原始研究的文章

前面。地球科学。,06 January 2023
秒。Biogeoscience
卷10 - 2022 | https://doi.org/10.3389/feart.2022.929271

沿海缺氧了智利中部的强化:长期和高频率的变化

劳拉·法瑞斯 ^{1、2、3、4}*

¹气候和韧性研究中心(CR),²智利大学圣地亚哥,智利
²皇家研究院Milenio de Socio-Ecologia Costera(瑞士),圣地亚哥,智利
³Departamento de Oceanografia大学德康赛普西翁(智利康塞普西翁,智利
⁴年核理解过去的沿海上升流系统和当地环境和持久的影响(上涌),ANID年科学项目,Coquimbo、智利

缺氧现象,溶解氧(做)降低到足够低的水平强烈影响生态和生物地球化学过程。这发生在智利中部的大陆架(36°S),受季节性影响沿岸上升流(春夏装)。每月做和其他海洋变量的测量水柱(1997−2021)在92米等深线以及高分辨率和近地表观测(POSAR浮标),分析检查发病率缺氧和理解物理和生物地球化学过程的调节做垂直分布及其时间变化。平均而言,水柱的百分比做水平低于89(缺氧)和22(严重缺氧)μmol L⁻¹(即达到68%。,hypox我cwaters are found below 30 m) and 44% (below 50 m depth), respectively, but during the upwelling season, as much as 87% (below 12 m depth) and 81% (below 17 m depth) of the water column exhibits these levels. On the sub-seasonal scale during upwelling season six hypoxic events lasting at least 2 days occur at 10 m depth. There is a strong seasonal correlation between the volume of the seawater presenting hypoxia and upwelling favorable winds. Furthermore, there is a high DO interannual variability partially related to the El Niño Southern Oscillation (ENSO). Over 2 decades, it is estimated that DO concentration in surface and subsurface layers decreases (up to 21 μmol L⁻¹十年⁻¹)当水变冷(0.29°C的十年⁻¹)。值得注意的是,低氧的体积和严重的低氧水域在架子上自1997年以来增加了超过2倍,显示了与上升流指数显著正相关。这些初步的研究结果表明,增加在当地做消费部分与上升流强度有关。鉴于风力增强的明确证据沿岸上升流生态系统从而增加缺氧事件,沿海地区可能很容易受到缺氧,影响生物资源和生物地球化学循环。

1介绍

在海洋中扮演着重要角色,是最重要的一个变量影响远洋和底栖生物的分布和含量(•迪亚兹和罗森伯格,2011年;投手et al ., 2014)。在海洋缺氧正变得越来越普遍,由于这一过程称为脱氧,改变海洋生物平衡(Breitburg et al ., 2018),导致大规模搁浅事件的生物敏感低水平,反过来又支持低做宽容的物种。做水平变化导致生物分布的变化,群落结构,因此生物多样性(•迪亚兹和罗森伯格,2008年;Vaquer-Sunyer杜阿尔特,2008年;Steckbauer et al ., 2011)。

在这项研究中,术语“缺氧”是用来描述做的浓度小于89μmol L⁻¹(∼33%饱和度S和T约34°C和11°C,分别),而“严重缺氧”被认为是描述做的浓度小于22μmol L⁻¹(∼8%饱和)。在低氧水平,有证据表明急性影响后生动物的生物,如大规模死亡事件在鱼类(Hernandez-Miranda et al ., 2010年,2012年);和慢性影响,包括生命周期和种群动态的变化(Hernandez-Miranda et al ., 2012)。这些变化产生群落结构和生态系统功能的变化(•迪亚兹和罗森伯格,2008年;朱棣文和Tunnicliffe, 2015年)。

东部边界上升流系统(欧洲)代表大地区的沿海海洋自然受到缺氧(•迪亚兹和罗森伯格,2008年;蒙泰罗et al ., 2011;投手et al ., 2014,2021年;Garcia-Reyes et al ., 2015)。西方大陆海岸线的强风结合地球自转,运输地表水海外,导致冷地下水域的变浅,较低的海岸附近;这一过程称为风力上涌。这些水域营养丰富并维持较高的初级生产和生物多样性至关重要的渔业和其他经济活动(保利和克里斯腾森1995)。广泛领域的缺氧和缺氧存在由于运输既存的缺氧的水域,当地补充矿质的OM高初级生产,并降低通风在子温跃层水域(赫勒和莱文,2004;Paulmier Ruiz-Pino, 2009)。缺氧动力学在大陆架上,比如它的强度和范围,将远程的变化迫使源水和当地上升流风迫使(沃尔什1991;蒙泰罗et al ., 2008;陈et al ., 2019),进而影响初级生产力和呼吸。观察和预测这些变化迫使机制需要进一步研究物理或生物地球化学动力学的优势在长期的变化(茴香和介壳,2019)。物理因素包括along-shelf运输不同的源水,不同比例和特征(Mohrholz et al . 2008;Bograd et al ., 2019)。此外,有上升流顺风事件的强度和频率与大陆架的地貌特征和大小,导致产生的水循环。生物地球化学因素包括消费通过有氧呼吸的OM和其他chemolithotrophic过程如果富营养化是重要的(•迪亚兹和罗森伯格,2008年)。

长期的记录表明,海洋变暖减少气体溶解度(Keeling et al ., 2010;Stramma et al ., 2012)。预测在脱氧作用反映了从增加降低溶解度和reducedventilation的分层由于表层的辐射加热和循环变化(Schmittner et al ., 2008;Frolicher et al ., 2009;Oschlies et al ., 2018)。此外,脱氧作用取决于浮游植物丰度,趋势可能在沿海系统或螺旋形受到富营养化或沙漠化,分别。那里,有几个生物机制与湍流混合的变化/分层,浮游植物的大小(出口对沉积物)和浮游动物放牧率(爱德华兹和理查德森,2004)。此外,减少由于海洋酸化对生物过程的影响可能发生(Oschlies et al ., 2008;霍夫曼和Schellnehuber, 2009)。

