李一凡,陳文忠(中國(guó)海洋大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院海洋技術(shù)系,山東 青島 266100)

基于MODIS和CALIOP衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)的氣溶膠光學(xué)厚度與海洋初級(jí)生產(chǎn)力相關(guān)性

李一凡,陳文忠*(中國(guó)海洋大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院海洋技術(shù)系,山東 青島 266100)

利用2003～2014年的MODIS和2009～2014年的CALIOP衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)產(chǎn)品,分析了我國(guó)華北地區(qū)(32°N～42°N,112°E～121°E)氣溶膠光學(xué)厚度和西北太平洋部分海域(40°N～50°N,150°E～180°E)海洋初級(jí)生產(chǎn)力的時(shí)空分布,并研究了二者之間的相關(guān)性.結(jié)果表明:我國(guó)華北地區(qū)氣溶膠光學(xué)厚度具有年季周期性,在每年的6、7月達(dá)到峰值;西北太平洋初級(jí)生產(chǎn)力同樣具有年季周期性,在每年的8、9月達(dá)到峰值;從華北地區(qū)到西北太平洋,在5、6月可以發(fā)現(xiàn)比較明顯的氣溶膠傳輸通道,高空風(fēng)場(chǎng)也與之對(duì)應(yīng);通過對(duì)長(zhǎng)時(shí)間序列數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)滯相關(guān)性分析,發(fā)現(xiàn)華北地區(qū)氣溶膠光學(xué)厚度與滯后其1～2個(gè)月的西北太平洋初級(jí)生產(chǎn)力有較高相關(guān)性,相關(guān)系數(shù)在0.7～0.8(通過a=0.05的顯著性檢驗(yàn))之間.但其中存在滯后時(shí)間短相關(guān)系數(shù)低的海域,可能是受到洋流輸送的影響.

氣溶膠光學(xué)厚度；海洋初級(jí)生產(chǎn)力；MODIS；CALIOP；相關(guān)性分析

大氣環(huán)境和海洋環(huán)境有著密切的聯(lián)系,無論是沙塵還是其他類型的氣溶膠,很大一部分都會(huì)最終沉降入海洋.大氣沉降是許多自然物質(zhì)和污染物質(zhì)從大陸輸送到海洋的重要途徑,也是海洋生物生長(zhǎng)所需營(yíng)養(yǎng)元素的主要來源,對(duì)海洋初級(jí)生產(chǎn)力有著重要的影響.在開闊大洋或者某些缺乏營(yíng)養(yǎng)元素的局部海域,這種影響顯得尤為突出.近30多年來,包括國(guó)際地圈生物圈計(jì)劃(IGBP)、國(guó)際全球大氣化學(xué)研究(IGAC)、全球海洋通量研究(JGOFS)、低層大氣和上層海洋研究(SOLAS)以及英國(guó)的陸-海相互作用研究(LOIS)等的研究成果已表明:經(jīng)過遠(yuǎn)距離輸送而到達(dá)世界大洋的大氣物質(zhì)是那里陸源物質(zhì)最主要的來源[1-2].物質(zhì)平衡模式的估算結(jié)果指出,在某些沿海區(qū)域,經(jīng)由大氣輸入的若干痕量物質(zhì)的總量幾乎相當(dāng)于河流的輸入量,有的甚至更多[3-4].有研究表明,大氣中含氮、含磷化合物等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的沉降,在某種程度上能促進(jìn)海洋初級(jí)生產(chǎn)力[5];也有研究表明,鐵限制了高營(yíng)養(yǎng)鹽低葉綠素(HNLC)海區(qū)中浮游生物的生產(chǎn)力[6],而源于大陸的沙塵氣溶膠通過遠(yuǎn)程傳輸和沉降到這樣的海區(qū),增加了海洋表層鐵等元素的含量,從而促進(jìn)這些海洋區(qū)域浮游植物初級(jí)生產(chǎn)力的大幅度提高.

以上的研究主要側(cè)重于微觀、小尺度的研究,而在更大的時(shí)間空間尺度上研究陸源大氣氣溶膠對(duì)海洋初級(jí)生產(chǎn)力的影響,則需要利用海洋遙感的手段加以輔助.在氣溶膠光學(xué)厚度方面,有研究通過MODIS衛(wèi)星數(shù)據(jù)產(chǎn)品分析各個(gè)地區(qū)的氣溶膠時(shí)空變化特征[7-8],也有研究利用 CALIPSO衛(wèi)星數(shù)據(jù)產(chǎn)品分析氣溶膠的高度分布特征和傳輸路徑[9-10].在海洋初級(jí)生產(chǎn)力方面,有研究通過MODIS衛(wèi)星數(shù)據(jù)產(chǎn)品分析了不同海域凈初級(jí)生產(chǎn)力的時(shí)空變化及趨勢(shì)[11].

