珠江口不同路径（西行 vs. 东行登陆）台风事件下海洋浮游植物的响应

《Estuarine, Coastal and Shelf Science》：Marine Phytoplankton Responses to Typhoon Events with Different Tracks (West vs. East-landing) in the Pearl River Estuary

　　

摘要

台风可引发一系列相互关联的海洋生物地球化学过程。本研究将碳-硅酸盐-氮生态系统模型（CoSiNE）与非结构网格的半隐式跨尺度水科学集成系统模型（SCHISM）耦合，考察了2012至2022年间珠江口（PRE）对台风的生物地球化学响应。两类台风路径——东登陆台风（东登陆）和西登陆台风（西登陆）——之间呈现出系统性的差异。模式浮游植物收支分析表明，水动力过程是河口外叶绿素a（Chla）异常变化的主要驱动因素。西登陆台风以强烈的台风诱导垂直混合为特征，而东登陆台风则主要受水平平流控制。与西登陆相比，东登陆更有效地将营养盐从河口和近岸水体输送至外海，从而促进浮游植物生长。此外，两个模拟的浮游植物群体对台风表现出不同的响应：西登陆导致小型浮游植物增加，随后硅藻增加，而东登陆导致两类浮游植物几乎同时变化。模式模拟表明，这些差异响应与营养盐供给和物理过程有关。磷限制（P限制）是台风期间PRE中浮游植物增殖的主要制约因素，东登陆在缓解P限制方面更为有效。这些沿海地区对台风的生物地球化学响应受台风路径的强烈调制，台风路径控制着珠江羽流（PRP）的重新分配及相关生态系统过程。这些发现为PRE中台风驱动的生物地球化学响应提供了机制性见解，增强了对沿海生态响应台风的理解，并提高了我们在极端天气事件期间预测短期生态系统变化的能力。

引言

台风是一种极端天气事件，其产生的气旋风场及相关上层海洋混合可显著影响海洋物理-生态过程（Price, 1981），包括局部上升流、表面冷却、次表层营养盐卷吸和藻华（Han Zhang等, 2021；Chen等, 2023）。以往研究表明，台风诱导的垂直混合和上升流可将富含营养盐的次表层水体卷入光合带，从而增强浮游植物丰度（Lin等, 2003）。然而，在沿海地区，由于河流输入和沿海上升流系统对浮游植物分布的相互关联影响，浮游植物对台风强迫的响应要复杂得多（Pan等, 2017）。台风引起的河流淡水输入增加可刺激浮游植物水华（Zhao等, 2009；Chen等, 2023），并可能改变浮游植物群落组成（Thompson等, 2023）。近期研究进一步表明，在某些情况下，这些效应可能主要源于现有浮游植物生物量的物理重新分配，而非原位生物生长（Chai等, 2021；Qiu等, 2021；Zhang等, 2024b；Fang等, 2025；Lin等, 2025）。然而，大多数现有研究集中在单个台风事件上，对不同类型台风之间的系统性、定量比较仍然有限。此外，不同水动力和生态背景下海洋对台风的响应差异显著（Wang等, 2022；Wang和Xiu, 2022）。

位于南海（SCS）北部的珠江口（PRE）是中国受台风影响最频繁和严重的地区之一（Chen等, 2013）。珠江是中国第二大河流，在汛期向沿海海洋输送大量淡水和陆源物质（Harrison等, 2008；Zhi等, 2022），从而对浮游植物分布产生强烈影响（Gan等, 2010）。夏季，西南季风盛行并驱动北部南海的环流（Jing等, 2009），珠江羽流（PRP）被迫从河口向东延伸（Dong等, 2004）。台风主要发生在夏季，可扰乱背景风和环流，增强混合并驱动PRP与周围陆架水体的重新分配（Zhang等, 2020；Chen等, 2022）。与南海外陆架的氮限制（N限制）不同，PRP的特征是潜在的磷限制（P限制）（Gan等, 2014）。对该区域浮游植物群落的研究同样揭示了显著的时空变异性。例如，Li等（2017）表明，在珠江口，细菌浮游生物的丰度和群落结构不仅受盐度控制，还与浮游植物生物量密切相关，特别是在雨季的羽流锋面区，浮游植物增殖促进了相关细菌群体的生长。在更广阔的北部南海，Xiao等（2018）同样表明，夏季硅藻的高生物量区域主要局限于直接受珠江羽流影响的沿海陆架区域，而原绿球藻（Prochlorococcus）、聚球藻（Synechococcus）和壶菌（haptophytes）等小型浮游植物则主导了贫营养的外海水体。因此，台风在沿海地区产生的影响具有空间异质性，较浅水体的物理和生物地球化学响应更为显著（Chen等, 2017；Li和Tang, 2022），这也与相对较浅的混合层深度（MLD）有关（Jiang等, 2023）。台风驱动的物理和生物地球化学响应最终是促进还是抑制浮游植物增殖尚不确定，一些研究表明在特定条件下台风扰动可能不利，例如通过增强有机物分解诱导低氧或增加悬浮颗粒物浓度（Chen等, 2023；Lao等, 2023b, 2023c）。

