1 简介
沿着加拿大太平洋海岸的不列颠哥伦比亚省 (BC) 大陆边缘位于动态过渡区内，太平洋洋流在此分叉为东北流的阿拉斯加洋流和东南流的加利福尼亚洋流（康明斯和弗里兰，引用2007）。该地区生产力非常高，是许多重要经济物种的栖息地，包括鲑鱼、鲱鱼和太平洋无须鳕（例如 Ware & Thomson、引用2005）。尽管它很重要，但人们对这个生态系统的动态及其对气候变化和海洋酸化的敏感性仍然知之甚少。初级生产力受到夏季风驱动的温哥华岛陆架沿海上升流的强烈影响，这些上升流将营养物质注入地表水域（Peña 等人，引用2019年；惠特尼等人，引用2005），同时也提供富含碳的物质（Feely 等人，引用2008）和缺氧水域（Crawford & Peña，引用2013）进入大陆架，使该地区特别容易受到未来海洋酸化和缺氧的影响（Feely等人，引用2008年；豪里等人，引用2013）。此外，胡安德富卡海峡的河口流出物为近岸的温哥华岛沿岸流提供水源，防止稠密的缺氧水到达岸边，并全年为温哥华岛海岸提供充足的营养（Bianucci等人，引用2011年；克劳福德，引用1991年；克劳福德和佩纳，引用2013）。在 BC 省北部 (如图。1），夏季总体环流为河口环流，冬季沿海风迫使强烈的下降流，而夏季随着下降流的减弱而产生弱的上升流（Hannah et al.,引用1991）。该地区广阔的大陆架也具有很高的生产力，因为营养丰富的水在夏季深处流入大陆架，随后被夹带到地表水中（例如 Whitney 等人，引用2005）。由于厄尔尼诺南方涛动（ENSO；Wolter & Timlin，引用2011），太平洋年代际振荡（PDO；Mantua 等人，引用1997）和北太平洋环流振荡（NPGO；Di Lorenzo 等人，引用2008），在调节初级生产的逐年变化方面发挥着重要作用（Peña 等人，引用2019年；惠特尼等人，引用2005）。这种水的明显的自然气候变化使得长期的人为趋势难以检测，需要持续数十年的时间序列观测（Cummins & Masson，引用2014）。

全球和区域气候模型预测可用于评估气候变化对海洋生态系统的潜在影响。在大多数东部边界上升流区域，模型预测气候变化下沿岸风将会增强（Bakun 等人，引用2015年；王等人，引用2015年；修等人，引用2018），但这种变化对初级生产的影响在这些地区之间有所不同，具体取决于浮游植物养分限制水平和控制养分向上流入海岸的动态（Lachkar＆Gruber，引用2013年；波索·布尔等人，引用2021 年；里卡切夫斯基等人，引用2015）。此外，未来平流进入该地区的水源性质的改变可能会发挥重要作用（Bograd 等人，引用2019年；雷卡切夫斯基和邓恩，引用2010）。在加州洋流系统 (CCS) 中，地球系统模型 (ESM) 预测净初级生产力将增加，以应对北太平洋通风减少导致的上升流源水营养富集（Rykaczewski & Dunne，引用2010）。正如托斯特等人预测的那样，北太平洋洋流向北移动。（引用2019），将加强冷的、营养丰富的水从高纬度地区向低纬度地区的输送，对 CCS 的多个营养级产生积极影响（Malick 等人，引用2017年；西德曼等人，引用2011）。在温哥华岛大陆架附近，由 18 个气候模型组成的整体预测 21 世纪夏季上升风会增加（Merryfield 等人，引用2009）。然而，福尔曼等人使用区域海洋环流模型来缩小全球预测的规模。（引用2014）发现沿温哥华岛西部陆架稍强的夏季风不会导致上升流发生明显变化。因此，尽管全球模型对于评估海洋生态系统在未来可能的气候下可能的反应至关重要，但沿海地区需要高分辨率气候模型，因为全球模型的粗分辨率不能充分代表沿海过程（Siedlecki等，2017）。 ,引用2021 年；修等人，引用2018）。

虽然气候变化导致的风力增强可以通过增加进入富光带的养分输入而使海洋种群受益，但它也可能通过增加酸性水向陆架生境的输送而对许多生物体有害。此外，随着海洋吸收过量的人为大气CO 2，​​海洋酸化导致海水中碳酸钙矿物（例如方解石或不稳定形式文石）的饱和状态（Ω）下降（Feely等人，引用2016）。海洋酸化有可能通过减少海洋钙化生物的骨骼和贝壳的形成来显着影响单个海洋生物和生态系统（Fabry等人，引用2008年；斯托伊科维奇等人，引用2013 ;) 并影响幼鱼和成鱼（Munday 等人，引用2009年；罗斯等人，引用2011）。在美国西海岸，区域环流-生物地球化学模型已被用来评估大气 CO 2排放量增加对 CCS 的影响，该模型显示，从 1995 年到 2050 年，海洋酸化迅速进展，导致强度、幅度和范围增加。大陆架上酸化水的持续时间（Gruber 等人，引用2012年；豪里等人，引用2013）。此外，对于 CCS，来自三个 ESM 的动态缩小预测（即使用粗略的全球气候模型场来强制建立高分辨率区域海洋模型）用于生成气候预测并评估预测中的模型不确定性（Pozo Buil 等人，引用2021）。在加拿大太平洋水域，区域模型已被用来缩小 ESM 的规模，提供关于未来气候情景下气候变化的潜在影响的有用信息（Foreman 等人，引用2014年；霍尔兹沃斯等人，引用2021）。然而，这些高分辨率预测要么不包括生物地球化学过程，要么采用大气气候学来强制海洋模型。

