中國南海表層葉綠素a 季節(jié)內(nèi)變化特征及成因

連 展王新怡魏澤勛*

(1.自然資源部 第一海洋研究所,山東 青島266061;2.青島海洋科學(xué)與技術(shù)試點國家實驗室 區(qū)域海洋動力學(xué)與數(shù)值模擬功能實驗室,山東 青島266237)

中國南海海域內(nèi)各類海洋現(xiàn)象豐富,且與我國大部分區(qū)域的水文、氣象現(xiàn)象關(guān)系密切。作為我國正在建設(shè)的“海上絲綢之路”的起點,該海域的海洋環(huán)境研究具有重要的科學(xué)和策略意義。每個季節(jié)內(nèi)具有數(shù)十天的振蕩周期的變化被稱為季節(jié)內(nèi)變化。南海多種海洋要素都具有顯著的季節(jié)內(nèi)變化特征[1-3],其中南海海區(qū)海洋表層葉綠素a的季節(jié)內(nèi)變化尤為明顯[4]。

對南海葉綠素a季節(jié)內(nèi)變化的深入研究,具有多層面的科學(xué)意義。首先海洋葉綠素a是一種對中尺度水動力現(xiàn)象良好的指示物,可以從不同角度揭示中尺度渦旋的運動和結(jié)構(gòu)特征[5]。因此深入研究有助于推動對研究海域海洋環(huán)境的認(rèn)識走向“全面化”和“立體化”。其次,對南海表層葉綠素a季節(jié)內(nèi)時空特點的準(zhǔn)確把握,是開發(fā)南海內(nèi)遠離陸架海域(離岸海域)漁業(yè)資源的必要基礎(chǔ)[6]。南海漁業(yè)資源富饒,是我國的重要漁場之一。近30 a來,南海內(nèi)近岸海域漁業(yè)資源由于過度捕撈已嚴(yán)重萎縮[7]。而南海離岸海域豐富的大洋性金槍魚類和頭足類資源具有較大的開發(fā)潛力,是未來南海漁業(yè)資源開發(fā)的重要目標(biāo)[8]。漁情分析預(yù)報是外海漁業(yè)開發(fā)的必要基礎(chǔ),而葉綠素a是進行漁情分析和漁獲量估算的關(guān)鍵參數(shù),其季節(jié)內(nèi)變化與漁情預(yù)報的關(guān)鍵時間窗口吻合。第三,葉綠素a與海洋固碳能力相關(guān)[5],準(zhǔn)確估算中國南海海洋固碳能力,可以促進碳排放相關(guān)國際熱點議題研究。

對于中國南海表層葉綠素a季節(jié)內(nèi)變化,已有許多學(xué)者應(yīng)用不同方法從各種角度開展了相關(guān)研究。Tang等[4]和石曉勇等[9]分別應(yīng)用衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)或航次定點觀測數(shù)據(jù)對葉綠素a在季節(jié)內(nèi)變化開展相關(guān)研究,結(jié)果顯示南海表層葉綠素a季節(jié)內(nèi)變化強度具有明顯的時空差異。而數(shù)值模式的結(jié)果[10-11]也顯示了基本一致的結(jié)論。Lin等[12]和Chen等[13]則通過一些個例分析,研究了不同海區(qū)不同事件影響下南海表層葉綠素a的季節(jié)內(nèi)變化特征。不同學(xué)者從多種角度開展了這些變化的原因和機制研究。如渦旋攪拌、水平輸運和海面風(fēng)場等要素都可能對南海表層葉綠素a的季節(jié)內(nèi)變化產(chǎn)生影響[14-17]。冷曉云等[18]通過航次調(diào)查數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)中南半島西側(cè)的冷渦對葉綠素a有顯著的影響。Yang等[19]發(fā)現(xiàn)在東沙群島附近頻繁發(fā)生的海洋內(nèi)波可以導(dǎo)致表層葉綠素a的升高。Loise等[20]指出在越南沿岸,短周期的表層葉綠素a變化強度可能接近季節(jié)變化的一半,這都揭示葉綠素a季節(jié)內(nèi)變化及成因研究的重要性。

海洋表層葉綠素a受海洋本身動力調(diào)整導(dǎo)致的各項要素變化、大氣強迫等外界因素的共同影響。而對于不同時段不同海區(qū)的各項要素和表層葉綠素a在季節(jié)內(nèi)的系統(tǒng)的相關(guān)性分析迄今為止尚不多見。南海海區(qū)海洋中尺度現(xiàn)象頻發(fā)[21],黑潮等外海強流可能顯著地影響南海的海洋生化條件[22]。同時本海域又是典型季風(fēng)海區(qū),不同季節(jié)大氣條件差異非常明顯。對這些不同要素和南海表層葉綠素a在季節(jié)內(nèi)的關(guān)系研究,是進一步揭示葉綠素a季節(jié)內(nèi)變化控制機制,進而掌握其變化規(guī)律,提升預(yù)報精度的必要基礎(chǔ)。

