孟 宇,陳雙玲*

(1.自然資源部第二海洋研究所,浙江 杭州 310012; 2.衛(wèi)星海洋環(huán)境動力學(xué)國家重點實驗室,浙江 杭州 310012)

0 引言

硝酸鹽是海洋中浮游植物賴以生長的重要營養(yǎng)鹽,其含量和變化直接影響海洋初級生產(chǎn)力[1]。海洋上層硝酸鹽主要來源于混合層內(nèi)光合作用導(dǎo)致的有機物再礦化和混合層以下硝酸鹽的垂向輸送[2]。硝酸鹽垂向輸送所供給的氮為外源氮,所支持的初級生產(chǎn)力被稱為海洋新生產(chǎn)力。海洋新生產(chǎn)力在很大程度上決定了海洋有效碳輸出,是海洋碳循環(huán)研究的重要組成部分[3-5]。隨著全球變暖和海洋層化加劇,硝酸鹽的垂向輸送和海洋新生產(chǎn)力的變化是當(dāng)前海洋學(xué)研究中備受關(guān)注的重要科學(xué)問題,其中,評估硝酸鹽垂向輸送首先需要準(zhǔn)確量化硝酸鹽躍層深度[6]。從垂向來看,硝酸鹽在海水表層被浮游植物吸收利用,在混合層內(nèi)幾乎呈均勻分布,而在混合層以下一定深度范圍內(nèi),通過有機物再礦化作用,硝酸鹽濃度隨深度急劇增加,并形成顯著的垂向梯度,這一水層被稱為硝酸鹽躍層[7-9]。硝酸鹽躍層上邊界深度即為硝酸鹽躍層深度(ZN,單位:m)。硝酸鹽躍層深度反映了海洋深層營養(yǎng)鹽向上供應(yīng)的情況[10-11],其變化會直接影響上層海水硝酸鹽濃度,是評估硝酸鹽向透光區(qū)輸送情況的關(guān)鍵參數(shù)[12-14]。

近年來有不少利用硝酸鹽躍層深度進行的研究,例如GOES等[15]通過確定硝酸鹽躍層深度與海表面溫度的關(guān)系,利用實測和遙感數(shù)據(jù)評估了北太平洋海洋新生產(chǎn)力;CERMEO等[11]利用1995—1997年間四次大西洋經(jīng)向航行獲得的采樣數(shù)據(jù),確定大西洋球石藻與硅藻的生物量比值與硝酸鹽躍層深度密切相關(guān),且隨硝酸鹽躍層深度增加,球石藻生物量相對硅藻迅速上升到優(yōu)勢地位;PAINTER等[16]利用2011年8—9月在北大西洋東部海區(qū)采集的CTD剖面數(shù)據(jù)計算發(fā)現(xiàn),該海區(qū)硝酸鹽躍層深度處的硝酸鹽平均利用率通常比海表面高十倍,且硝酸鹽躍層深度的變化會對該海區(qū)微微型浮游生物的分布產(chǎn)生影響;PASQUERON等[17]利用在地中海地區(qū)收集的歷史船測CTD數(shù)據(jù)以及五臺Bio-Argo浮標(biāo)數(shù)據(jù),證實地中海地區(qū)硝酸鹽躍層深度自西向東逐漸加深,且硝酸鹽躍層深度在營養(yǎng)物質(zhì)循環(huán)中起到重要作用;WEN等[18]利用2019年熱帶北太平洋西部船測CTD數(shù)據(jù)和生物采樣數(shù)據(jù),發(fā)現(xiàn)硝酸鹽躍層深度是影響熱帶北太平洋西部固氮生物群落形成以及固氮速率的關(guān)鍵因素之一。

