海洋生物地球化学模型是模拟海洋生态系统中物理、生物和化学过程之间复杂相互作用的重要工具，在初级生产力估算、碳循环评估、海洋酸化研究以及渔业管理等领域发挥着关键作用（Fennel等人，2022年）。其中，MITgcm-NBLING将麻省理工学院通用环流模型（MITgcm，Marshall等人，1997年）与氮版本（Verdy和Mazloff，2017年）的生物地球化学与光、铁、营养物质和气体模型（NBLING，源自Galbraith等人，2010年）相结合，提供了计算效率高的海洋生物地球化学过程表示方法。与传统明确解决生物相互作用的NPZD框架不同，MITgcm-NBLING采用参数化方法处理生物循环，大幅降低了计算需求（Galbraith等人，2010年）。这种效率使其特别适合高分辨率模拟，在这种模拟中，解析精细尺度的生物地球化学动态对于提高模型预测精度至关重要。
下行辐照度的扩散衰减系数（Kd）衡量了光合有效辐射（PAR）在穿透水柱深处时由于吸收和散射而衰减的速度（Kirk，1994年）。因此，Kd强烈影响PAR强度，从而限制了不同深度浮游植物的光合作用速率和生长。其他海洋盆地中的先前研究已经揭示了在生态系统建模中纳入空间变化Kd（以下简称2D-Kd）的重要性，因为光学特性显著影响营养动态（例如，Fujii等人，2007年；Lazzari等人，2012年；Terzi?等人，2019年，2021年）；然而，直到现在，2D-Kd尚未被纳入MITgcm-NBLING框架中。
Kd受叶绿素浓度（CHL）、非藻类颗粒（NAP）、有色溶解有机物（CDOM）等因素的影响（Zhang等人，2023年）。其中，CHL本身也受到Kd的影响，因为浮游植物的生长依赖于PAR的可用性。Kd可以从CHL中参数化，这一过程称为自我遮蔽（Manizza等人，2005年）。一些考虑自我遮蔽的生态系统建模研究已在红海北端的亚喀巴湾进行（Berman等人，2023年；Berman和Gildor，2022年）。然而，由于高CDOM浓度和显著的大气尘埃输入，红海整体的Kd与大多数其他海洋区域的Kd有很大不同，同时红海的CHL通常较低（Tiwari等人，2018年）。因此，仅考虑自我遮蔽的参数化方法不适合代表红海的Kd。迄今为止，还没有生物地球化学或生态系统模型将2D-Kd应用于红海。
红海是一个狭长的半封闭盆地，位于阿拉伯半岛和东北非之间，北部包括苏伊士湾和亚喀巴湾，南部通过狭窄的曼德布海峡（BAM）与亚丁湾相连（图1）。这个狭长的盆地以其极端的温暖温度（高达35°C，Carvalho等人，2019年）、高盐度（超过40 psu，Yao等人，2014a，b）、贫营养水体（Qurban等人，2017年）以及显著的特有物种水平（Berumen等人，2019年）而闻名。这些独特特征，加上近年来快速的变暖（Raitsos等人，2011年），使其成为研究海洋生态系统对气候变化响应的宝贵自然实验室。因此，了解红海的生物地球化学变得越来越重要，导致了大量采用多种方法的研究，包括现场观测（例如，Kheireddine等人，2017年）、遥感（例如，Dreano等人，2016年；Gittings等人，2019年）和模型模拟（例如，Triantafyllou等人，2014年；Wang等人，2025年）。
基于遥感叶绿素数据的先前研究表明，红海的生产力具有强烈的季节性周期。调节生产力季节性周期的物理机制在盆地南北两侧有所不同（Raitsos等人，2013年）。北部盆地受对流混合控制，因此在冬季由于热分层较弱而表现出更高的生产力（Gittings等人，2018年）。而南部盆地主要受亚丁湾富含营养的水体入侵影响，表现出冬季和夏季的大量繁殖现象。冬季的入侵水体是亚丁湾表层水（GASW；Yao等人，2014b），其营养浓度高于贫营养的红海水体，从而引发冬季的大量繁殖（Raitsos等人，2013年）。夏季的入侵水体是亚丁湾中间水（GAIW；Yao等人，2014a），位于中间深度，具有低盐度、低温和高营养水平，从而促进了比冬季更强烈的夏季大量繁殖（Dreano等人，2016年）。
再现海洋生态系统的季节性周期，包括浮游植物大量繁殖等现象，是生物地球化学建模的重要组成部分。红海生物地球化学的季节性已通过结合气候动力学的MITgcm和欧洲区域海域生态系统模型（ERSEM）的离线耦合模型进行了研究（Triantafyllou等人，2014年）。虽然耦合的MITgcm-ERSEM成功捕捉到了盆地尺度红海生态系统的广泛季节性变化，但在捕捉红海南部遥感叶绿素数据揭示的夏季浮游植物大量繁殖方面存在局限性（Triantafyllou等人，2014年）。MITgcm-ERSEM中缺乏夏季大量繁殖现象主要归因于模型在模拟珊瑚礁生态系统方面的局限性（Triantafyllou等人，2014年；附录1提供了进一步描述）。然而，我们也观察到Triantafyllou等人（2014年）使用了恒定Kd配置，而红海在水体清澈度方面存在显著的空间异质性（Raitsos等人，2013年）。因此，我们假设使用恒定Kd配置在模拟红海的生态动态时可能会引入不准确性。
在这项研究中，我们旨在通过改进针对红海区域调整的耦合MITgcm-NBLING配置来再现遥感叶绿素数据揭示的红海南部夏季大量繁殖现象。为了考虑红海水体清澈度的显著空间异质性，我们在NBLING中实现了2D-Kd，替代了默认的恒定Kd。通过更准确地模拟光穿透，这种修改预计将改善模型对营养动态的表示，并提高生物地球化学模拟的真实性。我们在第3.1节检验了模型再现夏季大量繁殖的能力，在第3.2节检验了模型捕捉富含营养的GAIW的能力，GAIW是触发夏季大量繁殖的关键。第3.3节探讨了2D-Kd改善模拟夏季大量繁殖的机制，第3.4节评估了2D-Kd对模型模拟的净初级生产力（NPP）的影响。