为了更好地了解气候变化和海洋酸化变化对加拿大西海岸条件的综合影响，我们使用为 BC 大陆边缘开发和参数化的高分辨率耦合环流-生物地球化学模型，以根据 ESM 进行小规模预测。在历史（1981-2010）和未来（2041-2070）条件下进行了多年模拟，以在两种代表性浓度路径（RCP）4.5和8.5情景下进行气候预测（CMIP5；Taylor等人，引用2012）。我们分析了一系列生态系统相关变量的变化（即变暖、酸化和海洋生产力的变化）以及与这些变化相关的合理机制。手稿的其余部分组织如下。第2节简要描述了区域模型、历史模拟再现观测结果的能力以及用于缩小 ESM 规模的方法。第3节介绍了生态系统相关变量的预计变化，然后第 4 节对结果进行了讨论。

2 方法
a 物理-生物地球化学耦合模型
我们采用的模型是区域海洋建模系统（ROMS；Shchepetkin & McWilliams，引用2005）与不列颠哥伦比亚大陆边缘（BCCM）的较低营养级生物地球化学模型相结合。Peña 等人给出了 BCCM 模型的详细描述。（引用2019）。该模型水平分辨率为3公里，覆盖整个加拿大太平洋大陆边缘，从阿拉斯加边境（∼55°N）延伸到哥伦比亚河以南（∼47°N），向海距离海岸约400公里（如图。1）。它具有 42 个地形跟随垂直水平，可在表面和底部边界层中提供高分辨率，表面层厚度范围从最浅区域​​（15 m 深）的最小 0.3 m 到最深区域的 ∼1.6 m（约3800 m 深），顶部 50 m 内平均有约 12 层，可以合理地表示表面边界层。影响研究区域的 154 条河流的淡水排放量，源自 Morrison 等人的研究。（引用2012），在海岸作为点源实施。

Peña 等人详细描述了生物地球化学模型。（引用2019），由一个 NPZD（营养-浮游植物-浮游动物-碎屑）模块组成，具有三个营养隔室（硝酸盐、铵和硅酸盐）、两个浮游植物群（硅藻和鞭毛藻）、两个浮游动物群（草食性浮游动物和杂食性浮游动物）和三个碎屑池（缓慢下沉的碎屑、大型快速下沉的碎屑和硅碎屑）。温度根据Q 10因子影响浮游植物、浮游动物和碎屑的所有生理速率模型参数，浮游植物设置为2，浮游动物和细菌再矿化设置为3。该模型通过添加碳循环模块进行了扩展，该模块增加了三个新隔间；溶解无机碳 (DIC)、碱度 (Alk) 和矿物质 CaCO 3 (D CaCO3），到生物地球化学模型（参见附录 A）。有机碳转化与有机氮转化密切相关，Redfield C:N 比例固定为 106:16。然而，慢沉碳和氮碎屑（DC 1和DN 1）以及大型快速沉没碳和氮碎屑（DC 2和DN 2）的不同再矿化率允许与 Redfield C:N 比率存在偏差（参见表A1）。CO 2跨海气界面的交换按照 Wanninkhof 进行参数化（引用2014），并按照标准海洋碳循环模型比对项目第 2 阶段协议（可在http://ocmip5.ipsl.jussieu.fr/documentation/OCMIP/phase2/simulations/Abiotic/HOWTO-Abiotic-1获取）对碳酸盐化学进行模拟.html )。

b 模型模拟
为了研究未来气候变化对加拿大西海岸的潜在影响，我们使用气候预测来创建扰动，这些扰动被添加到现实的多年区域后报模拟的初始条件和时变强迫场中（如下所述）。这种动态缩减方法被称为伪全球变暖方法（Hara 等人，引用2008年；木村和鬼藤，引用2007）或 delta 方法（Alexander 等人，引用2020）并且之前已在类似研究中使用过（例如 Foreman 等人，引用2014）。该技术可以对最近几年和未来几年的气候进行比较，后者在年际变化方面与对照年相似，但包括未来的气候学（Hara 等人，引用2008）。为了使模型能够适应其横向边界和表面强迫，该模型使用 1979 年的强迫场反复旋转了 3 年，然后使用 1980 年及随后几年的强迫数据运行模型。包括或删除前 1-2 年的模型输出不会影响本研究中考虑的气候学，并且缩小尺度的异常不会在运行的时间跨度上系统性地发散（图 S1）。相同的旋转程序适用于未来的模拟。给出了过去 30 年循环-生物地球化学耦合模型模拟的历史（1981-2010）和未来（2041-2070）时期的平均结果，除了初始场和强迫场外，使用相同的模型设置。

