越南沿岸上升流海表叶绿素的季节内尺度变异及机制.pdf
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1、热带海洋学报 JOURNAL OF TROPICAL OCEANOGRAPHY 2023 年 第 42 卷 第 4 期:113124 doi:10.11978/2022166 http:/ 越南沿岸上升流海表叶绿素的季节内尺度变异及机制 林少文1,任姮烨2,卢文芳2,3 1.福州大学数字中国研究院(福建),福建 福州 350108;2.中山大学海洋科学学院,广东 珠海 519000;3.南方海洋科学与工程广东省实验室(珠海),广东 珠海 519000 摘要:在夏季,南海西部的越南沿岸上升流系统(Vietnam boundary upwelling system,VBUS)时常出现高浮游植物生物
2、量。其中由马登-朱利安振荡(Madden-Julian oscillation,MJO)主导的季节内尺度(3060d)变率占到重要作用,但 MJO 对海表叶绿素的调控效应及机制尚不清楚。本研究采用重建的遥感叶绿素数据与多源观测资料,探究 MJO 事件中 VBUS 叶绿素季节内变化特征及成因。复合分析结果显示,在 MJO 事件末期,该海域叶绿素浓度达到季节内最高值,海表温度(sea surface temperature,SST)、地转流纬向分量与 Ekman 泵吸及风场与该海域叶绿素浓度相位模态高度对应,且与叶绿素相位序列相关性按该顺序递减。进一步将 VBUS 分成近岸和离岸两个子区域,通过广
3、义加性模型分析叶绿素浓度的主导调控因子。结果显示 VBUS 海域沿岸与离岸区域叶绿素浓度影响因子及其强度并不相同,SST 同为两个区域最强影响因子,沿岸区域次要影响因子为地转流纬向分量及 Ekman 泵吸,离岸次要影响因子为地转流纬向分量,且其影响强度与 SST 平分秋色。通过进一步分析该调控在不同厄尔尼诺年的不同,发现当 MJO处于第 48相位时,MJO能有效地补偿强厄尔尼诺事件导致的叶绿素浓度骤降。总体而言,MJO 所处相位决定了其对 VBUS 海域叶绿素影响的程度,且在不同子区域中因素的影响强度并不相同。本研究揭示了海洋生态系统和动力的短期变率特征,能够为南海叶绿素浓度变异的理解提供新视
4、角。关键词:越南沿岸上升流;叶绿素;季节内变化;厄尔尼诺 中图分类号:P735.52 文献标识码:A 文章编号:1009-5470(2023)04-0113-12 Intra-seasonal regulation and mechanism on sea surface chlorophyll in the upwelling off the coast of Vietnam LIN Shaowen1,REN Hengye2,LU Wenfang2,3 1.The Academy of Digital China,Fuzhou University,Fuzhou 350108,China;2
5、.School of Marine Sciences,Sun Yat-sen University,Zhuhai 519000,China;3.Southern Marine Science and Engineering Guangdong Laboratory(Zhuhai),Zhuhai 519000,China Abstract:In summer,high phytoplankton biomass often occurs in the Vietnam Boundary upwelling System(VBUS)of the western South China Sea.The
6、rein,the variation of surface chlorophyll concentration at the intra-seasonal scale(3060 days)dominated by Madden-Julian Oscillation(MJO)can account for considerable variation,but the regulating effects and mechanism of the modulation to sea surface chlorophyll remain unclear.In this study,reconstru
7、cted remote sensing chlorophyll data and multi-source observation data were used to explore the characteristics and causes of the VBUS chlorophyll changes during MJO events.Composite analysis showed that in the late phases of MJO events,chlorophyll reached its intraseasonal maximum,while sea surface
8、 temperature(SST),zonal geostrophic current,Ekman pumping and wind speed were highly correlated in a decreasing order.Furthermore,the VBUS was divided into two sub-regions:nearshore and offshore regions.The analysis results of generalized additive model showed that the 收稿日期:2022-07-25;修订日期:2022-10-0
