基于FVCOM的物理一生物地球化學(xué)耦合模型構(gòu)建與應(yīng)用

施沈陽 葛建忠 陳建忠 鄭曉琴 丁平興

摘要：通過使用FABM框架將水動(dòng)力模型FVCOM與生態(tài)模型ERSEM進(jìn)行耦合，構(gòu)建了一個(gè)新的適用于近岸復(fù)雜地形并完整描述了低營(yíng)養(yǎng)級(jí)生態(tài)系統(tǒng)的物理

生物地球化學(xué)耦合模型：FVCOM-FABM-ERSEM，基于該耦合模型分別建立了垂向一維模型和長(zhǎng)江口三維模型，使用歐洲L4站的多年觀測(cè)資料對(duì)垂向一維模型（1DV）進(jìn)行驗(yàn)證，驗(yàn)證結(jié)果良好，使用長(zhǎng)江口三維模型模擬長(zhǎng)江口及其附近海域20132016年的歷史過程，經(jīng)與營(yíng)養(yǎng)鹽和Chl-a觀測(cè)數(shù)據(jù)校驗(yàn)，并利用MODIS衛(wèi)星遙感的海洋表層Chl-a分布數(shù)據(jù)對(duì)春季藻類暴發(fā)的空間分布進(jìn)行了驗(yàn)證，證明建立的耦合模型能正確刻畫長(zhǎng)江口區(qū)域的溫度、鹽度、硝酸鹽、磷酸鹽、Chl-a等物理和生物地球化學(xué)過程，同時(shí)，使用模型對(duì)長(zhǎng)江口鋒面區(qū)域的特征進(jìn)行了再現(xiàn)，并討論了鹽度鋒、泥沙鋒、營(yíng)養(yǎng)鹽鋒和葉綠素鋒相伴產(chǎn)生與相互作用的關(guān)系。

關(guān)鍵詞：FVCOM;ERSEM;FABM;生物地球化學(xué)過程;耦合

中圖分類號(hào)：P76文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A DOI：10.3969/j，issn，1000-5641.201941008

0引言

隨著海洋研究的逐漸深入，海洋數(shù)值模擬成為海洋生態(tài)環(huán)境研究中的一個(gè)重要手段，首先發(fā)展起來的海洋數(shù)值模式是描述海洋中物理過程的數(shù)值模式，20世紀(jì)60年代海洋數(shù)值預(yù)報(bào)開始出現(xiàn)，現(xiàn)今已經(jīng)能較好地應(yīng)用于海洋，并正向更加精確的方向發(fā)展，當(dāng)前海洋研究中廣泛應(yīng)用的數(shù)值模型有POM、FVCOM、ROMS和Delft3D等。

相比于描述海洋動(dòng)力過程的物理模式，生態(tài)動(dòng)力學(xué)模型發(fā)展較晚，20世紀(jì)80年代前半期海洋生態(tài)動(dòng)力學(xué)模型才真正開始發(fā)展，目前，模型有向集合化發(fā)展的趨勢(shì)，即逐步形成Community System，如在主要的動(dòng)力學(xué)模型ROMS和FVCOM這些基本框架的基礎(chǔ)上，都集成了較多的物理模型驅(qū)動(dòng)的生態(tài)、生物地球化學(xué)模型，包括ROMS模型中的NPZD、CoSiNE和FENNEL，F(xiàn)VCOM模型中的GEM等，它們各有特色，對(duì)生態(tài)動(dòng)力學(xué)的簡(jiǎn)化概括程度都不一樣，如FVCOM中的GEM模型，其核心基于NPZD模型，生態(tài)動(dòng)力過程相對(duì)簡(jiǎn)單，缺乏水體酸化等碳酸鹽系統(tǒng)、底棲一水體交換等過程，同時(shí)值得注意的是，在物理模型與生態(tài)動(dòng)力模型耦合過程中，上述所討論的NPZD、CoSiNE、FENNEL和GEM等模型都是在其主模型內(nèi)部直接集成的，包含在其源代碼中，即這些模型只適用于其主模型，其他動(dòng)力學(xué)模型需要進(jìn)行大量的代碼重構(gòu)才能使用，在跨模型間的普適性和通用性上有所欠缺。