洪堡电流系统(高碳钢)是一个重要的地区已有的和相对浅低氧区(OMZ)与赤道地下水域(ESSW) (泰尔et al ., 2007;查韦斯和Messie, 2009年;Fuenzalida et al ., 2009)结合风力驱动的上升流促进高初级生产导致增加在当地消费(Paulmier Ruiz-Pino 2009)。在中纬度高碳钢,明显的季节性周期调节海岸上涌,上升流季节持续从春天到初秋(4月),而较弱的上升流或在深秋和冬天的占主导地位的下降。这种明显的季节性,纬度的迁移造成的东南太平洋反气旋(SPA)智利中部海岸。具体来说,如从智利中部预计展览的变化时间、强度和近岸的风的空间分布(王et al ., 2015;Aguirre et al ., 2018)。这种强化相关的两种机制:加强和向南迁移的温泉(Ancapichun Garces-Vargas, 2015;施耐德et al ., 2017;Aguirre et al ., 2018),以及在大气压力梯度的强化,低点大陆和海洋之间高位,称为Bakun效应(Bakun 1990;Bakun et al ., 2015)。

根据不同的气候变化情况,加强和扩张的水疗中心预计将持续下去,连同其向极迁移(例如,Belmadani et al ., 2014)由于哈得来环流圈的逐步扩大的区域(胡锦涛和傅,2007)和气候模型表明,全球变暖将继续导致更改SPA和upwelling-favorable风在即将到来的几十年里,所表示的联合国政府间气候变化专门委员会(2019)。发现了相似的结果Bakun et al。(2010)谁预测风模式的变化将影响上升流强度,因此做分布。只有两个长期记录的高碳钢中确实存在,允许变化的调查和报告在本地或远程机制能够加强组织缺氧。这些记录标识一个脱氧趋势之一的上部的近岸OMZ秘鲁1970 - 2008之间(Espinoza-Morriberon et al ., 2021)这一趋势主要是由于富氧的减速赤道向东电流,而不是当地迫使upwelling-favorable大风。

缺氧和严重缺氧的总体影响沿海地区上升流尚不清楚,和这些事件的严重程度和潜在的威胁取决于投影区域和全球气候情况(多伊奇et al ., 2011;Oschlies 2021)。本研究旨在促进知识区域气候场景中使用的两个长期观测时间序列存在于这一地区随着高频表面观察,通过分析变化从天/周,年代际尺度,以及其他海洋变量在大陆架智利中部,并推断出可能的物理机制是什么推动这些变化。

2材料和方法

2.1海洋环境

高碳钢的特点是其庞大的秘鲁和智利海岸扩展(5-45°S),与几个海岸沿岸上升流中心受风,和季节性的水疗与振荡相关部分(Strub et al ., 1998)。赤道地下水(ESSW),运输向南极的地下Peru-Chile暗流(PCUC),特点是明显的赤字和高营养水平,是水的主要来源为风动沿岸上升流(伍斯特和Gilmartin, 1961;Fuenzalida et al ., 2009)。28°南部的年代,朝赤道方向洪堡的表面电流美联储主要由亚南极的水域(SAAW),相比之下,相对较低的盐度和营养和高氧化(席尔瓦et al ., 2009;Llanillo et al ., 2012)。此外,高碳钢是世界范围内最多产的海洋生态系统之一,与年平均净初级生产的1.1公斤C m⁻²年⁻¹(Daneri et al ., 2000;外种皮et al ., 2018在智利),维持生产远洋渔业(劳纳-库比劳et al ., 1998)。此外,高可用性OM刺激其矿化底水和沉积物主要消费(法瑞斯et al ., 2015)。

2.2抽样

一系列的时间,站在一个固定的位置(308′年代36°、73°07.75′W)与92 m深度(智利中部图1),在不同深度离散样本(2、5、10、15、20、30、50、65、80)拍摄,从1997年至今连续概要记录。这次系列站叫做站18(以下TST18)由于其距离海岸被18海里。TST18已经访问了自2002年以来月度和季度从1997年到2002年。连续油管设备使用(电导率、温度和深度),模型SBE-25和SBE 19 +各种传感器来测量,光合有效辐射(PAR)和荧光。每年校准仪传感器是由制造商(海鸟)和CTD数据使用海鸟数据处理软件处理。此外,后处理电导率和做验证是使用完成的现场盐度(盐度计AUTOSAL模型8400 b),做测量。离散海水采样进行了采水使用,安装和10 l Niskin瓶子。做样品(125毫升iodimetric瓶子,立即固定温克勒试剂)被温克勒分析方法使用一个自动AULOX测量系统。

图1

图1。地图的研究区域三个取样站,车站18用于月供,氧气和营养配置文件。POSAR是固定浮标进行高频表面和10米海洋与大气变量的抽样。Carriel苏尔是一个气象观测站捕捉每小时风速数据。轮廓代表等深线和颜色数据是1×1公里海面温度(SST)的数据多尺度超高分辨率(墙)海温分析2021年1月1日(数据集访问[2021-12-01]https://doi.org/10.5067/GHGMR-4FJ04)。

连续高频海洋和气象数据研究中使用POSAR浮标记录,自动监测meteo-oceanographic浮标靠近Coliumo湾(智利)大约10公里的口Itata河144 (36.4°s - 72.9°W),震源深度约50米(图1)和接近TSS18。这个POSAR浮标是手术在两个连续的上升流季节(南国春夏装)。POSAR CR2实时数据是免费的(www.cr2.cl posar)和CDOM门户网站(www.cdom.cl)。高频率,温度和盐度测量来自一个Microcat CTD-DO (SBE 37-SMP-ODO)传感器位于10米深度、实时传输高频和海洋数据。而风测量来自超声波风速计(MM86106)。数据分析和解释的传感器和他人做1米深度和技术细节的传感器/仪器形成POSAR浮标是可用的Aguirre et al。(2021)而在www.cr2.cl posar。

2.4数据分析

在这项研究中,做变化的分析是基于概要文件CTDO获得的;离散Winckler做测量被用来验证CTDO,之间有显著的正相关关系两种类型的测量。基于每小时的风速和风向注册获得从一个永久气象站位于Carriel苏尔(http://www.meteochile.gob.cl/)智利中部靠近大陆架(图1)。本站建立满足国际标准和它作为一个沿海站。气象数据(日均)与每日卫星风领域相比,平均每6 h和从0.25°线性内插到0.05°。两个产品与卫星观测是来自哥白尼海洋服务(https://resources.marine.copernicus.eu/)。风的速度从卫星数据与从气象站显著相关,然而风速记录从卫星数据是30%高于气象站(Faundez未发表的数据);因此,对于保守的标准,使用载体苏尔气象站的数据。

