中國近海海表葉綠素及環(huán)境要素的空間分布和季節(jié)變化特征

李 彥,郭新宇,王云濤*

(1.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)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,浙江 杭州 310012;2.愛媛大學(xué)沿岸環(huán)境研究中心,愛媛 松山 7918577)

中國近海是北太平洋的西部邊緣海,包括南海、東海、黃海和渤海.以浮游植物為代表的浮游生態(tài)系統(tǒng)是海洋生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分[1].浮游植物的生長(zhǎng)受到動(dòng)力環(huán)境和海洋生物地球化學(xué)循環(huán)的共同作用,影響海洋初級(jí)生產(chǎn)力.海洋初級(jí)生產(chǎn)力在海氣界面二氧化碳的交換過程中扮演重要角色,在全球碳循環(huán)和全球氣候變化中發(fā)揮著重要作用[2].海洋初級(jí)生產(chǎn)力主要通過浮游植物來實(shí)現(xiàn),浮游植物的葉綠素在光照下通過光合作用吸收營養(yǎng)鹽、合成有機(jī)物[3],因此海洋葉綠素濃度被廣泛用于表征浮游植物的生物量[4].

葉綠素濃度的時(shí)空變化特征與溫度、光照、營養(yǎng)鹽、風(fēng)場(chǎng)、流場(chǎng)、潮流等環(huán)境要素密切相關(guān),可以反映其所在海區(qū)的生態(tài)特征,表征所在海區(qū)基礎(chǔ)生態(tài)系統(tǒng)對(duì)環(huán)境變化的響應(yīng)[5].目前的主要研究多關(guān)注中國近海的部分海域,如:郭曉芳等[6]分析北黃海葉綠素時(shí)空演變特征,發(fā)現(xiàn)北黃海葉綠素濃度變化的影響因素復(fù)雜且區(qū)域性強(qiáng),葉綠素濃度與環(huán)境要素僅在部分月份存在較強(qiáng)的相關(guān)關(guān)系,季節(jié)上不同要素存在相對(duì)主導(dǎo)的關(guān)系.江杉等[7]探究中國東海葉綠素濃度的變化特征,分析葉綠素與海水溫度的關(guān)系,發(fā)現(xiàn)東海葉綠素濃度與海水溫度整體呈負(fù)相關(guān),且相關(guān)程度在不同海域存在顯著的變化,其中長(zhǎng)江口和外海區(qū)域葉綠素濃度與海水溫度的相關(guān)性最顯著.趙娜等[8]采用滑動(dòng)平均和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等方法得出黃渤海的葉綠素濃度呈從近海淺水區(qū)向離岸深水區(qū)逐漸降低的變化趨勢(shì),從春季到夏季,深水區(qū)中的葉綠素濃度呈下降趨勢(shì),近海淺水區(qū)葉綠素濃度持續(xù)上升直到10月下降.陳瑩等[9]的研究發(fā)現(xiàn),南海中西部葉綠素濃度與海面風(fēng)場(chǎng)的風(fēng)速呈正相關(guān),與海表溫度呈負(fù)相關(guān),夏季在西南季風(fēng)影響下,越南東南沿海形成上升流,導(dǎo)致該區(qū)浮游植物大量生長(zhǎng),葉綠素濃度升高;冬季則受強(qiáng)東北季風(fēng)影響,海洋上層混合作用強(qiáng)烈,營養(yǎng)鹽供應(yīng)增加,促進(jìn)浮游植物生長(zhǎng),葉綠素濃度高于其他季節(jié).

前人的研究成果有助于整體上認(rèn)識(shí)中國近海葉綠素濃度的時(shí)空分布及影響因素,然而現(xiàn)有對(duì)中國近海整體海域的研究直接分析季節(jié)性特征,而未考慮季節(jié)性特征的顯著性,因此亟待厘清葉綠素濃度的整體時(shí)空分布特征,探究海洋生物地球化學(xué)循環(huán)與動(dòng)力過程的關(guān)系,理解海洋生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能,認(rèn)識(shí)海洋生態(tài)系統(tǒng)對(duì)氣候變化的響應(yīng).本研究應(yīng)用衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)和再分析風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù),分析中國近海海域葉綠素及環(huán)境要素的空間分布和季節(jié)變化特征,進(jìn)而通過分析季節(jié)性變化的顯著性,提出需要針對(duì)不同區(qū)域提前評(píng)判季節(jié)性信號(hào)的可信度,在季節(jié)性特征顯著的前提下再開展季節(jié)規(guī)律的分析,為認(rèn)識(shí)中國近海海洋初級(jí)生產(chǎn)力和生態(tài)系統(tǒng)提供科學(xué)支持.