本文通過MODIS和CALIOP傳感器獲得的長(zhǎng)期、大面積覆蓋和精確條狀覆蓋的衛(wèi)星遙感產(chǎn)品,建立研究區(qū)域的長(zhǎng)時(shí)間空間序列數(shù)據(jù)集,從宏觀上定性和定量分析我國(guó)華北地區(qū)氣溶膠光學(xué)厚度與西北太平洋海洋初級(jí)生產(chǎn)力的相關(guān)性.

1 數(shù)據(jù)及研究區(qū)域介紹

1.1 MODIS氣溶膠產(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)星上的一個(gè)最重要的星載儀器,用于對(duì)地球地表環(huán)境、海洋環(huán)境、生物圈和大氣環(huán)境進(jìn)行長(zhǎng)期的、不間斷的觀測(cè).MODIS傳感器是被動(dòng)式成像分光輻射計(jì),最大空間分辨率為 250m,掃描寬度2330km,每1～2d就可以掃描全部地球一次,其共有490個(gè)探測(cè)器,分布在從0.4μm(可見光)到14.4μm(熱紅外)的36個(gè)光譜波段.MODIS的多波段數(shù)據(jù)可以同時(shí)提供反映地球近地面空間環(huán)境狀況,如云特性、氣溶膠、海色、地表溫度、海溫、浮游植物和云相關(guān)度等特征的豐富信息,其中對(duì)氣溶膠進(jìn)行多波段(470、550、660、870、1240、1640和2130nm)的監(jiān)測(cè).

MODIS的二級(jí)氣溶膠反演產(chǎn)品具有 10km的分辨,包括陸地和海上氣溶膠光學(xué)厚度(Aerosol Optical Depth:AOD)、有效半徑、細(xì)模態(tài)顆粒比例等,本文采用的是 2003～2014年共12a的 MODIS三級(jí)氣溶膠產(chǎn)品 MOD08的“Aerosol_Optical_Depth_Land_Ocean_Mean”參量,分辨率為1°×1°,波段為綠光(550nm)的氣溶膠光學(xué)厚度作為研究對(duì)象.

1.2 海洋初級(jí)生產(chǎn)力產(chǎn)品數(shù)據(jù)

采用的海洋凈初級(jí)生產(chǎn)力產(chǎn)品數(shù)據(jù)是從美國(guó)俄勒岡州立大學(xué)的網(wǎng)站(http://www.science. oregonstate.edu/)上獲取的,該數(shù)據(jù)是將 MODIS相關(guān)產(chǎn)品作為輸入,用Standard VGPM模型進(jìn)行計(jì)算處理得到的.該模型的計(jì)算公式為:

輸入變量為:MODIS衛(wèi)星遙感產(chǎn)品中的葉綠素濃度(Chl)、光適應(yīng)變量(Poptb)、光適應(yīng)變量(Poptb)、光合有效輻射(Par)、海表面溫度(SST)、反差深度(Zeu)以及日平均光照周期(Day length).初級(jí)生產(chǎn)力的單位是mgC/(m2·d).

1.3 CALIOP氣溶膠產(chǎn)品數(shù)據(jù)

美國(guó)國(guó)家航空航天局NASA和法國(guó)航天局(French space agency) CNES在2006年4月聯(lián)合成功的發(fā)射了云-氣溶膠激光雷達(dá)和紅外開拓者衛(wèi)星觀測(cè)CALIPSO衛(wèi)星,成為“A-Train”的一部分,是目前較為全面準(zhǔn)確的氣溶膠垂直分布監(jiān)測(cè)衛(wèi)星.CALIPSO是一個(gè)太陽同步極軌衛(wèi)星,每16d可以提供同一地面位置的衛(wèi)星數(shù)據(jù)信息. CALIPSO衛(wèi)星上搭載的正交極化云-氣溶膠激光雷達(dá)CALIOP,可以在532nm和1064nm兩個(gè)波長(zhǎng)進(jìn)行后向散射測(cè)量.氣溶膠方面,CALIOP直接采用了AERONET對(duì)氣溶膠的分類方式,按照其相關(guān)參數(shù)將氣溶膠分為了六類:沙塵型氣溶(dust)、海洋型氣溶膠(marine)、污染陸地型氣溶膠(polluted continental)、清潔陸地型氣溶膠(clean continental)、煙塵型氣溶膠(smoke)、污染沙塵型氣溶膠(polluted dust).

