北太平洋大氣沉降的時(shí)空特征及其對(duì)副極區(qū)海洋生態(tài)系統(tǒng)的影響

陳煥煥 , 王云濤, 齊義泉 柴扉

1. 河海大學(xué)海洋學(xué)院, 江蘇 南京 210098;

2. 自然資源部第二海洋研究所, 衛(wèi)星海洋環(huán)境動(dòng)力學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 浙江 杭州 310012

全球大部分海區(qū)浮游生物的初級(jí)生產(chǎn)力受到光照和營(yíng)養(yǎng)鹽的調(diào)控(Achterberg et al, 2018)。通常, 高營(yíng)養(yǎng)鹽海區(qū)具有高葉綠素濃度和高初級(jí)生產(chǎn)力的特征, 但在全球海洋中也存在一些高營(yíng)養(yǎng)鹽低葉綠素(high nutrient and low chlorophyll, HNLC)的區(qū)域, 如赤道太平洋海區(qū)、北太平洋副極地海區(qū)以及南大洋的大部分海區(qū)(Mahowald et al, 2005)。Martin (1990)通過(guò)“鐵加富”實(shí)驗(yàn)提出了“鐵限制”假說(shuō), 即在HNLC 區(qū)域海洋初級(jí)生產(chǎn)力受微量元素鐵的限制。大量的觀測(cè)數(shù)據(jù)證實(shí)北太平洋副極地海區(qū)符合該特征, 即海洋初級(jí)生產(chǎn)力受到鐵的限制(Bishop et al, 2002; Hamme et al, 2010; Yoon et al, 2017)。

微量元素鐵對(duì)促進(jìn)海洋初級(jí)生產(chǎn)力及固碳過(guò)程至關(guān)重要, 因此會(huì)對(duì)海洋二氧化碳的收支以及全球碳循環(huán)產(chǎn)生重要影響(Martin, 1990; Bopp et al, 2003; Jickells et al, 2005)。近岸海洋中的鐵主要來(lái)源于河流懸浮沉積物(Jickells et al, 2005), 其中來(lái)源于河流和冰川融水的鐵隨河流傳輸, 且主要分布在近海區(qū)域(Poulton et al, 2002; Moore et al, 2008)。與近海不同, 開(kāi)闊大洋中鐵的來(lái)源主要有兩種, 一種是通過(guò)大氣沉降(自然沙塵與人類活動(dòng)產(chǎn)生的大氣污染物)過(guò)程進(jìn)入海洋表層; 另一種則是通過(guò)混合和上升流等動(dòng)力過(guò)程將深層含高濃度鐵的海水帶入上層(Jickells et al, 2016)。在全球變暖背景下, 上層海洋增溫使得海洋層化現(xiàn)象加強(qiáng), 垂向混合作用的減弱會(huì)抑制海洋深層對(duì)上層營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的補(bǔ)充, 并且來(lái)源于深層海底熱液的鐵會(huì)快速沉降至海底(Jickells et al, 2005), 從而開(kāi)闊大洋的初級(jí)生產(chǎn)力會(huì)更加依賴于大氣沉降對(duì)鐵的供應(yīng)(Bopp et al, 2015)。與此同時(shí), 衛(wèi)星觀測(cè)數(shù)據(jù)也表明開(kāi)闊大洋上層生物可利用的鐵主要來(lái)源于大氣沉降(Fung et al, 2000; Mahowald et al, 2018)。因此, 北太平洋大氣沉降的時(shí)間變化和空間分布特征, 及其對(duì)上層海洋生態(tài)系統(tǒng)的影響, 是重要的科學(xué)問(wèn)題, 也是近年來(lái)的研究焦點(diǎn)。

