一个涵盖北大西洋、北太平洋和北冰洋的加拿大全国海洋生物地球化学模型

《Atmosphere-Ocean》：A Canada-Wide Ocean Biogeochemical Model Encompassing the North Atlantic, North Pacific and Arctic Oceans

本研究开发了覆盖加拿大周边海域的高分辨率海洋生物地球化学模型，评估了铁限制、沉积物交互作用、河流营养输入及光衰减等过程对模型输出的影响。结果表明，优化参数可增强春季和夏季浮游生物对碳和营养的固定，但不同过程对模型的影响因区域而异，北极和北太平洋地区尤为显著，需改进铁源汇的参数化。

　　本文探讨了一项针对加拿大周边海洋区域的高分辨率数值海洋模型开发工作，该模型整合了生物地球化学过程。研究区域涵盖了从加拿大东部延伸至26°N的北大西洋，以及从西部至44°N的北太平洋，还包括整个北极海洋。该模型采用约0.25°的经纬度空间分辨率，并包含75个垂直层次，旨在评估不同生物地球化学模型参数在多样化海洋环境中的最佳选择。研究团队利用多种验证数据集，包括卫星观测的海洋颜色数据（如海面叶绿素和有机碳浓度、整合的初级生产力）、表面pCO?数据，以及来自船只和阿戈浮标测量的深度剖面的氧气和硝酸盐浓度，对模型的准确性进行了评估。

研究还考察了多种生物地球化学过程，如交互作用的沉积物、河流营养物质、河流中溶解有机碳对光的衰减效应，以及铁限制等因素。结果表明，最优参数集应能有效限制浮游植物因摄食或其他过程导致的损失，以确保春季和夏季在这些区域对溶解无机碳和营养物质的强烈生物抽取作用。然而，研究发现，过度或不足的抽取均会对模型结果产生偏差。相比之下，其他过程如沉积物交互、河流营养物质或CDOM光衰减对大多数地区的模型结果影响较弱。

在某些大河流入区域或广阔大陆架区域，河流营养物质可能引起局部pCO?的显著下降，最多可减少60 μatm。同时，CDOM对光的衰减或营养物质在沉积物中的固存作用可能降低初级生产力和浮游动物的生物量。值得注意的是，铁限制效应即使在通常被认为是铁丰富的区域中也具有重要意义，这表明一个能够涵盖铁限制与非铁限制区域的模型需要精确地指定铁的来源和汇。

在加拿大广泛海域的模拟中，研究发现，浮游植物群落结构是模型数据一致性的重要决定因素。参数集对浮游植物生物量和生产力的影响尤为显著，而这些参数的调整也会影响模型对其他生物地球化学指标的模拟效果。实验结果表明，调整这些参数可以有效改善模型对叶绿素、硝酸盐和pCO?等关键指标的模拟表现。

研究团队将模型区域划分为九个验证区域，包括东亚极太平洋、西亚极太平洋、白令海、贝aufort海、丘奇奇海、北方巴芬湾、拉布拉多海/戴维斯海峡、大西洋/北极过渡区和北大西洋。这些区域的划分基于现有文献和加拿大海洋学界的讨论，以确保模型能够更好地反映不同区域的海洋学特性。由于模型分辨率有限，许多边缘海（如哈德逊湾和鄂霍次克海）未被纳入研究范围，这可能是由于这些区域的海洋环流难以准确模拟，且验证数据有限。

在对不同参数实验进行分析时，研究发现某些参数集在模型数据一致性方面表现更优。例如，实验3在多数区域显示出比基准参数集更合理的初级生产力、浮游动物生物量和浮游植物群落结构。而实验6和7则表现出过度的初级生产力和浮游植物生物量，同时在其他指标上存在较大的偏差。这些结果表明，参数集的选择对模型表现具有显著影响，且最佳参数集应位于过度抽取与不足抽取之间的平衡点。