此外，生態(tài)系統(tǒng)在近岸區(qū)域受人類活動(dòng)影響劇烈，點(diǎn)源及面源輸入顯著，島嶼岸線復(fù)雜，從而造成生態(tài)要素空間差異顯著，因此，在近海區(qū)域有必要采用無結(jié)構(gòu)化三角形網(wǎng)格的數(shù)值模型進(jìn)行更精細(xì)的模擬，同時(shí)，由于低營(yíng)養(yǎng)級(jí)種群在海洋生物地球化學(xué)循環(huán)中占有重要地位，因此，需選擇一個(gè)對(duì)海洋食物網(wǎng)低營(yíng)養(yǎng)級(jí)描述完善，又易于使用的模型進(jìn)行更加合理的生態(tài)動(dòng)力學(xué)數(shù)值模擬。

本文擬基于無結(jié)構(gòu)化三角形網(wǎng)格數(shù)值模型FVCOM和歐洲區(qū)域海生態(tài)模型ERSEM，構(gòu)建一個(gè)新的適用于近岸復(fù)雜地形并完整描述了低營(yíng)養(yǎng)級(jí)生態(tài)系統(tǒng)的物理生物地球化學(xué)耦合模型，該方法采用FABM作為“耦合器”，在FVCOM和ERSEM模型之間建立一個(gè)數(shù)據(jù)交換鏈接，從而形成物理和生物地球化學(xué)模型的通用、高效耦合，運(yùn)用該模型建立垂向一維模型和長(zhǎng)江口三維模型，并運(yùn)用多種觀測(cè)資料對(duì)耦合模型進(jìn)行檢驗(yàn)，同時(shí)使用長(zhǎng)江口三維模型模擬長(zhǎng)江口及其附近海域的各種環(huán)境要素和浮游植物的分布特征，對(duì)長(zhǎng)江口鋒面區(qū)域的基本特征進(jìn)行再現(xiàn)，并簡(jiǎn)單研究長(zhǎng)江口鋒面區(qū)域的物理（鹽度、泥沙）與生物地球化學(xué)過程（營(yíng)養(yǎng)鹽、浮游植物等）的相互作用，為對(duì)長(zhǎng)江口赤潮等藻類暴發(fā)的時(shí)間和區(qū)域進(jìn)行動(dòng)力學(xué)模擬奠定基礎(chǔ)。

1材料與方法

1.1FVCOM-ERSEM耦合模型的建立

1.1.1FVCOM簡(jiǎn)介

Finite Volume Community Ocean ModelfFVCOM）是一個(gè)無結(jié)構(gòu)網(wǎng)格架構(gòu)、有限體積、自由表面、三維原始方程的沿海洋流預(yù)測(cè)模型，該模型的控制方程包含了動(dòng)量方程、連續(xù)性方程、溫度方程、鹽度方程以及密度方程，模型的主要優(yōu)勢(shì)在于其數(shù)值處理和岸線擬合的方法，它在水平方向上采用無結(jié)構(gòu)化非重疊的三角形網(wǎng)格，可以對(duì)復(fù)雜的岸線和邊界進(jìn)行擬合，同時(shí)還可以進(jìn)行局部加密，以滿足多種不同的研究需求;垂直方向上采用地形跟蹤坐標(biāo)，可以更好地模擬不規(guī)則的底部地形，因此特別適用于近海復(fù)雜地形岸線，另外，F(xiàn)VCOM具有的優(yōu)秀的標(biāo)量守恒方程的解法使得其非常適合應(yīng)用于跨學(xué)科的研究。

