南海是一个典型的边缘海,但是同时又具有开放大洋的特征。这种独特的性质,让南海成为一个理想的“试验场”,适合开展关于各种物理过程如何调控海洋生物地球化学系统的机制研究。为了全面地探索多种物理过程,包括但不局限于海洋环流、中尺度涡、大气驱动和海洋锋面等等,对于生地化系统的调控机理,本文开展了两个案例研究,分别对应南海中两个热点区域,即冬季吕宋藻华过程区域和夏季越南沿岸上升流系统。为了研究冬季吕宋海峡中发生的藻华事件(后文用LZB指代),采用了一个物理-生态耦合的模型(TFOR-Fennel模型),来研究LZB的机理。基于2010年藻华事件的模拟,结果显示,TFOR-Fennel模型能够再现LZB的关键特征,例如发生的位置、倒V型的核心、双核心的结构,以及藻华的相对强度。模拟显示LZB发生在冬季东北季风增强后的松弛阶段,当加深的混合层深度开始变浅的时刻。在发生的位置方面,模拟的LZB离岸核心开始于吕宋冷涡的北部范围;而在吕宋冷涡内部,藻华的发生滞后于锋面区域。对于LZB的离岸核心,近表层浮游植物的浓度变化大部分(大约77%以上)由局地的生长贡献,说明必须有外部的营养盐输入激发浮游植物的生长。营养盐诊断显示垂向混合是造成表40 m层营养盐补充的主要原因,同时次表层上升流在混合层以下区域补充营养盐。动力诊断显示,相对涡度对流是次表层上升流的主要贡献因素。相对涡度对流则来自于风生离岸流与背景涡度场的相互作用。对于南海内部单个站位垂向一维结构的研究表明,南海中存在多种动力过程,例如本文中纳入一维模型考虑范围的Ekman泵吸、涡旋泵吸和背景环流幅散过程,还包括本文中没有纳入考虑的风-涡相互作用、准地转过程和非线性Ekman泵吸过程,都会引发海洋内部或者边界层中的剧烈的垂向运动。数值实验的结果表明,综合考虑了前三者造成的垂向运动的案例,能够最好地表征温度变化。对于其他的海洋站位来说,这些垂向流速的计算和定量过程都是通用的,因此能够进一步应用到其他站位的研究当中。此外,通过建立一维物理-生态耦合模型,对生态系统的参数进行调校,得到一组优化的参数组合,然后代入三维模型进行计算的方法,被证实是行之有效且效率较高的方案,可以进一步推广到其他研究中。为了研究夏季越南沿岸上升流系统(VBUS)的生物生产力,对遥感数据进行了分析。分析显示,生态系统生产力与环流呈现密切的时空联系。高生态系统生产力对应着高表层流速,该关系解释了约12%的生产力变异。开发了强调中尺度现象的物理-生态耦合模型(TFOR-CoSINE),以研究VBUS中的详细过程。用卫星数据和现场数据对模型结过进行验证,结果表明,模型能够重现夏季VBUS的关键特征,包括环流对于生产力的正贡献。分析表明环流在生态系统中起的重要作用,即沿岸流分离和相应的反气旋式环流,有利于生态系统中营养盐循环。较弱的表层环流对应着异常的非分离流态,该流态使得有机物泄漏离开VBUS系统,降低了营养盐的存量。使用数值实验对该机理进行进一步解释:即控制非线性项,使得沿岸流呈现微弱的分离趋势。在实验中,VBUS中的营养盐存量降低了约25%,初级生产力降低了约16%,证明流态分离对于局地生物地球化学循环的重要性。上述案例研究表明,南海中多样的非线性、短时间尺度物理过程,不仅仅对高生产力的水体(例如近岸河流陆源输入的外源新生产力)起到再分配的做应用,而更是系统性地改变营养盐的源汇格局,进而控制南海的生产力。通过引起多样的水体垂向运动,物理过程补充真光层中的营养盐浓度。因此,南海的生地化循环受到这些物理动力过程的高度调控。