中国东部陆架边缘海海洋物理环境演变及其环境效应*，本文主要内容关键词为：陆架论文,环境论文,中国论文,效应论文,边缘论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
1 引言
中国东部陆架边缘海是支撑中华民族伟大复兴的经济海域。国家对其战略地位的高度重视，为海洋科学界深入开展相关研究创造了良好的机遇；同时，该海域出现的海洋资源与环境问题，已使我国必须面对来自经济、社会、国家安全和科学技术自身的巨大挑战：一些国家对该海域海洋环境与资源超出科学目的的深入研究和了解日益威胁到我国的根本国家利益；海洋生态环境质量的恶化不仅构成社会与经济可持续发展的巨大压力[1]，也严重威胁到创建和谐社会的宏伟目标。因此，面对上述机遇和挑战，紧密围绕“海洋环境”与“生物资源”两大战略问题，深入研究该区域的海洋物理环境演变及其环境效应是当前面临的迫切任务。
作为一个层化结构多变、多种运动形态耦合的复杂动力学系统，中国东部陆架边缘海中的生物过程、化学过程和沉积过程等在此复杂的动力学系统中发生与耦合[2～4]，故研究这样一个多时空尺度非线性海洋系统中物理环境的演变及其环境效应，不仅有助于揭示其海洋环境演变的规律，为保障海洋环境质量与渔业资源安全，服务国防安全和维护海洋权益提供科学支持，同时也将丰富全球变化研究的基础理论，并为建立具有区域特色的海洋环境演变理论体系奠定基础。
2 项目研究的目的及科学意义
中国东部陆架边缘海是指朝鲜半岛、九州岛、琉球岛链、台湾岛以内的渤黄东海；本项目界定的海洋物理环境是海洋温度、盐度、密度、颗粒物浓度和与之相应的环流系统；演变是指近50年来上述物理环境的较大幅度变化与变迁。气候变化和人类活动影响通过驱动海洋物理环境的演变控制着海洋中化学、生物和沉积过程，从而削弱或调整海洋的生态系统固有功能。海洋物理环境的演变是海洋环境演变中最基本最重要的演变形态。海洋环境与资源、全球变化、国防安全和海洋权益，都与海洋物理环境演变密切相关。因此，开展海洋物理环境演变及其环境效应研究，符合国家重大需求，亦是国际海洋学界研究的前沿热点[5～7]，具有重要的科学意义。主要体现在：
2.1 为国防安全和维护海洋权益提供支持
中国东部陆架边缘海的地理位置决定了其历来是我国领土安全的海上战略要地。清政府时的中日海战，日俄旅顺口的争夺，解放后苏联潜艇在这个海域的秘密活动，近期美日对该区不断加强的环境调查和海洋环境变化的预测研究等都是出于这种战略的考虑。由于此区特殊的地理位置和丰富的海洋资源，该区也是我国与日本、韩国和朝鲜海洋权益争夺激烈的海区。由于海水的运动性及其层化性，海军舰船的活动和水下隐蔽在很大程度受到海洋环流和温盐场变化的影响，另外，海水运动是海域污染和渔业资源等跨国界利益的主要确定依据。在高新技术和现代科学成为现代战争重要因素的今天，加强这个海域海洋物理环境演变及其生物资源环境效应的研究，为国防安全和维护海洋权益提供科学保障，已成为紧迫的任务。
2.2 海洋生态环境质量安全保障
该海域沿海地区承载了我国40％以上的人口，创造了60％以上的国民经济生产总值，是支撑中华民族伟大复兴的经济海域。沿海经济带的快速发展对该海域的资源与环境有着极大的依赖性，同时也赋予其沉重的环境压力。
改革开放以来，随着工农业经济、工业化及村镇城市化的快速发展，江河流域农药、化肥施用量和工业排污也快速增加，使得近岸海域营养盐、污染物含量剧增，其结果表现为海岸带生态系统受损，生物多样性减少，生物资源再生能力和食物安全受到严重影响，部分海底甚至出现无生命区。另外，由于气候变化和人类活动，致使黄河和长江入海水沙量锐减。相关资料表明，1997—2001年5年间黄河入海年平均水、沙量只有20世纪50年代年均值的11.1％和9.8％，与之相应的渤海盐度场也发生了很大的变化，长江口入海泥沙量也明显减少。由于黄河和长江入海水量和泥沙量的大幅度变化，渤黄东海局部原有的自然特性发生着变化。这种变化是否引发海洋生态系统结构与功能的重构？这已成为我们必须面对的新挑战。这些变化对全球环境产生级联效应，如果这种状况持续下去，我们的地球最终将会变成一个不适合人类和其他生命生存的星球。在此意义上讲，严酷的海洋环境质量和资源补充问题与战争、贫困、疾病和营养不良等灾难一样，对人类的生存构成了严重的威胁。伴随海洋物理场演变的海水运动、物质输运和扩散以及海洋生物地球化学过程，使海洋对污染物的净化能力发生相应的变化，如何在合理运用海洋自净能力，在海洋健康的基础上发展海岸带经济，使其不酿成灾难性的环境恶化，是海洋生态环境质量安全急需研究的问题。