前人利用模式估算全球海洋的大氣沉降量為513.3Tg·a–1, 其中沉降至北太平洋區(qū)域的為20.5Tg·a–1(Scanza et al, 2018), 這為海洋生物地球化學(xué)循環(huán)提供了必需的微量元素鐵(Baker et al, 2006b; Mahowald et al, 2018)。過(guò)去有大量研究分析了大氣沉降進(jìn)入海洋后引起初級(jí)生產(chǎn)力的響應(yīng), 例如Bishop 等(2002)通過(guò)觀測(cè)發(fā)現(xiàn)了大氣沉降來(lái)源鐵對(duì)海洋的影響, 即在2001 年4 月的一次強(qiáng)沙塵事件5d后, 沙塵由亞洲穿越太平洋, 引起東北太平洋Papa站位(50°N, 145°W) 的顆粒有機(jī)碳(Particulate Organic Carbon, POC)明顯增加, 且增加過(guò)程持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)達(dá)兩周, 衛(wèi)星觀測(cè)的葉綠素也增加了25%。類似的研究表明亞洲沙塵事件與西北太平洋KNOT 站位(44°N, 155°E)的海洋初級(jí)生產(chǎn)力存在顯著的相關(guān)關(guān)系(Yuan et al, 2006; Han et al, 2011)。此外, 西北太平洋日本海北部海域春季藻華的爆發(fā)時(shí)間會(huì)隨沙塵事件的發(fā)生而提前(Jo et al, 2007)。Tan 等(2011)利用衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn), 1998—2008 年亞洲沙塵事件的爆發(fā)頻率與中國(guó)近海的初級(jí)生產(chǎn)力之間也存在顯著的相關(guān)性。Yoon 等(2017)的研究顯示, 沙塵事件過(guò)后西北太平洋的初級(jí)生產(chǎn)力提高了70%, 表明沙塵事件對(duì)海洋初級(jí)生產(chǎn)力有潛在的促進(jìn)作用。

鑒于大氣沉降對(duì)海洋的重要影響, 以及目前對(duì)于大尺度、長(zhǎng)時(shí)間序列的大氣沉降觀測(cè)比較缺乏, 因此本文主要的研究目標(biāo)包括: 1)利用模式數(shù)據(jù)對(duì)北太平洋區(qū)域大氣沉降的時(shí)空特征進(jìn)行分析; 2)以衛(wèi)星遙感觀測(cè)的沙塵事件為例, 分析大氣沉降對(duì)海洋初級(jí)生產(chǎn)力的潛在影響。

1 數(shù)據(jù)與方法

本文的大氣沉降數(shù)據(jù)來(lái)源于日本九州大學(xué)的SPRINTARS (Spectral Radiation-Transport Model for Aerosol Species)氣溶膠模式(Takemura et al, 2000, 2002, 2005)。該模式包括了自然過(guò)程和人類活動(dòng)來(lái)源的大氣沉降及其傳輸過(guò)程, 其水平分辨率為1.125°×1.1215°, 單位為kg·m–2·s–1, 用來(lái)定量刻畫(huà)和分析北太平洋大氣沉降的時(shí)空特征。利用衛(wèi)星遙感觀測(cè)的氣溶膠指數(shù)(Aerosol Index, AI)數(shù)據(jù), 以追溯沙塵事件源頭并追蹤其傳播路徑。AI 數(shù)據(jù)來(lái)源于GIOVANNI 網(wǎng)站(https://giovanni.gsfc.nasa.gov/), 由1998—2004 年臭氧總量觀測(cè)光譜儀(Total Mapping Spectrometer, TOMS) (TOMS Science Team, 2019)和2005— 2017 年臭氧監(jiān)測(cè)儀(Ozone Monitoring Instrument, OMI)反演得到(Bhartia, 2012), 空間分辨率分別為 1.25°×1°和 1°×1°。光合有效輻射(Photosynthetically Active Radiative, PAR)是指波長(zhǎng)范圍為400～700nm 的能被浮游植物利用于光合作用的太陽(yáng)輻射(董泰鋒 等, 2011), 是影響光合作用過(guò)程的關(guān)鍵因子(劉榮高 等, 2004)。本文所使用PAR數(shù)據(jù)由裝載于 Aqua 衛(wèi)星的 Moderate-Resolution Imaging Spectroradiometer (MODIS)傳感器獲取, 屬 L3 級(jí)數(shù)據(jù), 每天觀測(cè)一次, 其水平分辨率為9km×9km, 單位為E·m–2·d–1。

