中国东部陆架边缘海海洋物理环境演变及其环境效应

项目名称： 中国东部陆架边缘海海洋物理环境演变及其环境效应首席科学家： 吴德星 中国海洋大学起止年限： 2005.12至2010.11依托部门： 教育部一、研究内容我国东部陆架边缘海环境演变主要受诸如大气强迫场，长江和黄河等入海物质通量及组成变化，洋流（主要黑潮）的外力驱动和太平洋潮波与其他波动传入的作用。

为此，针对经济可持续发展战略需求，在长江和黄河入海水沙量变化，营养盐和污染物剧增的背景下，结合气候变化、外洋强迫变化及大洋潮波与其他波动传入，根据项目的总体设想，提出以下拟解决的关键科学问题：1.海水中和边界上能量如何级联，并驱动物理环境演变事实上，海洋中各种运动现象和环流系统的产生、发展、变化或消衰的过程本质上是能量传递、累积、转换和消耗的过程，其量值的长期演变本质上控制着海洋物理场的演变。

因此，研究海洋物理环境演变必须首先回答海水中和边界上的能量级联及其如何驱动物理环境演变的问题。

该问题不仅是物理海洋学中的一个重要科学问题，同时也是研究海洋环境、保障重要海上开发活动安全和生物资源长期变化的理论基础。

2. 颗粒物输运路径、转化过程及其长期变化对物理环境演变如何响应从全球变化的角度，陆架边缘海是全球物质循环“源－汇”效应的过渡区。

但是，由于黑潮的屏障作用和中国东部边缘海特有的环流体系及较稳定的高浑浊度特点，中国东部陆架边缘海存在固有的物质“汇”特性。

这一固有的特性一定程度上影响生源要素形态结构及分布，进而对生物生产和渔业资源产生重要影响。

而研究颗粒物输运路径、转化过程及其长期变化，是揭示上述物质“汇”之内在机制的重要途径，也是连接物理环境演变与环境效应的纽带和重要理论问题。

3.生物资源对海洋环境演变如何响应海洋生态系统中的各种海洋生物均受到海洋环境演变直接和间接的影响，而浮游生物的反应尤其敏感，其群落结构及生物量的变化必然对渔业资源产生直接的影响；同时，海洋环境的演变也对渔业资源生物的种群结构、洄游、分布与渔场形成产生直接的影响。

东部陆架边缘海特有的水文状况和物质分布，决定了这一海域具有特定的生物群落并孕育了数个高产渔场，其中生存着许多优势生物类群及一些对环境变化敏感的指示种。

研究这些优势类群和指示种对海洋环境演变的响应是揭示生物群落结构、多样性与生物量变动的关键，也是研究资源评估、渔场变迁和渔业丰欠的基础。

围绕上述三个关键科学问题，重点开展以下三方面的研究：1.大气强迫变化、黑潮变异和黄河、长江入海物质通量变化驱动下海洋物理环境的演变及趋势预测（1）大气强迫变化驱动下的海洋物理环境演变利用已有的历史观测资料和卫星遥感资料，结合数据同化技术，建立研究海区50年时间尺度上的高时空分辨率的大气要素和海洋动力学要素场；分析大气环流和气象要素在“关注”时间尺度上的变率、周期和位相特征；揭示其主要控制因素及在50年时间尺度上大气强迫场和海洋物理场的变异行为，结合数值模拟，探讨大气强迫变化对海洋物理环境演变的影响过程。

（2）东海黑潮与陆架环流系统在年际和年代尺度上的相互作用机理通过分析太平洋历史观测资料和再分析资料，揭示东海黑潮的年际和年代变化规律；利用陆架边缘海环流模式、大洋环流模式与嵌套技术，研究东海黑潮与陆架环流在年际和年代尺度上的变化和相互作用。

（3）黄河和长江入海水沙通量变化对海洋物理场演变的影响基于已有的历史观测资料和卫星遥感资料，利用河口模式、陆架边缘海环流模式与嵌套技术，研究黄河、长江入海水沙通量变化对海洋物理环境演变的作用，探讨人类活动对海洋物理环境演变的作用。