我們依據(jù)多源衛(wèi)星遙感觀測數(shù)據(jù),對南海海區(qū)表層葉綠素a季節(jié)內(nèi)變化基本特征及其受各類動力和熱力要素的影響展開分析,得出不同時段不同海區(qū)表層葉綠素a季節(jié)內(nèi)變化的主導(dǎo)因素。旨在揭示中國南海表層葉綠素a季節(jié)內(nèi)變化特征及成因,為科學(xué)研究與應(yīng)用提供基礎(chǔ)資料。

1 數(shù)據(jù)和方法

我們選用GlobColour表層衛(wèi)星遙感葉綠素a觀測數(shù)據(jù)[23]作為研究的數(shù)據(jù)資料。其融合了多個衛(wèi)星傳感器數(shù)據(jù),可保證數(shù)據(jù)在空間和時間上的連續(xù)性,并可以顯著地降低產(chǎn)品中的噪聲干擾,這使得該數(shù)據(jù)集尤其適用于研究長期葉綠素a變化規(guī)律。該數(shù)據(jù)集的空間覆蓋范圍為全球,其分辨率最高可達1 km。整個數(shù)據(jù)集的有效數(shù)據(jù)時段的多源衛(wèi)星包括SeaWIFS,MERIS,MODIS AQUA,VIIRS和OLCI-A。有效數(shù)據(jù)最早可追溯至1997-09,目前在其官方服務(wù)網(wǎng)站上數(shù)據(jù)仍在實時進行更新。在本研究中我們選取的有效數(shù)據(jù)為1998—2017年(圖1～10均為此時段)。該數(shù)據(jù)集在空間數(shù)據(jù)融合中采取多種處理方法,包括簡單平均法(Simple Averaging)、權(quán)重平均法(Weighted Averaging)和GSM 模式法(GSM Model)等。為保證數(shù)據(jù)的統(tǒng)一連續(xù)性,我們選用權(quán)重平均法得到的空間格點化產(chǎn)品。選取葉綠素質(zhì)量濃度(mg/m3)作為目標(biāo)分析要素,該數(shù)據(jù)產(chǎn)品適用于研究海區(qū)的水體[23],可以保證本研究的可靠性。

我們采用的所有數(shù)據(jù)的時間覆蓋范圍選取與葉綠素a數(shù)據(jù)相同。表層溫度數(shù)據(jù)源于OISST 數(shù)據(jù)集[24],海面高度數(shù)據(jù)源于AVISO 數(shù)據(jù)集[25],海面風(fēng)場和熱通量數(shù)據(jù)源于NCEP[26]。海洋混合層厚度源于全球海洋混合層數(shù)據(jù)集(基于Argo)[27]。營養(yǎng)鹽數(shù)據(jù)源于全球海洋數(shù)據(jù)集(簡稱WOA2013)[28]。我們選用硝酸鹽濃度大于1×10-6mol/L 的深度指示營養(yǎng)鹽躍層位置,即代表營養(yǎng)鹽變化極大層(營養(yǎng)鹽躍層)深度[21]。

我們選取的研究海區(qū)為南海及周邊海域(105°～130°E,0°～25°N)。為了提取季節(jié)內(nèi)變化,所有數(shù)據(jù)的時間序列均經(jīng)過帶通濾波,其通過周期為20～90d。對濾波后的數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)差代表對應(yīng)要素季節(jié)內(nèi)的強度。

2 結(jié)果與討論

我們提取與分辨研究海區(qū)表層葉綠素a的季節(jié)變化特征后,分析不同季節(jié)(春季為3月、4月和5月,夏季為6月、7月和8月,秋季為9月、10月和11月,冬季為12月、1月和2月)其季節(jié)內(nèi)變化強度,并與表層溫度、海面高度、海面風(fēng)場和海面熱通量的季節(jié)內(nèi)變化進行相關(guān)分析,對不同海區(qū)不同時段葉綠素a季節(jié)內(nèi)變化的主要驅(qū)動機制進行討論。

2.1 季節(jié)變化特征

分析表明南海近海區(qū)表層葉綠素a質(zhì)量濃度較高,遠海區(qū)的較低。葉綠素a質(zhì)量濃度存在顯著的季節(jié)變化。冬季南海表層葉綠素a質(zhì)量濃度較高,高值區(qū)位于南海北部;夏季較低,高值區(qū)位于南海南部(圖1中以2月和8月為例,分別代表冬季和夏季)。