本文所使用的風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)為NCEP/NCAR 再分析數(shù)據(jù)集, 由美國(guó)氣象環(huán)境預(yù)報(bào)中心(National Centers for Environmental Prediction, NCEP)和美國(guó)國(guó)家大氣研究中心(National Center for Atmospheric Research, NCAR)共同制作。該數(shù)據(jù)時(shí)間涵蓋1948年至今, 空間分辨率為0.25°×0.25°, 垂向分層為17層?；旌蠈由疃葦?shù)據(jù)來(lái)自全球簡(jiǎn)單海洋數(shù)據(jù)同化資料(Simple Ocean Data Assimilation, SODA), 水平分辨率為0.5°×0.5°, 該資料由美國(guó)馬里蘭大學(xué)和德州農(nóng)工大學(xué)于20 世紀(jì)90 年代初開(kāi)發(fā)。海表面高度異常(Sea Level Anomaly, SLA)由衛(wèi)星高度計(jì)融合得到的海表面高度數(shù)據(jù)計(jì)算所得(http://marine. copernicus.eu), 其空間分辨率為 0.25°×0.25°, SLA可以表征海洋表層高度狀態(tài), 實(shí)現(xiàn)對(duì)海洋中渦旋的定位和觀測(cè)(Chelton et al, 2011), 被廣泛地應(yīng)用于海洋物理過(guò)程的分析。

本文將利用顆粒有機(jī)碳數(shù)據(jù)以及衛(wèi)星觀測(cè)葉綠素?cái)?shù)據(jù), 分析大氣沉降對(duì)海洋初級(jí)生產(chǎn)力的影響。顆粒有機(jī)碳在全球碳循環(huán)中占重要地位, 是生物鏈中的一個(gè)重要物質(zhì)基礎(chǔ), 與海洋初級(jí)生產(chǎn)力密切相關(guān)(金海燕 等, 2005)。沉積物捕獲器是獲取顆粒有機(jī)碳數(shù)據(jù)的主要觀測(cè)手段, 通過(guò)連續(xù)觀測(cè)月際-年際間的顆粒物通量, 研究海洋顆粒物通量及其相關(guān)的生物地球化學(xué)過(guò)程。根據(jù)沉積物捕獲器淺層的顆粒有機(jī)碳通量, 可對(duì)海洋初級(jí)生產(chǎn)力進(jìn)行估算, 以表征海洋表層的輸出生產(chǎn)力(陳建芳 等, 1998)。本文所使用的POC 觀測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)自于日本國(guó)家海洋科學(xué)與技術(shù)研究中心(Japan Agency for Marine-Earth Science and Technology, JAMSTEC)布放在西北太平洋 K2 站(47°N, 160°E)的沉積物捕獲器(https:// ebcrpa.jamstec.go.jp/k2s1/en/)。該捕獲器采樣時(shí)間為2010 年2 月—2014 年5 月, 采樣間隔為6～18d 不等, 包括200m、500m 和4810m 三個(gè)采樣深度, 本文選用200m 深度處的顆粒有機(jī)碳數(shù)據(jù)。海洋葉綠素a濃度是海洋初級(jí)生產(chǎn)力的一個(gè)重要指標(biāo)(馬翱慧 等, 2013), 其時(shí)空特征與光照、溫度、鹽度等海洋環(huán)境要素密切相關(guān), 因此海洋葉綠素a 濃度對(duì)于海洋科學(xué)研究具有重要意義(叢丕福 等, 2006)。本文所使用的葉綠素?cái)?shù)據(jù)包括MODIS 傳感器L3 級(jí)的8 天平均和日均葉綠素?cái)?shù)據(jù), 以及 Sea-viewing Wide Field-of-view Sensor (SeaWiFS)L3 級(jí)的日均葉綠素?cái)?shù)據(jù), 空間分辨率均為9km×9km。

2 結(jié)果分析

2.1 北太平洋大氣沉降時(shí)空特征

根據(jù)SPRINTARS 模式計(jì)算的1997 年12 月至2017 年11 月大氣沉降量的時(shí)空變化特征顯示, 北太平洋大氣沉降呈現(xiàn)出陸地高、海洋低的空間分布特征(圖1), 反映了大氣沉降主要來(lái)源于陸源區(qū)域, 進(jìn)而向海洋傳播, 且隨著傳播距離增加而逐漸減小的規(guī)律。這是由于大氣沉降顆粒物在傳播過(guò)程中會(huì)通過(guò)干沉降(重力等)和濕沉降(降水等)過(guò)程沉降至陸地或海洋(Mahowald et al, 2009, 2018)。風(fēng)場(chǎng)是決定大氣沉降顆粒物由陸源向北太平洋傳播的關(guān)鍵因素, 陸源大氣沉降顆粒主要隨西風(fēng)帶進(jìn)行遠(yuǎn)距離傳輸(Prospero, 1999; Grousset et al, 2003), 可穿越北太平洋傳輸至北美區(qū)域(Mahowald et al, 2009)。春季北半球氣溫回升, 但植被覆蓋稀少, 干旱的沙漠以及冰雪消融后裸露的土地有利于源區(qū)沙塵顆粒在風(fēng)場(chǎng)作用下進(jìn)入大氣, 從而爆發(fā)沙塵事件, 使得春季大氣沉降顆粒物等從源頭增多(Baker et al, 2006a), 因此春季是亞洲沙塵事件多發(fā)的季節(jié)(Yoon et al, 2017, 2019)。

