基于MODIS衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)的西北太平洋初級(jí)生產(chǎn)力與環(huán)境參數(shù)的相關(guān)性

李璇 陳文忠

摘要：為掌握西北太平洋初級(jí)生產(chǎn)力的變化規(guī)律，科學(xué)預(yù)防赤潮災(zāi)害頻發(fā)和海洋環(huán)境污染，保障海洋漁業(yè)等產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，文章利用2007—2018年的MODIS衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)，分別分析西北太平洋2個(gè)典型區(qū)域的葉綠素濃度、光合有效輻射、海表溫度和凈初級(jí)生產(chǎn)力的時(shí)空變化特征及其相關(guān)性，通過(guò)相關(guān)性對(duì)比分析不同區(qū)域凈初級(jí)生產(chǎn)力的主要影響因素及其差異性，并根據(jù)異常氣候條件（“厄爾尼諾”現(xiàn)象）年份的情況驗(yàn)證上述相關(guān)性結(jié)論。研究結(jié)果表明：區(qū)域A位于中高緯度的親潮和黑潮寒暖流交界處，區(qū)域B受副熱帶環(huán)流和黑潮共同作用且臺(tái)風(fēng)較活躍，由于二者營(yíng)養(yǎng)鹽水平不同，凈初級(jí)生產(chǎn)力的主要影響因素具有差異性;由于酶的活性受海表溫度影響較大，營(yíng)養(yǎng)鹽濃度較高海域（區(qū)域A）的凈初級(jí)生產(chǎn)力主要考慮海表溫度的影響;營(yíng)養(yǎng)鹽濃度較低海域（區(qū)域B）的凈初級(jí)生產(chǎn)力受葉綠素濃度和海表溫度影響較大，其中與海表溫度相關(guān)性較高的原因主要是葉綠素濃度（浮游植物生物量）受海表溫度影響較大;2個(gè)區(qū)域的凈初級(jí)生產(chǎn)力受光合有效輻射影響較小;異常氣候條件年份（2015年）中，2個(gè)區(qū)域凈初級(jí)生產(chǎn)力和相關(guān)環(huán)境參數(shù)的變化特征可驗(yàn)證上述相關(guān)性結(jié)論。

關(guān)鍵詞：凈初級(jí)生產(chǎn)力;葉綠素濃度;海表溫度;光合有效輻射;西北太平洋

Abstract： In order to grasp the changes of primary productivity in the Northwest Pacific，scientific prevention of frequent red tide disasters and pollution of the ocean environment，and safeguard the development of industries such as ocean fisheries.This paper used MODIS satellite remote sensing data （2007—2018） to analyze the spatiotemporal characteristics and correlations of chlorophyll concentration，photosynthetically active radiation，sea surface temperature and net primary productivity in two typical regions of the Northwest Pacific.Through the correlation comparison，the main influencing factors and differences of net primary productivity in different areas were analyzed，and the above correlation conclusions based on the years of abnormal climate （“El Nio” phenomenon） were verified.The research results showed that： Area A was located at the junction of pro-tide and Kuroshio cold and warm currents at mid-high latitudes.Area B was affected by subtropical circulation and Kuroshio，and typhoons were active.Due to the different nutrient levels，the main factors affecting net primary productivity were different.Because enzyme activity is greatly affected by sea surface temperature，the net primary productivity in areas with high nutrient concentrations （area A） is mainly affected by sea surface temperature.Net primary productivity in areas with low nutrient concentrations （area B） is mainly affected by chlorophyll concentration and sea surface temperature，and the higher correlation with sea surface temperature is mainly due to the chlorophyll concentration （phytoplankton biomass） being greatly affected by sea surface temperature.The net primary productivity of the two areas was less affected by photosynthetically active radiation.In the year of abnormal climate （2015），the change characteristics of the net primary productivity and related environmental parameters of the two areas could verify the above-mentioned correlation conclusions.

Key words：Net primary productivity，Chlorophyll concentration，Sea surface temperature，Photosynthetically active radiation，Northwest Pacific Ocean

0 引言

海洋初級(jí)生產(chǎn)力（ocean primary productivity，OPP）是指海洋底棲植物和浮游植物等自養(yǎng)生物在單位面積上光合作用的能力，一般表示為每天或每年在單位面積上所產(chǎn)生的有機(jī)物質(zhì)數(shù)量。其中，凈初級(jí)生產(chǎn)力（net primary productivity，NPP）是指自養(yǎng)生物在初級(jí)生產(chǎn)過(guò)程中有部分能量被自身消耗，剩余的用于自身生長(zhǎng)的能量。由于海洋生物的所有過(guò)程都與初級(jí)生產(chǎn)力有一定的關(guān)系，海洋初級(jí)生產(chǎn)力一直是海洋科學(xué)研究的核心和熱點(diǎn)之一。海洋初級(jí)生產(chǎn)力為海洋生態(tài)系統(tǒng)的運(yùn)轉(zhuǎn)提供能量來(lái)源，也可用于估算漁業(yè)產(chǎn)量，同時(shí)在全球碳循環(huán)中發(fā)揮十分重要的作用。隨著近年來(lái)我國(guó)赤潮災(zāi)害頻發(fā)和二氧化碳含量升高等海洋環(huán)境問(wèn)題日趨嚴(yán)重，初級(jí)生產(chǎn)力逐漸作為海洋環(huán)境評(píng)估和赤潮監(jiān)測(cè)的重要參數(shù)。