圖1 中國南海及周邊海區(qū)表層葉綠素a 質(zhì)量濃度(mg·m-3)冬夏季月平均結(jié)果Fig.1 The climatological monthly mean of chlorophyll a (mg·m-3)in the South China Sea and adjacent seas in winter and summer

2.2 季節(jié)內(nèi)變化特征

南海表層葉綠素a的整體季節(jié)內(nèi)振蕩強度冬季(12月、1月和2月)最高(圖2)。

圖2 南海及周邊海區(qū)表層葉綠素a 質(zhì)量濃度(mg·m-3)四季季節(jié)內(nèi)變化強度Fig.2 Intensity of intra-seasonal variation of chlorophyll a (mg·m-3)in the South China Sea and adjacent seas in 4 seasons

冬春季季節(jié)內(nèi)振蕩最強區(qū)域都位于呂宋島西北側(cè)海區(qū),可能是由于黑潮入侵南海較頻繁,并且盛行的東北季風(fēng)在此區(qū)域受呂宋島地形阻擋產(chǎn)生很強的風(fēng)場旋度。這些多種因素共同作用導(dǎo)致本海區(qū)海水動力調(diào)整過程強度較高,進而使得下層富營養(yǎng)海水較容易進入上層海水,在季節(jié)內(nèi)提升了表層葉綠素a質(zhì)量濃度。夏季和秋季的季節(jié)內(nèi)振蕩強度空間分布特征比較接近,一個較為明顯的特點為南海偏向菲律賓群島一側(cè)海區(qū)的季節(jié)內(nèi)變化強度高于西側(cè)。

中國南海表層葉綠素a季節(jié)內(nèi)變化與季節(jié)變化或更長時間尺度的變化之間的相對關(guān)系也很重要。例如某些海區(qū)雖然葉綠素a季節(jié)內(nèi)變化本身強度不大,海區(qū)背景的長期表層葉綠素a變化幅度非常小,這一海區(qū)表層葉綠素a的變化全部集中在季節(jié)內(nèi)。即海區(qū)葉綠素a季節(jié)內(nèi)變化絕對值較小的情況下,開展季節(jié)內(nèi)分析對研究此海區(qū)的表層葉綠素a變化仍非常重要。這一特征用季節(jié)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)差(STD季節(jié)內(nèi))和背景長期變化標(biāo)準(zhǔn)差(STD長期)的相對比例系數(shù)(STD相對=STD季節(jié)內(nèi)/STD長期)來表示,當(dāng)STD相對越大時,說明季節(jié)內(nèi)振蕩越重要。我們的研究結(jié)果顯示,整個南海海區(qū)STD相對值都是非常大的(圖3,最小值＞0.5)。但在不同季節(jié),STD相對值大小存在差異,夏秋季大于冬春兩季。在夏秋季幾乎整個南海海區(qū)STD相對＞1。除10°N 附近中南半島一側(cè)海區(qū)外,這一海區(qū)在此季節(jié)盛行的海流系統(tǒng)為越南離岸流,其由湄公河口流入南海,將富含營養(yǎng)鹽和葉綠素的海水輸運至離岸海區(qū)。當(dāng)該海流增強時,其流經(jīng)區(qū)域的表層葉綠素a出現(xiàn)升高。這一海流盛行的時間超過90d,其引起的表層葉綠素a變化周期長于季節(jié)內(nèi)變化,因此可導(dǎo)致季節(jié)內(nèi)葉綠素a變化在此海區(qū)所占比例的降低。

圖3 南海及周邊海區(qū)表層葉綠素a 季節(jié)內(nèi)變化強度與長期變化強度的比例Fig.3 Ratio between the intensity of intra-seasonal variation of chlorophyll a and low-frequency variation of chlorophyll a in the South China Sea and adjacent seas

2.3 季節(jié)內(nèi)變化機制分析

我們對影響中國南海表層葉綠素a季節(jié)內(nèi)變化的外界驅(qū)動機制進行分析。鑒于淺海地區(qū)葉綠素a受陸源輸入等因素影響顯著,我們將分析重點集中在深海地區(qū)水深200 m 層。研究海區(qū)水體中,浮游植物密度遠大于無機物粒子,因此我們選用的衛(wèi)星數(shù)據(jù)產(chǎn)品可以真實地反映海洋表層葉綠素a變化情況[23]。我們對南海表層葉綠素a不同季節(jié)的季節(jié)內(nèi)變化與表層溫度、海面高度、海面風(fēng)場和熱通量同頻段變化進行了相關(guān)分析,得到不同要素之間的相關(guān)系數(shù)。計算方法見文獻[29]。相關(guān)性沒有通過95%置信度檢驗的在圖4中以白色網(wǎng)格區(qū)域顯示。

