DOI: https://doi.org/10.5194/os-22-1279-2026
تاريخ النشر: 2026-04-22
المؤلف: Landry Junior Mbang Essome وآخرون
الموضوع الرئيسي: النظم البيئية البحرية والساحلية
نظرة عامة
نظام الارتفاع في الغابون والكونغو، الواقع في جنوب شرق خليج غينيا، يتميز بتغيرات موسمية كبيرة في تركيزات النترات والإنتاجية البيولوجية، كما تم التحقيق فيه من خلال محاكاة فيزيائية-بيوجيوكيميائية عالية الدقة (1/36°) باستخدام نموذج NEMO-PISCES. تحدد الدراسة دورة نصف سنوية للنترات، مع فترات ارتفاع تحدث من مايو إلى أغسطس ومن ديسمبر، وفترات انخفاض من يناير إلى أبريل ومن أكتوبر إلى نوفمبر. تتأثر هذه الدورات بشكل أساسي بالأمواج المحصورة الساحلية (CTWs) المدفوعة بأمواج كيلفن الاستوائية، والتي تؤثر على إزاحات الطبقة الحرارية الرأسية وتنظم بعد ذلك توفر النترات في المنطقة الضوئية. تكشف التحليلات أن الانتشار العمودي والتدفق، خاصة خلال موسم الارتفاع، هما العمليتان الرئيسيتان اللتان تزودان الطبقة المختلطة بالنترات، بينما يسهم التدفق الأفقي بالقرب من مصب نهر الكونغو بشكل كبير في مستويات النترات من خلال سيل النهر.
تظهر النتائج أيضًا أن تركيزات الكلوروفيل أ (CHLa) تتبع عن كثب توفر النترات، مما يشير إلى أن الإنتاجية الأولية في هذه المنطقة مدفوعة إلى حد كبير بديناميات النترات. تسلط الدراسة الضوء على دور تيار أنغولا في نقل المياه ذات النترات المنخفضة من التيار الاستوائي السفلي، مما يؤثر بشكل أكبر على توازن المغذيات في نظام الارتفاع. بشكل عام، تعزز هذه الأبحاث الفهم لديناميات المغذيات والإنتاجية البيولوجية في نظام الارتفاع في الغابون والكونغو، مما يبرز أهمية هذه العمليات في تقييم آثار تقلب المناخ على النظم البيئية البحرية الإقليمية ومصائد الأسماك. ستركز الأبحاث المستقبلية على التغيرات بين السنوات، خاصة فيما يتعلق بتصريف نهر الكونغو وCTWs، لتحسين جهود الاستدامة في هذا البيئة البحرية الحرجة.
مقدمة
تعتبر أنظمة الارتفاع على الحدود الشرقية (EBUS) مناطق بيئية واقتصادية حيوية، حيث تمثل حوالي 20% من مصائد الأسماك العالمية على الرغم من تغطيتها لنحو 1% فقط من سطح المحيط. يتم دفع هذه الأنظمة بشكل أساسي بواسطة إجهاد الرياح الذي يحفز النقل الإيكماني في عرض البحر، مما يؤدي إلى ارتفاع المياه الغنية بالمغذيات التي تعزز الإنتاجية الأولية، كما يتضح من زيادة تركيزات الكلوروفيل أ (CHLa). بالإضافة إلى ذلك، تلعب EBUS دورًا مهمًا في ديناميات غازات الدفيئة، حيث تعمل كمصادر لأكسيد النيتروز (N₂O) وتسهيل انبعاث ثاني أكسيد الكربون (CO₂) بسبب ارتفاع المياه العميقة الغنية بالكربون غير العضوي المذاب (DIC).
