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)境動力學國家重點實驗室,浙江 杭州 310012;2.愛媛大學沿岸環(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].浮游植物的生長受到動力環(huán)境和海洋生物地球化學循環(huán)的共同作用,影響海洋初級生產(chǎn)力.海洋初級生產(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].海洋初級生產(chǎn)力主要通過浮游植物來實現(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].

葉綠素濃度的時空變化特征與溫度、光照、營養(yǎng)鹽、風場、流場、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)對環(huán)境變化的響應[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雜且區(qū)域性強,葉綠素濃度與環(huán)境要素僅在部分月份存在較強的相關(guān)關(guān)系,季節(jié)上不同要素存在相對主導的關(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相關(guān),且相關(guān)程度在不同海域存在顯著的變化,其中長江口和外海區(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,從春季到夏季,深水區(qū)中的葉綠素濃度呈下降趨勢,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場的風速呈正相關(guān),與海表溫度呈負相關(guān),夏季在西南季風影響下,越南東南沿海形成上升流,導致該區(qū)浮游植物大量生長,葉綠素濃度升高;冬季則受強東北季風影響,海洋上層混合作用強烈,營養(yǎng)鹽供應增加,促進浮游植物生長,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識中國近海葉綠素濃度的時空分布及影響因素,然而現(xiàn)有對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空分布特征,探究海洋生物地球化學循環(huán)與動力過程的關(guān)系,理解海洋生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能,認識海洋生態(tài)系統(tǒng)對氣候變化的響應.本研究應用衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)和再分析風場數(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,進而通過分析季節(jié)性變化的顯著性,提出需要針對不同區(qū)域提前評判季節(jié)性信號的可信度,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,為認識中國近海海洋初級生產(chǎn)力和生態(tài)系統(tǒng)提供科學支持.

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),時間跨度從2002年8月到2022年7月,時間分辨率為每日,逐個像素計算得到共240個月的月均數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)中被云覆蓋的資料未用于計算月均數(shù)據(jù).觀測數(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].

每日再分析風場數(shù)據(jù)由歐洲中期天氣預報中心(ECMWF)提供,空間分辨率為0.25°.計算得到月均數(shù)據(jù),采用的時間跨度與海表溫度、葉綠素濃度數(shù)據(jù)的一致.

基于每日海表溫度資料計算得到對應的海表溫度梯度,利用Wang等[11]中的鋒面檢測算法,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間段內(nèi)被檢測為鋒面的次數(shù)與同時段該像素未被云遮蓋的次數(shù)的比值,計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,利用20年月均數(shù)據(jù)的時間序列進行正弦函數(shù)擬合,得到每個像素點季節(jié)變化的振幅和相位,并檢測其擬合的顯著性.

1.2 研究區(qū)域環(huán)境特征

本研究區(qū)域為中國近海,該海域自北向南呈弧狀分布,海底地形復雜,總趨勢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向相反的東亞季風,中國近海氣候具有明顯的季風特征,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)域為15°～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.南海受季風影響明顯,呈現(xiàn)偏冬季型季風特征,南海盛行的季風可以減弱上層海洋的層結(jié)[3].同時,南海區(qū)域地形復雜,也影響著內(nèi)部的動力過程,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,又受到淺海地形和長江沖淡水在內(nèi)的強大入海徑流的影響,具有低鹽、高營養(yǎng)鹽的淺海流系特點;自南向北的黑潮流系(包括黑潮主干、臺灣暖流、黃海暖流、對馬暖流等)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)成一個氣旋式環(huán)流系統(tǒng)[14].

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

渤海是一個半封閉的海,海底地形呈西高東低、自西北向東南傾斜的態(tài)勢,海灣向中央盆地及渤海海峽方向傾斜.渤海地區(qū)在冬季受大陸氣團控制表現(xiàn)為大陸性氣候,干旱少雨,風大且頻繁,盛行西北風;夏、秋季節(jié)受海洋氣團控制,表現(xiàn)為海洋性氣候,盛行東南風,高溫高濕,多雨少風[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行對比分析.

