何海倫，李 熠，王 淵，宋迅殊，劉曉輝

（衛(wèi)星海洋環(huán)境動力學國家重點實驗室，國家海洋局 第二海洋研究所，浙江 杭州 310012）

0 引言

葉綠素a質量濃度作為初級生產力和海洋水文的重要指標，在分析漁場形成和保護海洋環(huán)境方面具有重要的作用。東中國海占據了大部分的西北太平洋大陸架，漁業(yè)資源豐富。因此在東中國海開展葉綠素a質量濃度的研究對于中國海洋經濟發(fā)展具有重要意義［1］。由于浮游植物光合作用可以減小海表的二氧化碳分壓并加劇海－氣之間的二氧化碳交換，葉綠素a質量濃度通常被用于表征海洋水色并用于研究與全球氣候變化相關的碳循環(huán)問題［2］。

獲取東中國海葉綠素a質量濃度是海洋調查的一項重要內容。周偉華等［3］利用4個月的實測資料，研究了長江口海區(qū)葉綠素a及初級生產力的分布特點；GONG et al［4］分析了從1993—1995年東中國海南部葉綠素a質量濃度的垂直結構。但由于這些海洋調查數(shù)據量非常有限，嚴重制約了研究者了解東中國海葉綠素a質量濃度的時空變化規(guī)律。

相比于海洋實地調查，海洋衛(wèi)星遙感可以提供大范圍長時間的葉綠素a質量濃度產品。商少凌等［5］利用現(xiàn)場葉綠素a質量濃度實測數(shù)據，結合SeaWiFS衛(wèi)星圖像，研究了1998年冬季臺灣海峽的葉綠素a質量濃度分布特征。陳楚群等［6］利用4個代表月份的SeaWiFS衛(wèi)星資料，分析了南海海域葉綠素a質量濃度分布的季節(jié)變化。叢丕福等［7］利用SeaWiFS衛(wèi)星資料分析了1998—2003年中國陸架海葉綠素a質量濃度的變化。伍玉梅等［1］同樣利用SeaWiFS衛(wèi)星研究了1997—2007年東中國海葉綠素a質量濃度的時空變化。然而，這些研究都沒有將缺失的衛(wèi)星資料數(shù)據補齊，因此，研究結果受到了數(shù)據缺失的局限影響。同時，這些研究都沒有對東中國海葉綠素a質量濃度進行經驗模態(tài)分析，使研究者缺少認識東中國海葉綠素a質量濃度的時空變化規(guī)律。為此，本文首先利用基于經驗正交函數(shù)（Empirical Orthogonal Functions，簡稱EOF）推廣的數(shù)據補全方法即經驗正交函數(shù)數(shù)據插值法（簡稱DINEOF），重建2003—2009年東中國海葉綠素a質量濃度場；同時，本文對東中國海葉綠素a質量濃度的季節(jié)變化特征進行了探討；并利用EOF分析了東中國海葉綠素a質量濃度異常場的主要模態(tài)。

1 DINEOF重構

DINEOF方法是一種基于EOF方法的缺失數(shù)據補全方法，它的優(yōu)點在于數(shù)據補全時不需要添加人為的參數(shù)。DINEOF方法的基本原理是首先對缺失數(shù)據進行粗估計（首次粗估計時設為0），進而對數(shù)據進行EOF分解，得到其主要模態(tài)，利用主要模態(tài)對缺失數(shù)據進行更精細的估計，并循環(huán)以上過程，通過交叉有效的評估方法，得到最終的缺損值。DINEOF已經被證實是一種可以提供可靠結果的數(shù)據補全方法［8－9］。

本文利用 DINEOF方法對 MODIS－Aqua（http：／／oceancolor.gsfc.nasa.gov／）提供的2003—2009年東中國海分辨率為9km的月平均葉綠素a質量濃度異常場進行重構，這里的異常場定義為月平均數(shù)據和7a（2003—2009年）平均值的差值。圖1給出2004年11月和2008年5月葉綠素a質量濃度用DINEOF重構前后的月平均值，其中圖1a和圖1c為MODIS產品，圖1b和圖1d分別為重構場。由圖1可見，重構場在保持原有數(shù)據的同時，憑借著對總體時空變化經驗模態(tài)的把握，補齊了缺失數(shù)據。在計算中，原始數(shù)據缺失率為20%。測試表明，交叉驗證誤差隨補齊數(shù)據時選取的EOF分量個數(shù)的增大而減小，當選取的EOF分量個數(shù)大于5時，交叉驗證誤差基本穩(wěn)定。為此，本文選取了6個EOF分量，其交叉驗證的葉綠素a質量濃度誤差為1.07mg／m3。

