亞北極太平洋氣溶膠光學厚度與凈初級生產(chǎn)力的變化特征及其相關性研究

王雪林,陳文忠

(中國海洋大學信息科學與工程學部海洋技術學院,山東 青島 266100)

0 引言

大氣對海洋的影響不容忽視,大氣中攜帶的營養(yǎng)鹽、金屬元素等通過干、濕沉降的方式輸送到海洋中,會顯著影響海洋的碳、氮循環(huán)過程[1,2],對于短期促進或抑制浮游植物的生長及長期的生物化學循環(huán)都有著重要作用[3],對海洋生態(tài)環(huán)境的變化產(chǎn)生重要影響[4],尤其是對于開闊的遠海區(qū)域,氣溶膠的遠距離傳輸、沉降是其重要的營養(yǎng)輸入方式,對初級生產(chǎn)的提高有一定影響[5]。

亞北極太平洋是典型的高營養(yǎng)鹽低葉綠素濃度(HNLC)區(qū)域,對亞北極太平洋西部(48°N,165°E)[6]和東部(50°N,165°W)[7]的加鐵實驗表明鐵是該區(qū)域浮游生物生長的重要限制因素,鐵的增加可以提高初級生產(chǎn)。氣溶膠傳輸沉降是提供鐵的重要來源,塔克拉瑪干沙漠、戈壁沙漠以及亞洲污染形成的氣溶膠,通過西風傳輸,穿越東亞、太平洋,甚至可能到達北美[8],亞北極太平洋為源自亞洲大陸氣溶膠傳輸和沉降的重要區(qū)域。Bishop等[9]在PAPA站(50°N,145°W)利用自動碳探測器觀察到源自中亞大陸的一次強沙塵經(jīng)過后,海洋中的葉綠素濃度和有機碳含量都有了明顯的增加。鄧祖琴等[10]研究發(fā)現(xiàn)中國大陸沙塵與滯后其1個月的KNOT站(43°58′N,155°03′E)和SA站(49°N,174°E)生產(chǎn)力有較強的相關性。李一凡和陳文忠[11]通過研究華北地區(qū)氣溶膠和西北太平洋(40°N～50°N,150°E～180°)初級生產(chǎn)力的相關性,發(fā)現(xiàn)華北地區(qū)氣溶膠與滯后其2個月的西北太平洋初級生產(chǎn)力有較強的相關性。Tan等[12,13]利用長時間衛(wèi)星觀測數(shù)據(jù)通過對我國沙塵事件、氣溶膠濃度以及多區(qū)域葉綠素濃度的研究發(fā)現(xiàn),沙塵事件發(fā)生的頻率、氣溶膠濃度及葉綠素濃度之間有著強烈的相關性,其中亞北極太平洋相關性最高,從而證明了源自我國的氣溶膠通過傳輸、沉降對亞北極太平洋的海洋初級生產(chǎn)力存在影響。

海洋初級生產(chǎn)力反映了自養(yǎng)生物通過光合作用制造有機物的能力,一般以單位時間、單位面積所固定的有機碳來表示,而海洋凈初級生產(chǎn)力(NPP)定義為初級生產(chǎn)力減去自養(yǎng)生物的代謝消耗量。氣溶膠光學厚度(AOD)反映了大氣氣溶膠含量。本文利用亞北極太平洋長時間AOD和NPP數(shù)據(jù),通過研究二者的相關性,探究氣溶膠對初級生產(chǎn)的影響。

1 數(shù)據(jù)來源與研究區(qū)域

1.1 MODIS氣溶膠光學厚度產(chǎn)品數(shù)據(jù)

中分辨率成像光譜儀(MODIS)是搭載在Terra和Aqua衛(wèi)星上用于觀測全球陸地、海洋和大氣的生物和物理變化的重要儀器,兩顆星相互配合,在1～2天內(nèi)可以完成一次對整個地球表面的觀測,高時間分辨率數(shù)據(jù)對實時地球觀測有重大的實用價值。從1999年至今,MODIS一直在向地面發(fā)送數(shù)據(jù),對全球變化的長時間序列的研究有重要意義。MODIS共有36個觀測波段,光譜范圍為0.4～14.4 μm,其最大空間分辨率可達250m,對地球科學的綜合研究以及分門別類研究均有很大作用。

本研究采用2003–2018年共計16年的MODIS月平均三級氣溶膠產(chǎn)品,版本為C6.1,該版本數(shù)據(jù)通過對算法的改進,在數(shù)據(jù)質(zhì)量等方面有了提升[14]。所用數(shù)據(jù)集為“Aerosol Optical Depth Land Ocean Mean Mean”,其空間分辨率為1°×1°。

