南海中西部葉綠素時空變化特征分析

陳 瑩，趙 輝*,2

(1.廣東海洋大學(xué) 化學(xué)與環(huán)境學(xué)院,廣東 湛江 524088；2.南方海洋科學(xué)與工程廣東省實驗室,廣東 珠海 519080)

0 引言

南海是西北太平洋最大的半封閉深水邊緣海，面積約3.5×106km2，處于典型東亞季風(fēng)區(qū)，其表面環(huán)流受東亞季風(fēng)影響顯著[1-3]。南海海域全年光照充足，但營養(yǎng)鹽較低，屬于寡營養(yǎng)鹽海域[4-7]，中西部存在明顯上升流。葉綠素是評價海洋浮游植物數(shù)量的一個重要指標(biāo)，可以反映海域生產(chǎn)力的高低。受季風(fēng)和上升流系統(tǒng)的影響[8-9]，南海葉綠素的時空變化復(fù)雜，其中中西部是變化最顯著的海域之一[8]。

南海中西部上升流(越南沿岸)大約發(fā)生在109°E—114°E，7.5°N—17.5°N區(qū)域[10]。1961年WYRTKI[11]首次發(fā)現(xiàn)6—7月時該區(qū)域海表溫度下降了1 ℃，SHAW et al[12]在1996年也證實了在該區(qū)域存在強(qiáng)烈上升流。HO et al[9]研究發(fā)現(xiàn)南海浮游植物生物量受到季風(fēng)變化和上升流系統(tǒng)的影響；趙輝 等[13]使用遙感數(shù)據(jù)研究表明越南上升流地區(qū)的葉綠素質(zhì)量濃度通常高于南海其它海域；LIANG et al[14]利用現(xiàn)場觀測數(shù)據(jù)和衛(wèi)星資料研究發(fā)現(xiàn)，沿岸上升流促進(jìn)了浮游植物的生長，在夏季西南季風(fēng)期，越南海岸浮游植物藻華現(xiàn)象尤為明顯。

目前對該海域葉綠素分布的研究多基于短期遙感觀測或者是個別月份的原位觀測[9-14]。本研究利用長時間序列的衛(wèi)星遙感資料(2003年1月至2019年12月)，將風(fēng)場和海表溫度作為重點分析的環(huán)境場，運用 EOF法進(jìn)行時空分離，分析南海中西部海域葉綠素分布及其與海表溫度、海面風(fēng)場之間的關(guān)系。

1 研究區(qū)域

研究區(qū)域位于南海中西部，在106°E—115°E，7°N—17°N之間(圖1黑色方框區(qū)域)。該區(qū)受季風(fēng)影響明顯，5月中旬，受安南山脈的阻擋，南海西部的西南季風(fēng)風(fēng)速急劇增大，在7月或8月充分發(fā)展[15-16]，冬季盛行強(qiáng)東北季風(fēng)。海岸線的走向為南海西部沿岸風(fēng)生上升流的形成提供了有利條件[17-18]。選取圖1紅色方框區(qū)域(109°E—113°E,10°N—14°N)作為上升流研究區(qū)。

圖1 研究區(qū)域Fig.1 Study area(A為南海中西部，B為上升流區(qū))(A:mid-western South China Sea,B:upwelling area)

2 數(shù)據(jù)與方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

本研究中，冬季指12月、1月和2月，春季指3月、4月和5月，夏季指6月、7月和8月，秋季指9月、10月和11月。

葉綠素質(zhì)量濃度數(shù)據(jù)來自Asia-Pacific Data-Research Center (APDRC)的MODIS Aqua Chlorophyll-alevel 3的葉綠素月平均產(chǎn)品(http:∥apdrc.soest.hawaii.edu/)，資料所覆蓋的時段為2003年1月到2019年12月，共204個月，空間分辨率為0.04°×0.04°。

海表面風(fēng)場數(shù)據(jù)來自于美國遙感系統(tǒng)實驗室(http:∥www.remss.com/)，包括快速散射計(QuikSCAT,Quick Scaterometer，2003年1月—2009年12月)和先進(jìn)散射計(ASCAT,Advanced Scatterometer，2010年1月—2019年12月)的產(chǎn)品數(shù)據(jù)，時段為2003年1月到2019年12月，共204個月，空間分辨率均為0.25°×0.25°。

溫度數(shù)據(jù)來自APDRC的MODIS Aqua SST level 3的數(shù)據(jù)產(chǎn)品，時段為2003年1月到2019年12月，共204個月，空間分辨率為0.04°×0.04°。