海洋面積較大且復(fù)雜多變，獲取大范圍和長(zhǎng)時(shí)間序列數(shù)據(jù)較困難。衛(wèi)星遙感技術(shù)的發(fā)展可實(shí)現(xiàn)對(duì)高分辨率和長(zhǎng)時(shí)間序列海洋數(shù)據(jù)的獲取，其中最多應(yīng)用于水色研究的為Sea WiFS和MODIS數(shù)據(jù)。衛(wèi)星遙感所獲取的海洋信息一般基于海洋表面，對(duì)于初級(jí)生產(chǎn)力的研究應(yīng)針對(duì)多種因素進(jìn)行探討和分析。Ryther等[1]在光飽和的情況下研究初級(jí)生產(chǎn)力與葉綠素濃度之間的關(guān)系，為反演初級(jí)生產(chǎn)力模型的產(chǎn)生奠定基礎(chǔ)。Behrenfeld等[2]通過(guò)分析大量的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)可利用葉綠素濃度、海表溫度和光照條件等衛(wèi)星數(shù)據(jù)進(jìn)行反演，從而得到初級(jí)生產(chǎn)力產(chǎn)品，并建立VGPM模型;該模型中的重要參數(shù)都可通過(guò)衛(wèi)星數(shù)據(jù)獲得，可幫助研究者較便捷地獲取初級(jí)生產(chǎn)力的分布特點(diǎn)，此后對(duì)于反演方法的修改和優(yōu)化大部分基于該模型;由該模型的參數(shù)可以看出，影響海洋浮游植物初級(jí)生產(chǎn)力的因素有很多，包括海水營(yíng)養(yǎng)鹽濃度、光照條件、溫度、葉綠素濃度、海水透明度和生物攝食等。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)于初級(jí)生產(chǎn)力的影響因素進(jìn)行大量研究。陳興群等[3]對(duì)太平洋部分海域的初級(jí)生產(chǎn)力和葉綠素濃度進(jìn)行調(diào)查分析，發(fā)現(xiàn)葉綠素濃度與溫度和鹽度都存在一定的相關(guān)性，且不同區(qū)域的相關(guān)性不同;潘友聯(lián)[4]對(duì)葉綠素a濃度和初級(jí)生產(chǎn)力進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)不同區(qū)域和不同季度的初級(jí)生產(chǎn)力變化很大，并不能單純地用葉綠素濃度表征海域的初級(jí)生產(chǎn)力，且由于影響初級(jí)生產(chǎn)力的環(huán)境因子有很多，葉綠素濃度與初級(jí)生產(chǎn)力之間雖有很強(qiáng)的相關(guān)性但有時(shí)截然不同;林智濤[5]研究我國(guó)南海風(fēng)場(chǎng)和溫度對(duì)于初級(jí)生產(chǎn)力的影響，發(fā)現(xiàn)風(fēng)場(chǎng)、海表溫度和葉綠素濃度與浮游植物的初級(jí)生產(chǎn)力具有很強(qiáng)的相關(guān)性;叢丕福[6]對(duì)我國(guó)陸架海整體進(jìn)行海洋葉綠素和初級(jí)生產(chǎn)力的研究，發(fā)現(xiàn)二者都具有一定的季節(jié)變化特征，且葉綠素濃度與海溫呈顯著負(fù)相關(guān);Ryther等[1]最早提出浮游植物進(jìn)行光合作用的速率與葉綠素濃度之間在一定條件下具有一定的相關(guān)性，并提出表征二者關(guān)系的簡(jiǎn)單經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｊ剑嘘P(guān)“從生物量到生產(chǎn)力”的研究模式也由此展開(kāi);Carr等[7]研究表明控制NPP模型之間差異性和相似性的2個(gè)主要因素是輸入葉綠素?cái)?shù)據(jù)的選擇以及與光合速率的相關(guān)度，初級(jí)生產(chǎn)力與葉綠素濃度和光照條件之間具有一定的相關(guān)性;Gong等[8]對(duì)我國(guó)東海的初級(jí)生產(chǎn)力和葉綠素濃度進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)西北部海域具有明顯的季節(jié)變化特征，但東南部海域的季節(jié)變化不明顯，因此初級(jí)生產(chǎn)力和葉綠素濃度之間的關(guān)系對(duì)于不同海域來(lái)說(shuō)是不固定的。