1.2 風場數(shù)據(jù)

由美國氣象環(huán)境預報中心(NCEP)和美國國家大氣研究中心(NCAR)聯(lián)合制作的NCEP/NCAR再分析數(shù)據(jù)集等壓面層共分為17層。根據(jù)研究[8]表明,氣溶膠抬升越高,傳輸距離越遠,而抬升至4～6 km以上可實現(xiàn)遠距離傳輸至太平洋,故本研究采用氣壓500 hPa高度場的2003–2018年共計16年的月平均高空風場數(shù)據(jù),其分辨率為2.5°×2.5°。

1.3 海洋凈初級生產(chǎn)力數(shù)據(jù)

海洋凈初級生產(chǎn)力數(shù)據(jù)來源于美國俄勒岡州立大學網(wǎng)站,數(shù)據(jù)是基于標準初級生產(chǎn)力垂向歸納模型(VGPM)[15],以MODIS葉綠素濃度(CHL)、海表溫度(SST)和光合有效輻射(PAR)產(chǎn)品作為輸入數(shù)據(jù)得出。該模型的計算公式為

式中N為海洋凈初級生產(chǎn)力;C為MODIS的葉綠素濃度;Popt為最大光合作用速率,是海表溫度SST的高階函數(shù);D為利用緯度及時間進行計算得出的光照周期;p為海表光合有效輻射;Zeu為真光層深度。本研究采用2003–2018年共計16年的月平均海洋凈初級生產(chǎn)力數(shù)據(jù),其分辨率為(1/6)°×(1/6)°。

1.4 研究區(qū)域

選擇的研究區(qū)域為亞北極太平洋部分海域(40°N～50°N,160°E～160°W),如圖1所示。選擇該區(qū)域的原因是該區(qū)域為開闊海域、距離陸地較遠,能夠減少徑流等其他陸源因素對初級生產(chǎn)的影響,有利于更好地研究氣溶膠的作用。為研究該區(qū)域自西向東的變化趨勢,且為避免由于選取范圍過大造成的誤差,將研究區(qū)域按經(jīng)度每10°劃分為四個子域進行研究,其中黑色框為4個研究子域,子域1的范圍為40°N～50°N,160°E～170°E,子域2為40°N～50°N,170°E～180°,子域3為40°N～50°N,180°～170°W,子域4為40°N～50°N,170°W～160°W。

圖1 研究區(qū)域Fig.1 Study area

2 實驗結(jié)果與討論

2.1 氣溶膠光學厚度時空分布

利用2003–2018年共計16年的MODIS月平均數(shù)據(jù),逐月統(tǒng)計分析研究區(qū)域AOD月平均分布。4個子域逐月平均值變化如圖2(a)所示。選取7月做出區(qū)域空間分布,結(jié)果如圖2(b)所示。據(jù)研究[8,16]表明,由于沉降作用,大氣中顆粒物在傳輸過程中會逐漸減少,風場是決定大氣傳輸?shù)年P鍵因素,西風為源自大陸的氣溶膠傳輸至太平洋的主要動力。由圖2(a)可以看出,研究區(qū)域AOD值經(jīng)向變化趨勢為西部高于東部,由圖2(b)可以看出,在研究區(qū)域范圍內(nèi)AOD呈現(xiàn)明顯的自西向東遞減趨勢,同時也可以看出AOD在30°N～40°N,150°E～150°W和50°N～60°N,150°E～150°W范圍內(nèi)數(shù)值較小。圖3為500 hPa高空月平均風場。結(jié)合圖3中的風向可以看出該片區(qū)域為西風主導,說明該區(qū)域氣溶膠的傳輸方向為自西向東,且傳輸距離越遠,氣溶膠顆粒越少。

圖2 AOD時空分布。(a)各區(qū)域月平均變化;(b)7月平均空間分布Fig.2 Spatial and temporal distribution of AOD.(a)Monthly-averaged variation in each area;(b)spatial distribution in July