除背景海洋条件外，台风特征——包括路径、强度和移动速度——也能诱发不同的海洋响应（Pan等, 2017；Chen等, 2023）。Zhang等（2021）使用一维-三维耦合模型表明，台风诱导的强风和波浪增强的混合显著改变了PRE中淡水的输运路径和停留时间，使淡水体积增加10%~70%，冲淡时间延长5~15天。这些物理扰动不可避免地调制了营养盐分布和水柱分层，从而塑造了浮游植物群落的时空模式。一项在广东湛江湾（南海的一个半封闭海湾）的研究表明，在湾左侧登陆的台风增强了锋面强度并促进了高盐海水入侵海湾（Chen等, 2024）。相比之下，与右侧登陆相关的离岸风促进了海水从湾内外输，从而抑制了锋面发展。这些发现表明，台风路径而非强度或径流可能控制着沿海水动力学和营养盐供给。与半封闭的湛江湾不同，PRE经历强烈的河流排放，浮游植物分布更多受淡水强迫的调节（Gan等, 2010；Song等, 2011）。一项案例研究表明，类似湛江湾观察到的路径依赖响应在PRE中也存在（Zhao等, 2025）。

目前对不同台风路径如何影响PRE中浮游植物分布的认识仍然有限。需要进一步研究以阐明沿海水中浮游植物对不同台风路径响应的物理-生物地球化学机制，从而提高对短期极端天气事件下沿海生态系统变化的预测能力。鉴于台风事件期间原位观测的有限可获得性（Feng等, 2022），本研究采用水动力-生物地球化学耦合数值模型，系统考察了2012~2022年不同台风路径下台风影响及控制浮游植物重新分配的机制。

本文的组织如下。第2节描述数据集和方法，包括台风最佳路径数据、原位观测、耦合水动力-生物地球化学模型以及所采用的诊断和分析方法。第3节介绍模型验证、台风引起的生物地球化学状态变量变化及叶绿素a（Chla）诊断，并进一步讨论台风驱动浮游植物响应的机制。最后，第4节总结主要结论和模型局限。

章节节选

水动力-生物地球化学模型

所使用的水动力模型是半隐式跨尺度水科学集成系统模型（SCHISM）（Zhang等, 2015, 2016）。SCHISM是一种非结构网格模型，采用精确高效的半隐式有限元方法求解Navier-Stokes方程。

生物地球化学模型采用碳-硅酸盐-氮生态系统模型（CoSiNE），最初由Chai等（2002）开发用于模拟赤道太平洋及太平洋模型验证区域的海域地球化学过程

根据以往研究（Zhang等, 2024a），将PRE模型结果中的潮汐、盐度、温度、Chla和硝酸盐（NO3）与可用观测值进行比较。潮汐水位的关联系数（COR）高于0.9，均方根误差（RMSE）一般在0.2 m以内。温度的RMSE为0.86 °C，盐度的RMSE为1.82。为进一步评估多年模拟，使用了2012~2022年间DM5和MM13站位的观测数据（图3）。耦合模型捕捉到了

结论

本研究考察了2012~2022年影响PRE的台风，根据其登陆位置进行分类，揭示了西登陆和东登陆之间不同的物理和生态响应。研究发现，两种台风类型对河口动力学具有不同的控制作用。西登陆通过登陆期间增强的垂直混合影响PRE，而东登陆则以快速的平流过程为特征，主导浮游植物的输运（图11

开放研究

本研究中使用的台风数据来自中国气象局上海台风研究所（https://tcdata.typhoon.org.cn）。观测数据源自香港环境保护署提供的月度海水质量数据（https://www.epd.gov.hk）。本研究分析所用的主要模型输出可在https://doi.org/10.5281/zenodo.17218557（Zhang, 2025）获取。

CRediT作者贡献声明

Kewei Zhao：验证。Jingjing Zheng：数据整理。Xin Zhang：撰写—初稿、可视化、软件、方法学、概念化。Shan Gao：撰写—审阅与编辑、可视化、方法学、资金获取。Peng Xiu：撰写—审阅与编辑、验证、方法学、调查。Weiwei Fang：撰写—审阅与编辑、方法学、概念化。Xuanliang Ji：撰写—审阅与编辑、软件、资源。

未引用参考文献

Zhang等, 2021.

利益冲突

作者声明对本稿件不存在利益冲突。

竞争利益声明

? 作者声明没有已知的竞争性经济利益或个人关系可能影响本文所报告的工作。

致谢

本研究得到国家重点研发计划（编号2023YFC3107705和2023YFC3107702）以及南方海洋科学与工程广东省实验室（珠海）（编号SML2024SP023）的资助。

Xin Zhang | Shan Gao | Peng Xiu | Weiwei Fang | Xuanliang Ji | Kewei Zhao | Jingjing Zheng
厦门大学海洋与环境生态国家重点实验室 & 海洋与地球科学学院，中国厦门 361102