阿拉伯海區(qū)域氣溶膠時(shí)空動(dòng)態(tài)變化及海域葉綠素a濃度特征

雷 茜,羅紅霞,*,白林燕,馮建中,羅 東

1 西南大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院,重慶 400715 2 中國科學(xué)院遙感與數(shù)字地球研究所,北京 100094 3 中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)信息研究所,北京 100081

大氣氣溶膠是由大氣介質(zhì)和混合于其中的固體或液體顆粒物所組成的體系[1],雖然含量很少,但作為地球-大氣-海洋系統(tǒng)的重要組成部分,對(duì)全球生態(tài)環(huán)境和氣候變化具有重要的影響和意義[2-3]。近些年來,大氣氣溶膠一直都是國內(nèi)外學(xué)者們的研究熱點(diǎn)。其中,氣溶膠光學(xué)厚度(Aerosol Optical Depth, AOD)是研究氣溶膠最基本最重要的參數(shù),也是表征大氣氣溶膠狀況、評(píng)價(jià)大氣環(huán)境污染的關(guān)鍵因子之一[4]。大氣氣溶膠不僅可以通過直接和間接輻射影響著地氣、海氣輻射能量平衡,而且通過與海洋表面的物質(zhì)交換,影響著海洋的生態(tài)環(huán)境。陸源氣溶膠可以在環(huán)流的作用下通過大氣通道從陸地向海洋輸送,部分物質(zhì)經(jīng)過長距離輸運(yùn)到大洋上空,一方面改變海洋氣溶膠的組成成分,另一方面通過沉降過程進(jìn)入海水,進(jìn)而影響表層海洋的海洋初級(jí)生產(chǎn)力[5]。由此可見,大氣環(huán)境與海洋環(huán)境有著密切的聯(lián)系。

已有相關(guān)研究表明,氣溶膠和海洋葉綠素之間存在著一定程度上的聯(lián)系。Tan等[6-7]利用衛(wèi)星觀測數(shù)據(jù),對(duì)海洋葉綠素濃度與我國沙塵發(fā)生頻率的統(tǒng)計(jì)分析顯示,沙塵事件頻率和海洋大氣中氣溶膠濃度與我國近海及鄰近西北太平洋的葉綠素濃度有顯著的相關(guān)性。Sarangi[8]利用MODIS/Aqua數(shù)據(jù)比較阿拉伯海東部和孟加拉灣西部的AOD發(fā)現(xiàn),沿海氣溶膠濃度高于遠(yuǎn)海,并分析了印度洋北部地區(qū)的氣溶膠和葉綠素?cái)?shù)據(jù),發(fā)現(xiàn)其相關(guān)關(guān)系顯著。 Shafeeque等[9]通過對(duì)1998—2013年索馬里海域的葉綠素、氣溶膠、風(fēng)和海表溫度季節(jié)變化的比較發(fā)現(xiàn),氣溶膠對(duì)海洋葉綠素的影響較大,在季風(fēng)的影響下,大量的塵埃氣溶膠可能會(huì)刺激海洋葉綠素濃度的增大。鄧祖琴等[10]對(duì)北太平洋站點(diǎn)海洋初級(jí)生產(chǎn)力與中國大陸沙塵進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn),滯后1個(gè)月的海洋初級(jí)生產(chǎn)力與中國大陸沙塵相關(guān)性較高,初級(jí)生產(chǎn)力的峰值與大陸沙塵次數(shù)非常匹配,表明沙塵對(duì)其生產(chǎn)力的大幅增加有重要的作用。李一凡和陳文忠[11]利用MODIS和CALIOP衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)產(chǎn)品,分析了我國華北地區(qū)氣溶膠光學(xué)厚度和西北太平洋部分海域海洋初級(jí)生產(chǎn)力的時(shí)空分布,并發(fā)現(xiàn)華北地區(qū)氣溶膠光學(xué)厚度與滯后其1—2個(gè)月的部分海域初級(jí)生產(chǎn)力相關(guān)性較高。紀(jì)嘉彬等[12]分兩個(gè)航次同時(shí)對(duì)西北太平洋及中國東部近海上空海洋氣溶膠進(jìn)行采集,結(jié)合數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法探究其來源,并發(fā)現(xiàn)海域氣溶膠沉降的營養(yǎng)鹽有利于海洋初級(jí)生產(chǎn)力的提高,也會(huì)促進(jìn)生物來源氣溶膠的產(chǎn)生。綜合前人的研究,本文利用MODIS衛(wèi)星產(chǎn)品,針對(duì)阿拉伯海區(qū)域,對(duì)其2003—2017年間氣溶膠光學(xué)厚度的時(shí)空變化特征進(jìn)行研究,并從宏觀上探究阿拉伯海域AOD與海洋葉綠素a濃度之間關(guān)系。