由圖2(a)可看出,各研究區(qū)域的AOD值均為自1月開始升高,至7月達到峰值,隨后逐步下降。3–5月的春季降水少,空氣干燥且植被覆蓋率較低,是沙塵天氣的多發(fā)季節(jié)[17],同時攜帶沙塵的氣溶膠在傳輸過程中與人為排放的污染性氣溶膠相疊加,造成AOD數(shù)值增加。夏季隨著溫度的升高,混合層發(fā)展較高,同時根據(jù)圖3可以看出水平風速減小,故顆粒物不易擴散,且降水充沛,相對濕度的增大促進了氣溶膠的吸濕增長和氣粒轉(zhuǎn)化[17],使AOD數(shù)值升高。同時由于溫度的升高,大量沙塵抬升至高空[18],使?jié)M足遠距離傳輸?shù)臍馊苣z增加,同樣造成了AOD的增加。之后隨著溫度的下降,源區(qū)及抬升至高空的氣溶膠減少,研究區(qū)域AOD也逐步下降。

圖3 3–10月500 hPa月平均風場。(a)3月;(b)4月;(c)5月;(d)6月;(e)7月;(f)8月;(g)9月;(h)10月Fig.3 Monthly-averaged wind field at 500 hPa from March to October.(a)March;(b)April;(c)May;(d)June;(e)July;(f)August;(g)September;(h)October

2.2 氣溶膠類型分析

根據(jù)AOD與?ngstr¨om指數(shù)可以識別氣溶膠類型[19,20]。利用550 nm氣溶膠光學厚度τ及470 nm和660 nm的?ngstr¨om指數(shù)α對研究區(qū)域7月的AOD進行氣溶膠分類,并由此判斷該區(qū)域氣溶膠的重要類型。所采用的分類方法[19]為:1)當τ＜0.1且α＜1.0時,為清潔海洋型(CM);2)當τ＜0.1且α＞1.0時,為大陸清潔型(CC);3)當τ＞0.2且α＞1.0時,為生物質(zhì)燃燒/城市工業(yè)型(BU);4)當τ＞0.3且α＜0.7時,為沙塵型(DD);5)其余為混合型(MX)。分類結(jié)果如圖4所示。

圖4 7月氣溶膠類型Fig.4 Aerosol types in July

從圖中可以看出,7月出現(xiàn)的氣溶膠類型有三種,分別是DD、MX和BU。在研究區(qū)域30°N～40°N,150°E～150°W范圍內(nèi)主要為混合型氣溶膠,50°N～60°N,150°E～150°W范圍內(nèi)為大量的混合型、生物質(zhì)燃燒/城市工業(yè)型和少量的沙塵型氣溶膠,40°N～50°N,150°E～150°W范圍內(nèi)則為沙塵型和混合型氣溶膠,可以認為沙塵型氣溶膠為該區(qū)域的重要類型。這主要是因為抬升至4～6 km以上的氣溶膠可進行遠距離傳輸至太平洋[8],5–7月隨著溫度的升高,沙塵更易抬升至高空,故滿足遠距離傳輸條件的沙塵更多,在此期間濕度逐漸增大,但作為非吸濕性的沙塵粒子受影響較小,且風速減小,混合作用減小,故存在沙塵型氣溶膠;同時也有部分沙塵型氣溶膠與污染性氣溶膠及海洋型氣溶膠形成混合型氣溶膠。

2.3 凈初級生產(chǎn)力時空分布

圖5 為利用2003–2018共16年的NPP在研究區(qū)域的時空分布。圖5(a)為NPP值在研究區(qū)域范圍內(nèi)的月平均變化趨勢,可以看出,各區(qū)域NPP均為從1月開始逐漸增加,至8、9月達到峰值,隨后逐步下降,與氣溶膠的月變化趨勢有1～2個月的滯后。

圖5 NPP時空分布。(a)各區(qū)域月平均變化;(b)9月平均空間分布Fig.5 Spatial and temporal distribution of NPP.(a)Monthly-averaged variation in each area;(b)spatial distribution in September with 4 areas in black rectangles

根據(jù)圖5觀察NPP經(jīng)向變化趨勢,從圖5(a)中可以看出,NPP的自西向東變化趨勢為:1–5月時,各區(qū)域NPP數(shù)值較小且相差不多,但自區(qū)域1至區(qū)域4為遞增趨勢,與AOD趨勢相似,推斷此時AOD數(shù)值較小,對NPP的影響較小,此趨勢為其他因素造成;6–12月,自區(qū)域1至區(qū)域4為遞減趨勢,即區(qū)域越往東,NPP數(shù)值越低,與AOD自西向東變化趨勢一致;從圖5(b)中可以看出,在遠離陸地的研究區(qū)域40°N～50°N,150°E～150°W范圍內(nèi),NPP擴散程度較大,存在明顯的自西向東的遞減趨勢,與上述一致,同時也可以看出在30°N～40°N,150°E～150°W范圍內(nèi)NPP數(shù)值較小,在50°N～60°N,150°E～150°W范圍內(nèi)陸地邊緣存在明顯的高值區(qū)域,且擴散程度較小,可以認為是徑流等陸源因素為主要因素。結(jié)合上述AOD時空分布分析,可以看出在研究區(qū)域范圍內(nèi)AOD幅值出現(xiàn)在7月,NPP幅值出現(xiàn)在8、9月,比AOD幅值落后1～2個月左右出現(xiàn),且二者均為自西向東逐漸減少的變化趨勢,同時在AOD較大區(qū)域NPP較大,AOD較小區(qū)域NPP較小,由此可以判斷AOD對NPP有影響,并考慮二者的時滯相關性。