本文中主要使用的是 2009～2014年的CALIOP星載激光雷達(dá)Level-2版本3的氣溶膠分層產(chǎn)品,它的地面水平分辨率為 5km.由于海洋型氣溶膠 (marine)和清潔陸地型氣溶膠在華北平原乃至我國(guó)大陸地區(qū)都存在極少,其影響可以忽略,所以本文只對(duì)沙塵型氣溶膠、污染沙塵型氣溶膠、污染陸地型氣溶膠和煙塵型氣溶膠進(jìn)行討論.

1.4 研究區(qū)域

本文所選的陸源氣溶膠研究區(qū)域主要為華北平原地區(qū)(32°N～42°N, 112°E～121°E,如圖1所示),其中既包括了內(nèi)蒙古中東部蘇尼特盆地這樣的沙塵暴高發(fā)中心,也包括了北京、天津、河北、山東、河南、安徽、江蘇等近10a來發(fā)展迅速但沙塵暴和污染尤為嚴(yán)重的地區(qū),是具有代表性的區(qū)域.我國(guó)陸源氣溶膠影響西北太平洋的主要路徑分為西北路徑和偏西路徑[12],其中,西北路徑為:內(nèi)蒙古中部-河北-朝鮮半島-日本-西北太平洋;偏西路徑為:陜西、山西中部-河北-朝鮮半島-日本-西北太平洋.這2條路徑都與華北地區(qū)密不可分.

本文所選的海洋初級(jí)生產(chǎn)力研究區(qū)域?yàn)槲鞅碧窖蟛糠趾Ｓ?40°N～50°N,150°E～180°E,如圖 1所示),該海域包括了 KNOT站(43°58’N, 155°03’E)、SA站(49°N,174°E)和PAPA地區(qū),具備高營(yíng)養(yǎng)鹽低葉綠素的特征,鐵是浮游生物的主要限制因素[13],同時(shí)也是開闊海域,有利于去除徑流等其他陸源因素的影響,更好的觀測(cè)大氣沉降對(duì)其帶來的影響,也便于將衛(wèi)星數(shù)據(jù)觀測(cè)結(jié)果與站點(diǎn)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)結(jié)果進(jìn)行比對(duì).

圖1 本文選取的研究區(qū)域Fig.1 Areas of interest selected for this study

2 結(jié)果與分析

2.1 我國(guó)華北地區(qū)氣溶膠光學(xué)厚度(AOD)的時(shí)空分布

2.1.1 基于MODIS數(shù)據(jù)的我國(guó)華北地區(qū)氣溶膠光學(xué)厚度的月度變化特征 利用 2003～2014年MODIS衛(wèi)星數(shù)據(jù)逐月統(tǒng)計(jì)分析我國(guó)氣溶膠光學(xué)厚度12a的平均分布情況,其分布如圖2所示.從我國(guó)AOD的月度變化圖中可以明顯看出,我國(guó)東北地區(qū)(黑龍江,吉林,遼寧及內(nèi)蒙古北部)、新疆維吾爾自治區(qū)部分區(qū)域、西藏自治區(qū)、青海省、甘肅省、云南省的AOD全年都處于較低的AOD水平,基本都在0.5以下.根據(jù)中國(guó)氣象中心的沙塵能見度資料,新疆沙漠地區(qū)和內(nèi)蒙古西部阿拉善高原的AOD較高,但由于反演方法的因素,MODIS衛(wèi)星在這些地區(qū)并未得到相關(guān)氣溶膠數(shù)據(jù).四川盆地的AOD全年都處于中高水平,東南地區(qū)、廣東廣西福建三省的AOD全年幾乎維持在0.4～0.6,但考慮到中國(guó)大陸一般季風(fēng)的方向和相關(guān)研究結(jié)果[14],認(rèn)為其對(duì)西北太平洋影響可以忽略.所以,這里重點(diǎn)關(guān)注華北地區(qū)AOD的月度變化.

圖2中可明顯看出,華北地區(qū)的AOD全年都處于較其他地區(qū)偏高的水平,從1月開始,就逐步升高,到 6月達(dá)到峰值,之后開始下降,12月達(dá)到最低值.但應(yīng)注意的是,夏季的高AOD一方面是由于氣溶膠的吸濕增長(zhǎng),消光效率增加造成的;另一方面是由于MODIS數(shù)據(jù)本身在夏季受云的影響存在高估[15].華北地區(qū) AOD的高值區(qū)較為集中,高值中心主要出現(xiàn)在河南中東部、河北南部、山東西部和江蘇北部,這些地區(qū)不僅塵暴情況比較嚴(yán)重,是我國(guó)的揚(yáng)沙高發(fā)區(qū)[16],也是平時(shí)新聞報(bào)道中空氣污染較為嚴(yán)重的地區(qū).