鑒于硝酸鹽躍層深度在科學(xué)研究中的重要作用,對其進行準(zhǔn)確計算至關(guān)重要。目前,對硝酸鹽躍層深度進行客觀計算的方法概括起來可分為三種:1)差值法,以混合層深度(mixed-layer depth,MLD)作為重要參考深度,計算混合層以下硝酸鹽濃度超過混合層硝酸鹽濃度一定值的最淺深度;2)梯度法,計算混合層以下一定深度范圍內(nèi)硝酸鹽濃度隨深度變化速率最大的深度;3)閾值法,在同一海區(qū)內(nèi),計算混合層以下一定深度范圍內(nèi)硝酸鹽濃度和海水位勢密度均達(dá)到固定閾值的深度。除上述三種主流計算方法外,目視解譯法通過人工目視解譯對硝酸鹽剖面逐個進行合理解讀,通常能夠較為準(zhǔn)確地識別每條硝酸鹽剖面中的硝酸鹽躍層深度,是一種相對準(zhǔn)確的判別方法。但由于目視解譯法不能實現(xiàn)自動化批處理,在海洋觀測數(shù)據(jù)日益劇增的背景下,該方法顯然是不切實際的數(shù)據(jù)處理方法。對比之下,另外三種計算方法相對客觀,可以通過計算機編程手段實現(xiàn)海量數(shù)據(jù)批處理,但這三種方法的可適用性亟需進行定量評估。

另外,上述三種計算方法得到的硝酸鹽躍層深度數(shù)值含義是不同的。硝酸鹽躍層的存在不利于硝酸鹽的垂向輸運[10-11],但從硝酸鹽躍層上邊界開始,硝酸鹽濃度隨深度迅速增加刺激了浮游植物生長[9],使得硝酸鹽躍層中往往存在葉綠素最大值層。因此差值法和閾值法是從生物/生態(tài)學(xué)角度評價硝酸鹽的垂向輸運,而梯度法則是分析硝酸鹽剖面的垂向變化特征,僅從物理海洋學(xué)的角度評價硝酸鹽的垂向輸運,所得深度為單純物理學(xué)意義上的硝酸鹽躍層深度。如LAANEMETS等[19]基于350余條歷史船測CTD剖面數(shù)據(jù),利用差值法計算得到芬蘭灣西部1992—1999年平均硝酸鹽躍層深度為24.5 m;MAYOT等[20]利用格陵蘭海中北部兩臺BGC-Argo浮標(biāo)的數(shù)據(jù),通過求解硝酸鹽濃度隨深度的一階導(dǎo)數(shù)最大值,計算確定2012年和2014年硝酸鹽躍層深度分別為37.0 m和31.0 m;PASQUERON等[17]設(shè)定硝酸鹽躍層深度為監(jiān)測到硝酸鹽濃度大于1.00 mmol/m3的首個深度,利用在地中海地區(qū)收集的歷史船測CTD數(shù)據(jù)和Bio-Argo浮標(biāo)數(shù)據(jù),計算發(fā)現(xiàn)地中海海區(qū)最東部硝酸鹽躍層深度比最西部的深約90 m。

上述研究多針對單一硝酸鹽躍層深度計算方法,缺乏不同方法之間的對比分析。隨著海洋觀測技術(shù)手段的不斷發(fā)展,硝酸鹽剖面數(shù)據(jù)的采集也呈多樣化,亟需對不同硝酸鹽躍層深度計算方法進行系統(tǒng)且定量化的對比分析研究,以規(guī)范對不同硝酸鹽剖面數(shù)據(jù)的處理和應(yīng)用。鑒于此,本文聚焦西北太平洋,將上述三種計算方法分別應(yīng)用到歷史船測CTD數(shù)據(jù)和漂流浮標(biāo)BGC-Argo數(shù)據(jù),計算求解對應(yīng)的硝酸鹽躍層深度。同時,將目視解譯法作為輔助判別驗證方法,衡量三種計算方法的優(yōu)缺點和差異性,初步探究各方法的適用性,為深入研究硝酸鹽垂向分布特征和向上輸運過程提供科學(xué)參考。