近岸或阻碍风组件(v = m s⁻¹)计算从风(V | | = m级⁻¹)和方向(dd)转换为弧度,如下;

v = - |V| * 因为 (\frac{d d * π}{180年})

上升流指数(UI;米⁻³年代⁻¹)从2002年到2021年通过埃克曼带状传输每1000米的海岸线(Bakun 1973),如:

U 我 = (\frac{τ_{y}}{ρ f}) * 1000年 米

在哪里τ_y(Pa;公斤米⁻¹年代⁻²)是指风应力内盒73 - 74ºW,子午组件》º年代,ρ代表水的平均密度列在TST18(1026。2公斤米⁻³),f表明了科里奥利参数对应纬度在ST18 (8.67 * 10⁵年代⁻¹)。日常压力( $τ_{y}$ ;N m⁻²)计算后尼尔森(1977):

τ_{y} = C_{d} \cdot ρ_{一个 我 r} \cdot |V| \cdot v

在哪里 $C_{d}$ 是实证静态阻力系数,对应于0.0013 (克劳斯et al ., 1994), $ρ_{一个我 r}$ 是对应的空气密度0.00122 g厘米吗⁻³或1.22公斤米⁻³, $|V|$ 是风在m s级吗⁻¹, $v$ 风朝赤道方向分量的m s⁻¹,5天跑步意味着被用来评估累计近岸风应力,根据巴斯和门格(2007)。低氧体积(高压)计算了理想的缺氧部分圆柱半径为r = 100米和80米的深度,在TST18如下:

H v o l = 10 0^{2} π (80年 - Z [h y p o x 我 c 我 年代 o l 我 n e])

在这项研究中缺氧事件被定义为水平达到低于89μmol L⁻¹两个或更多天的持续时间。它是基于分析缺氧事件在墨西哥湾的里雅斯特(Stachowitsch 1991,1984年),2天的缺氧条件可能导致后生动物生物量的减少不到25%的初始条件;指出其他生理效应•迪亚兹和罗森博格(1995)在这些浓度;这个值是一个粗略的引用是如何不同类群的反应和适应缺氧环境。

年平均周期(称为气候学)TST18变量的计算使用每月平均时间序列。量化的平均偏差年度周期,前者是减去相对应的观测数据为每个月的周期,从而获得异常,定义为测量单位的差异从长期的平均周期。

关于年际变化,ENSO和海洋的厄尔尼诺现象(EN)和拉尼娜(LN)检测到使用两个索引,海洋尼诺指数(ONI)基于沿着赤道太平洋中部的温度异常(3.4地区5°存在°S, 120°-170°W)和沿海厄尔尼诺指数(ICEN)是基于温度异常厄瓜多尔和秘鲁海岸(1 + 2区90°−80°W, 10°S-0°)。在这两种情况下,较低的正面和负面的价值观表明LN和集,分别为(高桥et al ., 2014)。从获得的数据https://origin.cpc.ncep.noaa.gov/products/analysis_monitoring/ensostuff/ONI_v5.phpONI和从http://met.igp.gob.pe/datos/icen.txt。ICEN。

月度时间序列异常的温度、盐度和做被用来确定十年趋势使用最小二乘线性模型适合超过6个月平均的原始时间序列。趋势被预定义的分组平均深度层包括表层(清廉m),下表面(15 - 20米),中间层(30 - 50米),和深层(65 - 80)。做,风应力异常之间的相关性进行了在不同阶段滞后(0 - 4天),以确定最佳的风和海洋变量之间的相关性。

高频测量的温度、盐度和分析了POSAR浮标从量化的变化发生在每天,每周的时间尺度(从现在开始称为高频)和量化误差和数据丢失在观察到的模式相比,每月在TST18采样频率。皮尔森,风应力之间的相关性进行了在不同阶段滞后估计最优高频率这两个变量的相关性和上升流的影响评估表面做的水平。

3结果与讨论

本研究描述了海洋变量,并分析观察颞可变性关注每月做测量从23年之久。这个时间是足够的检测一些年际变化和年代际的趋势。此外,高频率做POSAR浮标观测得到。

3.1气象和水文驱动程序

在整个研究期间,气象站记录每日风速0.6±0.7米之间⁻¹(意味着±SD)和13.3±1.6米⁻¹(意味着±SD),而沿着岸(向北或朝赤道方向)组件的风速波动−12.8到10.7米⁻¹。图2一个显示了每日风应力的子午组件从2001年到2021年,这−0.30和0.19 N m之间的范围⁻²。这些风更强和更频繁的在南国春夏装在辛普森峰值,而弱化甚至主导风向反转发生在秋冬季。在后期,风应力比在上升流季节(变量图2 a, B)。

图2

图2。(一)朝赤道方向与5天风应力平滑(黑线)和90天平滑(青色线),红色的分段线代表趋势(B)朝赤道方向风应力的意思(气候学)和季节性周期(C)累积风应力沿意味着季节循环。

风的年度周期揭示了上升流的优势有利的风从8月至4月(年)的70%最高月平均0.022 N m⁻²1月;(图2 b)。相比之下,在5月至7月之间,消极或接近零压力值(−0.0014 N m⁻²7月)占主导地位。累计上升流风压力所示图2 c显示快速积累从春天到夏天,不同年份之间的不同,主要是在冬季和春季(图2 c)。UI的气候学范围从25.15米²年代⁻¹4月份249.66²年代⁻¹1月。

在大陆架智利中部,沿海上升流事件影响的垂直分布在海水的物理和化学性质,如温度的垂直部分所示,盐度,(图3)、地下水体上涌的驶入了12°C在春天等温线(图3一仲夏期间),达到其最浅的深度(< 1月10米深度)。盐度也显示季节性模式与等温线的平流变浅。低盐度观察到在一个狭窄的表层(0-15 m)在冬季和春季,这是与Itata河量达到TST18(羽),创建一个引人注目的haline分层。

图3

图3。结核菌素18温度(一)、盐度(B)和氧气(C)hovmoller情节。对于温度,12°C(实线)和14°C(虚线)等温线是突出显示。35.5盐度,事业单位事业单位(实线)和34.5(虚线)isohalines高亮显示。氧气,2毫升/ L(实线)和0.5毫升/ L(虚线)等值线突出显示,红色虚线标志着10米深度。红点对应日期的资料是从温克勒插值O₂测量。