圖2 2003～2014年我國(guó)氣溶膠光學(xué)厚度月平均分布Fig.2 Distribution of monthly-averaged aerosol optical depth in China during 2003 to 2014

圖3 2009～2014年我國(guó)華北地區(qū)四種類型氣溶膠AOD逐月平均及其趨勢(shì)Fig.3 Monthly-mean AOD and trend of 4types of aerosols averaged for HuaBei area from 2009 to 2014

2.1.2 基于CALIOP數(shù)據(jù)的我國(guó)華北地區(qū)不同類型氣溶膠光學(xué)厚度的分布特征 本節(jié)利用2009～2014年共6a的CALIOP衛(wèi)星數(shù)據(jù),選取氣溶膠識(shí)別分?jǐn)?shù)CAD大于70的高可信度數(shù)據(jù),對(duì)華北地區(qū) 4種類型氣溶膠的光學(xué)厚度的月平均數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì),結(jié)果如圖3所示.從圖3中可以看到,華北地區(qū)光學(xué)厚度最低的是沙塵型氣溶膠,污染沙塵型氣溶膠中等,污染陸地性和煙塵型氣溶膠的光學(xué)厚度較大,且各類型的氣溶膠在春夏均有高值存在.

將大氣從海平面到10km,在高度上劃分為5層,分別為 0～2km,2～4km,4～6km,6～8km 和 8～10km[17].我國(guó)華北地區(qū)沙塵型氣溶膠、污染沙塵型氣溶膠、污染陸地型氣溶膠和煙塵型氣溶膠在不同高度上發(fā)生頻率的分布如圖 4所示.從圖 4中可以看到,沙塵型、污染沙塵性和煙塵型氣溶膠在 6～10km的高度有較高的發(fā)生頻率,尤其是在 8～10km,頻率值出現(xiàn)紅色,而污染陸地型氣溶膠則在6km以上不存在.一般認(rèn)為,沙塵抬升越高被傳輸?shù)木嚯x越遠(yuǎn)[18],6km以上的氣溶膠可以滿足從華北地區(qū)到西太平洋地區(qū)的遠(yuǎn)距離傳輸,所以可以認(rèn)為污染陸地型氣溶膠主要沉降至近海,對(duì)西北太平洋初級(jí)生產(chǎn)力基本沒有影響.此時(shí),對(duì)6km以上的沙塵型、污染沙塵型和煙塵型氣溶膠進(jìn)行逐月統(tǒng)計(jì),結(jié)果如圖5所示.從圖5中可以看出,沙塵型和污染沙塵型氣溶膠的峰值主要出現(xiàn)在春季,夏季觀測(cè)到的值很少且都較低,可以認(rèn)為幾乎沒有受到吸濕作用的影響;煙塵型氣溶膠總體的觀測(cè)值都較少,除了個(gè)別年份可以看到在冬季和夏季存在高值外,無法很好的體現(xiàn)具體的變化規(guī)律.

圖4 2009～2014年我國(guó)華北地區(qū)四種類型氣溶膠AOD在不同高度的發(fā)生頻率Fig.4 Occurrence frequencies of 4types of aerosols over HuaBei area at different altitude during 2009 to 2014

圖5 2009～2014年我國(guó)華北地區(qū)三種類型氣溶膠AOD在6km以上的逐月平均Fig.5 Monthly-mean AOD of 3types of aerosols averaged for HuaBei area from 2009 to 2014 (at the altitude over 6km)

2.2 西北太平洋海洋凈初級(jí)生產(chǎn)力(NPP)的時(shí)空分布

利用2003～2014年MODIS衛(wèi)星數(shù)據(jù)逐月統(tǒng)計(jì)分析西北太平洋海洋初級(jí)生產(chǎn)力 12年的平均分布情況,其分布如圖6所示.從西北太平洋NPP的月度變化圖中可以看到,該海域NPP的變化也是有起伏的.1月份和2月份,該海域主要受到溫度影響,海洋初級(jí)生產(chǎn)力值較低,基本在 200mgC/ (m2·d)以下.3月份的時(shí)候,在日本本州島北部、千葉群島南部,有一個(gè) NPP的明顯中高值出現(xiàn),在700mgC/(m2·d)上下,這可能與華北地區(qū)輸送過來的沙塵型氣溶膠沉降有關(guān),但也不排除日本群島的其他陸源影響.從 4月份開始,西北太平洋的NPP有一個(gè)明顯的從西向東的環(huán)抱式增長(zhǎng),8、9月份達(dá)到鼎盛,在9月份的時(shí)候整片海域的 NPP都達(dá)到高值,且分布比較均勻,在900mgC/(m2·d)左右.之后從10～12月份,NPP逐漸下降,在12月份的時(shí)候回到和1月份差不多的狀態(tài).