1 材料與方法

1.1 研究海域概況

西北太平洋海域?qū)掗?具有獨特的地理位置和海洋環(huán)境,受大洋環(huán)流主導(dǎo)。其中,黑潮和親潮是北太平洋西部的兩股強勁海流,對西北太平洋及其附近海域的物質(zhì)交換、氣候以及生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生重要影響[21-22]。黑潮起源于北赤道流,經(jīng)呂宋海峽沿臺灣島東岸進入東海,當(dāng)其北上從日本東部脫離進入開闊大洋后被稱為黑潮延伸體[23]。黑潮是由南向北的暖流,具有高溫、高鹽的特點,黑潮延伸體由于其特殊的地理格局、豐富的陸源物質(zhì)輸入以及活躍的海洋動力過程,成為跨圈層物質(zhì)能量循環(huán)以及營養(yǎng)鹽輸運的最佳研究區(qū)[24]。親潮是由北向南的寒流,具有低溫、高含氧量的特點,與北上的黑潮交匯,匯聚了豐富的營養(yǎng)物質(zhì),形成了具有較高葉綠素質(zhì)量濃度和初級生產(chǎn)力的黑潮與親潮交匯區(qū)[25]。此外,西北太平洋的硝酸鹽濃度整體呈現(xiàn)西北高,東南低的分布特點,且在25°N以北海域沿緯向分布,濃度隨緯度增加而增大[26]。在人類活動影響下,通過大氣沉降和河流輸入的外源無機氮,也給西北太平洋上層硝酸鹽分布和初級生產(chǎn)帶來顯著影響[27-30]。

現(xiàn)場觀測到的硝酸鹽剖面是不同海洋過程綜合作用的結(jié)果,硝酸鹽的垂向分布有時會受不同水團水平運動的影響,使得硝酸鹽垂向剖面呈多躍層形態(tài)。在西北太平洋副熱帶環(huán)流區(qū)沒有水平外源氮輸入,上層營養(yǎng)鹽供給主要由垂向過程主導(dǎo)[31];而在黑潮延伸體區(qū)域,垂向和水平輸運過程的相對重要性尚無定論,從歷史的物理海洋研究來看,垂向過程和水平過程都很重要[32-33]。

1.2 數(shù)據(jù)與預(yù)處理

本文使用的CTD剖面數(shù)據(jù)來自美國國家環(huán)境信息中心(National Centers for Environmental Information,NCEI)制作的2018版世界海洋數(shù)據(jù)集(WOD18,https://www.nodc.noaa.gov/access/index.html),BGC-Argo數(shù)據(jù)來自BGC-Argo數(shù)據(jù)網(wǎng)站中心(https://biogeochemical-argo.org/)。溫鹽深剖面儀(conductivity-temperature-depth profiler,簡稱CTD剖面儀) 是獲取CTD數(shù)據(jù)的儀器,通常從科考船的甲板上進行投放采樣,極端天氣難以完成采樣。投放后,CTD以約0.5 m/s的速度降至定深,采水器通過加載預(yù)設(shè)的配置文件來決定其采水深度和回收深度。采樣后,直讀式CTD剖面儀有導(dǎo)線連接,以實時傳輸?shù)姆绞綄?shù)據(jù)顯示在用戶端的電腦上;自容式CTD剖面儀則將數(shù)據(jù)暫時儲存在內(nèi)置的存儲器中,待回收后進行讀取[34-36]。CTD剖面儀可以在0～2 000 m海水深度范圍內(nèi)進行采樣,垂向采樣間隔為0～300 m、300～1 000 m、1 000～2 000 m。BGC-Argo浮標(biāo)是通過調(diào)節(jié)外部油囊體積來實現(xiàn)運動和自動化采樣。浮標(biāo)平時停留在1 000 m等密度層隨深層洋流作中性漂流,達(dá)到程序設(shè)定時間后先下沉到2 000 m,然后在上升階段進行觀測,當(dāng)浮標(biāo)到達(dá)海面時,通過衛(wèi)星將教據(jù)傳回地面,然后接受新的指令,開始下一個循環(huán)。浮標(biāo)上浮速率約為10 cm/s,剖面觀測時間約為6 h,在0～2 000 m海水深度范圍內(nèi)進行采樣,采樣時間間隔為5～10天,觀測深度、周期、采樣率等參數(shù)都可自主設(shè)定,在特殊情況下(捕捉臺風(fēng)、渦旋等過程)可根據(jù)科學(xué)任務(wù)實時做出調(diào)整[37-40]。根據(jù)研究需要,本文選用BGC-Argo浮標(biāo)0～1 000 m內(nèi)的采樣數(shù)據(jù),垂向采樣間隔為0～100 m、100～500 m和500～1 000 m。