光合作用是浮游植物在葉綠素、酶和一定的光照條件下，將自然界中存在的無(wú)機(jī)碳合成為自身有機(jī)碳的過(guò)程。因此，光照條件、葉綠素濃度和酶的活性對(duì)于光合速率有很大的影響，而溫度是影響酶的活性的重要因子。目前國(guó)內(nèi)外對(duì)于初級(jí)生產(chǎn)力影響因素的研究主要集中于葉綠素濃度，且研究?jī)?nèi)容較單一，主要表明上述3種因子對(duì)于初級(jí)生產(chǎn)力具有一定的影響性，但并未將3種影響因子進(jìn)行對(duì)比以及系統(tǒng)研究和總結(jié)，也很少對(duì)每種情況下所得出的結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證并分析主要影響因子，且大部分研究對(duì)象是整個(gè)海域。本研究利用MODIS衛(wèi)星遙感產(chǎn)品，研究葉綠素濃度、光合有效輻射和海表溫度3種環(huán)境參數(shù)與西北太平洋不同海域凈初級(jí)生產(chǎn)力的相關(guān)性，通過(guò)對(duì)比得出主要影響因素并分析其差異性，同時(shí)選取異常氣候條件（“厄爾尼諾”現(xiàn)象）的年份對(duì)上述結(jié)論進(jìn)行驗(yàn)證。

1 數(shù)據(jù)和研究區(qū)域

1.1 數(shù)據(jù)

中分辨率成像光譜儀（MODIS）是搭載在TERRA和AQUA衛(wèi)星上的用于監(jiān)測(cè)全球環(huán)境變化的重要儀器，其在1～2 d內(nèi)可監(jiān)測(cè)整個(gè)地球，光譜分布為0.405～14.385 μm，共有36個(gè)光譜波段，分別應(yīng)用于大氣、陸地和海洋水色遙感。MODIS屬于高信噪比儀器，具有數(shù)據(jù)存儲(chǔ)高效、信息豐富、數(shù)據(jù)獲取快和覆蓋范圍廣等特點(diǎn)，有非常大的應(yīng)用價(jià)值，在海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)和研究中得到廣泛應(yīng)用。按照處理級(jí)別，MODIS數(shù)據(jù)產(chǎn)品分為0級(jí)、1級(jí)、2級(jí)、3級(jí)、4級(jí)和5級(jí)（以上）。

本研究選取的數(shù)據(jù)為葉綠素a濃度（CHL）、光合有效輻射（PAR）、海表溫度（SST）和凈初級(jí)生產(chǎn)力（NPP），其中凈初級(jí)生產(chǎn)力的MODIS衛(wèi)星數(shù)據(jù)主要來(lái)源于美國(guó)俄勒岡大學(xué)的官方網(wǎng)站。數(shù)據(jù)模型為AQUA/MODIS反演的Level-3月均產(chǎn)品，其中凈初級(jí)生產(chǎn)力的數(shù)據(jù)是由Standard VGPM模型反演得到的產(chǎn)品。該模型的計(jì)算公式為：

1.2 研究區(qū)域

西北太平洋具有較復(fù)雜的海洋環(huán)境，對(duì)于全球氣候變化、碳循環(huán)和海洋漁業(yè)等都具有一定的影響[9]。我國(guó)位于太平洋西岸，是受西北太平洋影響的國(guó)家之一，因此對(duì)于西北太平洋凈初級(jí)生產(chǎn)力的研究十分重要[10]。本研究選取西北太平洋部分海域?yàn)檠芯繀^(qū)域，分別為區(qū)域A（40°～50°N，150°～170°E）和區(qū)域B（20°～30°N，130°～150°E）（圖1）。

區(qū)域A位于西北太平洋中高緯度的親潮區(qū)域，親潮為北部寒流，北赤道流的黑潮暖流和親潮寒流交匯于此。親潮具有高含氧量和高含鹽量的特點(diǎn)，大量營(yíng)養(yǎng)鹽隨黑潮涌來(lái)形成漁場(chǎng)，因此該區(qū)域的海表溫度變化較顯著，且營(yíng)養(yǎng)鹽濃度較高，有利于研究海表溫度和凈初級(jí)生產(chǎn)力的相關(guān)性。楊海燕等[11]研究發(fā)現(xiàn)該區(qū)域的營(yíng)養(yǎng)鹽濃度一般在5～20 μmol/L，在西北太平洋屬于營(yíng)養(yǎng)鹽較高的區(qū)域。

區(qū)域B為副熱帶環(huán)流區(qū)的黑潮區(qū)域，沿途海溫通常受黑潮的影響，因此溫度對(duì)其凈初級(jí)生產(chǎn)力有一定的影響。該區(qū)域緯度較低、溫度較高以及營(yíng)養(yǎng)鹽濃度較低，營(yíng)養(yǎng)鹽濃度常年低于0.5 μmol/L，冬季對(duì)流作用加強(qiáng)，營(yíng)養(yǎng)鹽濃度略有增大[11]。葉綠素濃度是營(yíng)養(yǎng)鹽的表征之一，因此有利于研究葉綠素濃度和海表溫度與凈初級(jí)生產(chǎn)力的相關(guān)性。