阿拉伯海區(qū)域地理環(huán)境獨(dú)特,且是海上絲綢之路的要道,該海域的大氣氣溶膠以及海洋葉綠素a濃度都是全球高值區(qū),在研究全球環(huán)境變化的過程中處于至關(guān)重要的地位。因此,在大的時(shí)空尺度上研究阿拉伯海地區(qū)氣溶膠時(shí)空變化特征并分析其對(duì)阿拉伯海域葉綠素a濃度的影響,對(duì)海洋生態(tài)環(huán)境監(jiān)測以及區(qū)域環(huán)境可持續(xù)發(fā)展具有重要的科學(xué)意義。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

阿拉伯海屬于印度洋的西北部分,總面積約3862000 km2,最大寬度約為2400 km,其最大深度為4652 m,平均深度為2734 m。它位于伊朗和巴基斯坦的北部,西部是非洲之角和阿拉伯半島,東部是印度半島,南部與印度洋的其余部分融為一體[13]。向北由阿曼灣經(jīng)過霍爾木茲海峽連接波斯灣,向西由亞丁灣通過曼德海峽進(jìn)入紅海,是21世紀(jì)海上絲綢之路的世界性交通要道。

阿拉伯海處于熱帶季風(fēng)氣候區(qū),終年氣溫較高。中部海域6月和11月表層水溫常在28℃以上；1月和2月溫度轉(zhuǎn)低,為24—25℃。臨近阿拉伯半島海面由于陸地干熱氣流的“烘烤”,水溫可達(dá)30℃以上。11月至翌年3月常吹東北季風(fēng),降水稀少,為干季；4—10月盛吹西南季風(fēng),降水豐沛,為雨季；海流隨季風(fēng)風(fēng)向而變化,夏季受西南季風(fēng)影響呈順時(shí)針方向,冬季受東北季風(fēng)作用呈逆時(shí)針方向(圖1)。在夏秋之交常發(fā)生熱帶氣旋,伴有巨風(fēng)惡浪和暴雨。

圖1 研究區(qū)地理位置及其大氣氣溶膠光學(xué)厚度(AOD)空間分布Fig.1 The location and atmospheric aerosol optical depth (AOD) of study area

1.2 數(shù)據(jù)源及處理

研究使用的遙感影像數(shù)據(jù)來自美國宇航局戈達(dá)德太空飛行中心(NASA Goddard Space Flight Center)發(fā)布的MODIS數(shù)據(jù)。MODIS是搭載于Terra和Aqua 衛(wèi)星上的一個(gè)最重要光學(xué)遙感儀器,提供了從可見光波段(0.4 μm)到中紅外波段(14 μm)的全球觀測資料[14],用于對(duì)全球海洋環(huán)境、大氣環(huán)境等進(jìn)行長期連續(xù)的觀測。