9、6。姚衍桃编辑 基金项目:国家自然科学基金项目(41906019)作者简介:林少文(1997),男,福建省福州市人,硕士研究生,从事海洋遥感应用研究。email:lsw_ 通信作者:卢文芳。email: Received date:2022-07-25;Revised date:2022-10-06.Editor:YAO Yantao Foundation item:National Natural Science Foundation of China(41906019)Corresponding author:LU Wenfang.email: 114 热 带 海 洋 学 报 Vol.42
10、,No.4/Jul.,2023 1 influencing factors and intensity of chlorophyll concentration in the coastal and offshore areas of VBUS were different.SST was the most important influencing factor in both regions.For the coastal region,zonal geostrophic current and Ekman pumping contributed secondly.For the offs
11、hore region,the second influence factor was zonal component of geostrophic current,and its influence was nearly equal to that of SST.We further investigated the MJOs modulation in different El Nio years.When MJO is in the fourth to eighth phases,the El Nios negative effects on the chlorophyll can be
12、 compensated.In general,our study showed that the MJOs phase determined the impact of MJO on chlorophyll in the VBUS.At the same time,the chlorophyll concentration in VBUS sea area under MJO events was controlled by SST,geostrophic zonal component and Ekman pump suction,and the impacts of different
13、factors on VBUS were different.The study reveals the short-term variability of marine ecosystems and dynamics and can provide a new perspective for understanding the variation of chlorophyll in the South China Sea.Key words:Vietnam boundary upwelling system;chlorophyll;intraseasonal variability;ENSO
14、 近几十年来,人类活动造成的气候变化以各种方式影响着海洋生态系统,进而对人类社会产生影响(Bindoff et al,2019)。叶绿素为海洋中的主要色素,能够有效表征浮游植物生物量,因而是海洋环境对气候变化响应的关键指标(Behrenfeld et al,2001;Ooi et al,2011)。研究南海的浮游生态系统生产力对于认识南海海洋动力(Ning et al,2004)、解析南海碳循环和气候响应(Hu et al,2014)、探究人类活动对南海区域生态系统造成的影响(Hu et al,2018;Lin et al,2018),以及利用南海海洋资源都具有重要的意义(Wang et al
15、,2018)。尽管现在可以获得超过 20 年的全球叶绿素浓度数据(Bindoff et al,2019),但对叶绿素浓度预测的可信度仍然不高。其中最重要的一个原因是,在广泛的时间序列上叶绿素浓度波动具有较大的自然变率(Henson et al,2010)。季节内叶绿素变率是这种变率的重要组成部分,其方差占比可能接近甚至大于季节性波动(Loisel et al,2017;Salgado-Hernanz et al,2019),因此对季节内叶绿素浓度变化的评估必不可少。马登-朱利安振荡(Madden-Julian oscillation,MJO)被认为是季节内大气变率的主要组成部分,它对热带海洋以
16、及热带及温带天气和气候都有着较大的影响(Madden et al,1971),因此 MJO 事件下叶绿素浓度的变化及各海洋因子的协同响应成为了学者们研究的热点。Mandal 等(2021)以马六甲海峡为研究区域,利用修正小波分析对叶绿素与每日实时多元 MJO(daily real time multi-variate MJO,RMM)指数进行分析,结果显示叶绿素季节内变异性与 MJO 事件活跃期的相关性高于与 ENSO 和印度洋偶极子事件的相关性,表明 MJO 事件是影响马六甲海峡(12 月次年 2 月)生态系统的最主要因素。Haryanto 等(2017)在东印度洋苏门答腊海域水域的研究同样
17、证明了 MJO 与该水域叶绿素的浓度变化有着紧密联系,研究结果表明叶绿素浓度增加的概率与东印度洋苏门答腊海域 MJO 事件的持续时间呈线性关系,MJO 事件持续的时间长度能够确定该海域叶绿素浓度的增量。Jin 等(2013)通过对不同地区的案例研究表明,MJO 可以增强海水垂向混合,使深层营养盐向表层传输,进而增加叶绿素浓度。而 Chang 等(2019)对海洋大陆西部的研究表明,MJO事件驱动的降水异常能够通过河流径流输入,影响下游 1000km 外的班达海叶绿素浓度。这些南海以外海域的相关研究指出,在研究 MJO 的影响时,气象因子和海洋环境动力因子都是必须考虑的因素。在南海,学者们也进行