結(jié)合上節(jié)中AOD的月度分析,可以看到,華北地區(qū)AOD的高值早于西北太平洋NPP的高值1～2個(gè)月左右出現(xiàn),從而應(yīng)考慮到它們是具有時(shí)滯相關(guān)性的.

圖6 2003～2014年西北太平洋NPP月平均分布(mgC/(m2·d))Fig.6 Distribution of monthly-mean NPP in Northwestern Pacific Ocean during 2003 to 2014 (mgC/(m2·d))

2.3 基于MODIS數(shù)據(jù)觀察從華北地區(qū)氣溶膠到西北太平洋的傳輸通道

本節(jié)利用2003～2014年MODIS衛(wèi)星數(shù)據(jù),逐月統(tǒng)計(jì)分析含華北地區(qū)和西北太平地區(qū)的全區(qū)域(10°N-60°N, 110°E-180°E)氣溶膠光學(xué)厚度12年的平均分布情況,其分布圖如圖7所示.

圖7 2003～2014年3～8月全區(qū)域(10°N～60°N, 110°E～180°E)AOD月平均值Fig.7 Monthly-mean AOD in extended area (10°N～60°N, 110°E～180°E) from August to March during 2003 to 2014

從圖7中可以看到,從4月開始,華北地區(qū)氣溶膠有了向西北太平洋擴(kuò)散的趨勢(shì),5、6月擴(kuò)散程度加劇,可以看到比較明顯的氣溶膠傳輸通道,其大致位于125°E～165°E之間,從38°N開始,由西南向東北斜向傳輸,直到 48°N左右,形成傳輸帶.7月開始,傳輸強(qiáng)度下降,到 8月的時(shí)候,遠(yuǎn)距離傳輸基本完成,傳輸?shù)轿鞅碧窖笊峡盏臍馊苣z會(huì)發(fā)生沉降并影響該海區(qū)的初級(jí)生產(chǎn)力.已有文獻(xiàn)表明[19],受顆粒半徑等因素的影響,主要是沙塵氣溶膠會(huì)發(fā)生“對(duì)流層-平流層”傳輸,并能在平流層中形成持續(xù)性的沙塵傳輸帶.5、6月氣溶膠傳輸量變大,一方面可能是由于這 2個(gè)月中陸地溫度升高,地面強(qiáng)的輻射加熱并對(duì)流,大量低層沙塵被傳輸?shù)綄?duì)流層上層[20];另一方面可能是由于這個(gè)時(shí)期的高空風(fēng)場(chǎng)(350～250hPa)在該傳輸方向上有所增強(qiáng)(圖8給出了研究區(qū)域ECMWF 300hPa高度上的高空風(fēng)場(chǎng).

圖8 2003～2014年3～8月ECMWF資料300hPa高度上月平均風(fēng)場(chǎng)Fig.8 Monthly-mean wind fields from ECMWF at 300hPa over HuaBei area from August to March during 2003 to 2014

2.4 基于MODIS數(shù)據(jù)的華北地區(qū)AOD與西北太平洋NPP的相關(guān)性分析

本節(jié)利用2003～2014年共12年的MODIS衛(wèi)星數(shù)據(jù),將華北地區(qū)氣溶膠光學(xué)厚度和西北太平洋海洋初級(jí)生產(chǎn)力在這 144個(gè)月的月平均數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì),構(gòu)建出長(zhǎng)時(shí)間序列數(shù)據(jù)集,進(jìn)行時(shí)滯相關(guān)性分析,結(jié)果分別如圖9、圖10、圖11所示.

從圖9可以看到,在長(zhǎng)達(dá)144個(gè)月的時(shí)間序列中,華北地區(qū)AOD與滯后2個(gè)月左右的西北太平洋NPP峰值有著較好的匹配,在2004年、2005年、2007年、2010年還可以明顯看出,二者在高值部分的起伏都是極其相似的.也應(yīng)該注意到的是,在2009年和2012年,在高值部分出現(xiàn)了AOD較大而滯后的 NPP較小、AOD較小而滯后的NPP較大的情況,這時(shí)應(yīng)當(dāng)考慮,是否除了含“鐵肥料”(有利于海洋初級(jí)生產(chǎn)力增長(zhǎng))的沙塵型氣溶膠外,還有含重金屬或有害物質(zhì)(不利于海洋初級(jí)生產(chǎn)力增長(zhǎng))的其他類型氣溶膠沉降進(jìn)了西北太平洋.圖中虛線為趨勢(shì)線,可以看到,二者在大時(shí)間尺度上的走向較為一致,均為大體平穩(wěn),都略有上升趨勢(shì).