分布在水里列(图3 c)提出了更高的浓度(> 260μmol L⁻¹)上(0-15/20米深度)层,然而,次表层和底层中表现出很强的季节性变化由于不含氧的影响ESSW从海岸上涌。在上升流季节,高达87%和81%的水柱展品做浓度低于89和22μmol L⁻¹,分别。低氧水域的平均季节性浅水作用强烈与UI相关(r = 0.81,p< 0.05,n = 12)。

做水平迅速下降,春季发病upwelling-favorable风增加时(大约9月)(图2 b(< 44μmol L)和可怜的氧气⁻¹)和营养丰富ESSW运送到大陆架(图3一,4)。November-March期间,累计上升流有利的风应力达到了超过一半的年度最大(图2 a - c),平均在水柱达到63% -72%或41%体积的-48%,分别与缺氧和严重缺氧。相反,做水平增加4月/ 5月上升流风削弱秋天前过渡。在冬天,向极风导致的持续下降的含氧SAAW (席尔瓦et al ., 2009;Llanillo et al ., 2012)和风暴(Strub et al ., 1998)引起的氧化水柱大陆架(图2一个)通过平流冲洗和垂直混合(Sobarzo et al ., 2007)。在7月达到最大氧化,平均26%(2%)的水柱做浓度低于89(22)μmol L⁻¹(图3 c,4 k)。

图4

图4。每月气候学结核菌素18日月度资料温度(红、模拟),盐度(黄、超高频)和氧(蓝色,i j),由季节。夏天(DJF),秋天(老妈),冬季环流),春季(儿子)。

3.2垂直分布的溶解氧

密度,表示为sigma t,描述水质量结构和动力学(补充图S2)。与做密度是负相关(r =−0.59;p< 0.05,n = 2209),这意味着密集的水含有较少。采样位置的水柱由营养不良和含氧SAAW密度(sigma t)约为25.6。通过高碳钢SAAW向北移动,而ESSW,形成在赤道营养丰富,做差,密度(sigma t)约为26.2,移向极PCUC (席尔瓦和Neshyba, 1979年;席尔瓦et al ., 2009)。做ESSW内容可以被预测的26.2在做时间序列(等容度补充图S1),显示清楚这水质量协会与缺氧的水域。

图4显示了气候每月从TST18水文资料。温度从几乎完全混合的水柱年末秋季/冬季强劲温跃层10至20米的深度在春天/夏天(图4一)。盐度礼物微不足道的深度差异在夏天,除了明显的浅(0-15米深度)梯度在冬季和春季(图4 c)。做气候资料获取的季节性发展严重缺氧和缺氧的垂直分布,以及温度和盐度(图4 c)。温跃层和oxycline shoal同时在春夏装。12月到3月之间的垂直温度梯度加强,当薄表层变得温暖(价值15°C),在本赛季增加辐射加热造成的。这是与酷的上升流从ESSW地下水,创建一个热分层现象。相比之下,低盐度水域中发现6月到10月之间的薄的表层,它伴随着高降水量和径流量(图4 g, H)。此外,低盐度区与Itata河流羽流创建引人注目的冬天haline分层(Saldia et al ., 2012;Masotti et al ., 2018),但不影响表面浓度在冬季和年代际趋势介绍如下。

用深度做浓度不断降低;混合层的最大值(> 220μmol L⁻¹),达到值低于缺氧和严重缺氧的地下和底部层。然而,垂直梯度和不同表面和底部层不利和有利的上升流时期之间的不同。高值在整个水柱(图4我)对应一段强烈的垂直混合与冬季风暴,SAAW和支配。相反,在春季和夏季,oxycline加剧和变得浅海岸上涌进展(9月至3月)。这个季节变化水平部分同意Pizarro-Koch et al。(2019)描述模型,推导估计与最小(最大)低氧体积在冬季(夏季),由于离岸海域耗尽的平流与ESSW PCUC和运输。这是由从TST18观测,如图所示补充图S2,低氧水域的边界与等容度关联ESSW (sigma t = 26.2)。同时,低可能是由于做消费通过OM的氧化,这是出口从表面和沉积物中积累接近和上升流时期(法瑞斯et al ., 2004)。

3.3高频、动力学和年际变化

缺氧和严重缺氧的发展显示高频,intra-seasonal和年际变化(图3 c)。高频变异季节性变化的风向是重叠的,向东通过气旋风暴造成的(Rahn Garreaud, 2013),向极传播沿海低点(Garreaud et al ., 2002;Garreaud Rutllant, 2003;Aguirre et al ., 2021 b)。可变性与3 - 12天波动导致活跃和上升流中事件(Aguirre et al ., 2014;2021年,一个)。其他影响水体的动力学过程包括沿海陷波和其他现象,如涡流(Hormazabal et al ., 2002;皮萨罗et al ., 2002)。每年大多数海洋与生物地球化学变量的变化归因于ENSO循环,这是主要的过程,引发高碳钢(年际变化Hormazabal et al ., 2002,2006)。

以前的长期研究PCUC沿着大陆坡(30°S)状态,沿海困波控制动力学OMZ可变性,而罗斯比波提供一个物理机制,导致重大的季节性智利中部(年度周期)可变性。物理机制源于赤道风迫使(Hormazabal et al ., 2002;皮萨罗et al ., 2002)。然而,这项研究没有考虑到不同类型的波的相互作用是如何影响当地迫使当地风向、河流排放等地形和地貌特征和远洋底栖生物耦合机制,等等。

3.3.1 intra-seasonal变异性的影响

季节性减少做可能减缓或扭转由于intra-seasonal根据沿海风力逆转事件(图5)。低氧水域的平均季节变浅循环强烈与年度UI周期(r = 0.81;p< 0.05,n = 12)是阻碍风的压力。然而,季节性异常低氧体积不显著相关用户界面之间的关系,从而削弱UI和< 89μmol L⁻¹等值线的深度对季节性时间序列平滑(3个月)(r = 0.37;p< 0.05,n = 219) (图6)。这些intra-seasonal异常,似乎没有与UI可能引起强烈的高频规模可变性的未被发现的由于采样频率TST18 POSAR部分中(下面讨论)。