18、了一系列探究。Isoguchi等(2006)认为 MJO 可以通过影响某些特定年份的南海 夏 季 风,导 致 越 南 沿 岸 上 升 流 系 统(Vietnam boundary upwelling system,VBUS)季节性的海表降温事件,进而造成海洋浮游植物大量繁殖。Liu 等(2012)调查了 2007 年 8 月 VBUS 海域强盛的上升流和一同发生的海洋浮游植物水华事件,认为 MJO致使的夏季西南季风异常在此事件中发挥着重要作用。在不同海洋环境的影响下,季节内变化可能产生更小空间尺度的特征,因此不同的子区域对 MJO事件的响应可能并不相同(Keerthi et al,2020)。
19、VBUS 中的浮游植物类群以硅藻为主,其分裂周期远小于季节内时间尺度(Huang et al,2004;谢艳辉 等,2015),因此预期 MJO事件造成的物理影响能够反映浮游植物的生物量变化,进而影响叶绿素。目前,多数研究者都通过讨论整个VBUS 海域的因素协同变异来探究叶绿素浓度对MJO 事件的响应,少有对 VBUS 海域进行进一步划分,并更为精细地研究叶绿素浓度的季节内变异及其影响因子。此外,前人研究表明,VBUS对厄尔尼诺南方涛动(El Nio-Southern oscillation,ENSO)有非常敏感的响应(Kuo et al,2004;Dang et al,2022),MJO事件
20、也受大尺度的年际事件调控。虽然已有很多针对ENSO 调控 VBUS 海域叶绿素浓度异常事件的探究,如 Zhao 等(2007)基于 1998 年异常事件研究讨论了林少文等:越南沿岸上升流海表叶绿素的季节内尺度变异及机制 115 1 ENSO、南海风场和 Ekman 抽吸与叶绿素浓度之间的关系,Dang 等(2022)也基于 1998 年和 2016 年的强厄尔尼诺事件讨论了 VBUS海域叶绿素浓度对强 ENSO事件的响应。但这些研究并未探究 VBUS 对 ENSO与 MJO 的协同响应,如 Dang 等(2022)认为 MJO 可能会补偿强 ENSO 事件带来的叶绿素浓度骤减,但对于同时存在
21、MJO 事件的不同强 ENSO 年份下叶绿素浓度具有显著差异的原因却未能明确。基于上述认知,本文选取 VBUS 海域(106114E,915N)为研究区,利用 20052019 年连续的无缺失的高分辨率叶绿素浓度数据(Wang et al,2021),将 VBUS 划分成沿岸海域及离岸海域,以探究MJO 事件下两个区域中夏季叶绿素浓度的调控因子、调控因子的相对强度及各因素空间协变情况。同时基于典型的强 ENSO 年份,尝试解释 VBUS 海域对强 ENSO 与 MJO 的协同响应机制。本文研究结果将为更好地理解叶绿素浓度季节内变化提供新的视角,并有助于更准确地估计季节内叶绿素浓度的波动,进而为
22、叶绿素浓度变化趋势的预报与评估做出贡献。1 数据和方法 1.1 数据介绍 本文最主要的数据为本课题组 Wang 等(2021)构建的完整覆盖南海的 20052019年逐天的叶绿素产品SCSDCT(South China Sea full-coverage daily 4km surface chlorophyll remote sensing reconstruction dataset from discrete cosine transform)。该数据产品采用离散余弦变换方法,通过插值重构整个南海范围的 OC-CCIv4.2 水色遥感叶绿素数据,其空间分辨率为4km4km(https:/
23、 资料在南海其他海域也能达到理想的重建效果。本次使用的数据时间范围为 2005 年至2019年共 5478d。虽然重点关注以 106114E、915N为界的 VBUS海区,其中红色区域为沿岸海域,黄色区域为离岸海域(图 1)。本文也查看了南海(103124E,025N)夏季叶绿素浓度的变化情况。此外,为了分析叶绿素浓度与不同驱动因子的关联,本研究采用了海表温度(sea surface temperature,SST)、10m 风场、降水和绝对地转流等资料集进行分析。使用的温度数据是美国国家海洋和大气管理局(National Oceanic and Atmospheric Administrat
24、ion,NOAA)发布的 MUR(multi-scale ultra high resolution)数 图 1 南海夏季叶绿素浓度平均 该图基于国家测绘地理信息局标准地图服务网站审图号为GS(2020)4392 号的标准地图制作。图中红框为沿岸区域,黄框为离岸区域 Fig.1 Average chlorophyll in summer.The red box is the coastal area,and the yellow box is the offshore area 据,空间分辨率为 1km。MUR 是一种融合了 AMSR-E(NASA advanced microwave sca
25、nning radiometer-EOS)、AMSR-2(JAXA advanced microwave scanning radiometer 2)、MODIS、US navy microwave windsat radiometer、AVHRR(the advanced very high resolution radiometer)和实测的温度数据,可以从美国航天局地球观 测 系 统 数 据 和 信 息 系 统 数 据 中 心 官 网 获 取(https:/podaac.jpl.nasa.gov/MEaSUREsMUR?sections=data)。使用的日平均风场数据和降水率来自于 E
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