1 事后模拟
30 年基线模拟（1981-2010）以前用于检查 BC 海岸物理和生物地球化学条件的年际变化（Peña 等人，引用2019）。大气条件（即 3 小时风和日平均空气湿度、气温、气压、地表向下短波和长波辐射以及降水）通过北美区域再分析获得（NARR；Mesinger 等人，引用2006）并用于使用标准体积公式计算大气热通量。潮汐边界强迫是从 Foreman 等人的正压潮汐模型中获得的。（引用2000）。海洋场的初始和每月开放边界条件（温度、盐度、u 和 v）源自简单海洋数据同化版本 2.1.6 结果（Carton & Giese，引用2008），而模拟每年重复的硝酸盐和硅酸盐的月度气候学是从 2013 年世界海洋地图集获得的（ https://www.nodc.noaa.gov/OC5/WOD13/；Garcia等人，引用2014）。DIC 和 Alk 的初始条件和边界条件是从全球海洋数据分析项目（GLODAPv2、Lauvset 等人，引用2016年；奥尔森等人。引用2016）。使用Takahashi 等人的表面海洋p CO 2的每月气候学，将季节循环添加到上层 DIC 和 Alk 横向边界条件中（引用2014）以及关于海面温度和盐度的基于观测的碱度参数化（Lee 等人，引用2006），继 Hauri 等人之后。（引用2013）。通过假设其季节性幅度与温度的季节性幅度成比例衰减，DIC 和 TA 变化的季节周期在整个上层水柱中传播。所有其他生物地球化学变量的初始条件和边界条件均设置为低常数值（≤ 0.05 mmol m −3）。河流径流是根据 Morrison 等人定义的。（引用2012）以及季节性变化的硝酸盐和硅酸盐河流输入来自主要河流的现有观测，如 Sutton 等人所述。（引用2013），而 DIC 和 Alk 设置为 1000 mmol m -3（Ianson 等人，引用2016）。根据阿拉斯加科尔德湾的观测 ( https://gml.noaa.gov/dv/data/ )，大气p CO 2从 1981 年的 342 ppm 增加到 2010 年的 391 ppm。

Masson 和 Fine 提出了对后报模拟的广泛模型验证（引用2012）和佩尼亚等人。（引用2019），这表明该模型能够以合理的精度再现 BC 陆架区域的重要海洋学特征。这包括主要的季节性洋流、沿海验潮仪和近海卫星测高沿线站点的海拔时间序列、涡动能模式、1997-98年厄尔尼诺事件、密度和营养物的垂直和跨岸梯度以及上层养分和初级生产力的平均分布和季节变化。该模型能够重现过去的季节性和年际变化，这可以验证用于预测未来气候变化影响的模型。

为了评估模型重现关键碳酸盐化学变量的能力，我们将模型结果与GLODAPv2 和海洋科学研究所（加拿大渔业和海洋研究所， DFO）在模型域内和研究期间的多个地点进行调查。现场观测位置如图 1 所示。S2。我们首先评估模型在沿海地区重现观测结果的能力（参见如图。1）和近海区域按十年对温度和盐度进行分类，但不对 DIC 和 Alk 进行分类，因为大多数观测数据来自过去十年（>80%）。如图所示如图。2a，模拟的温度、盐度、DIC和Alk与近海区域的观测结果有很好的相关性(r≥0.9)，而DIC和Alk的相关性较低(r∼0.7)，温度和盐度的相关性略低(r∼0.85) ）在沿海地区。该模型还能够重现观察到的区域间变异性，大多数归一化标准差在 0.8-1.2 范围内。其次，我们评估模型再现垂直结构的能力。在水体上部 100 m 处，DIC 和 Alk 的相关性（分别为 0.63 和 0.58）低于温度和盐度的相关性 (>0.8)，但模拟变量与更远以下的观测值 (r ≥ 0.9) 相关性良好（r ≥ 0.9）。如图。2b). 同时，该模型在两个垂直层中同样良好地再现了观察到的变异性，归一化标准差在 0.8 至 1.2 范围内。

如图。2模型模拟温度、盐度、DIC 和 TA 与观测值比较的泰勒图：(a) 陆架（实心符号）和近海（空心符号）区域，以及 (b) 0–100 m（实心符号）和 100 以下m 深度（空心符号）。数据按十年分类：1981–1990（红色）、1991–2000（蓝色）、2001–2010（洋红色）和 1981–2010（黑色）。距原点的径向距离是建模参数的归一化标准差。与垂直方向的角度表示模型与观测值之间的相关性。模型点和观测点之间的距离（横坐标上的 x）表示模型和观测估计值之间的归一化均方根 (RMS) 失配。

如图。 2 模型模拟温度、盐度、DIC 和 TA 与观测值比较的泰勒图：(a) 陆架（实心符号）和近海（空心符号）区域，以及 (b) 0–100 m（实心符号）和 100 以下m 深度（空心符号）。 数据按十年分类：1981–1990（红色）、1991–2000（蓝色）、2001–2010（洋红色）和 1981–2010（黑色）。 距原点的径向距离是建模参数的归一化标准差。 与垂直方向的角度表示模型与观测值之间的相关性。 模型点和观测点之间的距离（横坐标上的 x）表示模型和观测估计值之间的归一化均方根 (RMS) 失配。
显示全尺寸
然后，我们将模型值与 2007 年 5 月北美碳计划 (NACP) 西海岸巡游的观测结果进行了比较（Feely 等人，引用2008）并发现了一些缺点。首先，该模型沿着北部陆架和温哥华岛附近的横断面低估了上部 100 m 的 Alk 10–30 µmol kg -1 （图 S3 和图 S4）。其次，沿着温哥华岛附近横断面的盐度、DIC 和 Alk 等值线的上升并不局限于模型中的近岸，而是延伸到更远的近岸（图 S4），这可能反映了模型中跨岸梯度的代表性较差。由于大气强迫的粗略分辨率而产生的沿岸风。