氣溶膠數(shù)據(jù)是由MODIS三級(jí)大氣產(chǎn)品中“AOD_550_Dark_Target_Deep_Blue_Combined”數(shù)據(jù)集生成的,無量綱單位。NASA利用MODIS數(shù)據(jù)進(jìn)行氣溶膠特性反演,發(fā)布了氣溶膠光學(xué)厚度和其他光學(xué)特性的全球分布產(chǎn)品[15]。相關(guān)研究[16]中利用全球自動(dòng)觀測網(wǎng)(AERONET)的太陽光度計(jì)測得的光學(xué)厚度對(duì)NASA發(fā)布的MODIS AOD產(chǎn)品進(jìn)行驗(yàn)證,相關(guān)系數(shù)高達(dá)0.8,說明MODIS氣溶膠產(chǎn)品達(dá)到了一定的精度。海洋葉綠素濃度數(shù)據(jù)是由MODIS Chlorophyll a Concentration 三級(jí)產(chǎn)品生成的,根據(jù)藍(lán)綠波段遙感反射率比的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系計(jì)算,反映了表層葉綠素a的濃度(單位：mg/m3)。

本文主要選用了MODIS/Aqua衛(wèi)星2003—2017年的550 nm氣溶膠光學(xué)厚度(Aerosol Optical Depth, AOD)和海洋葉綠素a濃度(Chlorophyll a Concentration,Chl-a)的月平均數(shù)據(jù)產(chǎn)品,空間分辨率為0.1°× 0.1°。由于受云覆蓋等影響,逐月數(shù)據(jù)中的無效值較多,因此利用IDL/ENVI、ArcGIS等軟件對(duì)研究區(qū)(圖1)范圍內(nèi)氣溶膠光學(xué)厚度數(shù)據(jù)和海洋葉綠素濃度數(shù)據(jù)進(jìn)行批量處理,對(duì)有效值進(jìn)行季度、年度求平均,然后對(duì)其時(shí)空分布和變化趨勢進(jìn)行深度分析研究。

1.3 研究方法

對(duì)阿拉伯海區(qū)域氣溶膠光學(xué)厚度和海洋葉綠素a濃度進(jìn)行時(shí)空分布規(guī)律的研究中,采用季節(jié)變化標(biāo)準(zhǔn)劃分方法：3—5月為春季,6—8月為夏季,9—11月為秋季,12—次年2月為冬季[17]。因此,本文將每一年的3—12月及次年的1—2月當(dāng)作一年,將2003年3月—2017年2月劃分為14年,季度變化按此處理,以便于研究其季節(jié)規(guī)律性變化。

為了反映研究區(qū)2003—2017年氣溶膠光學(xué)厚度AOD的變化趨勢,本文采用線性趨勢分析方法[18]定量研究二者的空間變化趨勢。該方法是對(duì)每個(gè)像元上15 年的氣溶膠光學(xué)厚度年均值求出斜率,對(duì)逐像元的斜率分布進(jìn)行分析, 利用空間平均方法分析氣溶膠光學(xué)厚度多年的變化特征及變化趨勢。對(duì)2003—2017年研究區(qū)AOD的年際變化進(jìn)行模擬,具體計(jì)算公式如下：

(1)

式中,k為氣溶膠光學(xué)厚度變化趨勢,i為2003—2017的年序號(hào),Xi為第i年的AOD值。若k>0則說明此像元AOD在這15年的變化趨勢是增加的,反之則是減少。

氣溶膠光學(xué)厚度與海洋葉綠素a濃度之間的關(guān)系采用相關(guān)系數(shù)方法進(jìn)行分析,基于逐個(gè)像元分析氣溶膠光學(xué)厚度與海洋葉綠素a濃度的空間相關(guān)分布特征[19],即把氣溶膠光學(xué)厚度值和海洋葉綠素a濃度分別看作2個(gè)變量,用得到的Rxy表示AOD與Chl-a之間的相關(guān)程度,其公式為：

(2)

2 結(jié)果與討論

本文首先分析阿拉伯海區(qū)域2003—2017年氣溶膠光學(xué)厚度AOD多年平均特征和年際變化趨勢,然后按照季節(jié)差異分析其AOD多年平均季節(jié)特征。為了探究該海域AOD對(duì)海洋環(huán)境的影響,進(jìn)一步對(duì)長時(shí)間序列的葉綠素a濃度月數(shù)據(jù)集進(jìn)行年均值、季節(jié)均值計(jì)算分析,并從宏觀上研究分析阿拉伯海域氣溶膠與海洋葉綠素a濃度之間的關(guān)系。