區(qū)域A和區(qū)域B處于不同的經(jīng)緯度帶，分別位于親潮區(qū)域和黑潮區(qū)域，且營(yíng)養(yǎng)鹽濃度差距較大，因此可很好地研究?jī)舫跫?jí)生產(chǎn)力的空間分布和季節(jié)變化特點(diǎn)。此外，2個(gè)區(qū)域均位于寬闊大洋，可去除陸源因素的影響，有利于研究?jī)舫跫?jí)生產(chǎn)力與葉綠素濃度、海表溫度和光合有效輻射3個(gè)環(huán)境因素的相關(guān)性。

2 結(jié)果與分析

2.1 各區(qū)域環(huán)境參數(shù)的變化特征

本研究根據(jù)2007-2018年MODIS衛(wèi)星數(shù)據(jù)產(chǎn)品得到區(qū)域A和區(qū)域B的環(huán)境參數(shù)，經(jīng)進(jìn)一步處理，分析各區(qū)域環(huán)境參數(shù)的年平均分布、月平均變化和年際月平均變化。

2.1.1 年平均分布

2007—2018年區(qū)域A和區(qū)域B各參數(shù)的年平均分布如圖2和圖3所示。

由圖2和圖3可以看出：①區(qū)域A 的凈初級(jí)生產(chǎn)力大部分表現(xiàn)為低緯度區(qū)域較高、高緯度區(qū)域較低的特征，西北小部分區(qū)域受陸地因素影響存在一定的異常現(xiàn)象;葉綠素濃度僅在西北部分靠近陸地區(qū)域較高，且低緯度區(qū)域較低、高緯度區(qū)域較高;海表溫度和光合有效輻射的時(shí)空分布表現(xiàn)出很好的緯度分化，即高緯度區(qū)域較低、低緯度區(qū)域較高。②區(qū)域B的凈初級(jí)生產(chǎn)力也表現(xiàn)出一定的緯度分化，即高緯度區(qū)域較高、低緯度區(qū)域較低;葉綠素濃度與凈初級(jí)生產(chǎn)力的分布情況大體相同，且較區(qū)域A偏低，大部分區(qū)域低于0.2 mg/m3;海表溫度和光合有效輻射的分布情況與凈初級(jí)生產(chǎn)力剛好相反，均表現(xiàn)為高緯度區(qū)域較低、低緯度區(qū)域較高。

2.1.2 月平均變化

2007—2018年區(qū)域A和區(qū)域B各參數(shù)的月平均變化如圖4所示。

由圖4可以看出：①區(qū)域A的凈初級(jí)生產(chǎn)力在7—9月較高，呈單峰現(xiàn)象，表現(xiàn)為夏季最高和冬季最低，變化趨勢(shì)與李一凡等[12]的研究結(jié)果具有一致性;葉綠素濃度有2個(gè)峰值，分別出現(xiàn)在5月和10月;海表溫度在7—9月較高，也呈單峰現(xiàn)象，與凈初級(jí)生產(chǎn)力的季節(jié)變化基本相同;光合有效輻射在6月呈單峰現(xiàn)象。②區(qū)域B的凈初級(jí)生產(chǎn)力在1—3月較高，在9月最低，且自10月起有上升趨勢(shì)，變化特征與陳小燕[13]的研究結(jié)果相同;葉綠素濃度與凈初級(jí)生產(chǎn)力的季節(jié)變化基本相同，均為冬季最高和夏季最低;海表溫度在7—9月最高，與凈初級(jí)生產(chǎn)力的季節(jié)變化相反;光合有效輻射在7月最高。

2.1.3 年際月平均變化

2007—2018年區(qū)域A和區(qū)域B各參數(shù)的年際月平均變化如圖5所示。

由圖5可以看出，2007—2018年區(qū)域A和區(qū)域B的年際月平均變化趨勢(shì)基本相同。①區(qū)域A的凈初級(jí)生產(chǎn)力略有上升，葉綠素濃度和海表溫度也呈較小的上升趨勢(shì)，光合有效輻射的變化較小;②區(qū)域B除海表溫度呈上升趨勢(shì)外，其余參數(shù)的變化較平緩。

總體來(lái)說(shuō)，冬季區(qū)域B的凈初級(jí)生產(chǎn)力較區(qū)域A高，而夏、秋季偏低;但區(qū)域B的葉綠素濃度常年處于較低水平，即使冬季較高仍小于區(qū)域A的最低值;區(qū)域B的海表溫度和光合有效輻射均高于區(qū)域A?？梢?jiàn)，不同區(qū)域環(huán)境參數(shù)的季節(jié)變化具有一定的差異性，雖然葉綠素濃度是反演估算凈初級(jí)生產(chǎn)力的重要參數(shù)，但凈初級(jí)生產(chǎn)力與葉綠素濃度的變化并不完全相同，即影響凈初級(jí)生產(chǎn)力的因素有很多?；诖耍狙芯繉?duì)不同區(qū)域凈初級(jí)生產(chǎn)力的主要影響因素進(jìn)行分析，探討其差異性以及產(chǎn)生差異的原因。