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 數(shù)據(jù)資料與處理方法

中等分辨率成像光譜儀(MODIS)是Aqua衛(wèi)星搭載的主要傳感器之一,可以用來采集地球大氣、陸地、海洋和太陽能量的信息,其空間分辨率為1/24°,約為4.5 km.本研究的海表溫度和葉綠素濃度數(shù)據(jù)均來自MODIS-Aqua遙感數(shù)據(jù),時(shí)間跨度從2002年8月到2022年7月,時(shí)間分辨率為每日,逐個(gè)像素計(jì)算得到共240個(gè)月的月均數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)中被云覆蓋的資料未用于計(jì)算月均數(shù)據(jù).觀測(cè)數(shù)據(jù)具有較高的空間分辨率,適用于研究鋒面等海洋中尺度現(xiàn)象及其引起的葉綠素變化,同時(shí)資料空間覆蓋范圍廣,有助于厘清中國近海葉綠素及環(huán)境要素的變化特征[10].

每日再分析風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)由歐洲中期天氣預(yù)報(bào)中心(ECMWF)提供,空間分辨率為0.25°.計(jì)算得到月均數(shù)據(jù),采用的時(shí)間跨度與海表溫度、葉綠素濃度數(shù)據(jù)的一致.

基于每日海表溫度資料計(jì)算得到對(duì)應(yīng)的海表溫度梯度,利用Wang等[11]中的鋒面檢測(cè)算法,得到每日的海表溫度鋒面分布,定義鋒面頻率為各像素在一定時(shí)間段內(nèi)被檢測(cè)為鋒面的次數(shù)與同時(shí)段該像素未被云遮蓋的次數(shù)的比值,計(jì)算得各像素的逐月鋒面頻率.

本研究按照冬(12月—次年2月)、春(3—5月)、夏(6—8月)、秋(9—11月)劃分季節(jié).在分析季節(jié)變化時(shí),利用20年月均數(shù)據(jù)的時(shí)間序列進(jìn)行正弦函數(shù)擬合,得到每個(gè)像素點(diǎn)季節(jié)變化的振幅和相位,并檢測(cè)其擬合的顯著性.

1.2 研究區(qū)域環(huán)境特征

本研究區(qū)域?yàn)橹袊?該海域自北向南呈弧狀分布,海底地形復(fù)雜,總趨勢(shì)是自西北向東南傾斜,有廣闊的東中國海大陸架和南中國海的深海盆地.由于海陸熱力差異、冬夏兩季氣壓特性差異和盛行風(fēng)向相反的東亞季風(fēng),中國近海氣候具有明顯的季風(fēng)特征,即冬季干冷氣流使得近海區(qū)域帶有明顯的大陸性氣候特征,夏季來自大洋的的西南和東南暖濕氣流在中國近海形成海洋性氣候特征[12].本研究涉及的主要區(qū)域?yàn)?5°～43° N、105°～130° E,包含距離中國海岸線約400 km范圍內(nèi)的海域.由于南海面積廣闊,本研究區(qū)域僅包括南海北部臨近中國海岸線的海域范圍.

中國近海不同區(qū)域的地理和環(huán)境要素有顯著差異(圖1).南海是我國最大最深的邊緣海,也是西太平洋最大的邊緣海.南海受季風(fēng)影響明顯,呈現(xiàn)偏冬季型季風(fēng)特征,南海盛行的季風(fēng)可以減弱上層海洋的層結(jié)[3].同時(shí),南海區(qū)域地形復(fù)雜,也影響著內(nèi)部的動(dòng)力過程,如呈現(xiàn)葉綠素濃度近海高、海盆區(qū)低的基本分布特征,且夏季越南沿岸邊界流區(qū)有葉綠素濃度高值帶的存在[13].

圖1 研究區(qū)域的地形Fig.1 Topography of the study areas

東海具有廣闊的大陸架,沿岸有大量河流向海洋輸入淡水和營養(yǎng)鹽.東海既受到黑潮的影響,具有高溫、高鹽、低營養(yǎng)鹽的特點(diǎn),又受到淺海地形和長(zhǎng)江沖淡水在內(nèi)的強(qiáng)大入海徑流的影響,具有低鹽、高營養(yǎng)鹽的淺海流系特點(diǎn);自南向北的黑潮流系(包括黑潮主干、臺(tái)灣暖流、黃海暖流、對(duì)馬暖流等)和自北向南的沿岸流系(包括黃海沿岸流、江浙沿岸流等)構(gòu)成一個(gè)氣旋式環(huán)流系統(tǒng)[14].