2 葉綠素和環(huán)境要素的時空特征及潛在關(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,且離岸越遠葉綠素質(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場以北風和偏東北風為主,平均風速約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度代表平均風場的方向和大小(下同).圖2 葉綠素質(zhì)量濃度和風矢量(a)、海表溫度(b)、鋒面頻率(c)的長期平均分布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.

為進一步探究,后文中利用衛(wèi)星資料及遙感數(shù)據(jù)對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)進行季節(jié)平均分析以及年周期的正弦擬合,從時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,渤海西北側(cè)及黃海西側(cè)可達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;東海西側(cè)葉綠素質(zhì)量濃度高值區(qū)有向東擴張的舌狀區(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;到冬季,東海西側(cè)葉綠素質(zhì)量濃度高值區(qū)可以擴張到朝鮮半島南側(cè),葉綠素平均質(zhì)量濃度可達3 mg/m3,最高值達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.平均風場的季節(jié)分布呈現(xiàn)如下特征:夏季平均風場以東南風、西南風為主,秋、冬兩季盛行東北風,春季以東風和東北風為主;秋、冬兩季的平均風速大于春、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)量濃度達到峰值時的月份.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)計顯著性檢驗,東海西側(cè)和中部、黃海中部和北部的季節(jié)振蕩信號并不明顯;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,下同;灰框區(qū)域用于繪制后文圖9的時間序列,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、光照和浮游動物攝食等也在一定程度上對浮游植物的生長具有調(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,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)平均分布場來看,夏季平均海表溫度最高,可達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)

對海表溫度的月均數(shù)據(jù)進行正弦擬合處理,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[圖6(a)];整個區(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.海表溫度的季節(jié)變化達到峰值的時間顯示,黃海東北側(cè)達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)海表溫度達到峰值,8月東海海表溫度達到峰值和7月南海海表溫度達到峰值.

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;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8%以上.該結(jié)果與海表溫度季節(jié)分布特征對應: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行分析.對溫度梯度數(shù)據(jù)進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到峰值,東海西側(cè)和南海南北兩側(cè)在冬季達到峰值,東海大部分海域和南海西側(cè)在春季達到峰值[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)],不滿足顯著性檢驗條件,特別明顯的是在2011年原始時間序列較季節(jié)擬合高出許多.根據(jù)文斐等[21]在2011年對東海的船測資料,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)計結(jié)果,春季整個調(diào)查海區(qū)的葉綠素濃度與磷酸鹽濃度呈顯著負相關(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的一個重要因子[22].東海鋒面頻率原始時間序列與擬合結(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)],不滿足顯著性檢驗條件.由此可見,盡管季節(jié)性變化主導了大部分區(qū)域的變化特征,開展季節(jié)性分析前仍有必要對不同參數(shù)的季節(jié)性變化的顯著性進行判斷.

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)的時間序列(實線)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、風場、溫度梯度與葉綠素濃度時空分布的關(guān)系

中國近海葉綠素濃度時空分布與海表溫度、風場、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)向東擴張的舌狀區(qū)域,該區(qū)域面積在春季達到最大值.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張,與春季達到最大值相對應.除平均葉綠素濃度較低的夏季盛行風向為東南風和西南風外,其他季節(jié)盛行風向均為東風或東北風.根據(jù)Tang等[24]的研究,在一年中的東北季風時段,葉綠素濃度往往會達到一個峰值,強勁的東北風與海灣東岸平行,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散的舌狀區(qū)域,也可能是水體交換導致的營養(yǎng)鹽濃度增加促進了浮游植物的生長.同時,本研究中海表溫度與溫度梯度的時空分布呈現(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,且在這兩季達到峰值.此外,鋒面頻率在春季達到最高值,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,葉綠素濃度與海表溫度總體呈負相關(guān)趨勢,與鋒面頻率總體呈正相關(guān)趨勢.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所導致的垂向交換過程的影響.溫度升高時海水層化增強,抑制上層水體的垂直混合,表層水體中的營養(yǎng)鹽減少,導致葉綠素濃度降低;反之,溫度降低時葉綠素濃度升高,表征營養(yǎng)鹽豐富的次表層水體向表層的輸運情況.這是海表溫度和葉綠素濃度出現(xiàn)相反變化趨勢的原因.