1.1.2ERSEM簡(jiǎn)介

European Regional Sea Ecosystem ModelfERSEM）即歐洲區(qū)域海生態(tài)模型，是一個(gè)可用于海洋生物地球化學(xué)和較低營(yíng)養(yǎng)級(jí)的生態(tài)動(dòng)力學(xué)模擬的通用模型，是研究海洋食物網(wǎng)低營(yíng)養(yǎng)級(jí)過程的最完善的生態(tài)系統(tǒng)模型之一，ERSEM將生態(tài)系統(tǒng)分為營(yíng)養(yǎng)鹽、浮游植物、浮游動(dòng)物、底棲生態(tài)系統(tǒng)、細(xì)菌分解、鐵循環(huán)、光衰減、鈣化和堿度9個(gè)模塊，每個(gè)模塊與其他模塊獨(dú)立，并且可以自由組合，根據(jù)具體要求進(jìn)行設(shè)置，再根據(jù)周圍水體的環(huán)境條件（物理過程）、模塊內(nèi)部作用（生物生理性進(jìn)程）和模塊之間的作用（種群進(jìn)程）完成計(jì)算。

ERSEM將海洋生態(tài)系統(tǒng)從宏觀上分為浮游生態(tài)系統(tǒng)和底棲生態(tài)系統(tǒng)兩個(gè)部分，這兩個(gè)生態(tài)系統(tǒng)的生物地球化學(xué)狀態(tài)變量由以下兩個(gè)公式控制：

模型中包含了不同粒徑的浮游植物和浮游動(dòng)物，生物的生命活動(dòng)被概括為呼吸、捕食、死亡、排泄、釋放、攝取，另外還包含了微生物食物網(wǎng)、碳酸鹽系統(tǒng)和鈣化等生態(tài)系統(tǒng)過程，這些過程一起構(gòu)成了完整的浮游和底棲生態(tài)系統(tǒng)中的碳、氮、磷、硅循環(huán)。

ERSEM中控制浮游植物生長(zhǎng)的關(guān)鍵因素為光照，特定物種）（（硅藻、小型浮游植物、微型浮游植物和微微型浮游植物）總初級(jí)生產(chǎn)力計(jì)算公式如式（3）所示。

本文中使用Framework for Aquatic Biogeochemical Models（FABM）框架將FVCOM與ERSEM進(jìn)行耦合，如圖1所示，F(xiàn)ABM是一個(gè)為海洋和水生系統(tǒng)的生物地球化學(xué)模型提供耦合協(xié)議的程序庫，它是一個(gè)獨(dú)立于域的編程框架，應(yīng)用簡(jiǎn)單，不更改兩個(gè)模型的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，而是通過其所具有的不同功能的接口將兩個(gè)模型進(jìn)行耦合，通過對(duì)接口的調(diào)整，可以人為控制耦合模型功能的多樣性，支持模型中任意數(shù)量的計(jì)算進(jìn)程、預(yù)報(bào)變量、診斷變量，它還同時(shí)包括了對(duì)物理過程的各種反饋，并自帶生物地球化學(xué)模型的綜合庫，包括懸浮沉積物、氧化還原反應(yīng)和浮游與底棲生態(tài)系統(tǒng)的相關(guān)描述。

在構(gòu)建耦合模型時(shí)，F(xiàn)VCOM與ERSEM是分離的，F(xiàn)ABM嵌于其中，為它們的數(shù)據(jù)傳輸提供接口（見圖1），F(xiàn)ABM配備有生物地球化學(xué)模型的綜合庫，可以提供生物地球化學(xué)進(jìn)程的相關(guān)信息，包括源項(xiàng)、預(yù)報(bào)變量的垂向速度（如下沉速率）、診斷變量，這些變量的值都在FVCOM或ERSEM中計(jì)算后再通過FABM傳輸，但FABM不參與海洋流體與生態(tài)過程的計(jì)算，如生物地球化學(xué)變量的輸運(yùn)，邊界條件和徑流的設(shè)置以及讀取重新計(jì)算文件和存儲(chǔ)輸出，也不存儲(chǔ)物理環(huán)境和生物地球化學(xué)變量本身，這些功能都由FABM分別分配給FVCOM和ERSEM，F(xiàn)VCOM為模型的可執(zhí)行部分，負(fù)責(zé)存儲(chǔ)物理變量，處理數(shù)據(jù)的輸入和輸出，進(jìn)行平流、擴(kuò)散和時(shí)間積分的計(jì)算，ERSEM負(fù)責(zé)模型的生物地球化學(xué)計(jì)算，通過特定的yamI文件定義模型所擁有的內(nèi)部生物地球化學(xué)變量與外部物理要素的關(guān)系，例如提供變量名、單位等，給出模型運(yùn)行的環(huán)境、源與匯、邊界通量、垂向輸運(yùn)速度等條件，整個(gè)計(jì)算空間中總?cè)~綠素、總初級(jí)生產(chǎn)力、總碳的積分由FABM進(jìn)行計(jì)算，從而方便使用者對(duì)能量和質(zhì)量守恒進(jìn)行檢驗(yàn)。