當(dāng)大氣沉降顆粒進(jìn)入大氣并隨高空風(fēng)場(chǎng)傳輸時(shí), 由于高空風(fēng)場(chǎng)風(fēng)速大, 且春季風(fēng)向以向海(北太平洋)方向的西風(fēng)為主, 有利于陸源沙塵向海洋傳輸。頻發(fā)的沙塵事件與高空強(qiáng)風(fēng)相結(jié)合(西風(fēng)平均風(fēng)速為4.87m·s–1), 使得北太平洋大氣沉降量在春季達(dá)到最大, 且高值覆蓋區(qū)域最大。夏季高空風(fēng)場(chǎng)雖與春季一樣, 為西風(fēng)帶主導(dǎo), 但其平均風(fēng)速(2.98m·s–1)小于春季, 從而北太平洋夏季大氣沉降量小于春季。秋、冬季節(jié), 北太平洋上空高空風(fēng)場(chǎng)的平均風(fēng)速分別為4.94m·s–1和6.10m·s–1, 明顯高于春季北太平洋上空的高空風(fēng)速, 但其源區(qū)大氣沉降排放總量明顯小于春、夏季節(jié), 從而秋、冬季節(jié)的大氣沉降量高值主要集中在近岸人類活動(dòng)影響顯著的區(qū)域, 并且高值覆蓋區(qū)域明顯小于春、夏季節(jié)。

圖1 1997 年12 月—2017 年11 月北太平洋海區(qū)大氣沉降量(單位: 10–6kg·m–2)和850hPa 平均風(fēng)場(chǎng)的季節(jié)變化 圖中黑色箭頭為風(fēng)矢量, 灰色等值線為風(fēng)速大小(單位: m·s–1); 春季時(shí)間為3—5 月, 夏季時(shí)間為6—8 月, 秋季時(shí)間為9—11 月, 冬季時(shí)間為12 月至次年2 月; 春季圖中的藍(lán)線區(qū)域?yàn)楸疚难芯繀^(qū)域; 沉降量選取以10 為底的對(duì)數(shù)(lg)予以轉(zhuǎn)換。審圖號(hào)為GS(2016)1665 號(hào) Fig.1 Seasonal distribution of dust deposition flux (shading; uints: 10–6 kg·m–2) and wind (black arrows are wind vectors, and gray contours are wind magnitude; units: m·s–1) at 850 hPa averaged over the period from December 1997 to November 2017 in the North Pacific Ocean: spring (March ～ May), summer (June ～ August), autumn (September ～ November), and winter (December ～ February). The blue line (Fig.1 upper left) indicates the study area. The dust deposition flux is transformed by lg scale

圖2a 和圖2b 分別為北太平洋區(qū)域(圖1 藍(lán)色線框區(qū)域)大氣沉降量的月均時(shí)間序列和氣候態(tài)月均時(shí)間序列。由圖可見(jiàn), 大氣沉降量存在顯著的季節(jié)性變化。其中大氣沉降量在每年的3—7 月份較大, 并在5 月達(dá)到最大值; 在9 月至次年2 月相對(duì)較小, 而在12 月和1 月則達(dá)到一年中的最小值。北太平洋海域春季沉降量為4.17Tg·mon–1, 夏、秋、冬季分別為3.01Tg·mon–1、1.37Tg·mon–1、0.39Tg·mon–1。最大值約為最小值的10倍, 可以看出大氣沉降具有顯著的季節(jié)性變化特征。大氣沉降作為海洋中鐵元素的重要來(lái)源, 盡管全球大氣沉降中鐵元素百分比含量存在一定的差異, 但是大量觀測(cè)數(shù)據(jù)顯示, 大氣沉降顆粒物中所含的鐵元素百分比含量約為3.5% (Jickells et al, 2005; Mahowald et al, 2009)。因此, 大氣沉降的時(shí)空分布數(shù)據(jù)可用于估算大氣來(lái)源的鐵元素沉降量, 其中春季鐵元素沉降量為0.146Tg·mon–1, 夏、秋、冬季分別為0.107Tg·mon–1、0.047Tg·mon–1、0.013Tg·mon–1, 表明大氣來(lái)源的鐵元素同樣存在明顯的季節(jié)變化。