图5

图5。平滑(24小时窗口)高频氧气和朝赤道方向风应力的变化从POSAR从2016年11月到2017年4月(a、b),和2017年11月至2018年5月(c, d)采样时间,2天的移动平均线。二次x轴心线表示步骤2天。红酒吧代表缺氧(在2毫升/ l)持续2个或更多天的事件。

图6

图6。(一)ICEN厄尔尼诺指数与黄色和蓝色框突出厄尔尼诺和拉尼娜事件的兴趣。(罪犯)分别是温度、盐度和溶解氧异常。

TST18,每日平均朝赤道方向的风应力与做弱相关,温度和盐度异常在10米深度。最优关联发生为期两天的延迟,这表明上升流信号峰值所需的时间,所示的最大变浅做等值线,到达的位置TST18 18海里的海岸。对于做,相关值的范围从0.09 r =−−0.17显著时。平均盐度和温度较高的相关性,从0.15 r = 0.12 - 22和24,分别为(补充表S2)。

Sub-seasonal变化很难理解是由于相对较低的月度抽样频率。此外,根据其幅值,它可能会增加大量的错误类似规模的季节性变化。考虑,分析数据从POSAR浮标两上升流有利的时期(2016 - 2017和2017 - 2018年)是用于理解如果每月采样频率是合适的捕获的详细账户做变化。总共12表面浅缺氧事件(即。,低于89μmol L > 2天⁻¹10米)确定采样周期期间,有六个事件发生在2016年- 2017年和六个事件在2017 - 2018年,与不同层次的强度。这些结果同意这些报道Aguirre et al。(2021),表面变化在1米深度进行了分析。平均而言,他们发现,做了最好的关联UI 24-36 h上升流有利事件发生之后。在10米深度(通常是一致的基础上混合层在夏天),沿着岸风应力和做最相关的滞后∼30 h (r =−0.28;p< . 05;n = 7779)。有增加范围sub-seasonal可变性,标准偏差为±60μmol L⁻¹。这些高振幅波动与狂风朝赤道方向,表明上涌是主要的强制机制。在这种规模的变化,其他机制也可能改变做垂直分布,如湍流混合和沿海困波(莫拉莱斯et al ., 1999;Ulloa et al ., 2001;油炸et al ., 2012)。这可能是内在的架子,甚至水与海岸线相关联(例如,埃尔南德斯和Tapia, 2021)。

这些结果强调高频过程导致更大的可变性在月度数据,可以捕获极端事件,可能不是一个月平均的真实表示条件,可能导致高异常。因此,认为每月异常应该被解释为受制于一个错误叠加高频和intra-seasonal可变性,可变性在这个规模越高,越有可能高估月度时间序列中异常。

3.3.2年际变化与ENSO循环(厄尔尼诺现象)

年度周期不同年份之间的显著变化如图7 a, b。例如,在冬季发生高通风,导致做浓度达到高于低氧阈值在大多数的水柱。然而,这显示了高的年际变化与年不通风,当底部附近水域不含氧和暴露于低氧条件,在某些情况下,有50%(18%)的列水平低于89(22)μmol L⁻¹,因此这些水域保持在这种限制长时间,1997 - 99年的情况一样;2002 - 04;2008 - 09年;2013 - 15和2018 - 19期。夏天也是如此,通常水柱的更深层次的40%和65%分别受到严重缺氧和缺氧。尤其强烈上升流期间,缺氧和严重缺氧可以占据了几乎整个水柱(> 80%)达到10米深度2001年一样,2011年,2015 - 2018。相比之下,1998年的夏天,1999年,2003年,2009年、2014年和2016年,低氧水域仍低于20米深(图3 c)。

大多数异常平流过程相关,盐度和温度具有负相关性(图6 b, C)。做的是减少响应比其他变量,因为它也有一个重要的生物组件以及被物理过程的监管,特别是在温跃层(图6 d)。然而,在10米深度、密度和强烈相关(r =−0.8;p< . 05;n = 1551),表明做在任何深度的变化可能与等温线的深度的变化/ isohalines,这种关联更强在中深密度跃层通常位于(补充图S2D)。盐度也显示了很高的年际变化在表面由于降水年波动淡水输入和/或河道流量(Saldias et al ., 2016)。此外,有一个显著的减少排放的淡水河流的智利的中部地区,由于长达十年(2010 - 2018)干旱,降雨量减少20% - -45%在智利中部和南部(Garreaud et al ., 2020)。

三个明显强在事件发生在我们的研究期间;一个极端的事件在1997 - 98年,2015 - 2016年的“哥斯拉”,和2017年沿海EN,都是注册10中最强的事件在过去的世纪Cai et al ., 2015)。正温度异常对应于这些事件,和中性或积极做异常在中期底部深处。这是明显的在1997 - 98和2015 - 16的事件响应峰值期间ICEN指数,而对于所有三个变量的最后一次最强烈的反应发生在2017年的秋天。第一次两个事件,一个更深的12°C等温线和26.2等容度在春夏装,类似于冬季的平均深度观察(图6)。然而,2017年的事件不会显示此模式中,可能由于缺少下降期间通常到达的开尔文波在通过温跃层事件和传播,因此作用在较浅的深度(高桥和马丁内斯,2019)。

相比之下,有两个负面阶段或LN在2007 - 08年和2013年,这表明逆模式如预期;在所有的深度(见与负异常图6)。尽管ENSO是最重要的一个远程迫使高碳钢,EN指标的相关分析,在三个选定的深度(15日50,80)显示只有微弱的相关性(r = 0.17, n = 219) ICEN指数观察到50米(补充表S1)。例如,持久的事件在2015年的夏天——2016年,被称为“哥斯拉”,缺乏在夏天氧化。这是与极端事件在1997年- 98年和2017年沿海EN。应该注意,弱到中度相关性在温度(ICEN r = 0.39 - -0.5;ONI r = 0.32 - -0.51)的存在,增加了深度,而且没有统计上显著的相关性与盐度(补充表S1)。观察到氧化中间水层在预料之中,深化的温跃层EN期间会有更强的影响深度,ESSW更为普遍。在这个时间尺度变化,最强的信号在这个时间序列包括长期高做浓度观察1997年秋冬,2005,2006,2011,2012,2017,2020,89μmol L⁻¹等值线低于最大采样深度,加深与深化12°C等温线和34.5 isohaline。