2.3.1 表層葉綠素a與表層溫度

表層葉綠素a與表層溫度季節(jié)內(nèi)變化的相關(guān)分析(圖4)顯示,四季中大部分時段葉綠素a和表層溫度均成負(fù)相關(guān),即當(dāng)溫度降低時葉綠素a質(zhì)量濃度升高。研究表明這與海水動力調(diào)整過程有關(guān)。

圖4 南海及周邊表層葉綠素a 四季季節(jié)內(nèi)變化與表層溫度季節(jié)內(nèi)變化相關(guān)系數(shù)分布Fig.4 Distribution of correlation coefficient between the intra-seasonal variation of chlorophyll a and the SST in the South China Sea and adjacent seas in 4 seasons

眾所周知,在大洋內(nèi)部當(dāng)外強迫和海洋不穩(wěn)定現(xiàn)象使海洋混合層變化時,表層以下低溫海水?dāng)y帶高營養(yǎng)物質(zhì)進入表層,海面葉綠素a升高的同時溫度降低,二者負(fù)相關(guān)。南海海水葉綠素a質(zhì)量濃度高于西太平洋海水的,同時南海表層溫度低于西太平洋的。當(dāng)黑潮通過呂宋海峽進入南海后,南?？沙霈F(xiàn)同步的葉綠素a降低和溫度升高現(xiàn)象。黑潮入侵南海的流軸和流量往往是不穩(wěn)定的,存在季節(jié)內(nèi)變化。這一機制也可導(dǎo)致葉綠素a和表層溫度在季節(jié)尺度上存在負(fù)相關(guān)。葉綠素a季節(jié)內(nèi)變化和海洋表層溫度負(fù)相關(guān)程度在南海北部呂宋海峽以西海區(qū)最大,并且冬季整個海區(qū)平均相關(guān)系數(shù)絕對值顯著高于其它季節(jié),這與2方面的共同影響是分不開的。通過Argo數(shù)據(jù)所得到的海洋混合層厚度(圖5)和基于WOA 2013的海洋營養(yǎng)鹽躍層深度(圖6)驗證了這一結(jié)果。冬季呂宋海峽西側(cè)海洋混合層厚度顯著深于其他海區(qū)的,其深度也顯著大于營養(yǎng)鹽躍層深度,使得海洋上層混合變化更容易導(dǎo)致營養(yǎng)鹽度變化,加深了表層溫度和葉綠素a變化之間的聯(lián)系。另一方面,黑潮入侵南海的高峰期也在冬季。因此,冬季2種機制影響均達到最大值,葉綠素a和海溫出現(xiàn)顯著負(fù)相關(guān)。

圖5 南海夏冬季海洋混合層厚度平面分布(Argo數(shù)據(jù))Fig.5 Distribution of the mixed layer depth(data of Argo)in the South China Sea and adjacent seas in summer and winter

圖6 南海夏冬季海洋營養(yǎng)躍層深度平面分布(WOA 2013數(shù)據(jù))Fig.6 Distribution of the nutricline depth(data of WOA 2013)in the South China Sea and adjacent seas in summer and winter

然而混合層和營養(yǎng)鹽躍層的深淺關(guān)系并不能反映出海表溫度和葉綠素a變化的全部關(guān)系。夏秋季,在南海南部混合層厚度也大于營養(yǎng)鹽躍層厚度,但卻不存在葉綠素a和表層溫度的絕對值高相關(guān),這顯示有其它因素限制葉綠素a的變化。夏秋季節(jié)研究海域較高的背景表層溫度[29]可能是主要限制因素。過高的溫度使得充足營養(yǎng)供應(yīng)的條件下,海洋生物仍然無法大量繁殖,表層葉綠素a未出現(xiàn)顯著的升高。越南離岸流的存在也可能導(dǎo)致表層溫度和表層葉綠素a的負(fù)相關(guān)關(guān)系不顯著。因為離岸流會將沿岸高溫高營養(yǎng)的海水輸入進本海區(qū),擾亂因為垂向混合導(dǎo)致的表層溫度和葉綠素a之間的動力關(guān)系。