對(duì)圖5中的2條長(zhǎng)時(shí)間序列進(jìn)行相關(guān)性分析,如圖10所示,得到了它們的時(shí)滯相關(guān)系數(shù)曲線,可以看到,與之前定性分析的結(jié)果吻合,華北地區(qū)AOD和滯后其1～2個(gè)月的西北太平NPP相關(guān)系數(shù)最高,可達(dá)到0.82,該相關(guān)系數(shù)滿足95%的置信度.

圖11是對(duì)圖9和圖10的補(bǔ)充和印證,由于圖9和圖10所用到的數(shù)據(jù)是整個(gè)華北地區(qū)和西北太平洋的平均數(shù)據(jù),可以充分展示其共性,但也有可能忽略掉個(gè)別小區(qū)域的特性.為了使結(jié)果更準(zhǔn)確,在圖11(1)(2)中,利用分辨率為1°×1°的柵格數(shù)據(jù),逐點(diǎn)逐月統(tǒng)計(jì)了我國(guó)有衛(wèi)星數(shù)據(jù)的地區(qū)每一個(gè)格點(diǎn)144個(gè)月的AOD均值,將其與西北太平洋部分海域NPP對(duì)應(yīng)的月均值進(jìn)行分析;而在圖11(3)(4)中,則利用分辨率為 1°×1°的柵格數(shù)據(jù),逐點(diǎn)逐月統(tǒng)計(jì)了西北太平洋部分海域每一個(gè)格點(diǎn)144個(gè)月的NPP均值,將其與華北地區(qū)AOD對(duì)應(yīng)的月均值進(jìn)行分析.

圖9 2003～2014年我國(guó)華北地區(qū)AOD與西北太平洋NPP的逐月平均及其趨勢(shì)Fig.9 Monthly-mean and trend of AOD in Huabei area of China and NPP in Northwestern Pacific Ocean from 2003 to 2014

圖10 2003～2014年我國(guó)華北地區(qū)AOD與西北太平洋NPP時(shí)間序列逐月平均的時(shí)滯相關(guān)性Fig.10 The correlation between area-averaged AOD of Huabei and NPP in Northwestern Pacific Ocean from 2003 to 2014

圖11(1)反映了,每個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)的AOD與西北太平洋NPP時(shí)間序列的時(shí)滯相關(guān)系數(shù)最高值的分布情況,從中可以看出,與全國(guó)其他有衛(wèi)星數(shù)據(jù)的地區(qū)相比,華北地區(qū)(圖中黑框內(nèi)區(qū)域)AOD與西北太平洋NPP時(shí)間序列的相關(guān)系數(shù)明顯更高,其高值可達(dá)到0.8,低值也在0.55以上,區(qū)域均值為0.72,說明2個(gè)地區(qū)之間的聯(lián)系應(yīng)該是比較密切的.圖11(2)反映了當(dāng)每個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)的AOD與西北太平洋NPP時(shí)間序列達(dá)到最高時(shí)滯相關(guān)系數(shù)時(shí)NPP滯后的時(shí)間,可以看到華北地區(qū)對(duì)應(yīng)的滯后時(shí)間主要在1～2個(gè)月.圖11(3)反映了華北地區(qū)AOD與西北太平洋NPP時(shí)間序列的時(shí)滯相關(guān)系數(shù)最高值的分布情況,可以看到,相關(guān)系數(shù)的高值可以達(dá)到0.8,低值也在0.5以上,區(qū)域均值為0.71,與圖 11(1)中的相關(guān)系數(shù)一致.圖 11(4)中大范圍的滯后時(shí)間也為1～2個(gè)月,與圖11(2)一致.具體來看,圖 11(3)(4)中相關(guān)系數(shù)和時(shí)滯時(shí)間存在一個(gè)比較明顯的帶狀分布,從南到北,相關(guān)系數(shù)從 0.5上升到近0,時(shí)滯時(shí)間也由0或1個(gè)月變?yōu)?個(gè)月,這時(shí)考慮是否在相關(guān)性較低的區(qū)域還受到洋流輸送的影響.為了驗(yàn)證這一點(diǎn),從 AVISO獲取海表面高度異常數(shù)據(jù),觀測(cè)洋流流場(chǎng)情況.根據(jù) 2.3中的分析,氣溶膠傳輸帶是從 3月開始逐漸出現(xiàn),8月基本結(jié)束的,故本節(jié)重點(diǎn)關(guān)注3～8月的月平均洋流流場(chǎng)情況,如圖12所示.從圖12可以看出,洋流的運(yùn)動(dòng)與圖 11(3)(4)十分對(duì)應(yīng):在洋流流速慢的區(qū)域(44°N以北,156°E以東),AOD與NPP的相關(guān)性較高,均值可達(dá)到0.75,最高相關(guān)系數(shù)的時(shí)滯時(shí)間為2個(gè)月;在洋流流速較大的區(qū)域(44°N以南,156°E以西,可能是黑潮的分支),AOD與NPP的相關(guān)性降低,均值僅為0.56,且最高相關(guān)系數(shù)的時(shí)滯時(shí)間由2個(gè)月變?yōu)?個(gè)月甚至0個(gè)月.說明本文所選的研究區(qū)域中,一部分海域(44°N以北,156E°以東)由于洋流流速較緩且海面相對(duì)平穩(wěn),運(yùn)輸較弱,受洋流影響較小;另一部分海域(44°N以南,156°E以西)確實(shí)受到洋流輸送的影響,洋流帶來了先前沉降在附近海域的氣溶膠,使得該部分海域NPP的增長(zhǎng)早于受洋流影響較小的海域,并造成該部分海域 NPP與華北地區(qū)AOD的相關(guān)性下降.