在秘鲁OMZ,赤道潜流的纬向电流强度的变化(主要是EUC),在ENSO阶段和垂直水质量分布的变化。这就解释了时间和纬度的变化(Llanillo et al ., 2013;蒙特斯et al ., 2014;Espinoza-Morriberon et al ., 2019)。然而,物理和生物地球化学耦合不同不同的政权,和机制还不清楚。在2000年之后的十年,在水柱和营养反应不一,而不是线性与ENSO海洋远程并置对比(固瑞克et al ., 2017;Espinoza-Morriberon et al ., 2019;投手et al ., 2021)。与1996 - 2012年的数据,固瑞克et al。(2017)检测到一个高效的海洋机制通过在水和养分的分布列在秘鲁中部。在此期间的OMZ适应条件Kelvin-wave-induced下降,停止上涌,导致氧化和减少养分增加可用性;同时在2000年之后,意味着上升流条件维护弱势政权期间,与一个温和的中央太平洋EN事件和增强赤道开尔文波活动。研究没有捕获ENSO循环的影响在过去的十年(2012年之后),这些观察来自智利中部,在3300公里从赤道区域电流假设不同的互动机制,主要与南大洋。

甚至有更少的了解做的变换和养分随着ESSW运输向南和降低水体更新率在区域范围内由于分层的增加引起的温暖或新鲜表面水域。中间的东南太平洋深处被两个水质量,朝着相反的方向和混合收敛(即。提到ESSW和南极中间水“AAIW”)。AAIW形成沿着前面的南极绕极流沿着27.0 - -27.1、传播阻碍等容度(Talley 1999),它是丰富的;因此能通风的下限OMZ(26.6等容度)随着ESSW向南(卡拉斯科et al ., 2017)。然而,变化的机制和通风率在ESSW中纬度还不为人知。关于通风的上限OMZ,智利中部和北部海域的特点是永久的存在最小盐水层与南太平洋东部过渡带水(ESPIW;-米深度),导致一个强大的表面分层(施耐德et al ., 2003)。这一层,再加上表面温跃层,产生明显密度跃层,隔离从ESSW薄表面或混合层的强oxycline和OMZ´s核心所在。最低盐水层的变化,可能影响氧化水平需要进一步研究,除了ENSO循环产生的通风或中尺度现象(Espinoza-Morriberon et al ., 2019;Trucco-Pignata et al ., 2019)。

3.4长期变化:十年的趋势

理解做政权及其长期反应在不同的系统中,有助于识别关键过程控制,提供知识库来预测未来气候变化情景下潜在的变化。表1介绍了在不同的海洋深度层做十年的趋势。重大的负面趋势观察到的在较低的表面和层中期,18.1−−21.97μmol L⁻¹十年⁻¹分别与最大变化率在降低表层oxycline的位置(在密度跃层)。同时,表面和底部层显示趋势氧气耗尽,但是不显著。全球平均减少对上层海洋(100 - 1000 m深度)估计−0.93±0.23μmol L⁻¹y⁻¹做两半球中纬度损耗较高(执掌et al ., 2011)。全球大约15%的减少是由于减少的能力做存储在一个温暖的混合层(执掌et al ., 2011)。然而,这并非如此在智利中部温度- 10年的趋势(冷却)从−−0.09。29°C的十年⁻¹估计,这些利率变化的增加对表面(图8)。同时,最强的减少注册表层下面,和只有下表面和层中期趋势是统计学意义(图8 c)。此外,与盐度的积极趋势,在0.01和0.04之间事业单位十年⁻¹发生在整个水柱(图8 b)。这些趋势表明,over-accentuated年代际变化表面中期层对底层(几乎完全被ESSW)可能不是由ESSW属性的变化,但由于等温线、等容度(即变浅。,增加垂直平流对(子)表层)阻碍风加强和更加频繁的平均条件转向一个更浅ESSW。重要的是要注意,十年减少做几个深度与降低溶解度,但它可能与当地风的变化迫使(见审查投手et al ., 2021)。这是进一步支持的长期数据的水平。低于89和22μmol L⁻¹,表明一个关系密切的UI,如图所示图7。

表1

表1。温度(°C的十年⁻¹)、氧气(umol L⁻¹十年⁻¹)、盐度(事业单位十年⁻¹在采样周期)线性趋势1997 - 2021。所有重要的趋势明显。

图7

图7。(一)上升流指标和(B)低氧水域立方米的体积(m³)。红色虚线显示这一趋势。

图8

图8。十年的趋势(一)温度,(B)盐度、(C)氧气,底部(65 - 80),中间(30 - 50米),下表面(15 - 20米)和表面(清廉米)层。单位指示每10年变化。

投手et al。(2021)提供了一种合成为减少的趋势在沿海的驱动力。在大多数情况下,一个十的负趋势(脱氧)发生在系统如加利福尼亚海流系统从加拿大(温哥华)南加州(从8.3到21μmol L⁻¹十年⁻¹)和沿海系统从秘鲁(从1.62到10μmol L⁻¹十年⁻¹),而没有是金丝雀上升流系统中观察到的趋势。在过去的60年里,架子上脱氧趋势明显高于全球海洋脱氧趋势(即。0.075μmol公斤^{- - - - - -}1年⁻¹或4.5∼μmol公斤⁻¹)(格雷戈勒et al ., 2021)。

气候模型预测估计将会有相当大的减少大海做库存以应对人为气候迫使(Schmidtko et al ., 2017;Oschlies 2021),这些预测也符合观察(执掌et al ., 2011)。然而,书架上缺氧的司机仍悬而未决。做变化的主要驱动力是风吹动的上涌,这将增加在气候变化的情况下(例如,Echevin et al ., 2012;Sydeman et al ., 2014;Bakun et al ., 2015;Oyarzun和英国,2019年;Winckler-Grez et al ., 2020)。这项研究的观测证据支持这些预测,作为重要的负趋势和温度,盐度和积极的趋势看表1),表明水枯竭的深度的变化。平均每年的UI是高四倍,从55.9到214.1米³年代⁻¹(图7),而缺氧卷成了高1.2倍(图7 b)在同一时期。自1997年以来每年平均显示的清晰趋势低氧体积,改变从1997年的2.3倍。类似的趋势也估计的体积严重缺氧(补充图S1)支持的假设climate-dependent加强上升流风迫使增加强度和空间缺氧的程度在沿海上升流系统。缺氧的同时增加体积和UI增加可能是由于上升流强度和/或持续时间的上升流有利的季节,如所描述的亚伯拉罕et al . (2021)。此外,以北30°S有一个强化的风近年由于增加了温度梯度,称为“Bakun效应”(Bakun 1990),报道了Weidberg et al。(2020)。