1.2初始條件和邊界條件

模型設(shè)置分為物理部分設(shè)置和生化部分設(shè)置，物理部分設(shè)置包括溫度、鹽度、垂向混合、水平混合、底摩擦、徑流、潮汐等，生化部分設(shè)置包括各生化變量的初始場(chǎng)，各生物的生理特性變量，各種物質(zhì)發(fā)生硝化、反硝化、再礦化等過程的變量，

模型中水深、流速、溫度、鹽度等初始場(chǎng)都通過輸入文件提供，垂向混合采用Mellor-Yamada2.5階湍流閉合模型，水平混合由水平擴(kuò)散系數(shù)決定，海表和海底溫度、鹽度邊界條件分別由式（4）-（7）控制：

2結(jié)果與討論

2.1一維模型在歐洲L4站的應(yīng)用

2.1.1站點(diǎn)資料與模型設(shè)置

歐洲L4站位于英吉利海峽P1.ymouth海域（50.25°N，4.22°E），如圖2所示，水深約50m，為英國(guó)普利茅斯海洋實(shí)驗(yàn)室（PML）用于研究海洋時(shí)間序列和海洋生物多樣性的參考站點(diǎn)，該站點(diǎn)已有一百多年歷史，每周都會(huì)有研究人員進(jìn)行觀測(cè)，觀測(cè)數(shù)據(jù)包含有大部分重要的海洋生態(tài)系統(tǒng)變量，同時(shí)還有著世界上時(shí)間尺度最長(zhǎng)的浮游生物觀測(cè)數(shù)據(jù)，這些較長(zhǎng)時(shí)間尺度的觀測(cè)可以用來補(bǔ)充站點(diǎn)觀測(cè)數(shù)據(jù)的缺失，也可以為觀測(cè)數(shù)據(jù)的變化提供合理解釋，由于歐洲L4站觀測(cè)資料種類豐富，時(shí)間序列長(zhǎng)，因此我們使用該站點(diǎn)的相關(guān)資料對(duì)耦合模型進(jìn)行驗(yàn)證。

圖3為FVCOM-ERSEM耦合模型對(duì)歐洲L4站進(jìn)行一維數(shù)值模擬所使用的網(wǎng)格示意圖，F(xiàn)VCOM的計(jì)算以控制體為基本要素，因此該一維模型由以6個(gè)三角形網(wǎng)格組成的一個(gè)完整控制體構(gòu)成，每個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)處有模型計(jì)算所需的標(biāo)量型物理及生化變量，而矢量型物理量則在網(wǎng)格中心，一維模型不考慮徑流和開邊界輸入，海氣界面的相關(guān)資料為L(zhǎng)4站的觀測(cè)資料，包含輻射、表面風(fēng)速風(fēng)向、空氣濕度、溫度等，浮游一底棲界面過程采用PML相關(guān)參數(shù)，物理過程的初始場(chǎng)，包括水位和流速，設(shè)置為無運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，生化變量的初始場(chǎng)直接采用SSB-GOTM-ERSEM中對(duì)L4站進(jìn)行類似垂向一維模型計(jì)算中所涉及的生物地球化學(xué)過程變量，這些變量在ERSEM的發(fā)布版本中直接作為testcase提供，同時(shí)，模型利用L4站溫度和鹽度剖面的連續(xù)觀測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)一維模型進(jìn)行同化，以考慮合理的垂向溫鹽結(jié)構(gòu)和混合過程。