2.3 渔业生物资源安全保障
我国的粮食短缺是相当长时期难以改变的现实，国家中长期科学和技术发展规划战略研究专题报告中将海洋渔业资源视为粮食紧缺资源替代战略的重要组成部分。渤黄东海是我国主要经济鱼虾类产卵、索饵和越冬栖息的场所，孕育了数个高产渔场，此海域的渔获量约占全国海洋渔业的70％，是我国海洋渔业资源的主要供给地。已有研究表明，该区渔业资源种类更替、数量动态、洄游分布和渔场变迁等对气候变化和与之相应的海洋物理环境的变化有着相当程度的依赖性，全球气候变化和人类活动及其海洋环境变化效应是否对该区渔业生物资源安全构成严重威胁，也是亟待回答的问题。
2.4 科学意义
从海洋科学自身看，中国东部陆架边缘海和欧洲的北海、美国东部陆架海及其陆架边缘海相比有其独特的区域特点。它是世界上最宽的陆架浅海之一，上有季风驱动，外有太平洋强西边界流(黑潮)和太平洋潮波传入作用，内有黄河和长江大量水沙输入引起的浮力驱动，明显的季节变化形成独有的黄海冷水团和复杂的环流系统，这种复杂环境条件同时发生在一个典型的边缘海是世界上唯一的。特定的地理环境特点导致了独特的生态学特征，该区生物多样性丰富、优势种明显、食物网结构复杂、生物资源蕴藏量大；该区域还包含着全球50个大海洋生态系统的其中2个。研究这样一个多尺度非线性的复杂海洋系统中物理环境的演变及其生物资源环境效应，不仅有助于揭示我国边缘海海洋环境演变的规律，为保障海洋环境质量与渔业资源安全、服务国家安全和维护海洋权益提供科学支持，同时也将丰富全球变化研究的基础理论，并为建立具有中国特色的海洋环境演变理论体系奠定基础。
综上所述，我国东部陆架边缘海的海洋环境与资源一方面为我国社会、经济的快速发展提供了难得的机遇、空间和保障，另一方面也使我国必须面对日益剧增的来自国家安全、经济、社会和科学技术自身的巨大挑战：海洋权益国际纷争的加剧严重威胁到我国的国防安全；一些国家对该海域海洋环境与生物资源超出科学目的的深入研究和了解日益威胁到我国的根本国家利益；海洋生态环境质量的恶化不仅构成社会与经济的可持续发展、人民的健康生活和海洋资源开发与保护的巨大压力，也严重威胁到我国创建和谐社会的宏伟目标；上述机遇与挑战的核心是中国东部陆架边缘海域环境与资源的巨大战略价值，对物理环境演变规律的认识是保障海上军事活动、环境质量与生物资源安全的科学基础。因此，直接面对上述机遇和挑战，紧密围绕“海洋环境”与“生物资源”两大战略问题，全面、深入地研究该区域的海洋物理环境演变及其环境效应，并构建联系二者之间的桥梁是当前面临的迫切任务。
本项目的实施将为我国正面临的国防安全挑战提供海洋安全保障的信息与技术支持；为维护我国海洋权益提供关键的技术与知识储备；为我国可持续地开发利用海洋提供科学依据；使我国陆架边缘海研究进入国际先进行列，并为丰富全球变化研究的基础理论做出贡献。
3 拟解决的关键科学问题
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，针对国家安全、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：
3.1 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、保障重要海上活动安全和生物资源长期变化的理论基础。
3.2 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海上军事活动、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。
3.3 海洋物理环境演变对海上重要活动的影响机理及生物资源对海洋环境演变如何响应
海洋物理环境演变背景下极端天气过程和海洋中尺度过程对海上重要活动产生直接或间接的影响，海洋物理环境演变又对研究海域的声场结构变化及声呐技术应用产生作用。因此，海洋物理环境演变对海上重要活动影响机理的研究是服务海上军事活动的基础。另外，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、渔场变迁和渔业丰歉的基础。
4 项目的主要研究内容
围绕上述3个关键科学问题，重点开展以下三方面的研究：
4.1 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