在欧洲,一般增加上升流有利的风已经导致了海温(下降的报道古铁雷斯et al ., 2011;Sydeman et al ., 2014;亚伯拉罕et al ., 2021),这是高碳钢的情况下(Aravena et al ., 2014;施耐德et al ., 2017;Aguirre et al ., 2018)。这是有据可查的有关水疗的向南扩张(Sydeman et al ., 2014;施耐德et al ., 2017;Aguirre et al ., 2018;Winckler-Grez et al ., 2020)和更频繁的迁徙反气旋穿过智利中南部海岸(Aguirre et al ., 2021 b)。这些趋势同意先前的研究报道积极的趋势在叶绿素上升流区域(格雷格et al ., 2005;古铁雷斯et al ., 2011;Marrari et al ., 2017),包括在智利中部海岸上涌,如图所示Aguirre et al。(2018)和Winckler-Grez et al。(2020)。这种趋势可以解释为增加upwelling-favorable风营养泵向表面促进浮游植物的生长,增加生物量,报道Aguirre et al。(2018)和Weidberg et al。(2020)但只有30°以北。浮游植物生物量的增加或OM可能暗示在当地的消费,这就需要进一步调查。

做动力学,包括低氧体积和强度积极响应各种如果参数,包括源水的变化(爱默生et al ., 2004;惠特尼et al ., 2007,Espinoza-Morriberonet al ., 2021),富营养化(豪沃思et al ., 2011)和上升流风迫使(见以前的引用)。同时,ENSO的可变性,增加极端ENSO事件的频率和强度在过去的世纪Gergis和福勒,2009年;Cai et al ., 2015;王et al ., 2019),可能与该地区风和水质量分布的变化。不太可能改变做消费了智利中部是由于沿海系统作为河流富营养化有中度或低氮和磷负荷(Masotti et al ., 2018)。这个对比墨西哥湾或大陆架印度(Breitburg, et al ., 2018;纳2021),但目前还不清楚如果水质量的变化在中纬度,主要ESSW,负责观察脱氧。

最后,年代际变化与太平洋年代际振荡(PDO)也是一个潜在的司机在观察到的变化,也影响的季节性迁移和强化海上SPA及其摩擦与大陆的交互。前世纪重建的浓度(Srain et al ., 2015)显示了> 30年时间的年代际变化与PDO的负(正)阶段,这有利于(阻碍)风吹动的上升流的发展,进而提高(降低)初级生产力和出口。

3.5影响和缺氧的风险

目前,气候变化风险评估进行了社会、生态和生产部门(联合国政府间气候变化专门委员会,2022)。智利中部,观察到随着时间减少做可以视为与气候相关的风险和风险产生影响在生物资源,生态系统和沿海社区。此外,风力上升流能推动低氧水在沿岸带(不到20米深),甚至到浅水海湾(例如,康塞普西翁湾Coliumo湾Arauco海湾)。这是由于氧气等值线的变浅,包括89年和22µmol L⁻¹,经常观察到沿岸上升流区(见补充图S3)因此,缺氧事件内陆棚可能变得更加频繁和严重,增加曝光和敏感性,因此底栖生物的风险(住在滨海区域小于20米深),甚至远洋生物更暴露,导致沿海社区,依靠这些资源更加脆弱。

埃尔南德斯和Tapia (2021)表明上涌引起缺氧事件近岸潮下的系统是司空见惯,但也显著变量之间的位置;一半的网站在他们的研究中显示的意思是做低氧阈值。事实上,一些历史巨大的鱼类和甲壳纲动物死亡事件被记录在研究区(Hernandez-Miranda et al ., 2010;Hernandez-Miranda et al ., 2012)。最近的分析报告和监测国家渔业和水产养殖服务(SERNAPESCA)在过去的15年里(2006 - 2021)已经表明,最大规模的鱼致命事件发生在事件的主导南或西南大风(即重大阻碍组件),这些大规模死亡事件已经加剧了智利中部海岸,特别是在小型远洋鱼(鳀鱼和沙丁鱼)和甲壳类动物(赛,2022)。

气候风险的概率指标的大小可能发生的损失,由于环境的变化。在这种情况下,减少气候强迫现象。估计需要知识的风险,风险暴露和敏感的系统(Portner et al ., 2022),空间扩展的气候风险近年来(1980 - 2010)和中期未来(2035 - 2065)在不同场景下的温室气体排放(如RCP8.5)。人类沿海社区和生态系统越来越接触自然灾害的风险(在本例中缺氧)如因空间扩张的现象,和消极的趋势在上升流系统(审查联合国政府间气候变化专门委员会,2019)。

朝赤道方向风应力预计增加的北部和南部高碳钢在接下来的几十年。耦合模型相互比较项目(CMIP5)使用13个不同的模型与历史模拟和一个极端的气候变化情景(RCP8.5) (Oyarzun和那2019),表明沿海海洋生态系统缺氧的风险可能会增加直接死亡或严重影响不同的生物过程。例如,对摄食行为的影响,运动,发展,生殖过程,减少浮游生物和底栖生物物种的栖息地质量是观察。反过来,这些影响到人口规模水平,物种组成、生物多样性、和商业渔业(例如,格兰瑟姆et al ., 2004;Vaquer-Sunyer杜阿尔特,2008年;Ekau et al ., 2010;低,Micheli, 2018年;2012年托马斯和拉赫曼)。此外,严重影响海洋生物甚至mas的鱼类和无脊椎动物死亡事件通常与欧洲有关,缺氧频繁发生(格兰瑟姆et al ., 2004;低et al ., 2021)。因此,改变上升流政权由于气候变化可能会进一步增加的频率和大小upwelling-driven缺氧,结果是,大规模死亡事件(Stauffer et al ., 2012)。