圖1 重構前后的葉綠素a質量濃度異常場Fig.1 Original and reconstructed chlorophyll amass concentration anomaly

2 葉綠素a質量濃度的7a平均場

圖2為本文重構后的2003年1月—2009年12月東中國海葉綠素a質量濃度的7a平均場（共84個月的平均值）。由圖2可知，葉綠素a質量濃度7a平均值表現(xiàn)出近岸高、外海低的分布特征。近岸的葉綠素a質量濃度等值線大致和海岸線平行，同時很大程度上受到陸地徑流帶來的營養(yǎng)鹽影響。徑流使長江口近岸的營養(yǎng)鹽濃度很高，因此該處生物活動活躍，并導致了長江口及其臨近海域的葉綠素a質量濃度較高。

圖2 重構后的2003年1月—2009年12月東中國海的葉綠素a質量濃度的7a平均場Fig.2 Reconstructed 7－years averaged chlorophyll amass concentration from January 2003to December 2009in East China Sea

3 葉綠素a質量濃度的季節(jié)平均場

圖3給出2003年1月—2009年12月東中國海葉綠素a質量濃度的季節(jié)平均場。由圖3可知，東中國海葉綠素a質量濃度場存在明顯的季節(jié)變化特征，這些季節(jié)變化特征需要結合東海特殊的水文環(huán)境進行解釋［1］。

冬季（12月—翌年2月），東海以偏北季風為主，海表溫度降低，對流混合和風混合作用強烈，深層的營養(yǎng)鹽被帶到表層，但水溫低和光照不足影響了浮游植物的光合作用，因此該季的葉綠素a質量濃度不高。

春季（3月—5月），東海海區(qū)光照增強，海水變暖，表層平均水溫上升，水體出現(xiàn)分層且趨于穩(wěn)定，表層海水的營養(yǎng)鹽因冬季對流混合作用而得到大量的補充，使浮游植物大量繁殖，因此葉綠素a質量濃度迅速提高。此后，數(shù)量逐漸增加的浮游動物和逐漸匱乏的營養(yǎng)鹽，使浮游植物的數(shù)量減少，因此葉綠素a質量濃度逐步降低。

夏季（6月—8月），光照增強，表層水溫升高，但由于在春季營養(yǎng)鹽被浮游植物大量消耗，伴隨著海洋混合層深度變淺，深層富營養(yǎng)水難以上升，使得表層海水營養(yǎng)鹽匱乏；同時，生物量很高的浮游動物消耗了大量的浮游植物，因此外海的葉綠素a質量濃度降低。但是春、夏季（5月—9月）長江沖淡水的主體出口門后左轉，向東北方向擴展，攜帶了大量的營養(yǎng)鹽，于是，長江口東北部的葉綠素a質量濃度非常高。

秋季作為夏季至冬季的過渡季節(jié)，海表光照減弱，表層水溫下降，對流混合作用增強，使表層營養(yǎng)鹽重新得到補充，因此陸架上葉綠素a質量濃度逐漸增加。

圖3 2003年1月—2009年12月東中國海的葉綠素a質量濃度季節(jié)平均場Fig.3 Seasonal mean chlorophyll amass concentration from January 2003to December 2009

4 葉綠素a質量濃度的異常場分析

本文對重構后的2003年1月—2009年12月東中國海葉綠素a質量濃度異常場進行EOF分解（這里的異常場指月平均數(shù)據和7a平均月平均值的差值），得到葉綠素a質量濃度異常場時空變化的主要模態(tài)，圖4給出其前2個模態(tài)。第一模態(tài)的方差貢獻為37.8%，其空間分布在長江口東部出現(xiàn)葉綠素a質量濃度異常高值，而在長江口東北部出現(xiàn)葉綠素a質量濃度正異常高值，葉綠素a質量濃度從近岸向外海遞減（圖4a）。對第一模態(tài)的時間系數(shù)進行功率譜分析可知，第一模態(tài)主要以半年及以下時間為變化周期（圖4e）。第二模態(tài)的方差貢獻為21.4%，其空間分布在長江口東部出現(xiàn)葉綠素a質量濃度異常高值。第二模態(tài)的變化周期以年際為主（圖4f）。

由此可見，EOF分解的前2個模態(tài)表明，長江口及其附近海域葉綠素a質量濃度很大程度上受到長江徑流的影響。春、夏季（5月—9月）長江沖淡水的主體出口門后左轉，向東北方向擴展，所以第一模態(tài)會于春、夏季在長江口東北部出現(xiàn)顯著的葉綠素a質量濃度正異常。同時，因為長江徑流流量存在半年變化周期［7］，所以第一模態(tài)時間序列功率譜中存在半年的變化周期。

