李 娜， 甘波瀾

(中國海洋大學物理海洋教育部重點實驗室，山東 青島 266100)

海洋覆蓋了地球表面的70%，浮游植物是海洋生態(tài)系統(tǒng)中主要的初級生產(chǎn)力，貢獻了整個地球凈初級生產(chǎn)力的一半[1-2]。浮游植物的光合作用是海洋生物泵(Biological bump)的主要過程之一[3]，驅(qū)動了海洋的生物地球化學循環(huán)，也影響著整個地球系統(tǒng)的氣候變化。反過來，浮游植物的分布主要受光照、水溫、營養(yǎng)鹽(硝酸鹽、磷酸鹽、鐵等)的控制,而這些生長限制因子又受到海洋環(huán)流、混合層的動力過程、上升流、大氣塵埃沉降、太陽周期活動的影響。凈初級生產(chǎn)(Net primary production, NPP)等于總光合固碳量(或總初級生產(chǎn)力，GPP)減去浮游植物呼吸消耗的有機碳量。NPP是GPP的一部分，可用于生態(tài)系統(tǒng)的非光合或異養(yǎng)組分。Behrenfeld等[4]首次發(fā)現(xiàn)，在中低緯度常年層化的海區(qū)，海洋凈初級生產(chǎn)力的變化與多變量ENSO指數(shù)(Multivariate ENSO Index，MEI)具有很強的一致性，與海表面溫度(Sea surface temperature, SST)具有很好的負相關(guān)關(guān)系，指出較暖的上層海洋使得海洋內(nèi)部層化加強，垂向混合減弱，進而營養(yǎng)鹽供應不足，海洋凈初級生產(chǎn)力降低。然而，MEI本身是由海平面氣壓、海表面風、SST、海表面氣溫、云量一系列海洋表層和大氣數(shù)據(jù)計算得到，缺少海洋次表層信息的直接對應量，對于研究在海洋中具有一定垂向分布特征、最大值出現(xiàn)在次表層的浮游植物貢獻的海洋凈初級生產(chǎn)力存在一定局限性。海洋動力過程是否影響凈初級生產(chǎn)力還不清楚。海洋環(huán)流變化可反映在動力高度變化上，其可通過引起異常的平流熱輸送影響整個上層海洋溫度變化。

北太平洋副熱帶環(huán)流(North Pacific subtropical gyre)是位于北太平洋副熱帶海域由北赤道流、黑潮、黑潮延伸體、北太平洋流及加里福尼亞流構(gòu)成的環(huán)流圈，也包括北太平洋副熱帶逆流和黑潮延伸體以南的再循環(huán)流[5]。作為全球重要的輻聚區(qū)，也被稱為“海洋沙漠”，該環(huán)流圈在向深海輸運碳和營養(yǎng)物質(zhì)方面扮演著重要的角色[6]。次表層海水密度變化可以提供海洋環(huán)流變化和相關(guān)動力高度(或類似比容海平面)的信息。另一方面，浮游植物作為海洋凈初級生產(chǎn)力的重要貢獻者，其被動漂浮的特性使其很容易受到溫度和海洋環(huán)流的影響。最近一些證據(jù)表明浮游植物比環(huán)境變量更具有敏感性，生物群落的非線性響應能放大輕微的環(huán)境擾動[7]。衛(wèi)星記錄的葉綠素和初級生產(chǎn)時間序列清楚地顯示了厄爾尼諾現(xiàn)象的時空特征[8]。在正常情況下，從深層到表層的富營養(yǎng)冷水的上升流增強了東太平洋的初級生產(chǎn)，而在El Nio期間營養(yǎng)供應和初級生產(chǎn)可降低80%[9-10]。El Nio期間赤道太平洋的西風顯著加強，將大量的暖水向東部推移，東部太平洋區(qū)域表現(xiàn)為海表面溫度升高、海平面升高、上層混合層以及營養(yǎng)鹽躍層加深，進而導致初級生產(chǎn)力的減少。同時，西熱帶太平洋的初級生產(chǎn)增加[11-12]。