2.1 阿拉伯海區(qū)域氣溶膠光學(xué)厚度(AOD)時(shí)空動(dòng)態(tài)變化

圖2 2003—2017年阿拉伯海區(qū)域AOD年均值空間分布Fig.2 Spatial distribution of the annual mean AOD over Arabian Sea during 2003—2017

環(huán)阿拉伯海區(qū)域2003—2017年氣溶膠光學(xué)厚度AOD多年平均特征的空間分布如圖2所示,AOD值在0—1范圍內(nèi)。阿拉伯海區(qū)域AOD分布表現(xiàn)出顯著的地理分異特征,環(huán)阿拉伯海周邊陸上區(qū)域AOD高值區(qū)多集中在受沙漠沙塵頻發(fā)地帶影響的阿拉伯半島及印度北部,阿拉伯海域范圍內(nèi)高值區(qū)多分布于沿海近岸區(qū)域,AOD值多集中在0.341—1的范圍,低值區(qū)主要分布于海域中部及北印度洋區(qū)域,AOD值多小于0.231。該海域AOD總體呈現(xiàn)出由北向南、由沿岸海區(qū)向遠(yuǎn)海區(qū)逐漸減小的趨勢。

圖3 2003—2017年研究區(qū)AOD變化趨勢Fig.3 Trends of AOD during 2003—2017

基于ArcGIS空間分析,線性趨勢分析方法得到2003—2017年阿拉伯海區(qū)域AOD變化趨勢空間分布(圖3),依據(jù)變率k大小進(jìn)行分級(jí)：明顯增加區(qū)(0.006

圖4為阿拉伯海域15年的月均值變化和年均值變化。從時(shí)間尺度上看,海域AOD多年月均值呈中間高兩邊低的周期性波動(dòng)走勢。1—4月AOD值逐漸升高；5月略有下降；6—8月為全年AOD高值期,7月升到全年最高峰值(0.692),隨后逐漸下降。因此,夏季是氣溶膠光學(xué)厚度的高值季節(jié)。6—8月期間,主要受強(qiáng)季風(fēng)影響,來自附近沙漠的沙塵顆粒的增加導(dǎo)致了阿拉伯海氣溶膠含量增加[20]。對(duì)阿拉伯海區(qū)域AOD年均值的統(tǒng)計(jì)分析發(fā)現(xiàn),氣溶膠光學(xué)厚度值主要分布在0.3—0.4范圍內(nèi),海域AOD多年呈增長趨勢,同Mehta M等[21]研究結(jié)果保持一致。

圖4 2003—2017年阿拉伯海區(qū)域AOD月變化和年際變化Fig.4 Variability of mensal and annual mean AOD over Arabian sea during 2003—2017

分析阿拉伯海區(qū)域AOD季節(jié)空間分布及多年季節(jié)變化結(jié)果表明,四季氣溶膠光學(xué)厚度(AOD)均值總體表現(xiàn)為夏季(0.584)>春季(0.325)>秋季(0.284)>冬季(0.235),春夏兩季AOD均值明顯高于秋冬兩季。通過14年的阿拉伯海區(qū)域春夏秋冬AOD均值變化分析,由圖5可見,基本上每個(gè)季度的變化起伏不大,是比較穩(wěn)定的,但2008年阿拉伯海域夏季AOD值異常升高,主要?dú)w因于2008年6月錫斯坦地區(qū)(伊朗、阿富汗邊界)的沙塵暴及印度低壓系統(tǒng)向北部阿拉伯海的異常強(qiáng)化,強(qiáng)烈影響了阿拉伯海的北部和中部地區(qū),導(dǎo)致阿拉伯海域夏季AOD異常增高[22]。