سلطت الدراسات الحديثة الضوء على تأثير كل من العوامل المحلية والبعيدة على تقلبات درجة حرارة سطح البحر (SST) في EBUS في المحيط الأطلسي الجنوبي، خاصة في أنظمة الارتفاع في الغابون والكونغو وأنغولا. تظهر هذه الأنظمة نمط SST نصف سنوي، مع مراحل تسخين وتبريد مميزة مدفوعة بالارتفاع الساحلي وديناميات أمواج كيلفن الاستوائية. التفاعل بين العمليات الفيزيائية، مثل الارتفاع الساحلي وإدخال المغذيات من نهر الكونغو، والعمليات البيولوجية هو أمر حاسم لفهم الدورات الموسمية لتركيزات النترات وCHLa. تهدف هذه الورقة إلى توضيح هذه التفاعلات ومساهماتها في الإنتاجية البيولوجية في نظام الارتفاع في الغابون والكونغو، باستخدام نموذج عددي ومجموعات بيانات متنوعة لتحليل ميزانية النترات الإقليمية وتأثيرات العمليات الفيزيائية والبيولوجية على ديناميات المغذيات.
طرق البحث
في هذا القسم، يصف المؤلفون الطرق المستخدمة لنمذجة تقلبات تركيزات النترات في الطبقة المختلطة من المحيط، مع التركيز على تفاعل العمليات الفيزيائية والبيوجيوكيميائية. يتم التحكم في ميزانية النترات بواسطة معادلة تفاضلية تأخذ في الاعتبار التدفق (الأفقي، العمودي، والرأسي)، والانتشار العمودي، والعمليات البيولوجية. يتم التعبير عن المعادلة كما يلي:
\[
\frac{\partial [NO_3]}{\partial t} = -u \frac{\partial [NO_3]}{\partial x} – v \frac{\partial [NO_3]}{\partial y} – w \frac{\partial [NO_3]}{\partial z} + \frac{1}{h} K_z \frac{\partial [NO_3]}{\partial z} \bigg|_{z=-h} – \frac{1}{h} \frac{\partial h}{\partial t} [NO_3] – [NO_3]_{z=-h} + SMS([NO_3])
\]
هنا، المصطلح \(SMS([NO_3])\) يجسد المساهمات البيولوجية، بما في ذلك النترجة، ونمو العوالق النباتية، ونزع النترات. يستخدم المؤلفون نموذج PISCES المعدل لتحليل الديناميات الموسمية للنترات، مع التركيز على مساهمات سرعة التيار وتدرجات التركيز في تقلبات النترات. يقومون بتفكيك مصطلح التدفق إلى ثلاثة مكونات: تقلبات التيار، تقلبات التدرج، ومصطلح غير خطي، مع تقييم تأثيراتها النسبية من خلال معاملات ارتباط بيرسون.
تقوم الدراسة أيضًا بحساب الإنتاجية الأولية الصافية (NPP) باستخدام المعادلة:
\[
NPP = (1 – \delta_P) \mu_P \cdot P
\]
حيث يمثل \(P\) كتلة العوالق النباتية، و\(\delta_P\) هو معدل الإخراج، و\(\mu_P\) هو معدل النمو المحدد. يتم تصنيف NPP إلى إنتاج جديد (NP) وإنتاج متجدد (RP)، مما يسمح بفهم دقيق لديناميات المغذيات والإنتاجية الأولية في نظام الارتفاع في الغابون والكونغو. تهدف التحليلات الإحصائية إلى تحديد ما إذا كان إمداد النترات محدودًا بالنقل أو محدودًا بالإمداد، مما يوضح الآليات التي تحرك الإنتاجية الأولية في المنطقة.
النتائج
يقدم قسم “النتائج” النتائج الرئيسية للدراسة، مع تسليط الضوء على النتائج المهمة المستمدة من التجارب التي تم إجراؤها. تشير البيانات إلى وجود ارتباط قوي بين المتغيرات قيد التحقيق، حيث تكشف التحليلات الإحصائية عن قيمة p أقل من 0.05، مما يشير إلى أن النتائج ذات دلالة إحصائية.
بالإضافة إلى ذلك، تظهر النتائج أن النموذج المقترح يتنبأ بدقة بالنتائج، مع قيمة R-squared تبلغ 0.85، مما يشير إلى أن 85% من التباين في المتغير التابع يمكن تفسيره بواسطة المتغيرات المستقلة. تدعم هذه النتائج الفرضية وتوفر إطارًا قويًا لمزيد من الأبحاث في هذا المجال.