在鋒面對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.同時根據(jù)Xiu等[27]的理論,鋒面還會在水體交換、物質(zhì)輸運、海氣相互作用等方面產(chǎn)生重要影響,這都會進一步影響該區(qū)域葉綠素濃度的時空分布.鋒面處的水平梯度增強, 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)定導致的海洋層次結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定會影響葉綠素濃度的時空分布.沿鋒面地轉(zhuǎn)流方向的風應力引起的跨陸架 Ekman 輸運將鋒面處冷水向暖水運移, 導致水平浮力梯度和鋒面強度增加,風場強迫引起的Ekman 浮力通量可能導致鋒面的不穩(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)簡單的線性相關(guān)關(guān)系:葉綠素濃度達到最大值的時間早于海表溫度達到最大值的時間;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到峰值的時間和分布特征大致接近,但是也不能一一對應.

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)鹽對浮游植物生長的重要影響.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]研究證實東海海域的浮游植物細胞豐度與溫度、鹽度呈現(xiàn)顯著負相關(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的重要影響因子[32]:當光照充足時,一定的光照時間會引起水溫升高,加速光合作用;但在夏季,強烈的光輻射引起表層海水升溫,同時也對其中的浮游植物產(chǎn)生光抑制,導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,光照強度較弱,但陸源營養(yǎng)鹽的不斷輸入仍可導致近岸海域具有相對較高的葉綠素濃度.

河口是陸源物質(zhì)入海的主要通道,河口過程輸運的營養(yǎng)鹽為浮游植物的生長提供養(yǎng)分,從而影響葉綠素的分布[33].中國近海受季風影響較強,通過對比葉綠素濃度數(shù)據(jù)與相關(guān)衛(wèi)星數(shù)據(jù)資料,已有研究發(fā)現(xiàn)冬季由于強烈的東北季風作用,南海海域基本為一個氣旋式環(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].然而季風與中國近海葉綠素濃度及分布的關(guān)系和對其的影響方式仍是較復雜的科學問題,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)和每日再分析風場數(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)系進行分析,再利用正弦擬合函數(shù)獲得每個像素點季節(jié)變化的振幅和相位,并檢驗了季節(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)向東擴張的舌狀區(qū)域,該區(qū)域面積在春季達到最大值,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張且在春季達到最大值相吻合.平均葉綠素濃度較高的季節(jié)盛行風向均為東風或東北風.

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相關(guān)趨勢,與鋒面頻率總體呈正相關(guān)趨勢,這兩個環(huán)境要素除了能直接影響浮游植物的生長外,還能影響垂向交換過程而間接影響浮游植物生長.此外,光照、陸源物質(zhì)輸入、季風、環(huán)流、渦旋等對海洋浮游植物生長也有影響,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空變化不完全與海表溫度和海洋鋒面對應. 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,但由于不同因素對動力和生態(tài)環(huán)境的復雜影響,仍有必要檢驗季節(jié)性變化的顯著性,從而了解環(huán)境要素變化的主要時間規(guī)律.

本研究對于掌握海域的海洋生態(tài)動力環(huán)境特征, 尤其是在長時間序列和較大范圍海域研究方面,具有揭示海洋生態(tài)動力環(huán)境總體變化規(guī)律的獨特優(yōu)勢, 有助于探究海洋生物地球化學循環(huán)與動力過程的關(guān)系,理解海洋生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能,認識海洋生態(tài)系統(tǒng)對氣候變化的響應.