2 区域气候变化模拟
为了动态缩小气候预测，气候扰动被计算为两种气候情景下未来时期（2041-2070）和历史时期（1981-2010）平均值之间的差异：适度缓解（RCP 4.5）和高排放（RCP 8.5）情景（Moss 等人，引用2010）。通过将来自加拿大区域纯大气模型 (CanRCM4) 模拟的每日气候扰动（未来历史）添加到后报模拟每年的后报大气场中，构建了强制区域气候变化模拟的大气场。来自加拿大地球系统模型 (CanESM2) 模拟的每月气候扰动（未来历史）被添加到后报初始和海洋边界条件中，在后报模拟的每年重复，以产生区域气候的初始和沿边界条件改变模拟。此外，我们还迫使模型随着大气p CO 2的增加而变化。，由气候情景指定。与事后模拟一样，气候变化模拟为期 34 年，此处显示了过去 30 年模拟的平均值。将我们的历史模拟提前六十年的选择有点武断，但它有助于与使用类似提前时间的早期研究进行比较（例如福尔曼等人，引用2014年；霍尔兹沃斯等人，引用2021 年），而且在足够遥远的未来，大多数变化都可以归因于温室强迫的变化，而不是内部模型的变异。在区域尺度上，内部变异性在全球模型中仍然很重要。

CanESM2（Arora 等人，引用2011）提供了水平分辨率为~1.41°经度和0.94°纬度以及40个垂直水平的海洋初始和每月横向开放边界条件，而仅区域大气模型（CanRCM4；Scinocca等人，引用2016）由 CanESM2 全球模型驱动，以 ≃ 22 km 的水平分辨率提供运行模型所需的所有日常大气强迫场。选择此模型组合是因为它是我们可用的模型域中唯一由地球系统模型 (ESM) 驱动的区域气候模型 (RCM)，并且因为海洋生物地球化学变量的三维月度场 (NO 3、DIC 和 Alk）可从此 ESM 中获得，而不仅仅是年度平均值，因为它可从耦合模型比对项目 (CMIP5) 档案的第 5 阶段获得。CanESM2 模型包括氮和碳循环，但不包括氧，因此这里不考虑缺氧条件的变化。RCM 分辨率的提高能够更好地捕捉沿海地区海洋风和热通量的空间变化（例如 Morrison 等人，引用2014）并且具有生物地球化学和物理变量边界条件的三维每月时间分辨率可以更好地表示该地区生物地球化学特性的显着季节性（Peña等人，引用2018）。然而，尽管 CanRCM4 模型具有与 NARR 数据集相似的空间分辨率，如上所述，CanRCM4 预测并未直接在我们的模拟中使用，因为我们将 1981 年至 2010 年历史期间的 CanRCM4 风与气象浮标的观测结果进行了比较沿着 BC 大陆架（如图。3＆ 如图。S5）揭示了春季和秋季转变的幅度和时间的系统偏差，特别是上升流季节的偏差。相比之下，NARR 以合理的精度再现了观测到的夏季风的时间和强度。因此，使用 CanRCM4 预测直接强制我们的未来模拟将产生不正确的上升流条件，并就其对未来海洋条件的影响得出错误的结论。

为了说明对温度、盐度、硝酸盐和 DIC 的模型初始场和边界场施加的扰动，将月平均值和经纬度变量扰动平均为年平均值和水平平均值（如图。4）。在 RCP 8.5 下，边界处的平均扰动提供了更温暖、更新鲜的海水，其地表温度最高为 2.2–2.8 °C，盐度高达 -0.4，并分别从地表向下延伸至约 1000 和 500 m，并且为边界之间平均相似。相比之下，DIC 在 1500 m 上部增加，在 100 至 500 m 范围内最大平均扰动为 40 至 55 mmol m −3 ，并且在 50 至 3000 m 左右营养物供应增加，最大平均扰动出现在 ~ 的南部边界。 500 m 左右为3.7 mmol m -3 。RCP 4.5 下的干扰具有类似的模式，但不太明显，反映了较低的排放情景（图 S6）。