5 結論

本文利用經驗正交函數(shù)數(shù)據插值法，對MODISAqua衛(wèi)星提供的三級產品葉綠素a質量濃度缺失數(shù)據進行補齊。本文選取的經驗正交函數(shù)分量個數(shù)為6個，葉綠素a質量濃度的交叉驗證誤差為1.07mg／m3。

圖4 2003年1月—2009年12月東中國海的葉綠素a質量濃度異常EOF分解的第一和第二模態(tài)Fig.4 First and second modes of EOF analysis on chlorophyll amass concentration anomaly from January 2003to December 2009

對重構后的東中國海葉綠素a質量濃度場進行季節(jié)平均分析表明，冬季的對流混合和風混合作用把深層的營養(yǎng)鹽帶到表層，促成春季葉綠素a質量濃度的增高，而夏季長江口徑流帶來的營養(yǎng)鹽使長江口東北部出現(xiàn)葉綠素a質量濃度正異常高值區(qū)。

對重構后的東中國海葉綠素a質量濃度場進行經驗正交函數(shù)分析表明，第一模態(tài)方差貢獻為37.8%，其空間分布在長江口東北部出現(xiàn)葉綠素a質量濃度正異常高值，變化周期以半年和半年以下時間為主；第二模態(tài)的方差貢獻為21.4%，其空間分布在長江口東部出現(xiàn)葉綠素a質量濃度異常高值，主要以年際為變化周期。

（References）：

［1］WU Yu－mei，XU Zhao－li，CUI Xue－sen，et al.Temporal－spatial

change of concentration of chlorophyll ain the East China Sea during 1997－2007［J］.Research of Environmental Science，2008，21（6）：137－142.伍玉梅，徐兆禮，崔雪森，等.1997—2007年東海葉綠素a質量濃度的時空變化分析［J］.環(huán)境科學研究，2008，21（6）：137－142.

［2］HAMA T，SHIN K H，HANDA N.Spatial variability in the primary productivity in the East China Sea and its adjacent waters［J］.Journal of Oceanography，1997，53：41－51.

［3］ZHOU Wei－h(huán)ua，YUAN Xiang－cheng，HUO Wen－yi，et al.Distribution of chlorophyll aand primary productivity in the adjacent sea area of Changjiang River Estuary［J］.Acta Oceanologica Sinica，2004，26（3）：143－150.周偉華，袁翔城，霍文毅，等.長江口鄰域葉綠素a和初級生產力的分布［J］.海洋學報，2004，26（3）：143－150.

［4］GONG G C，SHIAH F K，LIU K K，et al.Spatial and temporal variation of chlorophyll a，primary productivity and chemical hydrography in the southern East China Sea［J］.Continental Shelf Research，2000，20：411－436.

［5］SHANG Shao－ling，HONG Hua－sheng，ZHANG Cai－yun，et al.Chl adistribution feature of the Taiwan Straits region in winter，1998as observed by SeaWiFS［J］.Marine Science Bulletin，2001，20（2）：25－29.商少凌，洪華生，張彩云，等.1998年冬季臺灣海峽遙測葉綠素分布特征［J］.海洋通報，2001，20（2）：25－29.

［6］CHEN Chu－qun，SHI Ping，MAO Qing－wen.Satellite remotelysensed analysis of distribution characters of Chlorophyll concentration in South China Sea［J］.Journal of Tropical Oceanography，2001，20（2）：66－71.陳楚群，施平，毛慶文.南海海域葉綠素濃度分布特征的衛(wèi)星遙感分析［J］.熱帶海洋學報，2001，20（2）：66－71.

［7］CONG Pi－fu，NIU Zheng，MENG Ji－h(huán)ua，et al.Variability of chlorophyll aretrieved from satellite in Chinese shelf sea from 1998to 2003［J］.Marine Environmental Science，2006，25（1）：30－33.叢丕福，牛錚，蒙繼華，等.1998—2003年衛(wèi)星反演的中國陸架海葉綠素a濃度變化分析［J］.海洋環(huán)境科學，2006，25（1）：30－33.

［8］BECKERS J M，RIXEN M.EOF calculations and data filling from incomplete oceanographic data sets［J］.Journal of Atmospheric and Oceanic Technology，2003，20（12）：1 839－1 856.

［9］ALVERA－AZCARATE A，BARTH A，RIXEN M，et al.Reconstruction of incomplete oceanographic data sets using empirical orthogonal functions：Application to the Adriatic Sea［J］.Ocean Modelling，2005，9（4）：325－346.