（4）海水中和边界上能量级联及其对物理环境演变的作用机理通过探讨“潮致体力”对环流做功的机制，研究潮汐、潮流与环流的能量级联；通过探讨海浪混合作用导致的重力位能变化机制，研究海浪与环流的能量级联；通过探讨海浪辐射应力作用，研究高频大气强迫转换成低频海水运动的能量级联；通过探讨浮力通量变化连带的重力位能变化及调整环流的机制，研究与浮力变化相关的能量级联过程；在探讨黑潮的变异与陆架环流的相互作用机制的基础上，研究两者之间的能量级联；通过能量级联分析，研究海洋物理环境的演变机理。

（5）渤黄东海物理环境演变规律及演变趋势利用重构的50年海洋物理场和外强迫场数据，通过模态分解和分析研究不同时间尺度现象的特征与其内在关系；研究相邻海域物理环境变化间的耦合关系；通过复合分析，研究黄海冷水团及相应环流年际、年代变化；通过分析能量传递 、累积、转换和消耗过程，研究温盐密度场及颗粒物浓度长期变化，探讨海洋物理环境演变过程；基于数据同化技术，构建半预测海洋数值模式，探讨海洋物理环境演变趋势、预测方法。

（6）边缘海颗粒物“源－汇”效应通过关键区段现场调查，结合河流通量历史资料以及海洋物理过程模拟，研究黄河口、长江口和苏北高浑浊海域颗粒物在边缘海中起动-搬运-沉降途径与多重循环的动力过程与机制；研究沿岸流、关键海洋锋面和海水－沉积物界面过程中颗粒物、生源要素的“源-汇”效应及与生物生产的耦合关系；通过现场调查和遥感监测，研究黑潮对中国东部陆架边缘海颗粒物扩散的屏障效应；结合物理环境演变和沉积记录，研究颗粒物输运途径及中国东部陆架边缘海“汇”效应对物理环境演变的响应。

2. 典型水域关键沉积、化学过程与生物多样性对海洋物理场演变的响应（1）海洋物理环境百年际演变的沉积记录利用高分辨率浅地层资料，选取中国东部边缘海典型“汇”区，获得沉积连续性好、沉积速率快的沉积样品，在年代标定和地球化学、古生物学和矿物学等的环境替代性指标分析基础上，将高分辨率沉积记录与区域气候变化、黄河改道和人类活动影响相结合，研究陆架边缘海固有物质“汇”特性的百年际演变特征，进而反映中国东部陆架边缘海环流、水团系统的演变特征。

（2）生物地球化学循环变化对物理环境演变的响应运用具有普遍性意义的“标识物”或环境替代性指标，从物质“源－汇”效应入手，研究生源要素在沿岸流及其锋面过程中的生物地球化学循环及其对物理环境演变的响应。

运用颗粒物和沉积物化学组成和同位素化学特征，研究陆源物质输运的长期变化；通过现场调查和历史资料分析，研究陆源水系变化对高浑浊度海域营养盐形态结构、时空分布及初级生产限制条件的影响；应用水体逗留时间多核素示踪技术，研究典型海区的水体更新率。

（3）浮游生物多样性对海洋物理环境演变的响应利用传统分类学方法并结合分子标记等分子生物学技术，研究典型水域浮游生物的物种多样性、遗传多样性，分析、比较不同水域浮游生物群落演替规律及其与环境演变的相关性；采用现代生物学技术，研究不同海洋环境条件下浮游生物指示种或典型种在生理、生化或遗传水平上的响应，探讨浮游生物对海洋环境演变响应的生物学机制。

（4）渔业生物资源变动对海洋物理环境演变的响应结合典型渔场的流场和温盐场长期变化，研究重点鱼种的种群划分，同时以底层渔业资源种群结构与渔业产量数据为基础，分析海洋物理环境演变对底层渔业资源种类多样性、生态演替、资源补充的影响机制；结合卫星遥感资料，调查跟踪中上层鱼类时空分布、洄游路线及中心渔场的位置，研究中上层鱼类集群与海洋环境的关系，建立渔业资源、渔情、渔场的动态趋势预测方法，并构建具有区域特色的“渔场海洋学”理论框架。