2.2 數(shù)據(jù)分析方法

將葉綠素質(zhì)量濃度、風(fēng)場以及海表溫度月平均數(shù)據(jù)處理成多年平均1—12月的月平均數(shù)據(jù)，繪制氣候態(tài)空間分布圖。對南海中西部葉綠素質(zhì)量濃度進(jìn)行區(qū)域平均，生成區(qū)域平均時間序列。因研究區(qū)近岸海域的光學(xué)條件復(fù)雜[19-20]，本文去除了水深100 m以淺的數(shù)據(jù)。

利用經(jīng)驗正交分解，把葉綠素質(zhì)量濃度分解為在空間場和時間場的分布。經(jīng)驗正交函數(shù)(Empirical Orthogonal Function，簡稱EOF)[21]是一種將原始變量場的資料矩陣分解為特征向量矩陣和時間系數(shù)矩陣的統(tǒng)計分析方法,用于提取要素的主要特征。若特征向量各分量同號，表示此模態(tài)中變量的變化趨勢基本一致;若特征向量的分量異號,則表示一種相反的空間分布形態(tài)。特征向量對應(yīng)的時間系數(shù)代表了不同分布形式的時間變化特征，時間系數(shù)的絕對值越大，表示該分布形式越典型；系數(shù)越接近0，表示該分布形式越不典型。

3 結(jié)果

3.1 南海中西部各季節(jié)葉綠素變化

2003年1月至2019年12月，南海中西部葉綠素月平均質(zhì)量濃度如圖2所示(葉綠素質(zhì)量濃度值進(jìn)行以10為底的對數(shù)處理)。研究海域葉綠素分布總體表現(xiàn)為近岸高、中央海盆低，在越南東南部，葉綠素質(zhì)量濃度全年較高，達(dá)1 mg/m3。冬季高于其它季節(jié)，最大值出現(xiàn)在1月；春季為全年最低，最小值出現(xiàn)在5月的中部區(qū)域，葉綠素質(zhì)量濃度低于 0.1 mg/m3；夏季，高值區(qū)出現(xiàn)在越南東南部，羽流狀延伸到海盆中部，最大值出現(xiàn)在8月；秋季最大值出現(xiàn)在11月的越南東南部，葉綠素的高質(zhì)量濃度帶呈月牙形伸向海盆。

圖2 南海中西部葉綠素質(zhì)量濃度的氣候態(tài)空間分布Fig.2 Climatological spatial distribution of chlorophyll concentration in the mid-western South China Sea(葉綠素質(zhì)量濃度以10為底取對數(shù)。)(The chlorophyll concentration is processed by logarithm with base of 10.)

根據(jù)南海中西部海域2003—2019年的平均葉綠素質(zhì)量濃度時間序列(圖3a)和氣候態(tài)月平均葉綠素質(zhì)量濃度時間序列(圖3b)，可以看出該海域葉綠素存在季節(jié)變化，但不顯著。其中，2007年11月平均葉綠素質(zhì)量濃度高達(dá)0.78 mg/m3，該異常值在很大程度上影響了11月的葉綠素平均質(zhì)量濃度值。

從葉綠素質(zhì)量濃度的空間分布可見，上升流區(qū)明顯高于其他區(qū)域，特別是夏季，該區(qū)葉綠素質(zhì)量濃度值比整個中西部平均值高0.04 mg/m3左右。圖4 為上升流區(qū)平均葉綠素質(zhì)量濃度的時間序列，由于2007年11月份的值過大(4a)，將其剔除，得到圖4b。由 圖4b 可見上升流區(qū)的葉綠素質(zhì)量濃度季節(jié)變化顯著。

圖4 2003—2019年上升流區(qū)域葉綠素質(zhì)量濃度時間序列Fig.4 The time series of chlorophyll concentrations in upwelling area from 2003 to 2019(圖b為去除2007年11月葉綠素質(zhì)量濃度的時間序列。)(Fig.b is obtained by removing the average chlorophyll concentrations in November 2007.)

3.2 不同葉綠素質(zhì)量濃度范圍的面積占比分析

由圖3可知，在南海中西部，2003—2019年的月平均葉綠素質(zhì)量濃度范圍為0～0.3 mg/m3,氣候態(tài)月平均葉綠素質(zhì)量濃度范圍約為0.1～0.2 mg/m3。為探究不同季節(jié)葉綠素質(zhì)量濃度范圍的分布，將葉綠素質(zhì)量濃度劃分為五級，分別是0～0.1 mg/m3、0.1～0.2 mg/m3、0.2～0.3 mg/m3、0.3～1.0 mg/m3、>1.0 mg/m3，各級面積占比情況見表1。冬季，平均葉綠素質(zhì)量濃度分布在0.1～0.2 mg/m3，約占85%以上；0.2～0.3 mg/m3、0.3～1.0 mg/m3的面積占比較低(<15%)。春季，葉綠素質(zhì)量濃度在0～0.1 mg/m3的面積約為35%；0.1～0.2 mg/m3的面積約為61%，較冬季減少近25%；其余各級面積占比均低于其他季節(jié)。夏季葉綠素質(zhì)量濃度整體較春季上升，秋季與冬季相差不大(表1)。