2.2 各區(qū)域環(huán)境參數(shù)的線性相關(guān)性

2.2.1 區(qū)域A

2007—2018年區(qū)域A各參數(shù)逐月平均的相關(guān)性分析如圖6所示。

由圖6可以看出：區(qū)域A的凈初級(jí)生產(chǎn)力與海表溫度的線性關(guān)系最好，即相關(guān)性最高，相關(guān)系數(shù)約為0.74，具體來(lái)說(shuō)即凈初級(jí)生產(chǎn)力隨著海表溫度的升高而升高;凈初級(jí)生產(chǎn)力與葉綠素濃度和光合有效輻射的相關(guān)性較低，相關(guān)系數(shù)分別約為0.45和0.50;葉綠素濃度與海表溫度的相關(guān)性較低，相關(guān)系數(shù)約為0.19，即葉綠素濃度受海表溫度的影響較小。

由于區(qū)域A在葉綠素濃度較高的季節(jié)其凈初級(jí)生產(chǎn)力并未在較高水平，葉綠素濃度不是其凈初級(jí)生產(chǎn)力的主要影響因素。區(qū)域A具有高營(yíng)養(yǎng)鹽的特點(diǎn)，在這種情況下主要考慮光照條件和海表溫度的影響[14]。在非極地區(qū)域，光照條件對(duì)于凈初級(jí)生產(chǎn)力的影響主要體現(xiàn)在水體的垂直分布上，即光照隨水深的增加而減弱[14]。區(qū)域A位于中高緯度區(qū)域，海表溫度常年處于20℃以下，平均值僅為8.33℃;同時(shí)，浮游植物須在酶的作用下進(jìn)行光合作用，而酶的活性直接受溫度的影響，大部分浮游植物進(jìn)行光合作用的最適宜溫度約為20℃[2]。因此，該區(qū)域較低的海表溫度直接限制浮游植物的光合作用速率，凈初級(jí)生產(chǎn)力受海表溫度的影響較大。

2.2.2 區(qū)域B

2007—2018年區(qū)域B各參數(shù)逐月平均的相關(guān)性分析如圖7所示。

由圖7可以看出：區(qū)域B的凈初級(jí)生產(chǎn)力與葉綠素濃度的相關(guān)性較高且呈正相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)約為0.87;凈初級(jí)生產(chǎn)力與光合有效輻射的相關(guān)性很低，相關(guān)系數(shù)約為0.10;凈初級(jí)生產(chǎn)力與海表溫度的相關(guān)性很高，且呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)約為0.92;葉綠素濃度與海表溫度的相關(guān)性較高，且呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)約為0.89。

區(qū)域B屬于低營(yíng)養(yǎng)鹽區(qū)域，浮游植物的初級(jí)生產(chǎn)力受營(yíng)養(yǎng)鹽控制，即使在光照和溫度都非常適宜的情況下，浮游植物仍然無(wú)法暴發(fā)。營(yíng)養(yǎng)鹽對(duì)于浮游植物凈初級(jí)生產(chǎn)力的影響主要體現(xiàn)在生物量上[14]，由于所有浮游植物都含有葉綠素a，葉綠素a濃度是浮游植物生物量的重要表征[15]。因此，區(qū)域B的葉綠素濃度較低，且其凈初級(jí)生產(chǎn)力受葉綠素濃度的影響較大。此外，海表溫度可體現(xiàn)海水的層化程度和上升流的強(qiáng)度，而海水的層化程度對(duì)于表層營(yíng)養(yǎng)鹽濃度有一定的影響。區(qū)域B冬季的海表溫度較低，混合層較其他季節(jié)最淺，因此其冬季的表層營(yíng)養(yǎng)鹽濃度最高，葉綠素濃度最高，凈初級(jí)生產(chǎn)力最高。這與陳小燕[13]的研究結(jié)論一致。

綜上所述：①區(qū)域A的凈初級(jí)生產(chǎn)力與海表溫度的相關(guān)性最高，較低的溫度嚴(yán)重限制酶的活性，因此雖然其葉綠素濃度較區(qū)域B一直處于較高水平，但較低的海表溫度限制其光合作用速率，其凈初級(jí)生產(chǎn)力在冬季最低;②區(qū)域B的凈初級(jí)生產(chǎn)力與葉綠素濃度和海表溫度的相關(guān)性較高，其中與海表溫度相關(guān)性較高的原因主要是葉綠素濃度受海表溫度的影響，因此其凈初級(jí)生產(chǎn)力在冬季最高，且高于區(qū)域A;③與區(qū)域B相比，區(qū)域A各環(huán)境參數(shù)與凈初級(jí)生產(chǎn)力的相關(guān)性均較低;④由于光照對(duì)于海域凈初級(jí)生產(chǎn)力的影響主要體現(xiàn)在極地區(qū)域，2個(gè)區(qū)域的凈初級(jí)生產(chǎn)力與光合有效輻射的相關(guān)性都較低。