4.1.1 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。
4.1.2 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。
4.1.3 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。
4.1.4 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。
4.1.5 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。
4.1.6 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。
4.2 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
4.2.1 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。
4.2.2 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。
4.2.3 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。
4.2.4 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。
4.3 海洋环境信息集成及其对海上重要活动的决策支持
4.3.1 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，根据国防安全和经济建设发展需求，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。
4.3.2 海上重要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重要活动的影响；结合水声对温度、盐度、颗粒物特性和浓度的依赖关系，研究海洋物理环境演变背景下重点海域声场结构变化；研究海洋物理环境演变背景下温度、盐度、颗粒物特性和浓度对声呐技术应用的影响。给出海上极端海洋和天气过程相关的统计特征数据，提供海上重要活动的策划、准备、组织和实施所需的环境参数。
5 预期目标
5.1 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；为我国面临的国防安全提供海洋物理环境保障的信息与技术支持，为维护我国海洋权益提供关键的技术与知识储备，为我国可持续地开发利用海洋提供科学依据；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。
5.2 5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；建立多目标海洋信息数据库；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重要活动的影响，提供服务海上重要活动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。
6 结语
海洋是我们赖以生存的全球生态系统的重要组成部分，也是地球系统的关键储圈之一，其中，陆架边缘海是与人类活动及社会发展关系最为密切的地带。为了探讨陆架边缘海系统演化的机理并预测其未来环境变化趋势，确保人类有效、持续地利用其资源，20世纪80年代以来，我国在海洋环境资源领域相继支持了一系列重大科研课题，积累了大量的历史和现场观测数据，取得了丰硕的研究成果，特别是“十五”期间“973”计划已结题项目“中国近海环流形成变异机理、数值预测方法及对环境影响的研究”、“东、黄海生态系统动力学与生物资源可持续利用”和在研的“中国典型河口—近海陆海相互作用及其环境效应”更将原有研究推向一个更深的层次，为开展中国东部陆架边缘海物理环境演变及其生物资源环境效应研究奠定了良好的基础。
尽管已有工作对我国东部陆架边缘海的环流、生态动力学与生物资源可持续利用、典型河口—近海陆海相互作用及其环境效应等研究方面做了卓有成效的工作。但从适应国家需求和海洋科学自身发展的角度，还有大量的研究工作亟待开展，本项目旨在已有的研究基础上，在海洋物理环境的演变及其引发的生物资源环境效应进行深入研究，进而为国防安全和渔业生产提供科学依据。