黃海地處暖溫帶與東亞季風(fēng)區(qū),冬季盛行偏北風(fēng),夏季盛行南風(fēng)和東南風(fēng).黃海海流較弱,表層流受風(fēng)應(yīng)力制約,具有風(fēng)海流的性質(zhì)[15].黃海海底地勢(shì)比東海和南海平坦,形態(tài)上比渤海復(fù)雜,同時(shí)有多條淡水河流注入黃海[16].

渤海是一個(gè)半封閉的海,海底地形呈西高東低、自西北向東南傾斜的態(tài)勢(shì),海灣向中央盆地及渤海海峽方向傾斜.渤海地區(qū)在冬季受大陸氣團(tuán)控制表現(xiàn)為大陸性氣候,干旱少雨,風(fēng)大且頻繁,盛行西北風(fēng);夏、秋季節(jié)受海洋氣團(tuán)控制,表現(xiàn)為海洋性氣候,盛行東南風(fēng),高溫高濕,多雨少風(fēng)[17].渤海的水文要素受到大陸性氣候和河流注入的影響,河口附近低鹽水和高鹽水混合的區(qū)域內(nèi)會(huì)形成浮游植物的密集區(qū),葉綠素濃度較高[18].

不同區(qū)域的環(huán)境特征造成近海葉綠素分布的復(fù)雜變化.要理解中國近海葉綠素分布及其影響因子,需將不同區(qū)域的環(huán)境特征與葉綠素的分布進(jìn)行對(duì)比分析.

2 葉綠素和環(huán)境要素的時(shí)空特征及潛在關(guān)聯(lián)

為初步描述中國近海葉綠素及環(huán)境要素的空間分布特征,利用衛(wèi)星數(shù)據(jù)資料繪制中國近海葉綠素質(zhì)量濃度、海表溫度、鋒面頻率的長(zhǎng)期平均分布圖(圖2).中國近海葉綠素質(zhì)量濃度在空間上大致呈現(xiàn)近岸高、離岸低的趨勢(shì),且離岸越遠(yuǎn)葉綠素質(zhì)量濃度越低,葉綠素質(zhì)量濃度高值區(qū)分布在渤海及黃海北部和西部;中國近海常年平均風(fēng)場(chǎng)以北風(fēng)和偏東北風(fēng)為主,平均風(fēng)速約5 m/s[圖2(a)].中國近海常年平均海表溫度范圍為10～25 ℃,總體分布為從南到北逐漸降低,溫度梯度較為明顯但并不均勻,沿岸平均溫度低于離岸平均溫度,溫度低值區(qū)在渤海和黃海西北部[圖2(b)].近岸鋒面頻率高于離岸海域,渤海近岸區(qū)域、黃海東西兩側(cè)、東海西部及南海北部均為高值區(qū)[圖2(c)].

(a)中紫色箭頭的方向和長(zhǎng)度代表平均風(fēng)場(chǎng)的方向和大小(下同).圖2 葉綠素質(zhì)量濃度和風(fēng)矢量(a)、海表溫度(b)、鋒面頻率(c)的長(zhǎng)期平均分布Fig.2 Distributions of long-time averaged chlorophyll mass concentration and wind vector (a),sea surface temperature (b) and frontal frequency (c)

綜上可見,中國近海葉綠素質(zhì)量濃度的高值區(qū)與海表溫度的低值區(qū)、鋒面頻率的高值區(qū)在空間上呈現(xiàn)較好的匹配度,這可以作為探究中國近海葉綠素質(zhì)量濃度影響因素的切入點(diǎn).

為進(jìn)一步探究,后文中利用衛(wèi)星資料及遙感數(shù)據(jù)對(duì)中國近海的葉綠素質(zhì)量濃度、海表溫度、鋒面頻率(溫度梯度)進(jìn)行季節(jié)平均分析以及年周期的正弦擬合,從時(shí)空角度分析中國近海的葉綠素質(zhì)量濃度及其影響因素.