2.1.2檢驗(yàn)結(jié)果分析

使用FVCOM-ERSEM耦合模型對(duì)歐洲L4站20072010年4年間的生物地球化學(xué)過程進(jìn)行數(shù)值模擬，圖4a、圖4b和圖4c分別為表層硝酸鹽、磷酸鹽和總Chl-a濃度模擬結(jié)果的逐日平均連續(xù)過程圖，圖4d為表層短波輻射逐日平均連續(xù)過程圖，從圖4a、圖4b中可以看出，兩種營(yíng)養(yǎng)鹽的模擬結(jié)果在數(shù)值量級(jí)與觀測(cè)結(jié)果中擬合較好，硝酸鹽和磷酸鹽濃度的模擬值與實(shí)測(cè)值分別為0-8umol/L和0-0.6umol/L，模型模擬結(jié)果與觀測(cè)結(jié)果的季節(jié)趨勢(shì)基本相同，但模擬結(jié)果的季節(jié)變化較觀測(cè)結(jié)果略有提前，由此造成誤差略大，硝酸鹽的均方根誤差為2.47umol/L，磷酸鹽的均方根誤差為0.05umol/L，圖4c中數(shù)值模擬的總Chl-a濃度包含了硅藻、小型藻、微型藻、微微型藻4種浮游植物，它的值的量級(jí)與實(shí)測(cè)值基本吻合，都為0-8mg/m³.均方根誤差為1.58mg/m³。

浮游植物生物量的季節(jié)性變化主要由溫度、光照、營(yíng)養(yǎng)鹽和浮游動(dòng)物攝食等因素共同作用_20J，冬季水體自身的混合作用以及歐洲北海冬季頻發(fā)的風(fēng)暴潮混合作用使得底層營(yíng)養(yǎng)鹽快速向上輸送，聚集到表層，同時(shí)冬季光照弱、溫度低，浮游植物生產(chǎn)力為一年中最低，所消耗營(yíng)養(yǎng)鹽少，因此，冬季表層營(yíng)養(yǎng)鹽為一年中的最大值，春季溫度和光照增強(qiáng)，浮游植物生產(chǎn)力增加，同時(shí)由于冬季營(yíng)養(yǎng)鹽在表層累積，為浮游植物的快速生長(zhǎng)提供了條件，浮游植物的大量出現(xiàn)使得表層營(yíng)養(yǎng)鹽被快速消耗，因春季浮游植物的大量生長(zhǎng)，夏季表層營(yíng)養(yǎng)鹽濃度較低，同時(shí)表層海水由于陽光照射溫度升高產(chǎn)生的層化現(xiàn)象，使得底層營(yíng)養(yǎng)鹽不能被大量輸送到表層，而歐洲北海的夏季風(fēng)暴潮現(xiàn)象可以在一定程度上通過混合作用對(duì)表層營(yíng)養(yǎng)鹽進(jìn)行補(bǔ)充，因此夏季表層Chl-a和營(yíng)養(yǎng)鹽濃度基本都維持在較低水平，偶爾會(huì)發(fā)生顯著的波動(dòng)，秋季水體層化現(xiàn)象減弱，表層營(yíng)養(yǎng)鹽得到補(bǔ)充，浮游植物生產(chǎn)力較高，會(huì)出現(xiàn)一年中的另一個(gè)濃度峰值。

雖然1DV模型能較好地刻畫L4站的生態(tài)動(dòng)力學(xué)過程，但由于垂向一維模型的無外源過程，模型還存在一些誤差，例如，一是兩種營(yíng)養(yǎng)鹽表層濃度模擬結(jié)果的相位較實(shí)測(cè)值略有提前，這是因?yàn)槟Ｐ椭械墓庹兆畲笾党霈F(xiàn)在春季，當(dāng)模型中的光照強(qiáng)度小于160w/m³時(shí)，浮游植物就會(huì)出現(xiàn)光限制，減少生長(zhǎng)，因此，在模型中，2月份光照開始達(dá)到浮游植物生長(zhǎng)所需強(qiáng)度，同時(shí)表層有大量營(yíng)養(yǎng)鹽，浮游植物開始大量生長(zhǎng)，而7月份光照開始成為限制因素，浮游植物生物量減少，在實(shí)際生態(tài)系統(tǒng)中，浮游植物受溫度、光照、營(yíng)養(yǎng)鹽等多種環(huán)境因素共同作用，大部分浮游植物從3月份開始大量生長(zhǎng)，9月份之后才開始減少，二是由于Chl-a測(cè)定方法的多樣性以及在實(shí)際生態(tài)系統(tǒng)中Chl-a與浮游植物種類、生物量、藻密度等的復(fù)雜關(guān)系，觀測(cè)所得Chl-a的值不一定能準(zhǔn)確反映表層浮游植物的量，因此Chl-a的模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)值相比誤差較大，在SSB-GOTM-ERSEM的模擬中對(duì)葉綠素的模擬也有類似結(jié)果其可能與側(cè)向外源輸入有關(guān)。