2.3.2 表層葉綠素a和海面高度

與表層溫度的相關(guān)系數(shù)比較,表層葉綠素a和海面高度在季節(jié)內(nèi)聯(lián)系相對較不緊密(圖7)。圖中白色網(wǎng)格區(qū)域同圖4,為相關(guān)性沒有通過95%置信度檢驗區(qū)域。前者的平均相關(guān)系數(shù)明顯大于后者。

圖7 南海及周邊海區(qū)表層葉綠素a 四季季節(jié)內(nèi)變化與表層高度季節(jié)內(nèi)變化相關(guān)系數(shù)分布Fig.7 Distribution of the correlation coefficient between the intra-seasonal variation of chlorophyll a and the SSH in the South China Sea and adjacent seas in 4 seasons

影響海面高度季節(jié)內(nèi)變化的因素(如波動、海流等)眾多,而這些動力因素?zé)o法直接導(dǎo)致海水的輻合輻散,難以驅(qū)動上層海水和下層富含營養(yǎng)物質(zhì)的海水進行交換,即和表層葉綠素a的季節(jié)內(nèi)變化沒有相關(guān)性。而與表層葉綠素a變化聯(lián)系密切的中尺度渦旋和上升流所導(dǎo)致的海面變化只是整體海面季節(jié)內(nèi)變化中的一部分,因此整體海面季節(jié)內(nèi)變化與表層葉綠素a的相應(yīng)變化相關(guān)性不十分顯著。

南海北部渦旋對葉綠素a的影響更多地體現(xiàn)在平流輸運效應(yīng)上[17]。即渦旋產(chǎn)生的葉綠素a異?？臻g結(jié)構(gòu)為偶極子,與單極子的海面高度異常并不一致,二者并沒有很高的相關(guān)性。在冬季南海東南和西南邊緣陸架地區(qū),存在1個較明顯的海面變化與葉綠素a變化正相關(guān)的海區(qū),其相關(guān)系數(shù)最大值可達0.5。秋季該東南區(qū)域正相關(guān)仍較明顯。海面高度與表層葉綠素a呈現(xiàn)正相關(guān)這一現(xiàn)象難以用上升流動力理論進行解釋。與之一致的是,在表層溫度的相關(guān)分析中,相關(guān)海區(qū)也不存在溫度和葉綠素a變化的聯(lián)系明顯加強這一特征。

我們推測可能有其它的動力機制控制這一現(xiàn)象的產(chǎn)生。秋冬季節(jié)這一海區(qū)存在較強的沿陸架流系,海流方向為沿陸架逆時針旋轉(zhuǎn)。海平面高度的變化與該海流的強弱有關(guān),可通過水體輸運的強度對研究海區(qū)表層葉綠素a造成影響。該海流較強時,可將較多的源地為巽他陸架的、含營養(yǎng)物質(zhì)較豐富的海水輸送至本海區(qū)。

為了驗證這一推測,我們計算了1998—2017年每個冬季(12月、1月和2月)本海區(qū)平均的沿陸架海流流速、海平面高度和葉綠素a質(zhì)量濃度季節(jié)內(nèi)變化(圖8)。研究結(jié)果與我們推測相一致,在季節(jié)內(nèi)當(dāng)目標(biāo)海區(qū)沿陸架海流較強時,可能出現(xiàn)較高的表層葉綠素a質(zhì)量濃度。反之亦然。即二者呈現(xiàn)正相關(guān)。該2種要素的相關(guān)性甚至高于葉綠素a質(zhì)量濃度與海面高度的相關(guān)性,不同年份中沿陸架海流流速與表層葉綠素a質(zhì)量濃度最大相關(guān)系數(shù)可接近0.6。海流輸運攜帶來高營養(yǎng)物質(zhì)海水是產(chǎn)生現(xiàn)象的一種原因。而且沿陸架海流較強時,可通過正壓不穩(wěn)定效應(yīng)增強本海區(qū)的海洋混合,也可以使得下層營養(yǎng)物質(zhì)進入上層海水,有助于提升表層葉綠素a質(zhì)量濃度。

2.3.3 表層葉綠素a與海面風(fēng)場

南海大部分海區(qū)海面風(fēng)場大小與表層葉綠素a季節(jié)內(nèi)變化均成正相關(guān)(圖9)。圖中白色網(wǎng)格區(qū)域同圖4,為相關(guān)性沒有通過95%置信度檢驗區(qū)域。即當(dāng)風(fēng)場增大時,在四季季節(jié)內(nèi)可能出現(xiàn)表層葉綠素a的對應(yīng)增大。原因是當(dāng)風(fēng)場增大時海洋上層混合加強,進而使得次表層營養(yǎng)物質(zhì)容易進入表層。