2.1 中國近海葉綠素質(zhì)量濃度的季節(jié)變化特征

如圖3所示:中國近海4個(gè)季節(jié)的葉綠素平均質(zhì)量濃度分布呈現(xiàn)近岸濃度高、離岸濃度低的特點(diǎn),渤海西北側(cè)及黃海西側(cè)可達(dá)4 mg/m3,東海西北側(cè)及南海北側(cè)也存在高值區(qū),而在東海東側(cè)和南海東側(cè)的開闊海域葉綠素質(zhì)量濃度降至1 mg/m3以下且分布均勻.夏季中國近海近岸和離岸的葉綠素質(zhì)量濃度普遍偏低,從秋季開始有增大趨勢(shì);東海西側(cè)葉綠素質(zhì)量濃度高值區(qū)有向東擴(kuò)張的舌狀區(qū)域,可以延伸到朝鮮半島西側(cè),這與張玉榮等[19]利用航次調(diào)查數(shù)據(jù)結(jié)果分析得到的葉綠素質(zhì)量濃度高值區(qū)域匹配.從夏季開始,葉綠素質(zhì)量濃度高值區(qū)面積有逐漸增大的趨勢(shì);到冬季,東海西側(cè)葉綠素質(zhì)量濃度高值區(qū)可以擴(kuò)張到朝鮮半島南側(cè),葉綠素平均質(zhì)量濃度可達(dá)3 mg/m3,最高值達(dá)4 mg/m3以上.從春季到夏季,中國近海葉綠素質(zhì)量濃度逐漸降低,分布更均勻且高值區(qū)面積縮小.葉綠素質(zhì)量濃度的季節(jié)變化總體呈現(xiàn)南海冬季較高,東、黃、渤海春季較高的分布特征.平均風(fēng)場(chǎng)的季節(jié)分布呈現(xiàn)如下特征:夏季平均風(fēng)場(chǎng)以東南風(fēng)、西南風(fēng)為主,秋、冬兩季盛行東北風(fēng),春季以東風(fēng)和東北風(fēng)為主;秋、冬兩季的平均風(fēng)速大于春、夏兩季,約5 m/s.

圖3 夏(a)、秋(b)、冬(c)、春(d)季葉綠素質(zhì)量濃度和風(fēng)矢量的季節(jié)平均分布Fig.3 Distributions of seasonal averaged chlorophyll mass concentration and wind vector in summer (a),autumn (b),winter (c) and spring (d)

將葉綠素質(zhì)量濃度進(jìn)行正弦擬合處理,振幅表示該區(qū)域葉綠素質(zhì)量濃度變化的劇烈程度,相位表示該區(qū)域葉綠素質(zhì)量濃度達(dá)到峰值時(shí)的月份.結(jié)果顯示:中國近海葉綠素質(zhì)量濃度的季節(jié)振蕩特征總體呈現(xiàn)近岸振幅大、離岸振幅小、由北向南振幅逐漸減小的分布;黃海西側(cè)為季節(jié)振蕩幅度的最大值區(qū),渤海南部、黃海北部和中部為季節(jié)振幅較大值區(qū)[圖4(a)].南海北部、東海中西部、黃海中部和渤海北部(白色部分)季節(jié)擬合不滿足統(tǒng)計(jì)顯著性檢驗(yàn),東海西側(cè)和中部、黃海中部和北部的季節(jié)振蕩信號(hào)并不明顯;而較明顯的區(qū)域在黃海西側(cè)、渤海南部和黃海中部,取得峰值的時(shí)間分別在夏季和春季[圖4(b)].

(b)中空白區(qū)域表示正弦擬合不滿足顯著性檢驗(yàn),下同;灰框區(qū)域用于繪制后文圖9的時(shí)間序列,后文圖8同.圖4 葉綠素質(zhì)量濃度季節(jié)變化擬合振幅(a)與相位(b)Fig.4 Amplitude (a) and phase (b) of fitted seasonal cycle of chlorophyll mass concentration

2.2 中國近海環(huán)境要素的季節(jié)變化特征

對(duì)較大尺度空間的研究表明,營養(yǎng)鹽是浮游植物的主要調(diào)控因子,溫度、光照和浮游動(dòng)物攝食等也在一定程度上對(duì)浮游植物的生長(zhǎng)具有調(diào)節(jié)作用;浮游植物在光照條件下,依賴營養(yǎng)鹽的供給來生長(zhǎng),其他環(huán)境要素則通過影響浮游植物營養(yǎng)鹽的攝入、光照條件等來影響浮游植物的光合作用以及葉綠素分布[20].葉綠素質(zhì)量濃度的季節(jié)變化與時(shí)空分布并非受單一要素影響,而是由多種要素共同調(diào)控形成的結(jié)果.