圖5 2003—2016年AOD值季節(jié)平均值的空間分布及年際變化Fig.5 Spatial distribution and interannual variation of the AOD seasonal mean over Arabian Sea during 2003—2016

從四季分布來看,海域四季 AOD的區(qū)域分布特征與年平均分布特征基本相似,AOD值都是由近岸海區(qū)向外海逐漸遞減,但四季 AOD 濃度呈現(xiàn)出顯著的季節(jié)性變化。阿拉伯海域地理環(huán)境獨(dú)特,因印度洋季風(fēng)影響,海域不僅受沿海城市工業(yè)生產(chǎn)、生物化石燃料的燃燒產(chǎn)生的煤煙等人為排放物影響,還受來自北非、阿拉伯半島、南亞、東亞的沙漠地區(qū)的沙塵影響。由AOD季節(jié)性分布圖可以看出,春夏季節(jié),高值區(qū)主要集中在阿拉伯海域西部,受西南季風(fēng)影響顯著,北非、阿拉伯半島等地區(qū)的沙塵向東北擴(kuò)散,導(dǎo)致其AOD增大,而夏季較春季擴(kuò)散趨勢明顯,這是由于夏季對(duì)流活動(dòng)多,有利于底層氣溶膠向上傳輸和水平輸送,且溫度和濕度有利于氣-粒轉(zhuǎn)化,氣溶膠吸濕后向散射能力增強(qiáng)[14],從而導(dǎo)致夏季AOD高值區(qū)范圍擴(kuò)大；秋冬季節(jié),高值區(qū)主要集中在東部海域,主要因受東北季風(fēng)影響,印度、巴基斯坦等地區(qū)干燥的大氣氣溶膠向西南方向擴(kuò)散,進(jìn)入海域范圍后濕度增加氣溶膠發(fā)生微物理和化學(xué)反應(yīng)。

2.2 阿拉伯海區(qū)域葉綠素a濃度變化特征與分析

海洋葉綠素a濃度是海洋浮游植物數(shù)量的一個(gè)重要指標(biāo),可以反映海洋初級(jí)生產(chǎn)力的變化,也是評(píng)價(jià)海洋水質(zhì)、污染程度等的重要參數(shù)。阿拉伯海是一個(gè)獨(dú)特的海洋區(qū)域,主要受周圍大陸影響,半年一度的季風(fēng)逆轉(zhuǎn)使阿拉伯海成為世界海洋高生產(chǎn)力地區(qū)之一[23],因此阿拉伯海葉綠素a濃度的觀測對(duì)海域的各種科學(xué)研究具有重要的意義。

為了分析海洋葉綠素a濃度的時(shí)空分布特征, 將2003—2017年的月平均葉綠素濃度數(shù)據(jù)資料處理成多年平均海洋葉綠素a濃度和多年平均逐月海洋葉綠素a濃度,圖6即為15年的年均值空間分布、年際變化和月際變化。由此可以看出,在阿拉伯海整個(gè)海區(qū),北部區(qū)域和沿岸的海洋葉綠素a濃度相對(duì)較高,海域總體呈現(xiàn)出由近岸向外海逐漸降低的特征,同AOD分布特征一致；近海岸Chl-a的值相對(duì)較高,是由于處于陸架區(qū),頻繁的人類活動(dòng)和污染物的排放擴(kuò)散等陸源人為影響導(dǎo)致數(shù)值偏高[24]。通過對(duì)海洋葉綠素a濃度的月平均及年平均統(tǒng)計(jì)分析,發(fā)現(xiàn)阿拉伯海15年間Chl-a沒有表現(xiàn)出任何顯著的趨勢,海域葉綠素a濃度均值在0.7—1.4 mg/m3范圍,變化相對(duì)穩(wěn)定,全年呈現(xiàn)出雙峰式分布。2月達(dá)到第一個(gè)峰值(1.478 mg/m3),隨后下降直至5月,這一趨勢同Yoder[25]的研究結(jié)果相似；9月是第二個(gè)峰值(1.613 mg/m3),達(dá)到全年最高。

