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渤黄海生态环境模拟的参数敏感度空间差异分析
作者:网站采编关键词:
摘要：1 引言 近年来，海洋生态系统模型逐渐成为研究复杂海洋生态环境的重要手段。然而，随着生态系统模型发展的逐渐复杂化，模型中生态参数增多且量值难以确定，逐渐成为限制其模拟
1 引言
近年来，海洋生态系统模型逐渐成为研究复杂海洋生态环境的重要手段。然而，随着生态系统模型发展的逐渐复杂化，模型中生态参数增多且量值难以确定，逐渐成为限制其模拟能力的瓶颈[1-2]。因此，确定影响模型结果的关键生态参数，可为模型调试及参数优化提供方向。在过去的几十年里，以浮游植物生物量变化对参数变化的响应进行的敏感性分析被广泛应用，是一种确定模型关键参数的有效手段[3]。Kishi等[4]通过在日本美川湾建立的生态模型得出模型中光合作用速率和浮游动植物的自然死亡率十分重要。高会旺等[5]在渤海建立了NPZD模型并提出浮游植物最大生长率、海水消光系数、浮游动物对浮游植物最大捕食率、捕食效率和碎屑的再矿化率是影响渤海水层生态系统年循环的主要因子。赵亮[6]在渤海建立浮游植物生态动力学模型，基于敏感性分析实验提出浮游植物最大生长率、浮游植物基础呼吸率、浮游植物死亡率、浮游动物捕食率、水底碎屑矿化率等参数比较敏感。Kuroda和Kishi[7]基于蒙特卡洛算法和主成分分析在北太平洋生态模型约80个模型参数中选出了8个影响最大的参数，包括0℃时的浮游植物光合作用速率、浮游动物死亡率、浮游植物死亡率和浮游动物捕食速率以及浮游植物吸收硝酸盐半饱和常数等几种。Ji等[8]在中国近海及邻近北太平洋建立一个研究碳循环的模型并指出浮游动物吸收速率、浮游动物最大生长率（20℃时）以及浮游动物基础代谢率是模型中的敏感参数。以上研究表明，不同海域生态模型的关键生态参数存在差异，即不同海域需要关注的关键生态参数有所不同。这是由于不同海区的生态系统结构不同，生态参数具有空间变化[2,9]。而目前的生态系统模型，参数值大多来自文献或实验室实验结果且一般在整个海区取一个常数，关于生态参数区域性的研究较少[10-11]。因此，了解关键参数的空间分布及区域特征，可为日后实现生态参数取值的空间变化奠定基础。
渤海和黄海是我国重要的半封闭陆架海，沿海地区人口和工业生产高度集中，具有陆源输入量大、海水交换差、初级生产力高等特点，是历年来的研究热点，海洋生态系统模型逐步发展并走向环境管理应用[5,6,12-21]。但以往研究中，并未考虑关键生态参数的空间差异。因此，本课题组在渤海、黄海建立并校验高分辨生态动力学模型，本文应用该模型对生态参数进行敏感性分析，探究影响浮游植物生物量的关键生态参数的空间分布，并通过收支计算定量地分析这些关键生态参数的敏感度出现空间差异的原因，为后续生态模型参数优化提供参考。
图 1 模型区域及水深分布Fig. 1 Bathymetry of model domain
2 数据和方法
2.1 观测数据
本文使用温度、盐度、叶绿素等现场观测数据对模型进行校验。校验数据包括2011年3月和2013年6月航次观测的温度和盐度，2012年6月、8月及2013年6月、7月、8月和9月航次观测的叶绿素数据。
2.2 模型介绍
本次研究使用的水动力模型为三维斜压原始方程模式 ROMS[22]（Regional Ocean Modelling System）。模型研究的区域为 29.85°～41.18°N，117.27°～127.36°E，覆盖全部渤海、黄海及邻近东海区域（图1）。模型水平分辨率为（1/24）°×（1/24）°，垂向分为 30 层，采用Mello-Yamada 2.5阶湍流闭合方案。耦合的生态模式是 CoSiNE[23]（The Carbon, Silicate and Nitrogen Ecosystem），包含两种浮游植物（小型浮游植物S1、硅藻S2）、两种浮游植物对应的叶绿素(小型浮游植物对应的叶绿素Chl1、大型浮游植物对应的叶绿素Chl2)、两种大小的浮游动物（小型浮游动物Z1、中型浮游动物Z2）、含氮碎屑、含硅碎屑、硝酸盐、铵盐、硅酸盐、磷酸盐、溶解无机碳、海水总碱度和溶解氧，模型示意图如图2所示。这些变量都受对流、扩散等物理过程影响。
模型中温度、盐度、无机氮、无机磷、无机硅和溶解氧的初始场数据为来自WOA13 V2（World Ocean Atlas 2013 V2）。叶绿素初始条件来自NEMOPISCES全球模型结果（ Coordinate Ocean Model, Ocean（中国海&印度尼西亚2016）模型计算所得，包括 M2、S2、K2、N2、K1、O1、Q1及P1等8个分潮的潮位和潮流数据。营养盐、叶绿素和溶解氧的开边界条件来自NEMO-PISCES全球模型月均结果。模型涵盖长江、钱塘江、淮河、黄河、海河、辽河、滦河、鸭绿江和汉江，其中长江的径流量数据来自大通站的观测结果，营养盐数据来自Global-News Model每月的数据[25]。其他河流的径流量和营养盐数据来自文献[26-28]。生态模式参数取值如表1所示，后续敏感性分析实验均以该取值为调整基础。模型从2006年1月1日开始运行至2013年12月31日，一共运行8年，考虑到模型的稳定时间，本文将分析2009年以后模型的结果。
文章来源：《环渤海经济瞭望》 网址: http://www.hbhjjw.cn/qikandaodu/2021/0412/819.html