3 个结果
我们将未来条件的预测变化呈现为模型模拟的未来时期（2041-2070）海洋和生物地球化学条件相对于最近（1981-2010）平均条件的平均变化。30 年平均值之间的变化被认为有助于过滤气候变化，有利于本文主要关注的长期气候变化信号。我们重点关注中等缓解（RCP 4.5）和高排放（RCP 8.5）情景下大陆架生态系统相关变量（温度、养分可用性、酸度、浮游植物生物量和产量）的空间格局和季节周期的变化。

a 上层海洋状况的变化
在RCP 4.5和RCP 8.5下，大部分模型域的年平均海面温度（SST）与历史时期相比分别增加了1.6和2.5°C（如图。5）。相比之下，近岸海面盐度 (SSS) 下降幅度小于其他地区，在 RCP 4.5 和 RCP 8.5 条件下，海面盐度分别下降约 0.2 和 0.3。海温和海温变化导致上层层化增加，除乔治亚海峡外，各地海水密度差（50 m 减去地表）>0.17 kg m -3的变化表明了这一点。然而，模型分辨率太粗糙，无法充分表示该区域（Peña 等人，引用2016），因此萨利什海以及模型未充分解决的许多狭窄通道和入口的结果将不再进一步考虑。尽管上层层化增加，但大多数区域的表面硝酸盐浓度有所增加，但大陆架除外，浓度较低，特别是在 RCP 8.5 下。

开放大陆架海洋条件的未来变化随季节变化（如图。6）。例如，在 RCP 8.5 下，预计全年平均海温将上升 2 至 3 °C，其中 8 月至 10 月增幅最高。相比之下，未来春季和夏季（五月至十月）地表水的分层程度将更高，但冬季的分层程度将减少。然而，夏季沿海层结的增加不足以克服上升流有利风的影响，夏季和秋季地表和地下硝酸盐浓度的增加就表明了这一点。与预期相反，冬季层化程度较低时，硝酸盐浓度会降低。这是由于与历史时期相比，未来60 m以上冬季的硝酸盐浓度有所下降（如图。7），而未来夏季硝酸盐浓度将在上层以下增加。

未来地表 pH 值因大气 CO 2增加而发生的变化比海表温度的变化更平滑、更均匀。年平均表面 pH 值在 RCP 4.5 下平均降低约 0.14 pH 单位，在 RCP 8.5 下平均降低 0.21 pH 单位（如图。8）。两种情况下年平均酸度的预计增幅均大于（pH 值较低）大部分模型域历史时期模拟的最低 pH 值。

b 浮游植物和初级生产的变化
年平均总浮游植物生物量（硅藻+鞭毛虫）的预计变化通常较小（<15%），空间异质性，并且在两种气候变化情景下相似（如图。9）。沿着大陆架，温哥华岛西海岸和海达瓜伊东海岸浅岸的叶绿素浓度降低，夏洛特皇后湾和赫卡特海峡东海岸的叶绿素浓度升高。温哥华岛西南海岸的下降幅度更大，这是 BC 大陆架生产力最高的部分（Ware & Thomson，引用2005）。浮游植物生物量的下降通常与地表水中养分的消耗有关，因为较高的水温通常会导致更稳定和分层的水条件，从而导致更深水域的养分供应减少。然而，在我们的例子中，叶绿素的变化与大多数位置表面硝酸盐浓度的变化并不相符（如图。5），特别是在温哥华岛西南海岸。此外，沿大陆架表面和地下硝酸盐的时间变化（如图。6）显示，当层化减少时，冬季浓度降低，而夏季层化增加时，地下硝酸盐浓度增加。然而，未来情景中分层的增加和营养环境的变化可能导致浮游植物类型发生变化，有利于陆架上的硅藻和近海的鞭毛虫。

浮游植物生物量的变化不一定是由养分可用性和上层海洋分层的变化驱动的，因为自上而下的放牧控制和水平运输的变化也可能很重要。特别是，已知温哥华岛西南海岸浮游植物的生长和保留受到胡安德富卡海峡营养丰富的水流出以及胡安德富卡涡流的强烈影响（Hickey＆Banas，引用2008）。这种准静止的冷气旋涡经常主导该地区的夏季和秋季环流模式（Foreman等人，引用2008年；弗里兰和丹曼，引用1982），历史模拟面板中可以明显看出（如图。10）。因此，其幅度的变化可能是预计未来浮游植物减少的原因。然而，如季节性平均未来和异常面板所示，除了秋季期间涡流外围当前强度小幅增加之外，未来涡流环流预计不会发生变化。这与 Foreman 等人的研究结果一致。（引用2014），没有发现未来的胡安·德·富卡·艾迪斯有任何重大变化。相比之下，浮力驱动的温哥华岛沿岸流较弱（Thomson 等人，引用1989年）预计在冬季（1月至3月）和春季（3月至5月）期间，但在夏季（6月至8月）期间变得更强。

与叶绿素相反，年平均初级产量预计将增加 0.12 gC m −2 d −1之多，但在海达瓜伊东海岸附近的近岸水域预计略有下降（如图。9）。初级生产力较低的陆架断陷区的相对增幅高于初级生产力较高的大陆架（最高可达 30%）。从季节性来看，除早春外，大陆架沿线的初级生产预计全年都会增加，其中大部分增加发生在夏季（如图。11）。未来初级产量的增加主要是由于再生产量的增加，尽管新产量也有助于夏季的增加。新产量的变化与 50 至 52°N 之间叶绿素的变化一致，显示早春略有减少，夏末有所增加，但在叶绿素减少最多的更南边则不然。