圖3 南海中西部葉綠素質(zhì)量濃度2003—2019年時間序列(a)以及氣候態(tài)月平均時間序列(b)Fig.3 The time series of chlorophyll concentrations in the mid-western South China Sea from 2003 to 2019(a)and the time series of climatic monthly average(b)

表1 南海中西部不同葉綠素質(zhì)量濃度范圍所占的面積百分比Tab.1 Percentage of area occupied by different chlorophyll concentration ranges in the mid-western South China Sea

3.3 EOF分析

利用EOF分解得到2003年1月—2019年12月南海中西部葉綠素質(zhì)量濃度的時空變化顯著模態(tài)(圖5～圖7)。

第一模態(tài)(圖5)的方差貢獻(xiàn)為42.01%，空間分布與圖2中秋季(11月)葉綠素空間分布相似?？臻g系數(shù)幾乎都大于0，較高的正值分布在10°N—12°N區(qū)域。結(jié)合時間系數(shù)圖可見異常高值出現(xiàn)在2007年11月(時間系數(shù)為75.26)，表明該空間分布形態(tài)在11月最典型。

圖5 第一模態(tài)的特征向量空間分布圖(a)和時間系數(shù)圖(b)Fig.5 Spatial distribution map(a)and time coefficient diagram(b)of the first mode of chlorophyll

第二模態(tài)(圖6)的方差貢獻(xiàn)為9.53%，空間系數(shù)正值主要分布在10°N—12°N區(qū)域。由時間系數(shù)圖可看出此模態(tài)具有明顯的季節(jié)特征，每年夏季的時間系數(shù)均為正值，表明該形態(tài)在夏季最為典型；冬季時間系數(shù)為負(fù)值，說明其空間特征與EOF2的空間分布相反；春季與秋季為過渡期。

圖6第二模態(tài)的特征向量空間分布圖(a)和時間系數(shù)圖(b)Fig.6 Spatial distribution map(a)and time coefficient diagram(b)of the second mode of chlorophyll

第三模態(tài)(圖7)的方差貢獻(xiàn)為6.38%，空間系數(shù)正值主要分布在越南東南部，時間系數(shù)極大值主要出現(xiàn)在夏季8月,說明該空間分布形態(tài)在8月最為典型。

圖7第三模態(tài)的特征向量空間分布圖(a)和時間系數(shù)圖(b)Fig.7 Spatial distribution map(a)and time coefficient diagram(b)of the third mode of chlorophyll

3.4 海洋環(huán)境特征

3.4.1 海面溫度場的時空分布

圖8為1—12月南海中西部海表溫度氣候態(tài)分布。冬季，海表溫度為全年最低，低于27 ℃，從西北往東南方向逐漸升高；春季溫度較冬季上升，5月達(dá)到全年最高；夏季，海表溫度接近30 ℃，6—8月，越南東南部出現(xiàn)低溫區(qū)(<28.5 ℃)；秋季，海表溫度從西北往東南方向逐漸升高，大致為28～29 ℃，9月接近30 ℃，10月、11月溫度分布和冬季趨于一致。由圖9可知，南海中西部葉綠素質(zhì)量濃度同海表溫度呈負(fù)相關(guān)(r=-0.59，p<0.05)。

圖9 氣候態(tài)月平均葉綠素與溫度的時間序列關(guān)系圖Fig.9 Relationship between the time series of climatic monthly average chlorophyll concentration and sea surface temperature

3.4.2 海面風(fēng)場的時空分布

由圖10可見，研究海域季風(fēng)變化顯著。冬季，東北季風(fēng)盛行，風(fēng)速約為9 m/s，為全年最強(qiáng)；春季，風(fēng)速<6 m/s，為全年低值，風(fēng)向由東北向西南偏南轉(zhuǎn)換；夏季，西南季風(fēng)盛行，其中在越南東南部風(fēng)速較大；秋季處于季風(fēng)轉(zhuǎn)換時期，風(fēng)速較小，風(fēng)向不穩(wěn)，其中9月，13°N以北區(qū)域風(fēng)速較小，12°N以南區(qū)域風(fēng)速較大，而10月和11月則相反。葉綠素質(zhì)量濃度和海面風(fēng)場呈正相關(guān)(r=0.87，p<0.01)(圖11)。

圖10 南海中西部風(fēng)場氣候態(tài)空間分布Fig.10 Climatic spatial distribution of sea surface wind in the mid-western South China Sea