圖6 2003—2017年阿拉伯海區(qū)域海洋葉綠素a濃度年均值空間分布、月變化和年際變化Fig.6 Spatial distribution of Chl-a annual mean and variability of Chl-a mensal and annual mean in Arabian Sea during 2003—2017

圖7可見阿拉伯海區(qū)域海洋葉綠素a濃度四季均值的空間分布,各季節(jié)Chl-a的區(qū)域分布特征與年平均分布特征基本相似,都是由近海岸向遠(yuǎn)海岸逐漸遞減,但呈現(xiàn)出顯著的季節(jié)性變化。阿拉伯海區(qū)域Chl-a多年季節(jié)變化可以看出,該海域葉綠素含量秋季(1.098 mg/m3)>冬季(1.077 mg/m3)>夏季(1.026 mg/m3)>春季(0.683 mg/m3),秋冬兩季Chl-a均值明顯高于春夏兩季,海域Chl-a的變異性較高。整個(gè)海域,阿拉伯海北部特別是靠近阿曼灣,記錄了非常高的葉綠素a濃度[13],變異性在近海岸區(qū)域更高,葉綠素濃度范圍也更高[26]。

圖7 2003—2016年Chl-a季節(jié)平均值的空間分布及四季變化Fig.7 Spatial distribution and variation of the Chl-a seasonal mean in Arabian Sea during 2003—2016

阿拉伯海11月至翌年3月常吹東北季風(fēng),4—10月盛吹西南季風(fēng),海流隨季風(fēng)而變化,夏季受西南季風(fēng)影響呈順時(shí)針方向,冬季受東北季風(fēng)作用呈逆時(shí)針方向。海區(qū)Chl-a受季風(fēng)影響顯著,在西南季風(fēng)期,受季風(fēng)和海流的影響,阿拉伯海域西部Chl-a值比東部海域高,非洲東北海岸的葉綠素濃度較高,是由于頻繁的沙塵暴活動(dòng)[25]；東北季風(fēng)期間,阿拉伯海北部Chl-a值較高,歸因于冬季上層水溫度的降低會(huì)導(dǎo)致上層水體的增密效應(yīng),引起上層水體的不穩(wěn)定,并且強(qiáng)烈的東北季風(fēng)對(duì)水體的攪拌加大了混合層的厚度,可以使富含營養(yǎng)鹽的下層水上涌到上層[27],在這一時(shí)期,營養(yǎng)物質(zhì)的注入是導(dǎo)致阿拉伯海北部葉綠素濃度升高的原因[28],水柱上層的營養(yǎng)注入觸發(fā)了較高的初級(jí)生產(chǎn)力,并且常常導(dǎo)致近海地區(qū)的冬季發(fā)生水華[29]。

2.3 阿拉伯海區(qū)域AOD與葉綠素a含量的相關(guān)分析

為了探究氣溶膠光學(xué)厚度與海洋葉綠素a濃度之間的關(guān)系,基于像元尺度時(shí)間序列分析,逐像元計(jì)算氣溶膠光學(xué)厚度與海洋葉綠素a濃度的相關(guān)系數(shù),計(jì)算每個(gè)像元點(diǎn)的Rxy值即可以得到整個(gè)區(qū)域二者關(guān)系的空間分布(圖8)。由于MODIS海洋葉綠素a濃度數(shù)據(jù)在6月至9月期間阿拉伯海北部區(qū)域無效值較多,會(huì)影響數(shù)據(jù)結(jié)果的分析,因此本文僅選取數(shù)據(jù)質(zhì)量較好的春季和冬季進(jìn)行分析。