基于此，本文將聚焦北太平洋副熱帶海域，分析海洋環(huán)流變化與海洋凈初級生產(chǎn)力的關(guān)系。在過去20年間，隨著海洋遙感技術(shù)的發(fā)展，水色衛(wèi)星傳感器可以提供全球海洋表層生態(tài)系統(tǒng)的遙感數(shù)據(jù)，解決了傳統(tǒng)的船基走航觀測時空分辨率不足的問題，大大提升了海洋生態(tài)學與生物地球化學，特別是對浮游植物在大時空尺度上的觀測能力[13]，為生產(chǎn)力的研究提供數(shù)據(jù)支持。此外，始于2000年的Argo計劃首次提供了連續(xù)的環(huán)流尺度上的海洋次表層觀測信息，盡管其時間跨度還較短，仍然可以從中獲取有效的年際變化信號[14]，是研究上層海洋動力過程的重要觀測數(shù)據(jù)。本文將結(jié)合Argo觀測數(shù)據(jù)和海洋凈初級生產(chǎn)力衛(wèi)星遙感產(chǎn)品，分析在季節(jié)和年際時間尺度上，北太平洋副熱帶環(huán)流與海洋凈初級生產(chǎn)力的時空變化和相互關(guān)系，揭示生態(tài)和物理耦合的基本特征。

1 資料和方法

海洋凈初級生產(chǎn)力(NPP，單位mg·m-2·d-1)選用垂向廣義生產(chǎn)模型(Vertically generalized production model，VGPM)計算得到的標準產(chǎn)品，空間分辨率1/12(°)×1/12(°)(約9 km×9 km)。VGPM的輸入量有MODIS觀測的Chl-a與SST數(shù)據(jù)、寬視場海洋觀測傳感器(SeaWiFS)觀測的海表面日有效光合輻照度(PAR)數(shù)據(jù)、以及由Morel和Berthon[15]建立的基于葉綠素濃度的真光層深度估計模型計算得到的真光層深度(z_eu)。本文選取2004年1月到2014年12月共計11年的月平均數(shù)據(jù)，因海洋凈初級生產(chǎn)力數(shù)值大小在0～1 000之間，量級變化較大，這點與物理要素十分不同，一般對其取對數(shù)后再進行分析。

在研究海洋凈初級生產(chǎn)力的年際變化時，海洋凈初級生產(chǎn)力數(shù)據(jù)雖然在葉綠素濃度數(shù)據(jù)的基礎上對云層影響的數(shù)據(jù)進行了處理，較Chl-a有了更多的有效空間點，但仍存在較多的缺省值。因此，本文將原數(shù)據(jù)插值到與動力高度相同的分辨率后又進行緯向7點平滑，經(jīng)向5點平滑，與ARGO數(shù)據(jù)對應。在分析年際變化時，為去除季節(jié)變化的影響，將月數(shù)據(jù)減去多年逐月平均得到距平數(shù)據(jù)，并去掉線性趨勢，之后進行經(jīng)驗正交函數(shù)展開(EOF)和奇異值分解(SVD)。

(1)

(2)

〈DH(x,y,p,t)〉x,y。

(3)

之后對其進行緯向7點平滑和經(jīng)向5點平滑。因為數(shù)據(jù)分辨率是1°，所以該處理是為了濾掉尺度小于500 km的運動特征。

為了更好地分析溫度引起的動力高度變化，與Behrenfeld得到的SST和NPP的負相關(guān)關(guān)系進行對比。本文將動力高度分解為溫度貢獻部分和鹽度貢獻部分，分別得到DT和DS[16]。

(4)

(5)

盡管該分解由于密度計算過程中的非線性，使得DH并不嚴格等于DT+DS，但已驗證 (DT+DS)/DH與1的差值均小于10-2。在分析年際變化時，DT和DS與動力高度進行相同的數(shù)據(jù)預處理，先求空間距平，再平滑，最后去掉其氣候態(tài)、季節(jié)循環(huán)、線性趨勢后得到時間距平之后進行EOF和SVD分析。

考慮到EOF方法與SVD方法的原則不同：EOF分析一個要素場，尋找該要素場空間型的原則是使得用這些空間型為基向量展開該場時，場的總誤差方差極小化，或者使空間型和時間系數(shù)表示出的場的方差達最大(PCA原則)，用前幾個空間型及其時間系數(shù)表達出該場時空變率的主要結(jié)構(gòu)，即表示出場總方差的大部分；而SVD分析的實際對象是兩個不同的場，功能是尋找兩個場時空變化的聯(lián)系，其原則是使成對的空間型的時間系數(shù)之間的協(xié)方差達最大、次大……，是從表示出兩個場相關(guān)結(jié)構(gòu)的角度出發(fā)的，而不顧及所尋找的空間型是否能表達各個場自身的變率結(jié)構(gòu)。在具體應用中，如果SVD分析的兩個場的大尺度異常的成因是相互聯(lián)系的，那么它們單獨做EOF分析所得的空間型可能很相似?；诖?，本文分別對三種動力高度和海洋凈初級生產(chǎn)力做EOF和SVD，觀察EOF和SVD結(jié)果是否自洽，論證動力高度和海洋凈初級生產(chǎn)力兩場相關(guān)性的強弱。