2.2三維模型在長(zhǎng)江口的驗(yàn)證與應(yīng)用

2.2.1模型相關(guān)設(shè)置

在一維模型構(gòu)建成功，并基本刻畫出L4站物理生物地球化學(xué)過程的基礎(chǔ)上，本文構(gòu)建了一個(gè)用于模擬長(zhǎng)江口及其鄰近海域物理生物地球化學(xué)過程的三維模型，其物理模型采用前期建立并已經(jīng)進(jìn)行了充分驗(yàn)證同時(shí)仍在不斷改進(jìn)的長(zhǎng)江口三維模型，所使用的網(wǎng)格（見圖5）覆蓋了長(zhǎng)江口、杭州灣以及東海部分區(qū)域，模型計(jì)算時(shí)間覆蓋20122017年，進(jìn)行歷史過程模擬。

為考慮長(zhǎng)江口的徑流和營(yíng)養(yǎng)鹽輸入，模型中的河流邊界延伸到大通站，并使用大通站歷史流量和營(yíng)養(yǎng)鹽數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)模型;模型開邊界采用已經(jīng)過充分驗(yàn)證的FVCOM長(zhǎng)江口物理過程的潮汐;同時(shí)外海開邊界的營(yíng)養(yǎng)鹽、溶解氧采用World Ocean Atlas 2013數(shù)據(jù)集;開邊界總堿度（TA）采用海水溫度和鹽度的關(guān)系得到，海氣界面的通量來自European Centre for Medium-Range Weather Forecasts（ECMWF），空間分辨率為0.125°，時(shí)間分辨率為3h，主要包括風(fēng)速、風(fēng)向、大氣壓強(qiáng)、熱量、太陽輻射、空氣溫度、濕度、降水量和蒸發(fā)量;海床界面上的各種過程簡(jiǎn)化為有機(jī)質(zhì)在特定的再礦化速率下再礦化為溶解的有機(jī)態(tài)，以此來作為底棲生態(tài)系統(tǒng)對(duì)水體中營(yíng)養(yǎng)鹽的補(bǔ)充，模型的初始場(chǎng)較為重要，先采用均一初始場(chǎng)經(jīng)過1999^-2011年共13年的運(yùn)行，并將后10年冬季平均作為實(shí)際模擬的初始場(chǎng)，

針對(duì)長(zhǎng)江口的實(shí)際物理、生態(tài)動(dòng)力學(xué)情況，我們先采用長(zhǎng)江口鋒面內(nèi)外共計(jì)7個(gè)站位（見圖5）的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)模型進(jìn)行了校正率定，對(duì)原始L4站所使用的模型中的光衰減部分進(jìn)行了改進(jìn)，在純水的吸收系數(shù)和后向散射系數(shù)的基礎(chǔ)上，針對(duì)長(zhǎng)江口高濁度水體特征，增加了經(jīng)過檢驗(yàn)的泥沙對(duì)特定短波輻射的吸收系數(shù)和后向散射系數(shù)，根據(jù)長(zhǎng)江口浮游植物的實(shí)際情況，調(diào)整了浮游植物對(duì)不同營(yíng)養(yǎng)鹽的吸收率，將總堿度的計(jì)算方式從通過鹽度和溫度回歸計(jì)算，并通過生物過程進(jìn)一步完善的方法，調(diào)整為動(dòng)態(tài)堿度計(jì)算，修改了底部顆粒有機(jī)物再懸浮的臨界啟動(dòng)切應(yīng)力，使得所構(gòu)建的模型更適用于長(zhǎng)江口物理生物地球化學(xué)模擬。