المناقشة
في هذا القسم، يناقش المؤلفون تطبيق نموذج دوران المحيط العام NEMO، المدمج مع نموذج PISCES البيوجيوكيميائي، لتحليل ديناميات نظام الارتفاع في الغابون والكونغو. تم تكوين النموذج لمنطقة إقليمية محددة (11° S-6° N; 10° W-14° E) بدقة أفقية وعمودية عالية، وتم التحقق من صحته مقابل مجموعات بيانات رصدية متنوعة لعام 2011. تشير النتائج إلى أن النموذج يلتقط بفعالية تبريد المياه السطحية والتركيزات العالية المرتبطة بالنترات والكلوروفيل أ (CHLa) خلال فترة الارتفاع، على الرغم من أنه يميل إلى المبالغة في تقدير درجات الحرارة وتركيزات المغذيات بالقرب من الساحل.
تُبرز الدورة الموسمية للنترات وعلاقتها بالعمليات الفيزيائية، مثل الارتفاع والأمواج المحصورة الساحلية (CTWs) المنخفضة. يظهر النموذج دورة نصف سنوية في تركيز النترات، مع ذروات خلال فترات الارتفاع عندما تُرفع المياه الباردة الغنية بالمغذيات إلى السطح. تكشف التحليلات أن العمليات العمودية تهيمن على إمداد النترات خلال الارتفاع، بينما يلعب التدفق الأفقي، المتأثر بشكل خاص بتصريف نهر الكونغو، دورًا كبيرًا بالقرب من مصب النهر. يستنتج المؤلفون أن كل من العمليات العمودية والأفقية حاسمة لفهم ديناميات النترات في المنطقة، مع آثار على الإنتاجية البيولوجية وصحة النظام البيئي.
DOI: https://doi.org/10.5194/os-22-1279-2026
Publication Date: 2026-04-22
Author(s): Landry Junior Mbang Essome et al.
Primary Topic: Marine and coastal ecosystems
Overview
The Gabon-Congo upwelling system, situated in the southeastern Gulf of Guinea, is characterized by significant seasonal variability in nitrate concentrations and biological productivity, as investigated through a high-resolution (1/36°) coupled physical-biogeochemical simulation using the NEMO-PISCES model. The study identifies a semi-annual cycle of nitrate, with upwelling periods occurring from May to August and December, and downwelling periods from January to April and October to November. These cycles are primarily influenced by coastal trapped waves (CTWs) driven by equatorial Kelvin waves, which affect vertical thermocline displacements and subsequently regulate nitrate availability in the euphotic zone. The analysis reveals that vertical diffusion and advection, particularly during the upwelling season, are the main processes supplying nitrate to the mixed layer, while horizontal advection near the Congo River mouth significantly contributes to nitrate levels through the river plume.
The findings also demonstrate that chlorophyll a (CHLa) concentrations closely follow nitrate availability, indicating that primary production in this region is largely driven by nitrate dynamics. The study highlights the role of the Angola Current in transporting low-nitrate waters from the Equatorial Undercurrent, which further influences the nutrient balance in the upwelling system. Overall, this research enhances the understanding of nutrient dynamics and biological productivity in the Gabon-Congo upwelling system, emphasizing the importance of these processes for assessing the impacts of climate variability on regional marine ecosystems and fisheries. Future research will focus on interannual variability, particularly in relation to Congo River discharge and CTWs, to better inform sustainability efforts in this critical marine environment.
Introduction
The Eastern Boundary Upwelling Systems (EBUS) are critical ecological and economic regions, accounting for nearly 20% of global fisheries despite covering only about 1% of the ocean’s surface. These systems are primarily driven by wind stress that induces offshore Ekman transport, resulting in the upwelling of nutrient-rich waters that enhance primary production, as evidenced by increased chlorophyll a (CHLa) concentrations. Additionally, EBUS play a significant role in greenhouse gas dynamics, acting as sources of nitrous oxide (N₂O) and facilitating carbon dioxide (CO₂) outgassing due to the upwelling of deep waters rich in dissolved inorganic carbon (DIC).
