结论对区域渔业资源管理具有重要指导意义。未来需要结合亚中尺度过程观测和更高分辨率的生物地球化学模型，进一步量化各过程的相对贡献及其时空变异特征。