2 北太平洋副熱帶區(qū)海洋環(huán)流與凈初級生產(chǎn)力的季節(jié)變化及相互關(guān)系

從動力高度的季節(jié)分布(見圖1)可以看出，副熱帶北太平環(huán)流區(qū)的特征是西側(cè)的高動力高度(深密度躍層)中心，該中心邊緣有著因為密度躍層露頭導致的強的水平溫度、鹽度梯度。根據(jù)經(jīng)典的大洋環(huán)流理論，西邊界流由于β效應(科氏參數(shù)隨緯度的變化)的存在被加強，而環(huán)流的中部和東部則較弱[17]。在中緯度的副熱帶鋒面(Subtropical front, STF)密度躍層變淺，等密面露頭；在赤道，由于埃克曼輸運導致的水體輻散產(chǎn)生的上升流，密度躍層同樣變淺。

圖2顯示溫度貢獻的動力高度(DT)的季節(jié)分布和動力高度(DH)的季節(jié)分布整體很相似，高值中心都位于西部。而鹽度貢獻的動力高度(DS)的季節(jié)分布則呈現(xiàn)與緯度相關(guān)的條帶狀，高值中心位于東部，并偏向北側(cè)，環(huán)流區(qū)東側(cè)存在DS高值伸向低緯的舌狀分布，與該區(qū)域存在的從副極地低鹽區(qū)流向副熱帶高鹽區(qū)的加利福尼亞寒流有關(guān)；而西側(cè)的DS低值伸向高緯的舌狀分布，與黑潮密切有關(guān)。

圖1 北太平洋副熱帶環(huán)流區(qū)動力高度(a)1月、(b)4月、(c)7月、(d)10月氣候態(tài)數(shù)據(jù)的空間分布

溫度貢獻的動力高度(DT)的季節(jié)分布與動力高度(DH)的季節(jié)分布的差異性相較于鹽度貢獻的動力高度(DS)的季節(jié)分布與動力高度(DH)的季節(jié)分布的差異性總體較小，因為溫度貢獻的動力高度的量值較鹽度貢獻的動力高度的量值大一些，但也存在區(qū)域差異性。從圖2中可以看出副熱帶北太平環(huán)流區(qū)東北角以及北部很窄的一段海區(qū)DS的量值和DT基本持平，甚至略大于DT，該區(qū)域溫度和鹽度對于動力高度的影響同等重要，而副熱帶北太平環(huán)流區(qū)西南部和中部則主要是DT主導，溫度貢獻了主要的動力高度份額。

SST的季節(jié)變化(見圖3)一方面與太陽直射點在地球上的移動基本一致，另一方面也可以看到SST并不完全呈緯帶狀分布，還受到來自反氣旋環(huán)流的調(diào)制作用。北太平洋副熱帶環(huán)流區(qū)的西側(cè)由于西邊界流從低緯度地區(qū)向中緯度地區(qū)輸運高熱量的海水，使得該區(qū)域SST高于同緯度。而在北太平洋副熱帶環(huán)流區(qū)的東側(cè)，由于沿岸為從高緯度地區(qū)流向低緯度地區(qū)的寒流，該區(qū)域SST普遍低于同緯度。

(左右排分別對應SST和NPP。The left and right rows correspond to SST and NPP.)

在北太平洋副熱帶環(huán)流區(qū)，由于SST常年高于15 ℃，NPP的分布主要受到營養(yǎng)鹽的影響。7～12月，北太平洋副熱帶環(huán)流區(qū)海溫偏高，上層海洋層結(jié)較強，混合層深度(Mixed-layer depth，MLD)較淺，浮游植物較少，NPP較低。1～6月，北太平洋副熱帶環(huán)流區(qū)海溫偏低，西風強盛，上層海洋層結(jié)減弱，混合層加深，浮游植物較多，NPP較高。在此基礎上，對北太平洋副熱帶環(huán)流區(qū)各要素逐月進行面積加權(quán)的空間平均，表征各要素在各月份的基本情況，其時間序列見圖4。