通過春冬季AOD與Chl-a的相關(guān)系數(shù)的整體分布情況,可以看出海域內(nèi)二者的相關(guān)性分布較明顯,海域不同區(qū)域的相關(guān)性有正有負(fù)。研究海域中,由于季風(fēng)洋流的影響不同,導(dǎo)致二者相關(guān)程度不一。根據(jù)相關(guān)系數(shù)臨界值表查閱可知,當(dāng)n=14時(shí),在顯著性水平α=0.05情況下,臨界值rs0.05=0.497；當(dāng)|Rxy|>rs0.05時(shí),呈顯著性趨勢變化,反之則為不顯著性趨勢變化。從圖中可以看出,阿拉伯海西北部相關(guān)性顯著,相關(guān)系數(shù)高于0.4的區(qū)域相對(duì)集中。由于阿拉伯海域11月至翌年3月盛行東北季風(fēng),孟加拉灣的海水流向西南,繞過斯里蘭卡島,與阿拉伯海流向海水一道形成了東北季風(fēng)洋流。在季風(fēng)的影響下,受陸源影響的海上氣溶膠可以通過遠(yuǎn)程傳輸和沉降到海區(qū),增加海洋表層的營養(yǎng)物質(zhì),從而可以促進(jìn)這些海洋區(qū)域浮游植物初級(jí)生產(chǎn)力的大幅度提高。有研究表明,世界不同海洋區(qū)域的海洋氣溶膠與浮游植物濃度之間存在正負(fù)相關(guān)關(guān)系[30-31],一些研究還確定了二者之間不存在關(guān)系的區(qū)域[32-33]。正相關(guān)的解釋包括灰塵氣溶膠中含有的鐵以及浮游植物本身作為海洋氣溶膠來源之一,負(fù)相關(guān)可能是因?yàn)榇箫L(fēng)導(dǎo)致海鹽氣溶膠的產(chǎn)生,同時(shí)形成深混合層且可用的平均光照水平低,只能夠支持低濃度的浮游植物。Singh等[23]研究發(fā)現(xiàn)了沿阿拉伯海發(fā)生的主要沙塵暴的沉積物在1—2天最多3—4天的時(shí)間內(nèi)會(huì)導(dǎo)致海洋葉綠素a濃度的增高。由此,本文對(duì)多年春、冬季時(shí)間尺度上的AOD與Chl-a相關(guān)性研究中的時(shí)滯性可以相對(duì)忽略。

圖9 海域的劃分Fig.9 The division of Arabian sea

由于整個(gè)海域AOD與Chl-a的相關(guān)性差異較大,進(jìn)一步對(duì)阿拉伯海域進(jìn)行分區(qū)研究。本文根據(jù)經(jīng)緯度信息,在ArcGIS軟件中將研究區(qū)范圍生成多個(gè)5°×5°的格網(wǎng),并將海域劃分為六個(gè)區(qū)域(圖9),對(duì)AOD與Chl-a的相關(guān)性進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析討論。通過SPSS軟件對(duì)這六個(gè)區(qū)域的春季、冬季AOD與Chl-a相關(guān)性分析(表1)發(fā)現(xiàn),阿拉伯海北部區(qū)域的相關(guān)性較高且極顯著；西北海域的相關(guān)性高于東北海域,西北海域冬季相關(guān)性高達(dá)0.853；西部海域的相關(guān)性高于東部,西部海域的春冬季相關(guān)性在0.5左右,這與Shafeeque等[9]在索馬里海域的研究結(jié)果差異不大,在風(fēng)的影響下,海洋上空來自北非、阿拉伯半島、南亞沙漠地區(qū)遠(yuǎn)程擴(kuò)散的沙塵,增大了AOD,進(jìn)而大氣沉降入海區(qū),增加海洋表層的營養(yǎng)物質(zhì),從而對(duì)海洋葉綠素含量有所影響；而海域中部以及南部的相關(guān)性不顯著。阿拉伯海域AOD與Chl-a的相關(guān)性呈現(xiàn)出由北向南、由近海岸向外海區(qū)逐漸減弱的趨勢,同AOD和Chl-a的變化趨勢一致。