易受缺氧是变量在整个时间和空间尺度上的(低et al ., 2021),这是在智利中部。由于漏洞是依赖于经济、社会文化、地理、人口、和治理因素(凯尔曼,et al ., 2016;低et al ., 2021智利海岸),可以被视为高度容易缺氧。在智利有100个沿海城市约450万居民。渔业和水产养殖中是最重要的经济和社会生产活动。气候变化预计将增加脱氧作用的强度和频率随时间变化;因此,缺氧会增加沿海社区的脆弱性和渔业。这可能会导致减少经济收入等社会经济影响渔民和妥协粮食安全。此外,它被认为是有一个高度依赖手工小规模渔业和水产养殖的社会经济关系,与环境服务被使用。这意味着他们更脆弱和失去弹性,需要适应气候变化的支持。部分缓解这个漏洞需要连续、高分辨率和实时观测在沿海上升流生态系统通知决策者在沿海地区和资源的用户。不幸的是,洞察高频变异在南部高碳钢系统有限的缺乏现场和实时数据的物理和生物地球化学属性在沿海地区(法瑞斯et al ., 2019;Ramajo et al ., 2020)。

因此,监测网络的学术、政府、渔业合作社和社会利益相关者可以提供一个宝贵的机会为当地适应面对不断升级的暴露在环境压力(低et al ., 2021)。能力建设、社区参与和适当的治理沿海社区地区将有助于减少与这些活动相关的社会经济影响。

4结论的话

这分析确定不同级别的变化,由风驱动的上升流与高频变异intra-seasonal朝赤道方向风,及其与低频季节性累积风应力。都发挥着重要的作用在控制架子上做变化,在高频和年度内(季节性)鳞片。

平均的水柱(90米)达到63% - -72%和41% - -48%的体积浓度小于89.3和22.3µmol L⁻¹,分别。在上升流季节,高达87%和81%的水柱分别低于这些阈值。南国的冬天(七月),水柱达到最大氧化,平均26%和2%的水分别列在缺氧和严重缺氧的阈值。在季节尺度上,风迫使身体控制缺氧的发生,随着累积风应力是与缺氧体积,低氧水域的百分比,发生严重的缺氧事件的水柱。

在两个连续的上升流的季节,每年4 - 6表面缺氧事件注册在10米深度,持续5天。这些事件不被每月在TST18采样频率,因此需要持续的监控了解每周和intra-seasonal可变性。大部分的可变性与活跃和轻松的朝赤道方向的风。

在年际尺度上,可变性是知之甚少,弱与ENSO循环有关。这可能是由于更大的距离赤道系统。在中纬度ENSO似乎主宰了当地反气旋造成的可变性和大气远距离联系机制。

-十年的趋势(脱氧)和温度(冷却)表明,做损失与气体溶解度的变化无关。变化可能发生在缺氧的水域的涌入,从而增加有机质和随后的生产消费。年代际变化的复合源水没有充分调查和做变化可能是由于水的垂直分布的变化。

有明确的证据表明,强劲的上升流风影响缺氧事件的可能性和严重程度,由于预期强化未来上升流的(即。,更强烈和/或更频繁的上升流事件)沿海地区会变得十分脆弱,导致对生物资源和生物地球化学循环的影响。

数据可用性声明

在这项研究中提出的数据集可以在网上找到存储库。库的名称/存储库和加入号码可以找到(s)如下:10.48665 /模拟/ CMHMEQ https://www.pangaea.de/。

作者的贡献

LDM和低频的贡献同样这个手稿。低频构思氧的观点来分析不同尺度的变化从一个时间序列,她近年来维护和脆弱性分析的一个解释,LDM分析数据用不同的统计方法,也使图和其他分析排除假设LDM和低频写道他们批准提交的版本。

资金

如果承认支持Nacional de Investigacion y Desarrollo通讯社(ANID)。这项研究是由FONDECYT 1200861, FONDAP-CONICYT 15110009 (CR2),年科学项目计划ICM 2019 - 015(瑞士)和年科学行动计划NCN19_153上涌。

确认

作者感谢康塞普西翁大学的生物地球化学组他们的帮助和支持,特别是Gerardo加西亚和卡伦Sanzana近年来完全奉献自己。我们还要感谢劳拉·Ramajo Crsitian巴尔加斯和审稿人的宝贵的意见和建议。我们感谢胡安Faundez和迪克逊Villena元数据和验证的时间序列数据。R / V的船员凯(II)和员工的大学的海洋站城市康塞普西翁实地考察期间提供了有价值的帮助;以及所有参与的同事在国王杯时间序列(国王计划开始于2002年- 2012年康塞普西翁大学海洋学系),提供核心的测量。特别是雷纳托醌类´s实验室提供Chl-a和氧气(温克勒方法)数据从2012年到日期和费边Tapia CTDO数据(2016 - 2018)。我们也感谢国王以来所做的工作时间序列等许多技术助理胡安Faundez毛盖乐葛斯,Luis Montecinos奥利弗提问等等。

的利益冲突

作者声明,这项研究是在没有进行任何商业或财务关系可能被视为一个潜在的利益冲突。

出版商的注意

本文表达的所有索赔仅代表作者,不一定代表的附属组织,或出版商、编辑和审稿人。任何产品,可以评估在这篇文章中,或声称,可能是由其制造商,不保证或认可的出版商。

补充材料

本文的补充材料在网上可以找到:https://www.雷竞技rebatfrontiersin.org/articles/10.3389/feart.2022.929271/full补充材料

补充图S1|(一)埃克曼输送和(B)速度平滑超过3个月。各自的趋势是由红色虚线表示。

补充图S2|(一)sigma t和(B)溶解氧hovmoller图,白色代表等容度,轮廓(B)25.6和26.2的等容度显示为SAAW指标和ESSW水质量,分别。(C)散点图显示sigma t之间的关系和做。(D)沿着水柱sigma t和相关性,所有重要。

补充图S3|纬向截面的海洋数据来自Corredor-Acosta et al。(2020)邮轮(https://doi.org/10.1594/PANGAEA.913715)。

补充表S1|之间的相关系数,不同的ENSO指数(ICEN ONI和沿海指数)在几个深度层。所有重要的相关性显著。

补充表S2|温度(°C),盐度(事业单位)和氧(umol l - 1)与朝赤道方向风应力异常相关。所有重要的相关性显著。

引用

亚伯拉罕,。,Schlegel, R., and Smit, A. (2021). Variation and change of upwelling dynamics detected in the world's eastern boundary upwelling systems.前面。3月科学。8,626411。doi: 10.3389 / fmars.2021.626411