2.3 異常氣候條件下相關(guān)性的驗(yàn)證

根據(jù)前文分析，2個(gè)區(qū)域的凈初級(jí)生產(chǎn)力與海表溫度都有較高的相關(guān)性，其中區(qū)域B的葉綠素濃度與海表溫度的相關(guān)性也很高。由于研究期間的2015年為強(qiáng)“厄爾尼諾”年份，本研究選取該年份對(duì)2個(gè)區(qū)域的凈初級(jí)生產(chǎn)力、葉綠素濃度和海表溫度與2007—2018年整體進(jìn)行逐月平均對(duì)比，從而驗(yàn)證各環(huán)境參數(shù)相關(guān)性的結(jié)論。

2.3.1 區(qū)域A

2015年和2007—2018年區(qū)域A各參數(shù)的逐月平均對(duì)比如圖8所示。

由圖8可以看出，與2007—2018年相比，2015年：①海表溫度在2-5月表現(xiàn)為正異常，6—10月表現(xiàn)為負(fù)異常，此后負(fù)異常逐漸減弱;②凈初級(jí)生產(chǎn)力在3—5月表現(xiàn)為正異常，6-10月基本表現(xiàn)為負(fù)異常（除7月外），此后負(fù)異常逐漸減弱;③葉綠素濃度有一定的變化，但與凈初級(jí)生產(chǎn)力的變化不存在一致性。

區(qū)域A處于中高緯度區(qū)域，海洋的熱傳遞占比約為70%，因此該區(qū)域的熱傳遞主要集中于黑潮延伸體和親潮區(qū)域，屬于暖寒交界處。黑潮控制著太平洋中緯度區(qū)域的經(jīng)向輸送，而黑潮異常與“厄爾尼諾”現(xiàn)象具有很高的正相關(guān)性，因此當(dāng)西北太平洋的海表溫度變化時(shí)，黑潮區(qū)域的海表溫度隨之變化[16]。

除海表溫度等基本環(huán)境因素，該區(qū)域的凈初級(jí)生產(chǎn)力還受近年來(lái)氣溶膠沉降等多種因素的影響，例如：2015年7月凈初級(jí)生產(chǎn)力與歷年平均相比較高，可能是當(dāng)年3月底至4月初我國(guó)華北地區(qū)有大范圍沙塵天氣[17]，沙塵傳輸?shù)轿鞅碧窖笠话阌?～2個(gè)月的時(shí)滯，導(dǎo)致5—6月西北太平洋的氣溶膠傳輸量變大[12]。

2.3.2 區(qū)域B

2015年和2007—2018年區(qū)域B各參數(shù)的逐月平均對(duì)比如圖9所示。

由圖9可以看出，與2007—2018年相比，2015年：①海表溫度在1-3月表現(xiàn)為負(fù)異常，4—6月表現(xiàn)為正異常，7—11月基本表現(xiàn)為負(fù)異常，12月表現(xiàn)為正異常;②葉綠素濃度與海表溫度的情況相反，即1—3月表現(xiàn)為正異常，4—5月表現(xiàn)為負(fù)異常，6—11月表現(xiàn)為正異常;③凈初級(jí)生產(chǎn)力與葉綠素濃度的情況基本相同。

區(qū)域B位于西北太平洋副熱帶區(qū)域和黑潮區(qū)域，受“厄爾尼諾”現(xiàn)象的影響較大，即海表溫度波動(dòng)較大，且常年處于較高水平。2015年西北太平洋的海表溫度因“厄爾尼諾”現(xiàn)象有一定的波動(dòng)，夏、秋季已達(dá)到超強(qiáng)“厄爾尼諾”標(biāo)準(zhǔn)，因此大部分海域的海表溫度在夏、秋季表現(xiàn)為負(fù)異常。區(qū)域A和區(qū)域B海表溫度的波動(dòng)情況與雷星宇[18]關(guān)于2015年“厄爾尼諾”現(xiàn)象對(duì)西太平洋海表溫度影響的研究結(jié)果相同，但區(qū)域A受臺(tái)風(fēng)影響較小，其海表溫度的波動(dòng)主要是由“厄爾尼諾”現(xiàn)象、黑潮作用和緯度變化共同導(dǎo)致的正常波動(dòng)。

