离线Fennel模型在地中海生物地球化学模拟中的有效性评估与应用前景

推荐：本研究针对海洋生态系统建模中数据有限和计算资源不足的挑战，开发了基于ROMS(Regional Ocean Modeling System)的离线Fennel生物地球化学模型。通过将生物示踪场模拟与物理海洋模拟解耦，显著提升了计算效率。研究验证了该模型在西北地中海海区对叶绿素时空格局的模拟能力，并首次实现了与BGC-Argo浮标和卫星数据的多维度验证，为独立开展高分辨率生物地球化学模拟提供了新范式。

　　

海洋生态系统建模正面临前所未有的挑战。随着人类活动加剧和气候变化影响，海洋的物理、化学和生物组分持续发生变化。准确模拟生物地球化学组分的分布对于理解气候变化影响和评估海洋生态系统功能至关重要。然而，传统的耦合海洋-生态系统模型往往受限于数据可获得性和计算资源，特别是在高分辨率实验中。这种局限性促使科学家们寻求更高效的建模方法——将生物示踪场模拟与物理海洋模拟分离运行，即"离线"生物地球化学模拟。

在这项发表于《Ocean Modelling》的研究中，科研团队开发并验证了名为"离线Fennel"的生物地球化学模型。该模型基于区域海洋模型系统(ROMS)，通过利用ROMS水动力输出数据来独立运行生物地球化学模拟。研究首次对该离线生物地球化学模型进行了实地验证，采用多种技能指标将模拟的表面叶绿素与2015-2020年期间的海洋颜色数据集（哥白尼海洋服务地中海海洋颜色）和BGC-Argo浮标数据进行比较。

研究采用了多项关键技术方法：1)基于ROMS-Rutgers实现的高分辨率(2km)物理海洋模拟；2)改进的离线示踪模型代码，新增磷酸盐(PO₄)等示踪剂；3)结合ERA-5和CCMP NRT大气强迫数据；4)使用BGC-Argo浮标垂直剖面数据和卫星遥感数据进行多尺度验证；5)经验正交函数(EOF)分析时空变异特征。

研究结果主要包含以下几个方面：

4.1 离线模型评估
模型能够较好地再现研究区域（西北地中海海区）主要叶绿素波动模式的时空结构。与BGC-Argo数据的对比显示，叶绿素剖面在冬季和春季具有较高相关性（相关系数0.60-0.71），硝酸盐剖面也表现出良好的相关性。与卫星观测相比，模型总体上再现了主要叶绿素波动的时间特征（全域平均r=0.70），尽管在近岸区域存在一定低估。

4.2 年度周期和海洋学过程评估
模型成功捕捉了研究区域的典型生物地球化学特征：1)叶绿素浓度呈现明显年周期，在春季达到峰值（0.05-1.22 mg m^-3）；2)罗纳河和埃布罗河输入对营养盐分布的显著影响；3)混合层深度(MLD)的季节性变化，冬季最大深度达110米；4)中尺度水团结构对生物分布的调控作用。垂直剖面分析证实了模型再现开放海域生产力和陆架区叶绿素沉降的能力。

研究结论部分强调，离线Fennel模型在西北地中海海区的应用表现出色，能够准确模拟该区域复杂的生物地球化学过程。这种离线模拟方法不仅计算效率高（比在线耦合模拟快3倍），而且允许重复使用现有物理模拟数据进行多种生物地球化学实验，为区域海洋生态系统研究提供了新的工具。该研究为需要独立于计算密集型物理模拟执行更多生物地球化学模拟的ROMS用户提供了基准，特别是在高分辨率实验中具有重要应用价值。未来研究可进一步测试该模型在强深水对流事件年份的表现，以及其对深层叶绿素最大值(DCM)等垂直特征的模拟能力。