由于海洋環(huán)境較復(fù)雜,影響海洋葉綠素a濃度的因子較多,在整個(gè)海域中,氣溶膠對(duì)海洋葉綠素的影響并不全是呈現(xiàn)出正相關(guān),也存在負(fù)相關(guān)和不相關(guān)的區(qū)域。Paytant 等[34]人利用實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)和現(xiàn)場測定相結(jié)合的方法研究氣溶膠對(duì)海洋浮游植物的某些影響,研究表明,不同的浮游生物對(duì)化學(xué)性質(zhì)不同的氣溶膠會(huì)做出各種不同方式的響應(yīng),并且氣溶膠沉降對(duì)海洋生態(tài)系統(tǒng)來說并不總是一種有用的資源。同時(shí),海洋葉綠素的分布也受海表面溫度直接影響著,當(dāng)溫度過高或者過低時(shí),對(duì)葉綠素分布也有明顯的影響,成為限制因素。阿拉伯海東部,冬季季風(fēng)期間在對(duì)流養(yǎng)分輸入主導(dǎo)下,風(fēng)速減弱導(dǎo)致對(duì)流冷卻減弱,熱分層增加和葉綠素a濃度降低[35],這種流域變暖也成為葉綠素濃度增加的一個(gè)制約因素[36],這也會(huì)間接對(duì)研究氣溶膠與海洋葉綠素之間的關(guān)系造成影響。

表1 不同區(qū)域的AOD與Chl-a皮爾森相關(guān)性(Pearson)分析

**,相關(guān)性在0.01水平上顯著(雙側(cè))； *,相關(guān)性在0.05水平上顯著(雙側(cè))

3 結(jié)論

本文主要利用MODIS/Aqua衛(wèi)星氣溶膠及葉綠素遙感產(chǎn)品,對(duì)2003—2017年環(huán)阿拉伯海域氣溶膠的時(shí)空動(dòng)態(tài)變化及海域葉綠素濃度特征進(jìn)行了相關(guān)研究分析,結(jié)果表明：

(1)阿拉伯海三面環(huán)陸,其海域上空大氣氣溶膠的分布特征受到一定的陸源物質(zhì)影響。通過對(duì)海域氣溶膠光學(xué)厚度的季節(jié)變化和年際變化分布比較可知,海域氣溶膠光學(xué)厚度都存在類似的變化,其大小和分布都明顯受到陸源沙漠沙塵的影響。AOD均值總體表現(xiàn)為夏季(0.584)>春季(0.325)>秋季(0.284)>冬季(0.235),春夏兩季AOD均值明顯高于秋冬兩季；在季風(fēng)性氣候的影響下,更有利于陸源氣溶膠向海洋上空輸送,使得海域夏季AOD高于春季,冬季AOD高于秋季。15年間海域AOD整體呈現(xiàn)增加趨勢,東部增加較明顯,北部海域基本沒變化。整個(gè)海域的地理分布明顯,近海岸區(qū)域氣溶膠光學(xué)厚度都大于遠(yuǎn)海岸,AOD值與海岸距離呈現(xiàn)逐漸遞減的趨勢。

(2)阿拉伯海區(qū)域海洋葉綠素a濃度空間分布呈現(xiàn)出顯著的季節(jié)性變化。秋冬兩季Chl-a均值明顯高于春夏兩季,海域Chl-a的變異性較高；北部海域Chl-a相對(duì)較高,海域總體呈現(xiàn)出由近岸向外海逐漸降低的特征,同AOD分布特征一致,二者在大時(shí)間尺度上的走向較為一致。通過春冬季AOD與Chl-a的相關(guān)系數(shù)分析,發(fā)現(xiàn)二者的相關(guān)性分布較明顯,不同海域的相關(guān)性強(qiáng)弱程度有所差異。阿拉伯海西北部區(qū)域相關(guān)性顯著,相關(guān)系數(shù)高于0.4的區(qū)域相對(duì)較集中,該海域AOD與Chl-a的相關(guān)性呈現(xiàn)出由北向南、由近海岸向外海區(qū)逐漸減弱的趨勢,同AOD和Chl-a的變化趨勢一致。