2.2.1 海表溫度

中國近海海表溫度總體呈現(xiàn)由渤海西北側(cè)向中央海域、由西北向東南逐漸升高的分布特征,近岸海表溫度多低于離岸海表溫度(圖5).從海表溫度季節(jié)平均分布場(chǎng)來看,夏季平均海表溫度最高,可達(dá)25 ℃,且夏季平均海表溫度分布更均勻,其溫度梯度小于其他季節(jié);從夏季到秋季,海表溫度分布特征基本不變,平均海表溫度降低,約由25 ℃降至20 ℃;從秋季到冬季,在東海西側(cè)發(fā)育出的冷舌向東南擴(kuò)張;從冬季到春季,冷舌的面積和位置基本不變,但春季冷舌以南區(qū)域的平均海表溫度高于冬季.

圖5 夏(a)、秋(b)、冬(c)、春(d)季海表溫度的季節(jié)平均分布Fig.5 Distributions of seasonal averaged sea surface temperature in summer (a),autumn (b),winter (c) and spring (d)

對(duì)海表溫度的月均數(shù)據(jù)進(jìn)行正弦擬合處理,得出其季節(jié)振蕩的振幅與相位的分布(圖6).海表溫度季節(jié)變化的振幅呈現(xiàn)從渤海的西北側(cè)向東南的中央海域逐漸降低的趨勢(shì)[圖6(a)];整個(gè)區(qū)域季節(jié)變化顯著性的相位圖中沒有空白[圖6(b)],說明季節(jié)性變化均滿足顯著性檢驗(yàn).海表溫度的季節(jié)變化達(dá)到峰值的時(shí)間顯示,黃海東北側(cè)達(dá)到峰值的月份從東北向西南提前,分別是8—9月黃、渤海東側(cè)海表溫度達(dá)到峰值,8月東海海表溫度達(dá)到峰值和7月南海海表溫度達(dá)到峰值.

圖6 海表溫度季節(jié)變化擬合振幅(a)與相位(b)Fig.6 Amplitude (a) and phase (b) of fitted seasonal cycle of the sea surface temperature

2.2.2 鋒面頻率(溫度梯度)

如圖7所示:鋒面頻率的總體特征為近岸和靠近海島礁石一側(cè)的鋒面頻率較高,中央海域和離岸一側(cè)鋒面頻率較低,呈現(xiàn)從西北向東南遞減的趨勢(shì);南海鋒面頻率最低,表示南海海表溫度分布最為均勻.季節(jié)變化上,春季鋒面頻率最高,最高值位于東海中部和南部,達(dá)10%,渤海西側(cè)鋒面頻率也呈現(xiàn)較高值;其次是冬季在渤海、黃海和東海的近岸側(cè)和靠近海島的區(qū)域呈現(xiàn)較高值,達(dá)8%以上.該結(jié)果與海表溫度季節(jié)分布特征對(duì)應(yīng):春、冬兩季的海表溫度分布最不均勻,自西北向東南的海表溫度差距較大,因此溫度梯度較大;而夏、秋兩季的最高溫和最低溫相差較小,因此溫度梯度也較小.

圖7 夏(a)、秋(b)、冬(c)、春(d)季的鋒面頻率(溫度梯度)季節(jié)平均分布Fig.7 Distributions of seasonal averaged frontal frequency (temperature gradient) in summer (a),autumn (b),winter (c) and spring (d)

由于鋒面頻率數(shù)據(jù)比較離散,所以改用溫度梯度進(jìn)行分析.對(duì)溫度梯度數(shù)據(jù)進(jìn)行類似的正弦擬合處理.近岸區(qū)域和東海東側(cè)靠近海島的海域溫度梯度變化幅度大于開闊海域,且從西北向東南變化幅度逐漸減小[圖8(a)].南海中部大部分海域、東海中東部、黃海大部分海域和渤海中西部的溫度梯度季節(jié)擬合不滿足顯著性檢驗(yàn)條件;渤海及黃海東側(cè)、南海北側(cè)部分區(qū)域溫度梯度在夏季達(dá)到峰值,東海西側(cè)和南海南北兩側(cè)在冬季達(dá)到峰值,東海大部分海域和南海西側(cè)在春季達(dá)到峰值[圖8(b)].