2.2.2模擬結(jié)果的驗(yàn)證與應(yīng)用

在模型構(gòu)建成功并進(jìn)行了率定的基礎(chǔ)上，選取了20132016年中有較多航次重復(fù)觀測(cè)的兩個(gè)站位A（123.4991°E，31.0024°N）、B（123.4978°E，29.9699°N）（見圖5），利用觀測(cè)所得的溫度、鹽度、硝酸鹽、磷酸鹽、Chl-a等資料進(jìn)行模型驗(yàn)證，其結(jié)果如圖6所示，所有觀測(cè)數(shù)據(jù)基本都與模型模擬結(jié)果吻合，溫度和鹽度的均方根誤差為1.24℃和2.06.硝酸鹽、磷酸鹽、葉綠素的均方根誤差分別為7.80umol/L、0.29umol/L、2.44mg/m³.可見模型準(zhǔn)確地刻畫了長(zhǎng)江口外的溫度和鹽度，營(yíng)養(yǎng)鹽和葉綠素的模擬誤差比溫度和鹽度略大，但能正確把握營(yíng)養(yǎng)鹽和Chl-a的變化過程，對(duì)其季節(jié)性變化及其峰值過程都能較好地刻畫。

對(duì)于整個(gè)長(zhǎng)江口及其附近海域的葉綠素分布的模擬結(jié)果檢驗(yàn)，我們使用衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)作為數(shù)據(jù)源，不同算法的葉綠素反演結(jié)果在濃度量值上具有一定的差異，但其空間分布具有較強(qiáng)的類似性，由于本研究不涉及葉綠素反演算法的差異性和合理性，因此采用MODIS這一公開發(fā)布并且廣泛使用的數(shù)據(jù)源進(jìn)行驗(yàn)證，同時(shí)，為盡量避免在高濃度區(qū)域由于算法原因帶來的不確定性，本文在使用MODIS遙感葉綠素?cái)?shù)據(jù)時(shí)，將近岸20m水深以內(nèi)高濁度水體區(qū)域的數(shù)據(jù)濾去，主要集中對(duì)比水深大于20m的外海區(qū)域葉綠素的高值區(qū)，圖7a和圖7b分別為2016年4月MODIS和模型模擬的表層葉綠素分布圖，圖中兩者的ChPa濃度平面分布基本吻合，在兩個(gè)圖中都存在一個(gè)東西方向延伸的ChPa高值區(qū)，位于123°E、29～N～32°N之間的區(qū)域，從舟山群島一直延伸至長(zhǎng)江口海域，雖然衛(wèi)星數(shù)據(jù)顯示的ChPa高值區(qū)有更為明顯的斑塊狀特征，而通過模型模擬的Chl-a以條帶狀分布，但基本分布區(qū)域相近，高值區(qū)中心的ChPa濃度可以達(dá)到6mg/m³以上，從舟山群島東側(cè)海域向北部及陸架外海，Chl-a濃度均處于較低水平。