在表层内再生的初级生产力的比例取决于食物网过程，例如放牧压力。在该模型中，浮游植物生长和浮游动物放牧的最大速率均取决于温度。这表明温度及其对浮游植物及其食草动物相对生长率的影响是模型中初级生产和再生生产预计增加的主要原因。研究表明，变暖会提高浮游植物的生长速度；然而，这受到营养物质可用性的强烈调节，表明在更分层的条件下，变暖可能对浮游植物的生长产生负面影响（例如Marañon等人，引用2014）。先前的研究表明，温哥华岛附近的沿海水域富含营养物质（Hickey & Banas，引用2008年；马卡斯等人，引用1980年；佩尼亚等人，引用2019），因此该地区的浮游植物生长受到硝酸盐的限制比CCS更南部的地区要少。由于光而不是营养物质主要限制了该地区浮游植物的生长，未来分层的增加将使浮游植物停留在表面附近，有利的光照条件维持浮游植物的生长。

c 大陆架垂直结构的变化
为了评估物理和生物地球化学示踪剂垂直结构的变化，提出了夏洛特皇后湾（QCS）和温哥华岛西海岸（WCVI）两个地点的平均冬季和春季横截面（参见如图。1）。我们还提出了文石饱和状态（Ω arag）分布的变化，因为该特性影响海洋生物钙化的宜居性。Ω arag的值是使用碳酸盐系统平衡方程 (CO2SYS) 根据模型溶解无机碳 (DIC) 和总碱度 (Alk) 计算得出

QCS横断面的特点是，冬季下降流导致近海岸温跃层加深，夏季由于下降流松弛而使温跃层变平（如图。12）。硝酸盐、pH 值和 Ω arag等值线的加深遵循等密度表面的加深。冬季上层硝酸盐浓度高于夏季，而pH和Ωarag冬季低于夏季。未来，两种气候变化情景下都会发生类似的变化，但 RCP 8.5 下的变化会更强（如图。12）高于 RCP 4.5（图 S7）。300 m 处温度总体升高约 0.5 °C，地表温度升高，冬季比夏季更强，增加了上层层化，减少了硝酸盐向上层的通量，特别是在冬季。在上层以下，硝酸盐浓度在冬季和夏季增加。pH 和 Ω arag在上部 300 m 的所有深度均下降，夏季变化比冬季更明显。Ω arag的变化在地表附近较高（冬季和夏季分别为 -0.4 和 -0.6），而 pH 值在地表以下约 30 m 处下降幅度最大，冬季和夏季分别高达 0.18 和 0.23。

除温度外，所有属性的未来变化在南部陆架横断面都更强（如图。13）比北部陆架的一个。南部横断面受到夏季沿海上升流和近岸温哥华岛沿岸流 (VICC) 的影响，VICC 提供了营养物来源并形成屏障，防止富含 C 的上升流渗透内陆架（Bianucci 等人，引用2011）。上升流区域的 pH 值自然较低，这会导致海水中 CaCO3 矿物（如方解石和文石）的饱和度下降。这是因为上升流的海水因海洋内部有机物的再矿化而富含CO 2 ，​​因此具有较低的pH 值和Ω 值。沿着这条样线，夏季，硝酸盐、pH 值和 Ω arag的变化在地表以下 15-40 m 之间更为明显。在 RCP 8.5 下，预计夏季文石饱和状态将降至饱和以下（Ω arag < 1) 水深超过40 m。在冬季，硝酸盐浓度下降，pH 值发生变化，在两种气候情景下，距海岸 20 公里以内的近岸地区的硝酸盐浓度比离岸更远的地区不太明显（如图。13和图。S8）。

不列颠哥伦比亚省海岸的特点是碳酸盐饱和深度较浅，因此大陆架内存在欠饱和水域（如图。14）。特别是，在 100 m 深度以下，碳酸盐浓度通常是不饱和的 (Ω arag <1)，因此抑制了钙化生物体形成贝壳。在 RCP 4.5 和 RCP 8.5 下， Ω arag饱和层预计在水柱中分别上升约 10-50 m 和 20-70 m（如图。14）。等值线浅滩更多地分布在北部地区的海槽中，那里的饱和层位比温哥华岛西海岸更深。预计文石饱和层浅滩的增加将对翼足类等钙化生物产生不利影响，尽管生物敏感性可能会从更高的阈值开始。

作为这些栖息地限制的变异性指标，我们计算了各种欧米茄饱和度水平下的水量。水体积计算为BC 大陆架区域具有给定 Ω arag范围的网格单元体积之和（如图。1）。Ω arag的体积随季节变化，特别是在上层，由于春夏季浮游植物生产力的强烈影响，压低了 CO 2分压，导致这些水域目前Ω arag过饱和（如图。15）。未来，Ω arag预计将迅速下降，大部分大陆架在 50-100 m 深度将出现夏季欠饱和。虽然如今大陆架顶部 50 m 的水团几乎总是过饱和，但在 RCP 4.5 和 8.5 下，这些水域中的平均 6% 和 12% 将分别变得不饱和。在这两种气候情景下，Ω arag大于 1.5的水域将在 50 m 以下消失，Ω arag大于 2 的水域将在顶部 50 m 大部分消失，陆架底层将在文石饱和状态以下持续 2–仲夏时节3个月。