圖2 1997 年12 月—2017 年11 月北太平洋區(qū)域大氣沉降量的月均時(shí)間序列(a)和氣候態(tài)月均時(shí)間序列及標(biāo)準(zhǔn)差(b) Fig.2 (a) Monthly time series of dust deposition flux in the North Pacific Ocean from December 1997 to November 2017. (b) Climatological monthly average of dust deposition flux in the North Pacific Ocean (units: Tg, 1Tg=109kg) and corresponding standard deviation

2.2 沙塵事件對(duì)海洋的影響

2.2.1 沙塵事件的遠(yuǎn)距離輸運(yùn)

衛(wèi)星觀測(cè)的氣溶膠指數(shù)(AI)作為一種指標(biāo), 已被廣泛應(yīng)用于沙塵事件的時(shí)空特征分析中, 可用來(lái)確定沙塵事件發(fā)生的源區(qū)及傳輸?shù)穆窂?Herman et al, 1997; Prospero, 1999; Zhao et al, 2003)。沙塵事件會(huì)導(dǎo)致氣溶膠指數(shù)增高, 通常根據(jù)區(qū)域特征設(shè)定一個(gè)閾值, 若氣溶膠指數(shù)值大于該閾值則視為沙塵事件的發(fā)生(Jo et al, 2007)。前人研究表明, 在北太平洋區(qū)域, 當(dāng)氣溶膠指數(shù)超過(guò)1.7 時(shí), 即可認(rèn)為是沙塵事件(Darmenova et al, 2005); 當(dāng)氣溶膠指數(shù)大于或等于2.5, 則定義為強(qiáng)沙塵事件(Yoon et al, 2017, 2019)。圖3 展示了2010 年8 月中旬衛(wèi)星觀測(cè)到的一次強(qiáng)沙塵事件(AI≥2.5)爆發(fā)后的傳輸過(guò)程。此次強(qiáng)沙塵事件于8 月11 日在歐洲與亞洲大陸交界處(54°—63°N, 40°—60°E)形成, 在風(fēng)場(chǎng)驅(qū)動(dòng)下于8 月12 日和13 日穿過(guò)亞洲, 8 月14 日到達(dá)西北太平洋, 隨后繼續(xù)向東移動(dòng), 并于8 月15 日抵達(dá)東北太平洋, 8 月16 日到達(dá)北美洲, 之后逐漸消失。此次沙塵事件從源區(qū)傳播至東北太平洋, 歷時(shí)共6d。沙塵傳輸路徑明顯受到高空風(fēng)場(chǎng)影響: 8月13 日經(jīng)過(guò)亞洲期間, 由于高空氣旋的存在, 沙塵的傳輸路徑相應(yīng)地呈現(xiàn)出圓弧狀; 8 月14 日受西南風(fēng)的影響, 沙塵路徑呈現(xiàn)與風(fēng)向較一致的帶狀特征; 8 月15 日和16 日, 阿拉斯加灣及阿拉斯加區(qū)域上空大氣中存在氣旋, 使得南部的沙塵自西向東繼而向北移動(dòng)。大氣沉降顆粒在傳輸過(guò)程中, 由于受到重力、垂向混合、降水等作用, 會(huì)不斷地由高空向途經(jīng)的陸地與海洋沉降(Mahowald et al, 2009, 2018), 直至消失。但此次沙塵事件從爆發(fā)到傳輸過(guò)程中, 其AI 最大值始終大于2.5, 可能與其傳播速度較快有關(guān)。