圖8 海表溫度梯度的季節(jié)變化擬合振幅(a)與相位(b)Fig.8 Amplitude (a) and phase (b) of fitted seasonal cycle of the sea surface temperature gradient

2.3 葉綠素質(zhì)量濃度和鋒面頻率的季節(jié)擬合

在東海和南海選取兩個(gè)有代表性的區(qū)域[圖4(b)和圖8(b)中灰框],展示其葉綠素質(zhì)量濃度和鋒面頻率的時(shí)間序列和季節(jié)擬合(圖9).結(jié)果顯示東海葉綠素質(zhì)量濃度原始時(shí)間序列與季節(jié)擬合結(jié)果的相關(guān)系數(shù)為0.325[圖9(a)],不滿足顯著性檢驗(yàn)條件,特別明顯的是在2011年原始時(shí)間序列較季節(jié)擬合高出許多.根據(jù)文斐等[21]在2011年對(duì)東海的船測(cè)資料,春季葉綠素濃度較往年明顯偏高,除光照的季節(jié)變化外,營養(yǎng)鹽濃度及其比值是影響浮游植物的重要因子.根據(jù)數(shù)據(jù)資料統(tǒng)計(jì)結(jié)果,春季整個(gè)調(diào)查海區(qū)的葉綠素濃度與磷酸鹽濃度呈顯著負(fù)相關(guān),與氮磷質(zhì)量比呈顯著正相關(guān),磷酸鹽可能成為限制東海春季浮游植物生長(zhǎng)的一個(gè)重要因子[22].東海鋒面頻率原始時(shí)間序列與擬合結(jié)果的相關(guān)系數(shù)為0.873[圖9(b)],具有季節(jié)顯著性.而南海中部的季節(jié)擬合結(jié)果恰好相反,葉綠素質(zhì)量濃度原始時(shí)間序列與季節(jié)擬合結(jié)果的相關(guān)系數(shù)為0.851[圖9(c)],具有季節(jié)顯著性;鋒面頻率原始時(shí)間序列與季節(jié)擬合結(jié)果的相關(guān)系數(shù)為0.486[圖9(d)],不滿足顯著性檢驗(yàn)條件.由此可見,盡管季節(jié)性變化主導(dǎo)了大部分區(qū)域的變化特征,開展季節(jié)性分析前仍有必要對(duì)不同參數(shù)的季節(jié)性變化的顯著性進(jìn)行判斷.

圖9 東海(a和b)和南海(c和d)所選區(qū)域的葉綠素質(zhì)量濃度(a和c)與鋒面頻率(b和d)的時(shí)間序列(實(shí)線)與季節(jié)擬合(虛線)Fig.9 Time series (solid line) and seasonal regression (dashed line) of chlorophyll mass concentration (a,c) and frontal frequency (b,d) in the selected regions in the East China Sea (a,b) and the South China Sea (c,d)

3 討 論

3.1 海表溫度、風(fēng)場(chǎng)、溫度梯度與葉綠素濃度時(shí)空分布的關(guān)系

中國近海葉綠素濃度時(shí)空分布與海表溫度、風(fēng)場(chǎng)、鋒面頻率等背景因素有著密切關(guān)系:中國近海葉綠素濃度總體呈現(xiàn)近岸高、離岸低、從西北向東南遞減的分布特征,且有東海西側(cè)葉綠素濃度高值區(qū)向東擴(kuò)張的舌狀區(qū)域,該區(qū)域面積在春季達(dá)到最大值.根據(jù)沙慧敏等[23]的結(jié)論,典型海域內(nèi)海表溫度與葉綠素濃度存在一定的空間負(fù)相關(guān)性,因此本研究中近岸海表溫度多低于離岸海表溫度,東海西側(cè)發(fā)育出的冷舌向東南擴(kuò)張,與春季達(dá)到最大值相對(duì)應(yīng).除平均葉綠素濃度較低的夏季盛行風(fēng)向?yàn)闁|南風(fēng)和西南風(fēng)外,其他季節(jié)盛行風(fēng)向均為東風(fēng)或東北風(fēng).根據(jù)Tang等[24]的研究,在一年中的東北季風(fēng)時(shí)段,葉綠素濃度往往會(huì)達(dá)到一個(gè)峰值,強(qiáng)勁的東北風(fēng)與海灣東岸平行,可能將近岸高葉綠素濃度的水體帶至東海中部而形成向東南擴(kuò)散的舌狀區(qū)域,也可能是水體交換導(dǎo)致的營養(yǎng)鹽濃度增加促進(jìn)了浮游植物的生長(zhǎng).同時(shí),本研究中海表溫度與溫度梯度的時(shí)空分布呈現(xiàn)下列特征:夏、秋兩季的海表溫度分布較均勻,溫度梯度較小;而春、冬兩季近岸區(qū)域的海表溫度遠(yuǎn)低于開闊海域的海表溫度,近岸的溫度梯度大于開闊海域的溫度梯度,且在這兩季達(dá)到峰值.此外,鋒面頻率在春季達(dá)到最高值,最高值位于東海中部和南部,且鋒面頻率高值區(qū)的分布與葉綠素濃度高值區(qū)的分布相匹配.由此可以推測(cè),葉綠素濃度與海表溫度總體呈負(fù)相關(guān)趨勢(shì),與鋒面頻率總體呈正相關(guān)趨勢(shì).造成這種現(xiàn)象的原因是,海表溫度除能夠影響浮游植物的生長(zhǎng)和光合作用外,也在一定程度上表征海洋層次結(jié)構(gòu)中上層水體的穩(wěn)定程度[25],反映出垂向混合和上升流等效應(yīng)所導(dǎo)致的垂向交換過程的影響.溫度升高時(shí)海水層化增強(qiáng),抑制上層水體的垂直混合,表層水體中的營養(yǎng)鹽減少,導(dǎo)致葉綠素濃度降低;反之,溫度降低時(shí)葉綠素濃度升高,表征營養(yǎng)鹽豐富的次表層水體向表層的輸運(yùn)情況.這是海表溫度和葉綠素濃度出現(xiàn)相反變化趨勢(shì)的原因.