4。讨论
我们使用专门为 BC 大陆边缘开发和参数化的区域高分辨率循环-生物地球化学耦合模型 (BCCM)，以提供两种未来气候情景下物理和生物地球化学条件的气候变化预测。为此，我们使用伪全球变暖方法动态缩小了 RCP 4.5 和 RCP 8.5 下 CanRCM4 和 CanESM2 模型的预测，该方法之前已在类似研究中使用过（例如 Foreman 等人，引用2014）。RCP根据2100年的额外辐射强迫水平进行标记，RC P4.5和RC P8.5 CO 2浓度分别达到538和936 ppm，分别代表适度缓解和高排放气候情景（Taylor等人，引用2012）。我们发现，在考虑的两种气候变化情景下，未来（2041-2070）相对于最近（1981-2010）的变化模式相似，但在 RCP 8.5 下预测的变化更强、更广泛。例如，RCP 8.5 下的地表 pH 值和温度变化明显高于 RCP 4.5 下的变化（约 70%），这表明缓解措施在减少气候变化影响方面的好处。现在可以通过 CMIP6 获得类似的新场景和 ESM 模拟，但不太可能大幅修改本研究的主要结果。

我们发现，在 RCP 4.5 和 RCP 8.5 下，大部分模型域的海面温度分别增加了 1.6 和 2.5°C。这些变化类似于 CanESM2 模型预测的未来同一时期升温 1.8–2.6°C，以及 Holdsworth 等人的区域 NEP36-CanOE 模型预测的 1.8–2.4°C。（引用2021 年；可在https://open.canada.ca/data/en/dataset/a203a06d-9c1f-4bb1-a908-fc52912ff658获取。）分别在 RCP 4.5 和 RCP 8.5 下的 2046 年至 2065 年的未来期间（如图。16）。这些变化比 Foreman 等人预测的 1.4-2 °C 变暖范围高约 20%。（引用2014年；他们的如图。2）2065-2078 年期间排放情景特别报告 (SRES) A2 排放情景。此外，这些模型之间商定了未来变化的方向（如图。16），预测两种气候情景下海面清新，上层分层、初级生产和酸化增加。然而，除地表硝酸盐外，区域模型之间预测变化的幅度总体上比 CanESM2 更相似且更低。ESM 和区域模型之间的这些差异在沿海地区更为明显，特别是在 NBC 地区。尽管区域模型之间的平均值相似，但这两个模型之间的空间变化模式存在显着差异（图S9）。

在我们的模型中，由于温度对浮游植物最大生长速率的直接影响，变暖刺激了浮游植物的生长。然而，正如本研究和之前的研究（例如 Taucher 和 Oschlies，引用2011），更好地理解温度对代谢过程的直接影响并建立模型表示对于可靠地预测未来生产力的变化非常重要。特别是，浮游植物生长和浮游动物放牧之间的温度敏感性差异应进一步研究，因为它们在变暖条件下控制浮游植物生物量的重要作用（例如O'Connor等人，引用2009）。我们发现，预计温度升高和分层增强会导致大陆架初级生产力增加约 25%，这与之前的研究一致，即光而不是营养物质更限制亚北极沿海地区浮游植物的生长（Peña 等人） .,引用2019），也与显示 BC 大陆架表面硝酸盐很少消耗到不可检测水平的观察结果一致（Mackas 等人，引用1980）。模拟初级生产的增加并不是对气候变化导致的上升流或源水硝酸盐浓度增加的反应，正如在 CCS 更南的地方发现的那样（Bakun 等人，引用2015年；雷卡切夫斯基和邓恩，引用2010），但由于再生产量的增加表明，随着气候变暖，营养物质的循环增强。未来大部分海岸的浮游植物生物量也将适度减少（< 20%），这可能是由于气候变暖导致放牧压力增加的结果，因为温度影响模型中的所有代谢率参数。Pozo Buil 等人报告了 RCP 8.5 情景下 CCS 中沿海叶绿素的类似适度下降。（引用2021）在他们的三个缩小规模的全球模型中的两个进行了分析。叶绿素减少的原因是层结增强，加上有利上升流的风减弱。相比之下，Xiu 等人。（引用2018）发现随着CCS气候变化，流向富光区的养分通量增加，但由于浮游动物放牧是控制浮游植物生物量的重要因素，浮游植物对养分输入增加的反应是复杂且非线性的。

未来初级生产增加对海洋生物资源的影响仍不确定。在地表附近进食的中上层鱼类和浮游动物种群可能会受益于初级生产的增加。然而，中层水体和底栖生物可能无法忍受由生产率提高引发的局部有氧呼吸驱动的更频繁的低氧和腐蚀事件，该呼吸消耗氧气并产生近似化学计量当量的CO 2 (Anderson & Sarmiento，引用1994）。因此，了解和预测初级生产的未来模式不仅对于估计气候变化对海洋生态系统和渔业产量的潜在影响很重要，而且对于 C 和 O 2含量也很重要。

