南大洋葉綠素a濃度年際變化研究

馬旺葉 瞿俊峰 趙慧敏

（江蘇海洋大學(xué)海洋技術(shù)與測繪學(xué)院，江蘇 連云港222005）

0 引言

南大洋是地球上最大的冷水團源地，其微小的變化都會影響著全球的大洋環(huán)流；南大洋還是大氣、海冰、海洋和生物相互作用的一個綜合系統(tǒng)，對環(huán)境變化具有極高的敏感性和放大作用[1，2]。

南大洋海區(qū)存在著豐富的海洋浮游植物，而葉綠素a是其中最豐富的要素。葉綠素a濃度是海水富營養(yǎng)化程度的重要參數(shù)，同時也是評價海洋水質(zhì)的一個重要指標(biāo)[3，4]。

全球氣候變暖會導(dǎo)致極地冰蓋融化，海冰的減少使海水能夠吸收大氣中的二氧化碳，海水里的浮游生物吸收了二氧化碳從而減少了空氣中的二氧化碳含量，說明葉綠素a在海洋—大氣系統(tǒng)的碳循環(huán)中起著重要的作用[5]。

1 研究區(qū)域和數(shù)據(jù)

為了研究南大洋高緯度海域表層葉綠素a濃度變化，本文采用60°S以南海域作為研究區(qū)域。

本文主要采用由美國國家航天航天局（NASA）提供的葉綠素a濃度數(shù)據(jù)（https://oceancolor.gsfc.nasa.gov/），覆蓋年份為2002年至今。本文只選取近10年數(shù)據(jù)（2009—2019年）。該數(shù)據(jù)由一種基于三頻段反射差異的經(jīng)驗算法計算獲得。該數(shù)據(jù)時間分辨率為一個月，空間分辨率為4 km。

2 葉綠素a濃度時空分布特征

如圖1所示，2009—2019年南大洋海域葉綠素a濃度空間分布不均勻：差異較大。葉綠素a濃度的空間分布特征為，南極大陸沿岸冰架前緣海域：葉綠素a濃度較高；開闊的大洋、南極大陸邊緣葉綠素a濃度。進一步計算可得，2009—2019年南大洋范圍內(nèi)的年平均葉綠素a濃度為0.310 mg/m3。通過南大洋海域葉綠素a濃度年際變化規(guī)律的分析，發(fā)現(xiàn)2009—2019年南大洋海域葉綠素a濃度的最小值出現(xiàn)在2013年（0.266 mg/m3），最大值出現(xiàn)在2010年（0.385 mg/m3），且2009—2019年南大洋海域的葉綠素a濃度呈現(xiàn)降低趨勢（k=-0.002，p=-0.238）k是增降幅度，p是指相關(guān)性。

圖1 南大洋葉綠素a濃度變化趨勢（2009—2019年）

3 葉綠素a濃度季節(jié)異常分析

從南大洋葉綠素a濃度季節(jié)變化規(guī)律發(fā)現(xiàn)，南大洋葉綠素a濃度在4月份極低，5～8月份空間分布上顯示空白，而南大洋太陽短波輻射通量在4月份極低，在5～8月份無值。

太陽輻射的光效應(yīng)主要體現(xiàn)在浮游植物接收到的光照上，光是所有初級生產(chǎn)的基礎(chǔ)，但是高強度的光照會造成光抑制和浮游植物的細胞光損傷，從而降低浮游植物的光合作用、生長和存活率。從太陽直射點運動規(guī)律分析發(fā)現(xiàn)，春分日（3月21）之后，太陽直射點移動到北半球，南半球光照強度逐漸降低，直到夏至日（6月22）太陽直射點到達北回歸線，此時南半球晝長達到最小值，南半球光照強度最低，南極圈內(nèi)就出現(xiàn)了極夜現(xiàn)象，從葉綠素a濃度值可以相應(yīng)觀察出，4月份南大洋葉綠素a濃度驟然降低，5～8月份南大洋無葉綠素a濃度值。秋分日（9月23）之后，太陽直射點移動到南半球，南半球光照強度開始增加，9月開始南大洋葉綠素a濃度值開始增加，直到冬至日太陽直射點移動至南回歸線，此時南半球晝長達到最大值，光照強度最大，南極圈內(nèi)就會出現(xiàn)極晝現(xiàn)象，而相應(yīng)的葉綠素a濃度值較大。

4 結(jié)論

本研究通過來自NASA提供的葉綠素a濃度數(shù)據(jù)集，分析了南大洋葉綠素a濃度的空間分布特征、時間變化趨勢和季節(jié)變化規(guī)律。在此基礎(chǔ)上，分析了太陽短波凈輻射通量與葉綠素a濃度的空間分布、時間變化和季節(jié)變化的相關(guān)性。得到以下結(jié)論：

（1）由于太陽輻射的季節(jié)變化，南大洋葉綠素a濃度呈現(xiàn)出明顯的季節(jié)變化規(guī)律。南大洋太陽短波凈輻射通量在每年4～8月份無輻射通量，因而出現(xiàn)葉綠素a濃度值在4～8月份的空間分布上出現(xiàn)空白現(xiàn)象。

（2）由于南大洋葉綠素a濃度總量主要受12月份、1月份和2月份（即南半球夏季）葉綠素a濃度的控制，因此，本研究主要分析南大洋夏季葉綠素a濃度變化的規(guī)律。研究發(fā)現(xiàn)，葉綠素a濃度值在每年1月份最高，而南大洋在每年2月份溫度最高，出現(xiàn)這種錯位的原因是海水中缺乏養(yǎng)分和鐵元素，不足以支撐浮游植物生長。

在全球變暖的背景下，基于遙感技術(shù)對南大洋高緯度地區(qū)的葉綠素a濃度的長時間序列研究，需要更加精準(zhǔn)的觀測和綜合性的分析，并且深入研究未來南大洋變化趨勢預(yù)測和南大洋生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)對于全球氣候的變化具有的響應(yīng)作用。