在鋒面對(duì)葉綠素濃度的影響方面,根據(jù)Guo等[26]的研究結(jié)論,海洋鋒面通過產(chǎn)生局部上升流或?qū)⒋伪韺訝I養(yǎng)鹽抬升至表層對(duì)鋒面區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)的生產(chǎn)力及葉綠素濃度的分布產(chǎn)生直接影響.同時(shí)根據(jù)Xiu等[27]的理論,鋒面還會(huì)在水體交換、物質(zhì)輸運(yùn)、海氣相互作用等方面產(chǎn)生重要影響,這都會(huì)進(jìn)一步影響該區(qū)域葉綠素濃度的時(shí)空分布.鋒面處的水平梯度增強(qiáng), 為鋒面不穩(wěn)定的發(fā)生提供了有利條件[28],而鋒面不穩(wěn)定導(dǎo)致的海洋層次結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定會(huì)影響葉綠素濃度的時(shí)空分布.沿鋒面地轉(zhuǎn)流方向的風(fēng)應(yīng)力引起的跨陸架 Ekman 輸運(yùn)將鋒面處冷水向暖水運(yùn)移, 導(dǎo)致水平浮力梯度和鋒面強(qiáng)度增加,風(fēng)場(chǎng)強(qiáng)迫引起的Ekman 浮力通量可能導(dǎo)致鋒面的不穩(wěn)定現(xiàn)象, 影響海洋層次結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性,進(jìn)而引起該區(qū)域葉綠素濃度的分布變化[29].

3.2 其他因素與葉綠素濃度時(shí)空分布變化的關(guān)系

通過葉綠素濃度季節(jié)振蕩與海表溫度、鋒面頻率季節(jié)振蕩的對(duì)比可以看出,葉綠素濃度與海表溫度、鋒面頻率之間并非呈現(xiàn)簡(jiǎn)單的線性相關(guān)關(guān)系:葉綠素濃度達(dá)到最大值的時(shí)間早于海表溫度達(dá)到最大值的時(shí)間;海表溫度的低值區(qū)并非都是葉綠素濃度的高值區(qū),只有近海和靠近海島的海域呈現(xiàn)葉綠素濃度較高的現(xiàn)象.此外,雖然葉綠素濃度與鋒面頻率達(dá)到峰值的時(shí)間和分布特征大致接近,但是也不能一一對(duì)應(yīng).

形成該現(xiàn)象的原因是除海表溫度、鋒面頻率和葉綠素濃度時(shí)空分布存在潛在關(guān)系外,還有其他因素和葉綠素濃度存在潛在關(guān)系,如營養(yǎng)鹽對(duì)浮游植物生長(zhǎng)的重要影響.唐森銘等[30]分析得出浮游植物群落的種類結(jié)構(gòu)和數(shù)量變化直接與營養(yǎng)鹽盈缺有關(guān).郭術(shù)津等[31]研究證實(shí)東海海域的浮游植物細(xì)胞豐度與溫度、鹽度呈現(xiàn)顯著負(fù)相關(guān)性,與硅酸鹽、銨鹽和硝酸鹽濃度呈現(xiàn)顯著正相關(guān)性.此外,光照也是浮游植物生長(zhǎng)的重要影響因子[32]:當(dāng)光照充足時(shí),一定的光照時(shí)間會(huì)引起水溫升高,加速光合作用;但在夏季,強(qiáng)烈的光輻射引起表層海水升溫,同時(shí)也對(duì)其中的浮游植物產(chǎn)生光抑制,導(dǎo)致表層海水中葉綠素濃度下降;在冬季,海表溫度較海區(qū)中部低,光照強(qiáng)度較弱,但陸源營養(yǎng)鹽的不斷輸入仍可導(dǎo)致近岸海域具有相對(duì)較高的葉綠素濃度.