2.4 長時間序列及趨勢

為分析各區(qū)域AOD與NPP的長期變化及趨勢,利用2003–2018年16年共192個月的AOD數(shù)據(jù)及NPP數(shù)據(jù),對各區(qū)域的平均數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計,求出每個月各區(qū)域平均值并構(gòu)建長時間序列及趨勢,結(jié)果如圖6所示。

圖6 2003–2018年AOD及NPP在各研究區(qū)域長時間序列及趨勢。(a)區(qū)域1;(b)區(qū)域2;(c)區(qū)域3;(d)區(qū)域4Fig.6 Long time series and trend of AOD and NPP in each area from 2003 to 2018.(a)Area 1;(b)area 2;(c)area 3;(d)area 4

從圖中可以看出:1)各區(qū)域AOD及NPP均呈現(xiàn)周期變化;2)整體上4個區(qū)域AOD及NPP數(shù)值均隨經(jīng)度自西向東逐漸減少;3)4個區(qū)域AOD和NPP均有較弱的下降趨勢;4)4個區(qū)域AOD與滯后其1～2個月的NPP均有較好的匹配,其中區(qū)域2匹配程度最高,而區(qū)域1離源區(qū)較近,氣溶膠種類較多,對初級生產(chǎn)有抑制也有促進的作用,故區(qū)域1匹配程度較低,經(jīng)過傳輸沉降等過程至區(qū)域2時,氣溶膠種類有利于初級生產(chǎn)的提高,隨著傳輸距離越遠,氣溶膠含量降低,對初級生產(chǎn)的作用逐步減少,匹配程度逐步降低。

2.5 時滯相關性分析

時滯相關性分析是研究兩個時間序列數(shù)據(jù)在兩個不同時刻的相關程度,Pearson相關系數(shù)刻畫了兩個變量X和Y的相關性,將時間延長項引入到Pearson相關系數(shù),可得到兩個時間序列在不同時刻的相關系數(shù)C[21],其表達式為

式中s為滯后時間,σ(X)、σ(Y)表示標準序列差,序列X(i)、Y(i)長度均為N,E(X)、E(Y)表示序列均值,該函數(shù)刻畫了時間序列X在i時刻與時間序列Y在i+s時刻的相關程度。

為定量分析各區(qū)域AOD與NPP的滯后性及滯后月份,分別求出各區(qū)域每年AOD峰值與NPP峰值月份差進行分析,同時分別建立了各區(qū)域AOD與NPP的時滯相關系數(shù)。表1為各區(qū)域2003–2018年每年NPP與AOD峰值所在月份差值及各區(qū)域差值的眾數(shù)和平均值。從表中可以看出,各區(qū)域AOD峰值大部分先于NPP,僅有3次出現(xiàn)了負值,各年份各區(qū)域NPP和AOD之間非負值間隔為0～4個月。各區(qū)域在16年間峰值所在月份差值自西向東眾數(shù)分別為1、1、2、1,平均值分別為1.69、1.63、1.63、1.00。圖7為各區(qū)域AOD與NPP月時滯相關系數(shù)變化圖,可以看出,各區(qū)域AOD均與滯后其1～2個月的NPP存在強相關,其相關系數(shù)最大值自西向東分別為0.75、0.84、0.79、0.74,與之前根據(jù)圖示的定性分析及表1分析結(jié)果一致。

表1 2003–2018年NPP與AOD各區(qū)域峰值月份差值及眾數(shù)和平均數(shù)(AOD先于NPP為正)Table 1 Monthly difference of NPP and AOD peak in each area,and mode and mean of the difference from 2003 to 2018(Positive value shows AOD is ahead of NPP)

圖7 各區(qū)域AOD與NPP月時滯相關系數(shù)變化圖(AOD先于NPP為正)Fig.7 Variation of monthly delay correlation coefficient between AOD and NPP in each area(Positive value shows AOD is ahead of NPP)