3．海洋环境信息集成及其对海上开发活动的决策支持（1）信息集成与环境安全保障对策利用数据同化与融合技术，对研究海域海洋物理环境和海洋生物资源数据进行四维重构，在此基础上，建立研究海区的多学科动态数据库，通过自主研发的海洋GIS平台，对多元海洋物理、化学、沉积和生物信息进行时空分析和多维可视化。

在海洋物理环境演变趋势预测的基础上，根据经济建设发展需求，构建针对典型海区环境安全保障的对策，从而形成一个集数据平台、知识创新与决策支持为一体的交互式综合应用系统。

（2）海上活动的海洋物理环境保障利用50年海洋物理场和外强迫场数据，研究海洋物理环境演变背景下极端天气过程和海洋环境对海上开发活动的影响；给出海上极端海洋和天气过程相关的统计特征数据，提供海上开发活动的策划、准备、组织和实施所需的环境参数。

二、预期目标（一）总体目标揭示我国东部陆架边缘海物理环境演变规律和驱动机制，探明该海区物质循环演变机理，阐明生物与渔业资源变动规律及其与海洋物理环境演变的内在关系，建立具有区域特色的陆架边缘海物理环境演变及环境效应的理论体系；为丰富全球变化研究的基础理论做出贡献。

促进跨学科创新人才的培养和创新团队的建设，使我国陆架边缘海研究团队水平进入国际先进行列。

（二）五年目标在基础理论研究上：阐明海洋能量级联机制和海洋物理环境演变规律；揭示海洋物理环境演变的主导过程，颗粒物输运路径、转化过程；确定声场结构与温度、盐度和颗粒物特性与浓度变化的对应关系；确定颗粒物、生源要素、浮游生物与重要经济渔业资源优势种群对海洋物理环境演变的响应关系和典型渔场形成、消长与海洋环境变化的应答关系；丰富海洋物理环境演变理论体系。

在满足国家需求和技术进步上：建立海洋物理环境演变趋势的预测模型、重要经济渔业资源动态趋势的预测模型；建立海洋信息数据库；阐明海洋物理环境演变背景下极端天气过程和海洋局部环境变化对海上开发活动的影响，提供服务海上环境保障的信息和技术；建立我国东部陆架边缘海海洋物理环境动态信息示范系统。

在定量指标上：发表论文300篇以上，其中国际著名学术刊物论文60篇以上，出版专著2-3部；培育具有国际竞争力的创新团队1-2个，培养研究生80人以上；举办有一定影响的国际专题学术会议2－3次，参加国际学术会议70人次以上；按要求及时提交完整的数据库、图集、模式及相关技术报告。

三、研究方案1．总体研究思路在“地球系统科学”思想的指导下，遵循有限目标的原则，注重学科的交叉和研究方法的创新。

以能量级联机制为核心，研究海洋物理环境的演变规律；以颗粒物流为主线，揭示物质的“源-汇”效应及其变化；以服务海上开发活动为着眼点，研究海洋物理环境演变的环境效应，研发海洋环境信息集成技术；集成研究结果，实现对海上开发活动的决策支持，服务国家需求。

（1）在研究海洋物理环境演变中，注重渤黄东海的关联，突出关键动力过程的能量级联，充分考虑大气要素场、东海黑潮、径流输入等外强迫的作用，加强模型结果与现场观测的印证。

（2）在研究陆架边缘海物质的“源-汇”效应和生源要素循环的长期变动中，突出物理环境演变对颗粒物流的控制作用和对海上开发活动的环境保障作用，在研究方法上注重“标识物”和环境替代性指标的综合运用和相互印证。

（3）以反映海洋环境演变的指示生物为线索，以典型水域重要渔业资源生物为主要研究对象，宏观和微观相结合，研究生物群落演替的特征与规律，阐明海域浮游生物变化和渔业资源变动趋势对海洋物理环境演变的响应。