河口是陸源物質(zhì)入海的主要通道,河口過程輸運(yùn)的營養(yǎng)鹽為浮游植物的生長(zhǎng)提供養(yǎng)分,從而影響葉綠素的分布[33].中國近海受季風(fēng)影響較強(qiáng),通過對(duì)比葉綠素濃度數(shù)據(jù)與相關(guān)衛(wèi)星數(shù)據(jù)資料,已有研究發(fā)現(xiàn)冬季由于強(qiáng)烈的東北季風(fēng)作用,南海海域基本為一個(gè)氣旋式環(huán)流所控制,在海盆區(qū)域引起水體普遍上升,這是冬季葉綠素濃度水平普遍升高的又一原因[34].然而季風(fēng)與中國近海葉綠素濃度及分布的關(guān)系和對(duì)其的影響方式仍是較復(fù)雜的科學(xué)問題,有待后續(xù)更深入的研究.

4 結(jié) 論

本研究采用近20年遙感數(shù)據(jù)和每日再分析風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù),通過處理得到月平均數(shù)據(jù)分析參數(shù)的季節(jié)性特征,對(duì)中國近海葉綠素濃度、海表溫度、鋒面頻率的空間分布和季節(jié)變化及其潛在關(guān)系進(jìn)行分析,再利用正弦擬合函數(shù)獲得每個(gè)像素點(diǎn)季節(jié)變化的振幅和相位,并檢驗(yàn)了季節(jié)性變化擬合的顯著性.

中國近海葉綠素濃度呈現(xiàn)明顯的季節(jié)變化特征:南海冬季高,其他季節(jié)較低,渤黃東海春季高,其他季節(jié)偏低.空間分布上中國近海葉綠素濃度大致呈現(xiàn)近岸高、離岸低、從西北向東南遞減的分布特征,且有東海西側(cè)葉綠素濃度高值區(qū)向東擴(kuò)張的舌狀區(qū)域,該區(qū)域面積在春季達(dá)到最大值,這與中國近海的近岸海表溫度多低于離岸海表溫度,東海西側(cè)發(fā)育出的冷舌向東南擴(kuò)張且在春季達(dá)到最大值相吻合.平均葉綠素濃度較高的季節(jié)盛行風(fēng)向均為東風(fēng)或東北風(fēng).

鋒面頻率在春季的高值區(qū)與葉綠素濃度高值區(qū)重合.葉綠素濃度與海表溫度總體呈負(fù)相關(guān)趨勢(shì),與鋒面頻率總體呈正相關(guān)趨勢(shì),這兩個(gè)環(huán)境要素除了能直接影響浮游植物的生長(zhǎng)外,還能影響垂向交換過程而間接影響浮游植物生長(zhǎng).此外,光照、陸源物質(zhì)輸入、季風(fēng)、環(huán)流、渦旋等對(duì)海洋浮游植物生長(zhǎng)也有影響,它們通過影響營養(yǎng)鹽濃度和光照條件使得葉綠素濃度的時(shí)空變化不完全與海表溫度和海洋鋒面對(duì)應(yīng). 本研究還指出,盡管中國近海大部分區(qū)域的主要特征呈現(xiàn)顯著的季節(jié)性變化,但由于不同因素對(duì)動(dòng)力和生態(tài)環(huán)境的復(fù)雜影響,仍有必要檢驗(yàn)季節(jié)性變化的顯著性,從而了解環(huán)境要素變化的主要時(shí)間規(guī)律.

本研究對(duì)于掌握海域的海洋生態(tài)動(dòng)力環(huán)境特征, 尤其是在長(zhǎng)時(shí)間序列和較大范圍海域研究方面,具有揭示海洋生態(tài)動(dòng)力環(huán)境總體變化規(guī)律的獨(dú)特優(yōu)勢(shì), 有助于探究海洋生物地球化學(xué)循環(huán)與動(dòng)力過程的關(guān)系,理解海洋生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能,認(rèn)識(shí)海洋生態(tài)系統(tǒng)對(duì)氣候變化的響應(yīng).