將圖11結(jié)合圖10來看,圖11中區(qū)域平均相關(guān)系數(shù)為0.72,是低于圖10中計(jì)算的時(shí)滯相關(guān)系數(shù)0.82的,這主要是由于圖10中將較大的一片區(qū)域的值平均為一個(gè)值,會(huì)造成一些相關(guān)性較低的區(qū)域被掩蓋.但是,圖10和圖11中都顯示,西北太平部分海域NPP滯后華北地區(qū)AOD1～2月時(shí),二者相關(guān)系數(shù)最高,這部分兩圖的分析結(jié)果是一致的.

圖11 2003～2014年我國(guó)華北地區(qū)AOD與西北太平洋NPP時(shí)間序列相關(guān)性最高的時(shí)滯月數(shù)及其對(duì)應(yīng)相關(guān)系數(shù)Fig.11 The highest lead-lag correlation coefficients and lags between long time-series data of AOD in Huabei area of China and NPP in Northwestern Pacific Ocean during 2003 to 2014

2.5 基于CALIOP數(shù)據(jù)的華北地區(qū)AOD與西北太平洋NPP的相關(guān)性分析

從圖 13中可以看到,沙塵型 AOD滯后其1～2個(gè)月的西北太平洋NPP有較高的相關(guān)性,相關(guān)系數(shù)約為0.8.污染陸地型AOD出現(xiàn)負(fù)延遲,結(jié)合 2.1.2中的分析,污染陸地型氣溶膠普遍存在6km以下的大氣中,所以其更易沉降入近海,遠(yuǎn)距離傳輸特性較差,對(duì)西北太平洋的影響較小.污染沙塵型AOD與滯后其2個(gè)月的西北太平洋NPP有較高的相關(guān)性,相關(guān)系數(shù)約為 0.81.煙塵型AOD也出現(xiàn)了負(fù)延遲,一種可能性是其顆粒半徑較大,在遠(yuǎn)距離運(yùn)輸途中發(fā)生大規(guī)模沉降和擴(kuò)散,大部分進(jìn)入近海,對(duì)西北太平洋NPP的影響幾乎沒有;另一種可能性是海水吸收煙塵型氣溶膠的速度較慢,其對(duì)西北太平洋的影響可能延遲到下一年,要弄清楚這個(gè)問題還需要進(jìn)一步的研究.

圖13 2009～2014年我國(guó)華北地區(qū)四種類型氣溶膠AOD與西北太平洋NPP逐月平均的時(shí)滯相關(guān)性Fig.13 The correlation between area-averaged of 4types AOD of Huabei and NPP in Northwestern Pacific Ocean from 2009 to 2014

圖14 2009～2014年我國(guó)華北地區(qū)總氣溶膠AOD與西北太平洋NPP逐月平均的時(shí)滯相關(guān)性Fig.14 The correlation between area-averaged of total AOD of Huabei and NPP in Northwestern Pacific Ocean from 2009 to 2014

從圖14中可以看到,我國(guó)華北地區(qū)總AOD與滯后其1個(gè)月的西北太平洋NPP相關(guān)性較高,相關(guān)系數(shù)在0.82以上,這與2.4中MODIS數(shù)據(jù)的分析結(jié)果相符.以上所涉及到的相關(guān)系數(shù)均滿足95%的置信度.

3 結(jié)語

由于受到氣溶膠長(zhǎng)距離傳輸條件的限制,從我國(guó)華北地區(qū)長(zhǎng)距離傳輸?shù)轿鞅碧窖笊峡盏臍馊苣z應(yīng)該主要是沙塵型氣溶膠和污染沙塵型氣溶膠.這時(shí)聯(lián)系“鐵假說”[6]來考慮,影響海洋初級(jí)生產(chǎn)力的要素很多,例如海水溫度和太陽輻射等都對(duì)海洋初級(jí)生產(chǎn)力有重要的作用[21-22],但本文所研究的西北太平洋部分海域是具有高營(yíng)養(yǎng)低葉綠素(HNLC)的特點(diǎn),鐵是這里浮游生物的主要限制因素.而95%的鐵又來自大陸的沙塵[22].所以可以認(rèn)為是華北地區(qū)的沙塵氣溶膠為西北太平洋HNLC海域帶來了鐵元素,從而促進(jìn)其初級(jí)生產(chǎn)力的增長(zhǎng).