各類微生物在得到營養(yǎng)供應(yīng)后,繁殖活躍,最終提升表層葉綠素a質(zhì)量濃度。然而有3處例外:1)夏季海南島東南外海風(fēng)場強度和葉綠素a季節(jié)內(nèi)變化相關(guān)性較低。對比季節(jié)內(nèi)變化的特征,發(fā)現(xiàn)夏季這一海區(qū)表層葉綠素a季節(jié)內(nèi)變化非常微弱(圖2),這使得其與風(fēng)場的相關(guān)性較不顯著。2)冬季呂宋海峽西側(cè)海區(qū),風(fēng)場強度和葉綠素a季節(jié)內(nèi)變化相關(guān)性也顯著低于周邊海區(qū)。冬季這一海區(qū)海洋上層混合強烈,除風(fēng)場驅(qū)動外,正壓、斜壓不穩(wěn)定等現(xiàn)象均加劇了海洋混合層變化。所以,局地風(fēng)場可能并不是本海區(qū)葉綠素a季節(jié)內(nèi)變化的主要因素。海洋動力調(diào)整和非局地因素在其中可起到重要作用。3)在南海東南邊緣海區(qū),秋冬季節(jié)局地風(fēng)場大小和表層葉綠素a季節(jié)內(nèi)變化也基本不存在相關(guān)性。這與表層溫度和海面高度的相關(guān)分析所揭示的結(jié)果基本一致,進一步證實了研究海域表層葉綠素a質(zhì)量濃度季節(jié)內(nèi)變化應(yīng)該不是由上升流、風(fēng)場攪拌等因素導(dǎo)致的。

2.3.4 表層葉綠素a與海面熱通量

整個南海海面熱通量與表層葉綠素a在季節(jié)內(nèi)基本為正相關(guān)(圖10)。熱通量的正方向為海洋向大氣釋放熱量。因此當(dāng)海洋加熱大氣的熱傳遞異常時,季節(jié)內(nèi)對應(yīng)出現(xiàn)表層葉綠素a的增加。這一關(guān)系與葉綠素a和風(fēng)應(yīng)力大小季節(jié)內(nèi)變化關(guān)系相一致。當(dāng)風(fēng)應(yīng)力增大時,會導(dǎo)致由海洋進入大氣的潛熱通量增大。即當(dāng)風(fēng)應(yīng)力增大時,會呈現(xiàn)海面熱通量的相應(yīng)增大、混合增強,也可對應(yīng)表層葉綠素a季節(jié)內(nèi)頻段的升高。這一結(jié)果顯示動力過程在研究海區(qū)海洋葉綠素a的變化過程中占據(jù)主導(dǎo)地位,熱力過程較不重要。

圖8 冬季(12月、1月和2月)南海東南邊緣處季節(jié)內(nèi)區(qū)域平均的海面高度(藍色曲線)、表層葉綠素a 質(zhì)量濃度(綠色曲線)和沿陸架海流流速(紅色曲線)隨時間變化Fig.8 Intraseasonal variations of the regionally averaged sea surface height(blue lines),the chlorophyll a concentration(green lines),and the current along shelfs(red lines)in the winters(during December to the following February)

4 結(jié) 論

依據(jù)GlobColour衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù),我們證實了南海表層葉綠素a季節(jié)內(nèi)變化存在顯著的季節(jié)特征。其振蕩總體來說存在冬強夏弱的特征,冬季南海振蕩較強區(qū)位于北部,夏季則是南部震蕩較強。

相關(guān)分析結(jié)果顯示,表層葉綠素a質(zhì)量濃度季節(jié)內(nèi)變化和表層溫度對應(yīng)變化聯(lián)系緊密。南海大部分海區(qū)二者均成負(fù)相關(guān)特征,相關(guān)系數(shù)冬強夏弱。夏季較高的背景溫度是導(dǎo)致相關(guān)系數(shù)相對冬天較弱的原因之一。呂宋海峽西側(cè)表層溫度和表層葉綠素a質(zhì)量濃度季節(jié)內(nèi)變化關(guān)系緊密,這與中尺度渦旋、上升流或垂向混合加強等動力調(diào)整趨勢一致。然而夏季越南離岸流海區(qū)表層溫度卻與葉綠素a季節(jié)內(nèi)變化相關(guān)性不強,這顯示海流輸運也是導(dǎo)致溫度和葉綠素a在季節(jié)內(nèi)存在聯(lián)系的控制因素之一。受噪聲等因素干擾,海面高度季節(jié)內(nèi)振蕩和葉綠素a對應(yīng)變化相關(guān)性不強。但南海東南邊緣處為一例外,其海面高度和葉綠素a在季節(jié)內(nèi)頻段呈正相關(guān)。海盆尺度的環(huán)流結(jié)構(gòu)可能是導(dǎo)致這一現(xiàn)象的原因之一。進一步與沿陸架海流流速的相關(guān)分析也證實了這一推測。即冬季南海內(nèi)逆時針旋轉(zhuǎn)的環(huán)流增強,可能是由南面攜帶更多營養(yǎng)豐富的陸架水進入目標(biāo)海區(qū),使得該海區(qū)葉綠素a在對應(yīng)時間段內(nèi)出現(xiàn)升高。風(fēng)場和熱通量相關(guān)分析結(jié)果與以上結(jié)論一致,即海洋動力調(diào)整過程在呂宋海峽西側(cè)和南海東南邊緣對表層葉綠素a季節(jié)內(nèi)變化起到重要作用。