圖4可以看出動力高度(DH)和溫度貢獻的動力高度(DT)季節(jié)變化趨勢基本一致，與鹽度貢獻的動力高度(DS)在6月份出現(xiàn)明顯的差異。動力高度和SST呈現(xiàn)明顯的正相關(guān)，與NPP呈現(xiàn)明顯的負相關(guān)，并與Behrenfeld等[4]在全球所有副熱帶海區(qū)得到的SST與NPP負相關(guān)結(jié)論一致。

圖4 北太平洋副熱帶環(huán)流區(qū)動力高度(DH)、溫度貢獻的動力高度(DT)、鹽度貢獻的動力高度(DS)、海表面溫度(SST)、海洋凈初級生產(chǎn)力的負數(shù)(-NPP)的季節(jié)變化

3 北太平洋副熱帶區(qū)海洋環(huán)流與凈初級生產(chǎn)力的年際變化及相互關(guān)系

圖6展示了海洋凈初級生產(chǎn)力的EOF第一模態(tài)，其方差貢獻率為15.51%，通過了顯著性檢驗。由于生物要素相較于物理要素具有更強的敏感性，其時間序列表現(xiàn)出更多高頻的信息。當該空間型的時間系數(shù)大于零時，NPP在北太平洋副熱帶環(huán)流區(qū)呈現(xiàn)西南至中部傾斜分布的正異常中心，負異常大值區(qū)位于環(huán)流區(qū)的東南部。值得注意的是，NPP的上述正異常中心分布與副熱帶逆流相近，預示著海洋環(huán)流調(diào)整對海洋凈初級生產(chǎn)力的影響。

圖5 北太平洋副熱帶環(huán)流區(qū)(a)動力高度的空間距平、(b)溫度貢獻的動力高度的空間距平、(c)鹽度貢獻的動力高度的空間距平、(d)海表面溫度、(e)凈初級生產(chǎn)力的對數(shù)的時間平均的空間分布

圖6 北太平洋副熱帶環(huán)流區(qū)(a)凈初級生產(chǎn)力對數(shù)(log(NPP))經(jīng)驗正交函數(shù)展開第一模態(tài)和(b)時間序列

圖7 北太平洋副熱帶環(huán)流區(qū)(a)動力高度經(jīng)驗正交函數(shù)展開的第一模態(tài)，(b)海表面溫度回歸到EOF-1的時間序列上得到的空間分布，(c)海洋凈初級生產(chǎn)力對數(shù)(log(NPP))回歸到EOF-1的時間序列上得到的空間分布及(d)EOF-1的時間序列Fig.7 (a) The first EOF-mode of dynamic height, (b) the spatial distribution of SST regression to the EOF-1 time coefficients, (c) the spatial distribution of net primary production logarithm (log(NPP)) regression to the EOF-1 time coefficients and (d) the time coefficients of EOF-1 in NPSG

圖8 北太平洋副熱帶環(huán)流區(qū)(a)動力高度與(c)凈初級生產(chǎn)力對數(shù)奇異值分解的第一模態(tài)的空間分布和(d)動力高度(藍色實線)與凈初級生產(chǎn)力對數(shù)(紅色實線)的時間序列，(b)海表面溫度回歸到動力高度的時間序列上得到的空間分布Fig.8 (a) (c) Spatial patterns and (d) time series of dynamic height (blue solid lines) and net primary production logarithm (red solid lines) of first SVD-mode between dynamic height and net primary production logarithm and (b) the spatial distribution of SST regression to the SVD-1 time coefficients of dynamic height in NPSG

仔細觀察，動力高度的正值區(qū)(負值區(qū))與海洋凈初級生產(chǎn)力的負值區(qū)(正值區(qū))對應性非常好，二者存在非常好的負相關(guān)關(guān)系。環(huán)流區(qū)被一條東北-西南走向斜線近似分成左右兩半，SST和NPP的負相關(guān)關(guān)系也與Behrenfeld等[4]得到的結(jié)論一致，但SST和NPP空間分布的對應性不及DH和NPP，體現(xiàn)了海洋次表層信息之間的對應性會更好。

動力高度的正值區(qū)(負值區(qū))與海表面溫度的正值區(qū)(負值區(qū))也具有較好的對應性。動力高度增高，周圍水向中間輻合，海表面溫度升高，反之則海表面溫度降低。二者正相關(guān)。