沙塵氣溶膠從中亞大陸遠(yuǎn)程傳輸?shù)奖碧窖蟠蠹s需要7～10d的時(shí)間[23],經(jīng)過中途的沉降和在大氣中的擴(kuò)散,到達(dá)西北太平洋上空時(shí),沙塵濃度已經(jīng)大幅度降低,而且沙粒子的半徑一般已經(jīng)＜10μm,以 2～4μm 的粒子為主[12],這種細(xì)的沙塵粒子從海表沉降到海洋深度3000m處大約需要20d的時(shí)間[24],再加上海洋浮游生物進(jìn)行光合作用等生化過程的時(shí)間,一共約需要1～2個(gè)月.根據(jù)對(duì)MODIS和CALIOP衛(wèi)星數(shù)據(jù)產(chǎn)品長(zhǎng)時(shí)間序列的相關(guān)性分析,相關(guān)系數(shù)最高時(shí)所對(duì)應(yīng)的延遲時(shí)間也為1～2個(gè)月,與實(shí)際情況相符.其中,延遲2個(gè)月的海域可能是單純氣溶膠沉降的結(jié)果,受洋流的影響可以忽略;而延遲1個(gè)月的海域則可能除了氣溶膠沉降外,還受到了洋流輸送的影響,洋流帶來了沉降在附近海域的氣溶膠,使得這部分海域不僅僅吸收了直接沉降的氣溶膠,還吸收了洋流運(yùn)輸來的氣溶膠,初級(jí)生產(chǎn)力增長(zhǎng)時(shí)間提前.綜上,可以認(rèn)為華北平原上空的氣溶膠受季風(fēng)影響,向東運(yùn)輸,到達(dá)西北太平洋上空并進(jìn)行沉降,結(jié)合洋流的輸送,促進(jìn)了西北太平洋凈初級(jí)生產(chǎn)力的增長(zhǎng).這一“運(yùn)輸→沉降→初級(jí)生產(chǎn)力增長(zhǎng)”的過程大約需要1～2個(gè)月來完成.

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致謝：感謝美國(guó)國(guó)家宇航局(NASA)提供的MODIS數(shù)據(jù),以及美國(guó)俄勒岡州立大學(xué)提供的海洋初級(jí)生產(chǎn)力數(shù)據(jù).

Correlation between aerosol optical depth and ocean primary productivity based on MODIS and CALIOP data.

LI Yi-fan, CHEN Wen-zhong*
(Department of Marine Technology, College of Information Science and Engineering, Ocean University of China, Qingdao 266100, China). China Environmental Science, 2017,37(1)：76～86

Spatial and temporal distributions of aerosol optical depth (AOD) in Huabei area of China (32°N～42°N, 112°E～121°E) and the ocean primary productivity in Northwestern Pacific Ocean (40°N～50°N, 140°E～180°E) were analyzed using satellite remote sensing data from MODIS (2003～2014) and CALIOP (2009～2014). And the correlations between these two parameters were further studied. The results showed that: the AOD in Huabei area varied seasonally and peaked in June and July. The ocean primary productivity in Northwestern Pacific Ocean also showed seasonal periodicity and was highest in August and September. An aerosol transportation channel from Huabei area to the Northwestern Pacific Ocean was revealed in May and June, along with the high-altitude wind fields. Indicated by Lead-lag correlation analysis of long time-series data, relatively higher correlation coefficient (ranging from 0.7 to 0.8, tested by a = 0.05) was found between AOD in Huabei area and ocean primary productivity in Northwestern Pacific Ocean which lagged behind the former for 1 to 2 months. Nevertheless, areas with shorter lag time and lower correlation index might be affected by ocean current transportation.

aerosol optical depth；ocean primary productivity；MODIS；CALIOP；correlation analysis

X87

A

1000-6923(2017)01-0076-11

李一凡(1991-),女,山東諸城人,中國(guó)海洋大學(xué)碩士研究生,主要從事大氣與海洋環(huán)境遙感方面的研究.發(fā)表論文1篇.

2016-05-12

利用多衛(wèi)星傳感器資料研究大氣氣溶膠對(duì)海洋初級(jí)生產(chǎn)力的影響機(jī)制(41375142)

* 責(zé)任作者, 副教授, WZChen@ouc.edu.cn