通過研究分析我們認(rèn)為在南海北部呂宋海峽西側(cè)海區(qū),海洋上層混合、黑潮入侵等現(xiàn)象可能與葉綠素a季節(jié)內(nèi)變化關(guān)系密切。而南海東南邊緣處除了環(huán)流輸運攜帶之外,陸架波和地形共同控制的跨陸架海水輸運也可能對葉綠素a季節(jié)內(nèi)變化造成影響,使得該海區(qū)海面高度和海流大小與葉綠素a對應(yīng)變化呈正相關(guān)。目前非常有必要深入開展對于南海海區(qū)表層葉綠素a季節(jié)內(nèi)變化的控制機制的進一步細致分析。

參考文獻(References):

[1]GAO R,ZHOU F X.Monsoonal characteristics revealed by intraseasonal variability of sea surface temperature(SST)in the South China Sea(SCS)[J].Geophysical Research Letters,2002,29(8):631-634.

[2]MAO J Y,CHAN J C.Intraseasonal variability of the South China Sea summer monsoon[J].Journal of Climate,2005,18(7):2388-2402.

[3]ZHUANG W,XIE S P,WANG D X,et al.Intraseasonal variability in sea surface height over the South China Sea[J].Journal of Geophysical Research:Oceans,2010,115(C4):1-14.

[4]TANG S,LIU F,CHEN C.Seasonal and intraseasonal variability of surface chlorophyll a concentration in the South China Sea[J].Aquatic Ecosystem Health& Management,2014,17(3):242-251.

[5]MCGILLICUDDY D J,ANDERSON L A,BATES N R,et al.Eddy/wind interactions stimulate extraordinary mid-ocean plankton blooms[J].Science,2007,316(5):1021-1026.

[6]CHE B,XIONG T.Impact of South China Sea dispute on fishery and countermeasures[J].Research of Agricultural Modernization,2009,30(4):414-418.車斌,熊濤.南海爭端對我國南海漁業(yè)的影響和對策[J].農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化研究,2009,30(4):414-418.

[7]LI Z F,LüS J.Discusstion of current conditions of fishery industry in the South China Sea and cooperations with Association of Southeast Asian Nations[J].Marine and Fishery Industry,2013,236(12):42-45.黎祖福,呂慎杰.南海漁業(yè)產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀及與東盟周邊國家合作機制探討[J].海洋與漁業(yè),2013,236(12):42-45.

[8]JIS J,ZHOU W F,CHENG T F,et al.On the forecast and analysis of fishing grounds in the open South China Sea[J].Fishery Information&Strategy,2015,30(2):98-105.紀(jì)世建,周為峰,程田飛,等.南海外海漁場漁情分析預(yù)報的探討[J].漁業(yè)信息與戰(zhàn)略,2015,30(2):98-105.

[9]SHI X Y,LI H M,HAN X R,et al.Influence of typical mesoscale oceanographical process on the distribution of nutrients and dissolved oxygen in the northern part of South China Sea in summer[J].Acta Scientiae Circumstantiae,2014,34(3):695-703.石曉勇,李鴻妹,韓秀榮,等.夏季南海北部典型中尺度物理過程對營養(yǎng)鹽及溶解氧分布特征的影響[J].環(huán)境科學(xué)學(xué)報,2014,34(3):695-703.

[10]XIU P,CHAI F.Modeled biogeochemical responses to mesoscale eddies in the South China Sea[J].Journal of Geophysical Research:Oceans,2011,116(C10):1-16.

[11]GUO M,CHAI F,XIU P,et al.Impacts of mesoscale eddies in the South China Sea on biogeochemical cycles[J].Ocean Dynamics,2015,65(8):1335-1352.