2015年“厄爾尼諾”現(xiàn)象對(duì)于西北太平洋的影響主要體現(xiàn)在臺(tái)風(fēng)季提前，因此區(qū)域B自2015年年初即有臺(tái)風(fēng)頻繁經(jīng)過(guò)[19]，導(dǎo)致其凈初級(jí)生產(chǎn)力即固碳量在短時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)正異常。小尺度的氣候變化對(duì)于凈初級(jí)生產(chǎn)力的影響主要體現(xiàn)在低營(yíng)養(yǎng)鹽海域，且臺(tái)風(fēng)對(duì)于西北太平洋副熱帶區(qū)域的碳循環(huán)影響較大[20]。區(qū)域B位于西北太平洋的寬闊海域，營(yíng)養(yǎng)躍層較深[21]，臺(tái)風(fēng)過(guò)境時(shí)營(yíng)養(yǎng)鹽濃度僅存在微小的波動(dòng)[13]。總體來(lái)說(shuō)，區(qū)域B在臺(tái)風(fēng)過(guò)境時(shí)凈初級(jí)生產(chǎn)力明顯升高。

綜上所述，異常氣候條件下區(qū)域A和區(qū)域B的環(huán)境參數(shù)與凈初級(jí)生產(chǎn)力的相關(guān)性與前述結(jié)論具有一致性。

3 結(jié)語(yǔ)

葉綠素濃度可表征浮游植物的生物量，是估算海洋初級(jí)生產(chǎn)力的重要參數(shù)之一[22]。海表溫度和光照條件也是影響浮游植物光合作用的重要因素[23-24]，對(duì)于海洋初級(jí)生產(chǎn)力都有一定的影響。而對(duì)于不同海域來(lái)說(shuō)，海洋環(huán)境的差異使初級(jí)生產(chǎn)力的主要影響因素有所不同。

本研究選取海表溫度、葉綠素濃度和光合有效輻射3個(gè)環(huán)境參數(shù)，分析其對(duì)不同海域凈初級(jí)生產(chǎn)力的影響。①對(duì)于非極地區(qū)域來(lái)說(shuō)，凈初級(jí)生產(chǎn)力受光合有效輻射的影響較小[14]。②區(qū)域A在營(yíng)養(yǎng)鹽濃度較高的情況下主要考慮海表溫度的影響，即酶的活性受海表溫度影響較大。③區(qū)域B在營(yíng)養(yǎng)鹽濃度較低的情況下主要考慮浮游植物生物量的影響，即受葉綠素濃度影響較大[14];由于該區(qū)域位于黑潮區(qū)域，溫度對(duì)于海水混合層深度具有一定的影響，從而影響海水表層營(yíng)養(yǎng)鹽濃度，在低營(yíng)養(yǎng)鹽情況下其影響性很大，最終影響浮游植物生物量，導(dǎo)致葉綠素濃度偏低[13]。④2個(gè)區(qū)域的環(huán)境參數(shù)都有一定的緯度分化特征。⑤對(duì)于異常氣候條件（“厄爾尼諾”現(xiàn)象）下的2015年來(lái)說(shuō)，2個(gè)區(qū)域凈初級(jí)生產(chǎn)力的變化特征與本研究的相關(guān)性結(jié)論基本一致。

本研究選取的2個(gè)區(qū)域具有一定的特殊性和代表性，其中區(qū)域A位于中高緯度的親潮和黑潮寒暖流交界處，區(qū)域B受副熱帶環(huán)流和黑潮共同作用且臺(tái)風(fēng)較活躍。由于2個(gè)區(qū)域的營(yíng)養(yǎng)鹽水平不同，凈初級(jí)生產(chǎn)力的主要影響因素具有差異性，即葉綠素濃度不能完全表征凈初級(jí)生產(chǎn)力。面對(duì)當(dāng)今全球氣候變暖和異常天氣增多的形勢(shì)，我國(guó)應(yīng)深入研究西北太平洋初級(jí)生產(chǎn)力的變化，從而預(yù)防赤潮災(zāi)害頻發(fā)和海洋環(huán)境污染等情況，保障海洋漁業(yè)等產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。凈初級(jí)生產(chǎn)力的變化受多種因素的影響，很難將每種因素逐一歸結(jié)，本研究?jī)H分析少數(shù)基本海洋環(huán)境參數(shù)與凈初級(jí)生產(chǎn)力的相關(guān)性，未來(lái)將收集更多的海洋環(huán)境資料，進(jìn)一步研究?jī)舫跫?jí)生產(chǎn)力的影響因素。

參考文獻(xiàn)

[1] RYTHER J H，YENTSCH C S.The estimation of phytoplankton production in the ocean from chlorophyll and Light Data1[J].Limnology and Oceanography，1957，2：281-286.

[2] BEHRENFELD M J，F(xiàn)ALKOWSKI P G.Photosynthetic rates derived from satellite-based chlorophyll concentration[J].Limnology and Oceanography，1997，42：1-20.