根據(jù)以上定性定量分析,AOD與滯后其1～2個月的NPP有較強的正相關性,可以認為氣溶膠在經(jīng)過傳輸、沉降及光合作用等生物過程后,該海域海洋凈初級生產(chǎn)力有了增加,該過程共耗時1～2個月。

2.6 其他因子分析

NPP的影響因素有多種,溫度、太陽輻射都對NPP有著重要的影響[22,23],為判斷這兩種因素的影響,利用2003–2018年SST及PAR數(shù)據(jù),做出各區(qū)域月平均變化圖,結(jié)果如圖8所示。

圖8 各區(qū)域SST(a)和PAR(b)月平均變化Fig.8 Monthly-averaged variation of SST(a)and PAR(b)in each area

從圖8(a)中可以看出,SST月平均變化趨勢為1–6月溫差較小,隨后逐步上升,自6月后SST大幅上漲,8月后逐步下降,至12月達到與1月持平狀態(tài)。SST經(jīng)向變化趨勢為1–6月自區(qū)域1至區(qū)域4逐步升高,但溫差較小,自6月以后,則自西向東溫差無明顯變化。從圖8(b)中可以看出,PAR年度變化趨勢為自1月逐步上升,5–7月PAR變化不大,隨后逐步下降至12月。PAR經(jīng)向則無明顯變化趨勢,僅在5–7月有略微變化,區(qū)域1與2相近,區(qū)域2–4則有很小的增加。

圖9為利用2003–2018年9月SST和PAR的平均值所做空間分布圖。從圖中可以看出,研究區(qū)域范圍內(nèi),SST和PAR均存在明顯的自南向北遞減的緯向變化,在經(jīng)向則無明顯變化,與上述經(jīng)向分析結(jié)果一致。結(jié)合NPP時空變化特征,NPP存在明顯的自西向東遞減的經(jīng)向變化特征,SST和PAR則無,可以認為SST和PAR雖然是影響NPP的重要因素,但對研究區(qū)域NPP自西向東變化趨勢無明顯影響。

圖9 9月SST(a)和PAR(b)平均空間分布Fig.9 Spatial distribution of SST(a)and PAR(b)in September

3 結(jié)論

主要研究了2003–2018共16年的亞北極太平洋自西向東各區(qū)域AOD及NPP的時空變化特征及相關性,發(fā)現(xiàn)AOD及NPP數(shù)值均自西向東遞減,而對于NPP影響較大的SST及PAR則未出現(xiàn)該種變化趨勢。各區(qū)域AOD及NPP均為周期變化,二者在各區(qū)域均為NPP滯后AOD 1～2個月時存在高度相關,同時通過對AOD峰值所在的7月進行氣溶膠分類,發(fā)現(xiàn)沙塵是該區(qū)域氣溶膠的重要類型。

亞北極太平洋區(qū)域是典型的HNLC特征區(qū)域,鐵是該種區(qū)域的重要限制因素,鐵的缺失會影響浮游植物的生長速率,也會影響浮游植物的光合速率[24],從而對初級生產(chǎn)產(chǎn)生影響。在太平洋區(qū)域浮游生物需要的鐵大多來自于風傳輸[9],源自大陸的氣溶膠是亞北極太平洋重要的營養(yǎng)鹽、金屬等微量元素來源[25],傳輸至亞北極太平洋的氣溶膠為該海域帶來的元素影響了初級生產(chǎn)者的生長及光合作用,從而對海洋初級生產(chǎn)產(chǎn)生影響[26]。通過對自西向東的各區(qū)域AOD與NPP的研究,可以認為自西向東傳輸及沉降的氣溶膠為該區(qū)域帶來鐵元素,從而促進了初級生產(chǎn)力的增長,而其中沙塵氣溶膠是重要類型。

由于氣溶膠在傳輸途中的沉降及擴散,粗粒子由于重力在干沉降的作用下而被除去,氣溶膠濃度大幅降低且粒子均勻,粒子的半徑一般已經(jīng)小于10 μm,以2～4 μm的粒子為主[27],這種粒子從海洋表面沉降至海洋3000～5000m大約需要20～30天時間[28],加上浮游生物的光合作用等過程所需時間,大約需要1～2個月。研究了亞北極太平洋自西向東各區(qū)域AOD以及NPP的相關性,發(fā)現(xiàn)各區(qū)域AOD均與滯后其1～2個月的NPP相關性最高,判斷亞北極太平洋研究區(qū)域氣溶膠對初級生產(chǎn)產(chǎn)生作用的整個過程需要1～2個月來完成。