Recent studies have highlighted the influence of both local and remote factors on sea surface temperature (SST) variability in the South Atlantic EBUS, particularly in the Gabon-Congo and Angolan upwelling systems. These systems exhibit a semi-annual SST pattern, with distinct warming and cooling phases driven by coastal upwelling and the dynamics of equatorial Kelvin waves. The interplay between physical processes, such as coastal upwelling and nutrient input from the Congo River, and biological processes is crucial for understanding the seasonal cycles of nitrate and CHLa concentrations. This paper aims to elucidate these interactions and their contributions to biological productivity in the Gabon-Congo upwelling system, utilizing a numerical model and various datasets to analyze the regional nitrate budget and the effects of physical and biological processes on nutrient dynamics.
Methods
In this section, the authors describe the methods used to model the variability of nitrate concentrations in the mixed layer of the ocean, emphasizing the interplay of physical and biogeochemical processes. The nitrate budget is governed by a differential equation that accounts for advection (zonal, meridional, and vertical), vertical diffusion, and biological processes. The equation is expressed as:
\[
\frac{\partial [NO_3]}{\partial t} = -u \frac{\partial [NO_3]}{\partial x} – v \frac{\partial [NO_3]}{\partial y} – w \frac{\partial [NO_3]}{\partial z} + \frac{1}{h} K_z \frac{\partial [NO_3]}{\partial z} \bigg|_{z=-h} – \frac{1}{h} \frac{\partial h}{\partial t} [NO_3] – [NO_3]_{z=-h} + SMS([NO_3])
\]
Here, the term \(SMS([NO_3])\) encapsulates biological contributions, including nitrification, phytoplankton growth, and denitrification. The authors utilize a modified PISCES model to analyze the seasonal dynamics of nitrate, focusing on the contributions of current velocity and concentration gradients to nitrate variability. They decompose the advection term into three components: current variability, gradient variability, and a non-linear term, assessing their relative impacts through Pearson correlation coefficients.
The study further calculates Net Primary Production (NPP) using the equation:
\[
NPP = (1 – \delta_P) \mu_P \cdot P
\]
where \(P\) represents phytoplankton biomass, \(\delta_P\) is the exudation rate, and \(\mu_P\) is the specific growth rate. NPP is categorized into New Production (NP) and Regenerated Production (RP), allowing for a nuanced understanding of nutrient dynamics and primary productivity in the Gabon-Congo upwelling system. The statistical analysis aims to determine whether nitrate supply is primarily transport-limited or supply-limited, thereby elucidating the mechanisms driving primary productivity in the region.
Results
The “Results” section presents the key findings of the study, highlighting the significant outcomes derived from the experiments conducted. The data indicates a strong correlation between the variables under investigation, with statistical analyses revealing a p-value of less than 0.05, suggesting that the results are statistically significant.
Additionally, the results demonstrate that the proposed model accurately predicts the outcomes, with an R-squared value of 0.85, indicating that 85% of the variance in the dependent variable can be explained by the independent variables. These findings support the hypothesis and provide a robust framework for further research in this area.
Discussion
In this section, the authors discuss the application of the NEMO ocean general circulation model, coupled with the PISCES biogeochemical model, to analyze the dynamics of the Gabon-Congo upwelling system. The model, configured for a specific regional area (11° S-6° N; 10° W-14° E) with high horizontal and vertical resolution, was validated against various observational datasets for the year 2011. The findings indicate that the model effectively captures the cooling of surface waters and the associated high concentrations of nitrate and chlorophyll-a (CHLa) during the upwelling period, although it tends to overestimate temperatures and nutrient concentrations near the coast.
The seasonal cycle of nitrate and its relationship with physical processes, such as upwelling and downwelling coastal trapped waves (CTWs), is highlighted. The model shows a semi-annual cycle in nitrate concentration, with peaks during the upwelling periods when cold, nutrient-rich waters are brought to the surface. The analysis reveals that vertical processes dominate nitrate supply during upwelling, while horizontal advection, particularly influenced by the Congo River discharge, plays a significant role near the river mouth. The authors conclude that both vertical and horizontal processes are crucial for understanding the nitrate dynamics in the region, with implications for biological productivity and ecosystem health.