[3] 陳興群，張明，陳其煥.熱帶太平洋西部及赤道暖水區(qū)的初級(jí)生產(chǎn)力[J].海洋學(xué)報(bào)（中文版），2002（1）：86-95.

[4] 潘友聯(lián).葉綠素與海洋初級(jí)生產(chǎn)力[J].海洋科學(xué)，1987（1）：63-65.

[5] 林智濤.南海北部與西部初級(jí)生產(chǎn)力影響因子探究[D].湛江：廣東海洋大學(xué)，2017.

[6] 叢丕福.海洋葉綠素遙感反演及海洋初級(jí)生產(chǎn)力估算研究[D].北京：中國(guó)科學(xué)院研究生院（遙感應(yīng)用研究所），2006.

[7] CARR M E，F(xiàn)RIEDRICHS M A M，SCHMELTZ M，et al.A comparison of global estimates of marine primary production from ocean color[J].Deep-Sea Research，Part Ⅱ：Topical Studies in Oceanography，2006，53（5/7）：741-770.

[8] GONG G，WEN Y，WANG B，et al.Seasonal variation of chlorophyll a concentration，primary production and environmental conditions in the subtropical East China Sea[J].Deep-Sea Research，Part Ⅱ：Topical Studies in Oceanography，2003，50（6/7）：1219-1236.

[9] LONGHURST A R.Ecological geography of the sea.Second edition[M].Sandiego：Academic Press，2007.

[10] 寧修仁.西太平洋初級(jí)生產(chǎn)力和對(duì)國(guó)內(nèi)研究工作的幾點(diǎn)建議[J].東海海洋，1984（3）：78-83，72.

[11] 楊海燕，毛新燕，郭新宇.基于WOD數(shù)據(jù)集的西北太平洋混合層內(nèi)營(yíng)養(yǎng)鹽濃度初步研究[J].中國(guó)海洋大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2018，48（8）：1-9.

[12] 李一凡，陳文忠.基于MODIS和CALIOP衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)的氣溶膠光學(xué)厚度與海洋初級(jí)生產(chǎn)力相關(guān)性[J].中國(guó)環(huán)境科學(xué)，2017，37（1）：76-86.

[13] 陳小燕.基于遙感的長(zhǎng)時(shí)間序列浮游植物的多尺度變化研究[D].杭州：浙江大學(xué)，2013.

[14] 王玲.富營(yíng)養(yǎng)化條件下太湖梅梁灣藻類初級(jí)生產(chǎn)力的光、溫影響研究[D].南京：南京信息工程大學(xué)，2016.

[15] MORALES J，STUART V，PLATT T，et al.Handbook of satellite remote sensing image interpretation：applications for marine living resources conservation and management[R].EU PRESPO and IOCCG，2011.

[16] 王閃閃.黑潮、厄爾尼諾：南方濤動(dòng)和太平洋年代際濤動(dòng)的相互聯(lián)系及對(duì)氣候影響的研究[D].蘭州：蘭州大學(xué)，2015.

[17] 李珊珊，潘濤，閆靜，等.2015年春季北京市一次沙塵天氣過(guò)程分析[J].環(huán)境科學(xué)與技術(shù)，2016，39（4）：137-143，160.

[18] 雷星宇.2015-2016年超強(qiáng)厄爾尼諾事件對(duì)西太副高的影響研究[A].中國(guó)氣象學(xué)會(huì).第35屆中國(guó)氣象學(xué)會(huì)年會(huì) S7 東亞氣候、極端氣候事件變異機(jī)理及氣候預(yù)測(cè)[C].北京：中國(guó)氣象學(xué)會(huì)，2018：138-155.

[19] 錢伊恬，徐邦琪.2015年西北太平洋臺(tái)風(fēng)季提早展開(kāi)：2015/2016超級(jí)厄爾尼諾的影響[J].大氣科學(xué)學(xué)報(bào)，2016，39（6）：788-800.

[20] LIU F，CHEN C，ZHAN H.Decadal variability of chlorophyll a in the South China Sea：a possible mechanism[J].Chinese Journal of Oceanology and Limnology，2012，30（6）：1054-1062.

[21] GARCIA H E，LOCARNINI R A，BOYER T P，et al.World Ocean Atlas 2009[Z].2010.

[22] 劉廣鵬，高磊，朱禮鑫，等.長(zhǎng)江口冬季葉綠素活性熒光及遙感分析[J].海洋環(huán)境科學(xué)，2015，34（2）：245-250.

[23] FURUYA K，HASEGAWA O，YOSHIKAWA T，et al.Photosynthesis-irradiance relationship of phytoplankton and primary production in the vicinity of Kuroshio warm core ring in spring[J].Journal of Oceanography，1998，54（5）：545-552.

[24] HIROFUMI A，KOZO T.A 9-year time-series of planktonic foraminifer fluxes and environmental change in the Bering sea and the central subarctic Pacific Ocean，1990—1999[J].Progress in Oceanography，2007，72（4）：343-363.