加利福尼亚流系最小含氧带起始深度评估 - 海洋酸化与低氧

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研究背景及意义

由于全球性气候变暖，全球海洋的氧气浓度正在持续下降，这会对中、上层海洋的物理和生物地球化学循环产生重要影响。对于中层海洋，海洋环境温度持续升高，且人类活动向沿岸海域输送过量的营养物质刺激浮游植物生长，会导致海洋中层最小含氧带（Oxygen minimum zones, OMZs，溶解氧（Dissolved Oxygen, DO）＜60 μmol kg⁻¹）的形成深度在未来持续变浅，对生态系统的稳定性和渔业经济发展产生致命影响，以沿岸海洋生态系统尤为突出。OMZ的存在对鱼类的生长发育具有非常大的威胁。未来低氧区的持续扩张不仅对生活在OMZ上边界相对耐低氧的鱼和甲壳类动物的生存和生物栖息地产生直接的相关影响，还可能导致中上层/底栖鱼类/无脊椎动物的有利栖息地被压缩，改变生态系统中水生生物的生存和分布模式，因此确定OMZ的位置和范围对于生态系统的稳定性评估与灾害事件的防范具有重要作用。OMZ形成的起始深度（depth of hypoxia, DOH）是认识OMZs对海洋生物施加影响的一个重要衡量指标。DOH可用于判断OMZ是否形成，其在水柱内的纵向扩张程度，以及评估其对中层海洋生态系统施加的影响，从而实现对水生生物有利栖息地变化的识别和预判。总之，全球气候变化背景下的DOH改变将对水生生物施加的影响，并将这一影响反应在海洋上层浮游生物群落的改变上，最终可能会导致重大而复杂的生态系统响应。

图1 （左）加利福尼亚流系DOH卫星反演流程图。（右上）2003至2020年在CCS的DOH变化分布图。（右下）2003至2020年间卫星反演DOH演化特征。分为三个阶段：常规气候期间（2003~2013年），气候振荡期间（2014~2016年）和气候恢复恢复气候期间（2017~2020年）。

成果介绍

典型低氧区最小含氧带数据集包括典型低氧区最小含氧带的起始深度（depth of hypoxia, DOH），单位为米（m）。该数据集具有0.25°×0.25°的高空间分辨率，覆盖2003年1月至2020年12月的加利福尼亚流系（CCS）。经过独立的实测数据集验证，总体结果表现为R²=0.82，RMSE=37.69 m (n=80)。
该数据集使用MODIS海洋温度、叶绿素浓度和日平均海表面光合有效辐射计算的净生产力和温度数据作为输入。基于副热带北太平洋东部海域最小含氧带形成机制，利用非线性多项式回归反演模型，重建了CCS自2003年至2020年共计18年的DOH演化过程。结果显示：（1）2003~2013年间CCS沿岸海域的DOH呈现显著变浅趋势，结合其他历史实测DO剖面数据研究，该DOH变浅趋势存在已将近三十年。（2）2014~2015年东太平洋异常变暖现象以及随后2015~2016年发生的El Niño现象的出现，导致包括DOH在内的多个环境参数的演化趋势出现减缓，甚至完全逆转的改变，如DOH出现加深变化信号，暂时减缓了OMZ即dead zone的扩张。（3）气候振荡结束后，CCS的DOH整体不再呈现显著加深趋势，CCS生态系统正在缓慢的脱离强气候振荡事件的影响，但截至2020年末，DOH尚未完全恢复至2014年之前常规气候呈现的显著变浅特征。在当前全球变暖和人类活动压力增加的背景下，海水温度上升、有利于上升流的风增强和营养物质大量排放将导致未来OMZ的起始深度进一步变浅。浅化的DOH会影响水生生物并导致上层浮游植物群落的响应变化，最终可能导致整个海洋生态系统发生重大而复杂的改变。本数据集拓展了CCS区域内高时空分辨率的OMZ数据资料，有利于评估和预测生态系统和渔业经济的稳定性发展。

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