圖3 2010 年8 月11 日至16 日北太平洋氣溶膠指數(shù)與850hPa 日均風(fēng)速的時(shí)空分布 圖中灰色箭頭為風(fēng)場(chǎng); 圖下方數(shù)字為日期(月/日), 黃線為各日期的分界線; 黑色五角星表示K2 站位。審圖號(hào)為GS(2016)1665 號(hào) Fig.3 Spatial distribution of Aerosol Index and daily wind (gray arrow; units: m·s–1) at 850 hPa from 11 August to 16 August 2010. The yellow lines delineate different days. Black pentagram indicates the location of station K2

2.2.2 沙塵事件對(duì)海洋初級(jí)生產(chǎn)力的潛在影響

沙塵事件伴隨的高強(qiáng)度大氣沉降可為海洋浮游植物生長(zhǎng)提供所必需的硝酸鹽、磷酸鹽、鐵元素等物質(zhì)(Baker et al, 2006b; Mahowald et al, 2018), 從而影響海洋生態(tài)系統(tǒng)。為探究西北太平洋海洋初級(jí)生產(chǎn)力對(duì)沙塵事件的響應(yīng), 本文分析了K2 站位(圖4)的沉積物捕獲器所采集的POC 數(shù)據(jù)。由于北太平洋初級(jí)生產(chǎn)力對(duì)沙塵事件的響應(yīng)存在 5～10d的滯后(Yong et al, 1991; Shi et al, 2012; Yoon et al, 2017), 2010 年8 月14 日的強(qiáng)沙塵事件經(jīng)過(guò)K2 站位7d 后, 該站位12d(8 月21 日至9 月1 日)的POC通量明顯高于其他年份相似采樣時(shí)段內(nèi)的POC 通量(圖4)。如2010 年8 月21 日至9 月1 日200m 深度的POC 通量為60.73mg·m–2·d–1, 而2013 年相似的采樣時(shí)間內(nèi)(8 月22 日至9 月4 日)200m 深度的POC 通量?jī)H為10.99mg·m–2·d–1, 前者約為后者的6倍。盡管其他采樣年份中相同觀測(cè)時(shí)間的POC 通量數(shù)據(jù)缺失, 但是在2010 年8 月21 日至9 月1 日采樣周期前后, K2 站位的 POC 通量均不超過(guò)5mg·m–2·d–1。因此, 2010 年8 月21 日至9 月1 日K2 站位因受到沙塵事件的影響, POC 通量呈現(xiàn)出明顯的高值。即沙塵在傳播過(guò)程中, 途經(jīng)K2 站位向該HNLC 海域提供了鐵元素, 繼而促使海洋上層初級(jí)生產(chǎn)力的增加, 最終導(dǎo)致POC 通量的增加。與POC 通量數(shù)據(jù)相似, 遙感觀測(cè)的葉綠素?cái)?shù)據(jù)也顯示, 沙塵事件經(jīng)過(guò)K2 站位后, 引起了K2 附近海域表層葉綠素濃度升高(>1mg·m–3), 較氣候態(tài)葉綠素濃度增加了約1 倍(圖5)。

圖4 2010—2013 年期間K2 站位8 月至9 月200m 深度的POC 通量 Fig.4 POC flux sampled by sediment traps at 200 m depth in August and September from 2010 to 2013

圖5 K2 站位2010 年6—12 月8 天平均葉綠素濃度(黑點(diǎn))與2010—2014 年同期氣候態(tài)葉綠素濃度(灰線)的時(shí)間序列 圖中淺灰色陰影區(qū)間為沙塵事件過(guò)境后的葉綠素響應(yīng)時(shí)段 Fig.5 Eight-day-averaged chlorophyll at station K2 from July to December 2010 (black dots), and climatological chlorophyll from 2010 to 2014 (gray line) calculated by satellite observations. The light gray shading represents the period of chlorophyll responses after the dust event