圖11 氣候態(tài)月平均葉綠素與風(fēng)場的時間序列關(guān)系圖Fig.11 Relationship between the time series of climatic monthly average chlorophyll concentration and sea surface wind

4 討論

4.1 上升流區(qū)葉綠素時空分布

南海中西部位于熱帶海域，海洋環(huán)境復(fù)雜，季風(fēng)是影響該區(qū)域環(huán)流和動力的最主要因素。南海中西部上升流多發(fā)生在5月，消失在9月，其中心位置在空間分布上與風(fēng)速、風(fēng)向有關(guān)[22]。葉綠素受營養(yǎng)鹽的影響很大[7，23-24]，上涌的深層水含有豐富的營養(yǎng)鹽，為浮游植物生長提供了必不可少的條件[25]。圖2中夏、秋季越南東南部葉綠素高值區(qū)的變化，與上升流的消長一致。

4.2 臺風(fēng)等極端天氣對葉綠素的影響

臺風(fēng)途經(jīng)時，海域受到強(qiáng)風(fēng)、海表降溫以及埃克曼抽吸等作用，對浮游植物的生長有重要的影響[21,26]。臺風(fēng)時風(fēng)應(yīng)力旋度升高，上升流流速增加，導(dǎo)致葉綠素質(zhì)量濃度激增[27-28]。2007年11月，臺風(fēng)海貝思途徑南海中西部，雖然該臺風(fēng)強(qiáng)度較弱,但其較慢的移動速度、迂回的路徑，可能導(dǎo)致了該區(qū)域的葉綠素質(zhì)量濃度的異常升高(1.79 mg/m3)，一些研究也發(fā)現(xiàn)海貝思后浮游植物藻華顯著增強(qiáng)[7]。EOF1模態(tài)與2007年11月的葉綠素質(zhì)量濃度分布高度相似，表明臺風(fēng)等極端天氣對南海中西部葉綠素有重要影響。

4.3 南海中西部葉綠素分布與海表溫度、海面風(fēng)場的相互關(guān)系

冬季，南海中西部葉綠素質(zhì)量濃度普遍增加，達(dá)到最大值，這與趙輝 等[13]的研究結(jié)果一致。該時期太陽輻射減少、海洋湍流熱通量增加，海表溫度降至全年最低，海洋上層穩(wěn)定性變?nèi)?，海水混合以及營養(yǎng)物質(zhì)的垂直輸運增強(qiáng)[13]，促進(jìn)了浮游植物生長，使葉綠素質(zhì)量濃度高于其他季節(jié)。

夏季，南海中西部葉綠素質(zhì)量濃度大幅度增加，葉綠素高值分布與海表溫度低值高度吻合，并且，在越南東南部，葉綠素高值以激流形式延伸至南海盆地，與以往該海域夏季浮游植物旺發(fā)現(xiàn)象一致[13,21,29]。EOF3模態(tài)也反映出葉綠素質(zhì)量濃度呈羽狀流分布的特征。受西南季風(fēng)的影響，風(fēng)應(yīng)力和對流等引起的垂直混合較強(qiáng)，加大了混合層的厚度，使越南沿岸上升流得到很好的發(fā)展[10]。上升流將次表層低溫且富含營養(yǎng)的深層水帶到表層，促進(jìn)了浮游植物生長和葉綠素質(zhì)量濃度上升。同時，在?？寺x岸運輸以及反氣旋環(huán)流作用下，將葉綠素由越南東南部沿岸輸送至南海盆地，這種現(xiàn)象在8月表現(xiàn)最為強(qiáng)烈。

南海中西部平均葉綠素質(zhì)量濃度與同時期的海表溫度、海面風(fēng)場都有較好的相關(guān)性。夏季溫度相對較低(高)的區(qū)域表現(xiàn)出較高(低)的葉綠素，冬季葉綠素質(zhì)量濃度高于其他季節(jié)。林麗茹 等[30]研究表明在南海西部，葉綠素同溫度的相關(guān)性為r=-0.43，p<0.01，與本文結(jié)果(r=-0.59，p<0.01)一致。

5 結(jié)論

本文利用MODIS遙感葉綠素質(zhì)量濃度數(shù)據(jù)、海表溫度數(shù)據(jù)、Quik SCAT和ASCAT風(fēng)場數(shù)據(jù)，研究了南海中西部海表葉綠素時空分布特征及其同海表溫度和海面風(fēng)場的關(guān)系。結(jié)果表明南海中西部葉綠素分布存在時空變化，同海表溫度呈負(fù)相關(guān)，同海面風(fēng)場呈正相關(guān)。EOF1顯示研究區(qū)葉綠素質(zhì)量濃度與臺風(fēng)等極端天氣相關(guān)，EOF2和EOF3均顯示與上升流相關(guān)。