圖8為2016年長(zhǎng)江口表層溫度、鹽度、硝酸鹽、磷酸鹽、ChPa在春季藻類暴發(fā)時(shí)期f4月、5月）兩個(gè)月平均的平面分布圖，從圖中可以看出，溫度由北向南逐漸增加（見圖8a），長(zhǎng)江沖淡水?dāng)y帶大量泥沙和營(yíng)養(yǎng)鹽經(jīng)過口門進(jìn)入東海區(qū)域后，與外海高鹽度、低泥沙濃度和低營(yíng)養(yǎng)鹽海水相互作用，122°E～122.4°E處存在一個(gè)明顯的泥沙鋒面，泥沙濃度由0.6g/L迅速降低到0.2g/L（見圖8c），在這個(gè)區(qū)域中鹽度由10快速增加到25（見圖8b），營(yíng)養(yǎng)鹽快速減少（見圖8d和8e），葉綠素濃度快速增加，分別形成了鹽度鋒面、營(yíng)養(yǎng)鹽鋒面和葉綠素鋒面，這與研究者們對(duì)于長(zhǎng)江口鋒面的研究結(jié)果一致，也可以看出在河口區(qū)域，鹽度鋒面、泥沙鋒面、營(yíng)養(yǎng)鹽鋒面、葉綠素鋒面總是相伴產(chǎn)生，長(zhǎng)江口峰面區(qū)域具有生物量高、種類多的特征，是海洋中高初級(jí)生產(chǎn)力區(qū)域，是海洋中生物地球化學(xué)過程最為劇烈的區(qū)域，光或透明度是長(zhǎng)江口及其鄰近海域浮游植物生長(zhǎng)的限制因素，懸沙鋒面區(qū)海水透明度迅速增加，再加上較高的營(yíng)養(yǎng)鹽濃度使得浮游植物在該區(qū)域大量生長(zhǎng)，形成葉綠素鋒面，鋒面外側(cè)由于營(yíng)養(yǎng)鹽濃度相對(duì)較高，各種環(huán)境要素變化梯度較小，易于形成葉綠素高值區(qū)，圖8f中122.4°E～123°E、30°N～31°N即為整個(gè)海域葉綠素最高值的區(qū)域。

由以上驗(yàn)證可以發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)VCOM-ERSEM物理生物地球化學(xué)耦合模型正確刻畫了長(zhǎng)江口及其附近海域的各種主要環(huán)境要素和浮游植物的分布特征，正確再現(xiàn)了長(zhǎng)江口鋒面區(qū)域的基本特征，也刻畫出了鹽度鋒、泥沙鋒、營(yíng)養(yǎng)鹽鋒、葉綠素鋒之間相伴產(chǎn)生和相互作用的關(guān)系。

3結(jié)論

本文采用FABM框架協(xié)議將FVCOM水動(dòng)力模型與生物地球化學(xué)模型ERSEM進(jìn)行了耦合，構(gòu)建了一個(gè)新的適用于近岸復(fù)雜地形并完整描述了低營(yíng)養(yǎng)級(jí)生態(tài)系統(tǒng)的物理生物地球化學(xué)耦合模型，基于該模型對(duì)歐洲L4站的生物地球化學(xué)過程進(jìn)行了垂向一維數(shù)值模擬，選取了具有代表性的營(yíng)養(yǎng)鹽和Chl-a濃度進(jìn)行分析，并使用獲得的觀測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)表層營(yíng)養(yǎng)鹽和Chl-a濃度的模擬結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證，驗(yàn)證結(jié)果良好，同時(shí)，還使用該模型對(duì)長(zhǎng)江口生物地球化學(xué)過程進(jìn)行了相關(guān)的模擬，選取了有較多航次觀測(cè)數(shù)據(jù)的兩個(gè)站位和MODIS衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證，驗(yàn)證結(jié)果發(fā)現(xiàn)觀測(cè)數(shù)據(jù)與模擬數(shù)據(jù)基本相符，模型還能正確刻畫出長(zhǎng)江口及其附近海域春季藻類暴發(fā)季節(jié)的表層溫度、鹽度、硝酸鹽、磷酸鹽、Chl-a濃度的空間分布特征，再現(xiàn)了長(zhǎng)江口鋒面區(qū)域的基本特征，也刻畫出了鹽度鋒、泥沙鋒、營(yíng)養(yǎng)鹽鋒、葉綠素鋒之間相伴產(chǎn)生和相互作用的關(guān)系。

總的來說，基于FVCOM所構(gòu)建的FVCOM-ERSEM物理生物地球化學(xué)耦合模型是合理的，一維和三維數(shù)值模擬都是成功的，一維和三維模型的成功運(yùn)用也體現(xiàn)了模型的普適性，但本文對(duì)模型的率定以及敏感性分析還較少，在今后的工作中我們會(huì)對(duì)模型進(jìn)行進(jìn)一步的研究修正與驗(yàn)證，為將模型運(yùn)用于模擬東海以及長(zhǎng)江口的生物地球化學(xué)奠定基礎(chǔ)。