不列颠哥伦比亚省大陆边缘初级生产的预计增长与其他可能产生有害后果的应对措施相匹配。特别是，在 RCP 4.5 和 RCP 8.5 下，大部分模型域的表面 pH 值分别降低了 0.14 和 0.21。此外，由于大气中CO 2浓度的增加，文石的平均饱和状态在未来一段时间内显着下降。自工业化前时期以来，增加的 CO 2吸收导致北美西海岸Ω arag层浅滩约 30-50 m（Feely 等人，引用2016 年），北萨利希海一年中处于腐蚀性条件下的时间百分比下降了约 40%（Evans 等人，引用2019）。在我们的模拟中，预计 60 年内，大部分陆架的 Ω arag地平线将上升至少 20 m，从而显着增加陆架上腐蚀性水的体积。CCS 中也预测了陆架区域Ω arag的类似抬升引用2013）。Ω arag的下降将对翼足类、双壳类和棘皮动物等钙化无脊椎动物造成越来越大的生理挑战（Stojkovic 等，引用2013）。目前 BC 沿海水域的表面 pH 值表现出相当大的空间和时间变化（Feely 等人，引用2008）。这种变异性可以为该地区的海洋生物提供一定程度的适应未来海洋酸化的能力，但前提是未来的变化不会大幅超出这一自然范围。然而，在这两种情况下，到 2050 年代预计的年平均酸度都高于历史时期观察到的最低 pH 值（pH 值较低）。

沿海系统的局部驱动因素，例如河流输入、富营养化和有机物降解加剧，也将导致更强烈的酸化效应。由于这些驱动因素的未来变化无法获得，特别是未来气候模拟的河流流量数据，河流流量及其养分负荷与历史模拟相比没有变化。因此，地表淡水通量的变化仅是由于蒸发和降水的变化造成的。福尔曼等人。（引用2014）发现，在SRES A2排放情景下，流域内更多的降水流入沿海水域，导致胡安德富卡海峡的河口流更强，VICC也更强。相比之下，我们预计在河口流出量不变的情况下，冬季和春季 VICC 会减少，秋季会增加。鉴于这一限制，VICC 的预计变化相当不确定。

由于海洋生物之间以及它们与非生物力量之间复杂的相互作用，气候变化对海洋生态系统的影响很难预测。这里提出的未来区域预测代表了 RCP 4.5 和 RCP 8.5 排放情景下条件可能发生的变化，但在整个 IPCC 模型集合中选择单个模型确实对区域气候变化提供了有限的观点。弗罗利彻等人。（引用2016）评估了ESM对未来潜在海洋生态系统压力源的预测中不确定性来源的相对重要性。他们发现，情景不确定性是全球平均尺度 pH 值不确定性的主要来源，并且模型不确定性与本世纪中叶考虑的大多数其他变量的情景不确定性相当或更大，而内部产生的气候变异性是主要来源。未来几十年大多数沿海海洋生态系统的不确定性来源。人们对动态缩小的未来预测的不同不确定性来源的相对重要性知之甚少。程等人。（引用2021）动态缩小了东白令海陆架两种气候情景下三个ESM的预测，发现ESM模型的不确定性大于情景不确定性。波索·布尔等人。（引用2021）缩小了 RCP 8.5 下的三个 ESM 对 CCS 的预测，发现虽然缩小模型中的趋势反映了迫使它们的 ESM 中的趋势，但缩小后的生物地球化学变量与 ESM 的差异大于物理变量。此外，正在使用多种方法来动态缩小预测范围，并且尚未评估结果对这些不同方法的敏感性。例如，一些研究使用了 delta 方法（例如 Siedlecki 等人，引用2021），而 Pozo Buil 等人。（引用2021）使用时变增量方法，Holdsworth 等人。（引用2021）使用增强风的大气气候学，Cheng等人。（引用2021）使用ESM的直接输出来驱动区域模拟，Hauri等人。（引用2013）迫使他们的区域模型随着大气p CO 2的增加而变化ESM 预测的横向边界处的 DIC 不断增加，模型的物理部分也同样如此。我们的研究使用了 delta 方法并探索了情景不确定性（RCP 4.5 和 RCP 8.5），但由于动态缩减的计算成本，不可能缩减一系列 ESM 的输出以减少个体固有的偏差楷模。然而，与其他研究的缩小规模预测相反，我们使用区域气候模型中的大气强迫场以及生物地球化学和物理变量的月平均边界条件。考虑到风力在上升流区域的重要性以及充分体现上升流源水变化的重要性，这些改进可能会提供对未来状况的更准确的预测。

需要预测海洋生态系统的物理和生物地球化学条件在未来可能的气候下可能如何变化，以管理海洋生态系统并规划潜在的适应战略。ESM 的动态降尺度通过提供多种生态系统压力因素（例如酸化、变暖、脱氧和海洋生产力变化）变化的区域预测，在满足这一需求方面发挥着重要作用。这些区域模型预测为更高营养级的预测提供了物理和生物地球化学基础（Thompson 等人，引用2023a；汤普森等人，引用2023b）以及海洋保护区之间生态连通性的变化（Friesen 等人，引用2021年）在不列颠哥伦比亚省水域展示了高分辨率预测对于区域海洋资源应用的实用性。尽管正在使用多个 ESM 进行降尺度练习以减少模型不确定性，但其他不确定性来源仍未得到探索，例如降尺度方法对生物地球化学变量的影响。然而，运行多个模拟的计算成本很高，因此更好地理解和识别变革的关键驱动因素的努力也很重要。我们关于温度对代谢过程的直接影响对于预测未来生产力变化的重要性的结果强调了改进过程表示和改进模型参数化的持续重要性。还需要做更多的工作来确定适应这些潜在的未来变化的能力。