前人研究表明, 西北太平洋K2 站位海域浮游植物初級(jí)生產(chǎn)力受多種機(jī)制影響, 如光照、微量元素鐵、混合層深度以及渦旋等(Matsumoto et al, 2014)。為進(jìn)一步明確沙塵事件對(duì)K2 站位海洋初級(jí)生產(chǎn)力的影響, 本文對(duì)其他可能的影響因素進(jìn)行了分析。根據(jù)Imai 等(2002)和Matsumoto 等(2014)的研究, K2 站位初級(jí)生產(chǎn)力的季節(jié)變化主要受光照控制。對(duì)比2010 年沙塵事件過(guò)境后POC 通量采樣時(shí)間內(nèi)與同期8 月中旬氣候態(tài)的光照情況, 結(jié)果表明沙塵過(guò)境之后(8 月21 日至9 月1 日)K2 站位的光照 PAR 值為 29.48E·m–2·d–1, 比氣候態(tài)值(31.36E·m–2·d–1)略低(圖6)。研究表明, 混合層的變化會(huì)影響真光層內(nèi)的生物量及營(yíng)養(yǎng)鹽含量等, 對(duì)比2010 年8 月K2 站點(diǎn)附近海域與氣候態(tài)平均的混合層深度, 發(fā)現(xiàn)兩者也基本一致(圖 6)。因此, 光照、混合層深度對(duì)沙塵過(guò)境后K2 站點(diǎn)POC 通量異常高值的影響較小。

由于渦旋的垂向輸運(yùn)能夠影響渦旋內(nèi)部顆粒物及鐵元素的濃度(Johnson et al, 2005), 因此本文對(duì)沉積物捕獲器采樣時(shí)間內(nèi)的海表面高度異常(圖7)進(jìn)行了分析。結(jié)果表明, 在采樣期間, K2 站點(diǎn)及其附近海域沒(méi)有渦旋經(jīng)過(guò), 證實(shí)渦旋并未影響該區(qū)域海洋生物可利用鐵的含量。利用衛(wèi)星觀測(cè)的日均氣溶膠指數(shù)(圖8), 發(fā)現(xiàn)K2 站位的氣溶膠指數(shù)在2010年8 月14 日出現(xiàn)異常高值, 達(dá)到了2.6, 顯著超過(guò)氣候態(tài)平均值, 表明有沙塵事件經(jīng)過(guò)。從沙塵路徑圖(圖3)也可看出, 沙塵事件于2010 年8 月14 日途經(jīng)K2 站位。由于該海域受到微量元素鐵的限制, 沙塵事件可能是導(dǎo)致K2 站位葉綠素和POC 通量增加的主要原因(圖5、圖8)。

圖6 K2 站位2010 年與氣候態(tài)的8 月混合層深度(黑色)和8 月21 日至9 月1 日的PAR 均值(灰色) Fig.6 Mixed-layer depth in August, the average of PAR between August 21 and September 1 in the region around station K2 in the year 2010 (black) and climatology (gray)

圖7 2010 年8 月21 日至9 月1 日的海表面高度異常(SLA)均值 圖中黑色五角星表示K2 站位 Fig.7 Sea-level anomaly averaged between August 21 and September 1, 2010

圖8 K2 站位1998—2017 年氣候態(tài)和2010 年7 月中旬至9 月中旬的氣溶膠指數(shù)時(shí)間序列 Fig.8 Time series of Aerosol Index at station K2 from July 15 to September 15, 2010 and climatology (averaged over 2010-2014)

為探討沙塵事件對(duì)海洋生態(tài)系統(tǒng)的影響, 本文同時(shí)對(duì)2001 年4 月9 日至12 日及2008 年4 月20日至22 日兩次沙塵事件引起的葉綠素變化進(jìn)行分 析。與2010 年8 月12 日至16 日的沙塵事件相比, 2001 年和2008 年兩次沙塵事件均覆蓋了包含K2 站位在內(nèi)的廣闊海域(圖9a、9b), 且兩次沙塵事件期間K2 站位附近海域氣溶膠指數(shù)均超過(guò)了2.5(圖9c、9d), 即兩次均為強(qiáng)沙塵事件。由于葉綠素對(duì)沙塵事件的響應(yīng)存在滯后性, 分析發(fā)現(xiàn)沙塵事件發(fā)生后的5～25d, 即2001 年4 月14 日至5 月4 日和2008 年4月25 日至5 月15 日, K2 站位附近海域的葉綠素濃度均有明顯升高(圖10a、10b)。同時(shí), 對(duì)比K2 站位氣候態(tài)及沙塵事件發(fā)生前后葉綠素濃度的時(shí)間序列(圖10c、10d), 沙塵事件發(fā)生后葉綠素濃度可增加1～2 倍。相較于2010 年8 月, 這兩次沙塵事件引起的葉綠素響應(yīng)更為明顯, 這可能是由于春季層化相對(duì)較弱, 沙塵帶來(lái)的鐵元素能夠在海洋上層充分混合并引起更強(qiáng)的生態(tài)響應(yīng)(Jickells et al, 2016)。