綜上所述，動力高度和海洋凈初級生產(chǎn)力負相關(guān)關(guān)系可從兩個角度進行解釋。一方面，動力高度與海表面溫度正相關(guān)，海表面溫度與海洋層化強度正相關(guān)。動力高度升高導致海表面溫度升高，上層海洋密度與下層海洋密度差增大，阻礙了營養(yǎng)鹽的向上輸運，抑制了海洋凈初級生產(chǎn)力的增長。另一方面，動力高度升高，海洋溫躍層下壓，溫躍層深度升高，而溫躍層與硝酸鹽躍層因為溫度-硝酸鹽關(guān)系，呈現(xiàn)非常好的相關(guān)性[17]。于是，硝酸鹽躍層加深，不利于垂向混合將硝酸鹽躍層下的高硝酸鹽海水帶向上層海水，導致海洋凈初級生產(chǎn)力由于營養(yǎng)鹽的限制而降低。

圖9 北太平洋副熱帶環(huán)流區(qū)(a)溫度貢獻的動力高度與(c)凈初級生產(chǎn)力對數(shù)奇異值分解的第一模態(tài)的空間分布和(d)溫度貢獻的動力高度(藍色實線)與凈初級生產(chǎn)力對數(shù)(紅色實線)的時間序列及(b)海表面溫度回歸到溫度貢獻的動力高度的時間序列上得到的空間分布

4 結(jié)論

本文利用2004—2014年衛(wèi)星遙感的海洋凈初級生產(chǎn)力、ARGO溫鹽數(shù)據(jù)計算得到的動力高度以及ECMWF的再分析資料中的SST的月平均數(shù)據(jù)，分析了2004—2014年動力高度與海洋初級生產(chǎn)力之間在季節(jié)和年際尺度上的關(guān)系，以及在年際尺度上溫度貢獻的動力高度(DT)和鹽度貢獻的動力高度(DS)變化對NPP影響的相對重要性，主要結(jié)論如下：

(1)動力高度與海洋凈初級生產(chǎn)力在季節(jié)和年際尺度上存在非常好的負相關(guān)性。該結(jié)論可以從兩個方面進行解釋。一方面，動力高度與海表面溫度正相關(guān)，海表面溫度與海洋層化強度正相關(guān)。動力高度升高的同時海表面溫度升高，上層海洋密度與下層海洋密度差增大，阻礙了營養(yǎng)鹽的向上輸運，抑制了海洋凈初級生產(chǎn)力的增長。另一方面，動力高度升高伴隨著海洋溫躍層下壓，溫躍層深度增加，而溫躍層與硝酸鹽躍層因為溫度-硝酸鹽關(guān)系，溫躍層的變化體現(xiàn)出硝酸鹽躍層的變化。在副熱帶營養(yǎng)貧瘠海區(qū)，硝酸鹽躍層一般比溫躍層深100～200 m。而硝酸鹽躍層的加深，不利于垂向混合將硝酸鹽躍層下的高硝酸鹽海水帶向上層低硝酸鹽海水，導致海洋凈初級生產(chǎn)力由于營養(yǎng)鹽的限制而降低。

(2) 在年際尺度上，DT與NPP的空間分布和時間序列應關(guān)系較DH與NPP的空間分布和時間序列對應關(guān)系相差不大，而DS和NPP的SVD空間型對應性較弱，表明上層海溫引起的動力高度場變化對NPP具有主導影響。

圖10 北太平洋副熱帶環(huán)流區(qū)(a)鹽度貢獻的動力高度與(c)凈初級生產(chǎn)力對數(shù)奇異值分解的第一模態(tài)的空間分布和(d)鹽度貢獻的動力高度(藍色實線)與凈初級生產(chǎn)力對數(shù)(紅色實線)的時間序列及(b)海表面溫度回歸到鹽度貢獻的動力高度的時間序列上得到的空間分布

有證據(jù)表明Topex/Poseidon衛(wèi)星測量的SSH和Chl-a的在全球寡營養(yǎng)鹽副熱帶環(huán)流區(qū)存在負相關(guān)關(guān)系，且最大SSH的區(qū)域(環(huán)流中心)與最小葉綠素濃度區(qū)域有一定偏移[18]。Argo計算得出的DH與NPP的負相關(guān)關(guān)系是否只適用于北太平洋副熱帶環(huán)流區(qū)，這仍然是有待解決的問題。下一步我們計劃對全球中低緯度海域動力高度和凈初級生產(chǎn)力的關(guān)系進行研究。