[12]LIN J,CAO W X,WANG G F,et al.Satellite-observed variability of phytoplankton size classes associated with a cold eddy in the South China Sea[J].Marine Pollution Bulletin,2014,83(1):190-197.

[13]CHEN G X,XIU P,CHAI F.Physical and biological controls on the summer chlorophyll bloom to the east of Vietnam[J].Journal of Oceanography,2014,70(3):323-328.

[14]HUANG B Q,HU J,XU H Z,et al.Phytoplankton community at warm eddies in the northern South China Sea in winter 2003/2004[J].Deep Sea Research Part II:Topical Studies in Oceanography,2010,57(10):1792-1798.

[15]LI J M,QI Y Q,JING Z Y,et al.Enhancement of eddy-Ekman pumping inside anticyclonic eddies with wind-parallel extension:Satellite observations and numerical studies in the South China Sea[J].Journal of Marine Systems,2014,132(4):150-161.

[16]LIU F F,TANG S L,CHEN C Q.Impact of nonlinear mesoscale eddy on phytoplankton distribution in the northern South China Sea[J].Journal of Marine Systems,2013,123(8):33-40.

[17]HE Q Y,ZHAN H G,CAI S Q,et al.Eddy effects on surface chlorophyll in the northern South China Sea:mechanism investigation and temporal variability analysis[J].Deep Sea Research Part I:Oceanographic Research Papers,2016,112(6):25-36.

[18]LENG X Y,YANG Y,SUN J,et al.Mesoscale physical processes on the effects of distribution of nutrients and chlorophyllain the western South China Sea in summer[J].Haiyang Xuebao,2016,38(4):66-75.冷曉云,楊陽,孫軍,等.夏季南海西部中尺度物理過程對營養(yǎng)鹽和葉綠素a分布特征的影響[J].海洋學(xué)報,2016,38(4):66-75.

[19]YANG D,YE H,WANG G.Impacts of internal waves on chlorophyll a distribution in the northern portion of the South China Sea[J].Chinese Journal of Oceanology and Limnology,2010,28(5):1095-1101.

[20]LOISEL H,VANTREPOTTE V,OUILLON S,et al.Assessment and analysis of the chlorophyll-a concentration variability over the Vietnamese coastal waters from the MERIS ocean color sensor(2002—2012)[J].Remote Sensing of Environment,2017,190(3):217-232.

[21]HE Q Y,ZHAN H G,CAI S Q,et al.A new assessment of mesoscale eddies in the South China Sea:surface features,three-Dimensional structures,and thermohaline transports[J].Journal of Geophysical Research:Oceans,2018,123(7):4906-4929.

[22]YüL,XIONG X J,GUO Y L,et al.Analysis of the path and axis features of the Kuroshio at the depth of 15 m based on drifting buoy data[J].Advances in Marine Science,2014,32(3):316-323.于龍,熊學(xué)軍,郭延良,等.根據(jù)漂流浮標(biāo)資料對黑潮15 m 層流路及流軸特征的分析[J].海洋科學(xué)進展,2014,32(3):316-323.

[23]MARITORENA S,D′ANDON O H F,MANGIN A,et al.Merged satellite ocean color data products using a bio-optical model:characteristics,benefits and issues[J].Remote Sensing of Environment,2010,114(8):1791-1804.

[24]REYNOLDS R W,SMITH T M,LIU C,et al.Daily high-resolution-blended analyses for sea surface temperature[J].Journal of Climate,2007,20(11):5473-5496.

[25]Copernicus Marine Environment Monitoring Service.SSALTO/DUACS MSLA and(M)ADT near-real time and delayed time products[DB/OL].[2020-03-12].https:∥www.aviso.alltimetry.fr/.Brussels,Belgium.

[26]KALNARY E,KANAMITSU M,KISTLER R,et al.The NCEP/NCAR 40-year reanalysis project[J].Bulletin of the American Meteorological Society,1996,77(3):437-471.

[27]HOLTE J,TALLEY L D,GILSON J,et al.An Argo mixed layer climatology and database[J].Geophysical Research Letter,2017,44(5):5618-5626.

[28]National Oceanic and Atmospheric Administration.World Ocean Altas 2013[DB/OL].[2020-03-12].https:∥www.nodc.noaa.gov/OC5/woa13/.

[29]WANG J Y,FANG G H,WANG Y G.Trends and interannual variability of the South China Sea surface winds,surface height and surface temperature in the recent decade[J].Advances in Marine Science,2017,35(2):159-175.王佳瑩,方國洪,王永剛.南海海面風(fēng)場、高度場和溫度場近十年的變化趨勢及年際變化特征[J].海洋科學(xué)進展,2017,35(2):159-175.