此外，研究还评估了额外的生物地球化学过程对模型结果的影响。例如，河流营养物质的引入虽然对某些区域的初级生产力有明显提升作用，但对整体模型性能的改善有限。CDOM对光的衰减效应则在北极大陆架区域影响较大，可能减少区域平均初级生产力达28%。而交互作用的沉积物则在北极区域对初级生产力和浮游动物生物量产生显著抑制作用，尤其在那些具有广阔大陆架和短生长季节的地区。

在铁限制的模拟中，研究发现即使在通常被认为是铁丰富的区域，铁限制也对模型结果有非忽视的影响。例如，在东亚极太平洋区域，当铁限制被激活后，表面硝酸盐浓度和pCO?的偏差明显改善，而表面叶绿素的偏差也有所减少。然而，在西亚极太平洋和白令海区域，铁限制的激活反而加剧了模型偏差，这可能与模型对铁的来源和汇的表征不够准确有关。

研究还指出，当前模型在北极区域的初级生产力模拟存在系统性偏低的问题，尤其是在丘奇奇海。这一偏差可能与模拟时间段和观测数据时间段的不匹配有关，特别是由于海冰覆盖的长期下降趋势。同时，模型对海冰的模拟可能也存在偏差，导致浮游植物在生长季节过早耗尽可用营养物质。此外，模型的结构问题可能也是造成北极初级生产力偏低的原因之一，即是否需要在模型中引入更多功能性的浮游植物群组以更准确地模拟不同环境下的生态响应。

从模型整体来看，尽管在某些指标上表现良好，但在其他方面仍存在明显的偏差。这表明，要实现一个在多种海洋环境中均能准确模拟生物地球化学过程的模型，仍需进一步优化参数集，并考虑更多复杂的生物地球化学过程。此外，模型的参数选择和额外过程的引入对初级生产力和浮游动物生物量的影响相对较小，这可能意味着这些过程对模型性能的提升有限。

研究还指出，模型对参数变化的响应在不同区域中可能有所不同，即某些区域可能对特定参数的调整更敏感，而其他区域则相对不敏感。例如，实验1在高纬度区域表现出向硅藻主导的群落结构转变，而在温带区域则表现出向纳米浮游植物主导的转变。这表明，参数调整需要考虑区域间的差异性，而不能一概而论。

从模型的结构来看，尽管其参数集经过调整，但在某些方面仍存在局限性。例如，当前模型未考虑浮游植物的过度细胞内有机碳释放和叶绿素的光氧化过程，这些过程在热带和亚热带水域可能较为重要，但在本研究区域中影响较小。此外，氮固定和脱氮过程在本研究中也被忽略，因为它们主要发生在低纬度区域，而本模型在短时间尺度上不涉及全球氮循环的平衡。

研究团队还发现，模型在不同参数配置下表现出的模型-数据偏差并不总是具有相同的符号，即某些区域的偏差可能与其他区域的偏差方向相反。这提示模型参数的调整需要综合考虑多个区域的特征，并寻找一种在不同区域中均能保持较高一致性的参数集。

研究还强调了模型在季节性变化中的重要性。尽管模型使用的是一个单一的年份进行模拟，但该年份的平均数据与观测数据中的季节性变化具有较高的相关性。这表明，模型对季节性变化的响应在某些指标上是可靠的，尽管其对长期趋势的模拟可能存在偏差。

研究团队指出，当前模型在模拟某些区域的初级生产力时，存在系统性偏低的问题，这可能是由于模型结构本身的不足。然而，由于缺乏足够的验证数据，尤其是来自高纬度区域的数据，这些偏差的来源仍难以完全确定。因此，未来的研究需要在更长的时间范围内进行模拟，并进一步增加对这些区域的观测数据。

最后，研究总结指出，尽管模型在多个指标上表现出色，但在某些方面仍存在改进空间。例如，模型对浮游植物群落结构的模拟仍需进一步优化，以更准确地反映不同区域的生态特征。此外，铁限制的处理和模型对河流输入区域的模拟仍需进一步研究，以提高模型在这些关键区域的准确性。未来的工作将包括更长时间的模拟、对海冰变化趋势对季节循环影响的更具体评估，以及对次表层氧气浓度变化趋势的分析，这些变化可能对浮游植物群落结构和有机物输出具有重要影响。