圖9 2001 年4 月9 日至12 日(a)、2008 年4 月20 日至22 日(b)西北太平洋氣溶膠指數(shù)的空間分布和2001 年(c)、2008年(d)4—5 月K2 站位氣溶膠指數(shù)的時(shí)間序列 圖中黑色五角星表示K2 站位 Fig.9 Spatial distribution of Aerosol Index (AI) (a) between April 9 and 12, 2001 and (b) between April 20 and 22, 2008. Corresponding time series of AI at station K2 from April to May in (c) 2001 and (d) 2008

3 結(jié)論與展望

本研究通過(guò)利用模式數(shù)據(jù)對(duì)北太平洋區(qū)域大氣沉降量進(jìn)行分析, 探究了北太平洋海域大氣沉降量的時(shí)間變化和空間分布特征。同時(shí)利用衛(wèi)星遙感和沉積物捕獲器等觀測(cè)數(shù)據(jù), 分析了2010 年8 月中旬沙塵事件從源區(qū)向海洋傳播的路徑, 并結(jié)合2001 年和2008 年的兩次沙塵事件, 分析了沙塵事件作為強(qiáng)大氣沉降過(guò)程對(duì)海洋初級(jí)生產(chǎn)力的影響。研究結(jié)果顯示北太平洋海域的大氣沉降量存在明顯的季節(jié)變化: 春季達(dá)到最大沉降量, 且高沉降量值覆蓋區(qū)域 廣, 在西風(fēng)的作用下向東傳播可到達(dá)北美洲; 冬季大氣沉降量最低, 高值主要存在近岸海域, 可能與人類燃煤等大氣污染物排放增多有關(guān)。2010 年8 月中旬的沙塵事件從源區(qū)傳輸?shù)奖泵拦灿脮r(shí)6d。沙塵事件經(jīng)過(guò)西北太平洋K2 站位后的12d 采樣時(shí)間內(nèi), 該站位 200m 深度的 POC 通量達(dá)到了60.73mg·m–2·d–1, 較 2013 年同期的 POC 通量(10.99mg·m–2·d–1)有明顯升高, 且衛(wèi)星觀測(cè)顯示表層葉綠素濃度也有一定增加。此外, 2001 年4 月和2008年4 月的強(qiáng)沙塵事件后, K2 站位海域的葉綠素濃度同樣存在明顯增加的情況。

圖10 2001 年4 月14 日至5 月4 日(a)、2008 年4 月25 日至5 月15 日(b)平均葉綠素濃度相對(duì)于同期氣候態(tài)下的變化量空間分布和2001 年(c)、2008 年(d)4—5 月K2 站位葉綠素濃度的時(shí)間序列 圖a、b 中的黑色五角星表示K2 站位; 圖c、d 中的粉色陰影區(qū)間為沙塵事件過(guò)境后的葉綠素響應(yīng)時(shí)段 Fig.10 Spatial distribution of chlorophyll differences of the averaged from (a) April 14 to May 14, 2001; (b) April 25 to May 15, 2008; and corresponding average of climatology. Time series of chlorophyll at station K2 from April to May in (c) 2001 and (d) 2008, and corresponding climatology. The pink shading represents the period of chlorophyll responses after the dust event

本文研究表明, 三次沙塵事件對(duì)北太平洋副極區(qū) HNLC 海域的初級(jí)生產(chǎn)力均具有促進(jìn)作用, 揭示了沙塵事件對(duì)海洋初級(jí)生產(chǎn)力的顯著影響。然而, 由于強(qiáng)沙塵事件數(shù)目有限、沉積物捕獲器的數(shù)據(jù)記錄連續(xù)性不足及衛(wèi)星遙感觀測(cè)僅限于海表等問(wèn)題, 本次研究尚未能對(duì)沙塵事件引起的海洋初級(jí)生產(chǎn)力增加進(jìn)行量化。未來(lái)有望結(jié)合垂向的具有高分辨率和長(zhǎng)時(shí)間序列的BGC-Argo 等觀測(cè)數(shù)據(jù), 進(jìn)一步分析并量化沙塵事件對(duì)海洋初級(jí)生產(chǎn)力的影響。