本文所用CTD數(shù)據(jù)來源于124個航次,同一航次采樣時間間隔為1～5天,不同航次之間采樣時間間隔不固定,短則數(shù)天,長則數(shù)月。CTD數(shù)據(jù)采樣點的空間分布如圖1a所示,總計3 526個采樣站位,時間跨度為2002-01-18—2019-08-02。本文所用BGC-Argo數(shù)據(jù)采樣點的空間分布如圖1b所示,總計427個采樣站位。其中,編號為5904034的浮標(biāo)觀測時間為2013-03-01—2017-02-24,共收集了275個采樣站位的數(shù)據(jù);另一臺編號為5904035的浮標(biāo)觀測時間為2013-03-02—2015-04-13,共收集了152個采樣站位的數(shù)據(jù)。

圖1 實測數(shù)據(jù)采樣站點空間分布圖

對上述數(shù)據(jù)進行預(yù)處理,剔除存在大范圍缺測的剖面數(shù)據(jù)及剖面數(shù)據(jù)噪聲,盡可能確保剖面數(shù)據(jù)采樣的完整性和數(shù)據(jù)質(zhì)量。具體步驟如下:1)檢查剖面在10 m水深內(nèi)有無數(shù)據(jù)記錄,以確保所用剖面有表層觀測數(shù)據(jù)。2)檢查CTD和BGC-Argo兩類數(shù)據(jù)在0～100 m、100～250 m和250～500 m內(nèi)的垂向分辨率和數(shù)據(jù)采樣點數(shù),將所得數(shù)據(jù)采樣點數(shù)取平均,剔除采樣點數(shù)小于均值的剖面數(shù)據(jù),以確保剖面數(shù)據(jù)在垂向500 m以內(nèi)的連續(xù)性。上述數(shù)據(jù)統(tǒng)計顯示,在0～100 m、100～250 m和250～500 m內(nèi)CTD數(shù)據(jù)的垂向分辨率平均為25.8 m、37.2 m和77.6 m,對應(yīng)數(shù)據(jù)采樣點數(shù)平均為4個、4個和3個;BGC-Argo數(shù)據(jù)的垂向分辨率平均為5.9 m、10.5 m和11.5 m,對應(yīng)數(shù)據(jù)采樣點數(shù)平均為18個、14個和13個。3)針對滿足上述條件的CTD數(shù)據(jù),進行間隔為15 m的一維線性插值來合理填充剖面缺失的數(shù)據(jù);針對BGC-Argo數(shù)據(jù),進行垂向窗口為1×5的滑動平均,以剔除剖面數(shù)據(jù)存在的明顯噪聲,即剖面中存在的異常數(shù)據(jù)值。經(jīng)上述預(yù)處理,最終得到383個CTD站位的剖面數(shù)據(jù)和159個BGC-Argo站位的剖面數(shù)據(jù),分別占各自站位總數(shù)的10.86%和37.24%(表1)。利用預(yù)處理后的CTD和BGC-Argo站位的剖面數(shù)據(jù)開展研究,進行三種硝酸鹽躍層深度方法的計算和結(jié)果對比分析。

表1 BGC-Argo和CTD站位數(shù)據(jù)統(tǒng)計

1.3 計算方法

本文采用的硝酸鹽躍層深度計算方法包括差值法(圖2a)、梯度法(圖2b)和閾值法(圖2c)。其中,差值法需要混合層深度作為重要參考,基于前人研究[19],本文采用密度判別法計算剖面的混合層深度。經(jīng)實驗對比分析,針對本文所選數(shù)據(jù),以表層(10 m處)的位勢密度作為初始參考值,將垂向密度差大于0.03 kg/m3的最淺深度定義為混合層深度[41],其結(jié)果準(zhǔn)確性整體高于基于0.05 kg/m3位勢密度差計算的混合層深度。

圖2 三種硝酸鹽躍層深度的計算方法示意圖

1.3.1 差值法

差值法最初由LAANEMETS等[19]提出,該方法選用混合層深度作為重要參考深度,計算混合層以下硝酸鹽濃度超過混合層硝酸鹽濃度0.05 mmol/m3的最淺深度,并將此深度認(rèn)定為硝酸鹽躍層深度?；诖?LAANEMETS等[19]針對350余條歷史船測CTD剖面數(shù)據(jù),計算得到芬蘭灣西部1992—1999年平均硝酸鹽躍層深度為24.5 m。其中,1996年的硝酸鹽躍層深度最深為33.5 m,1999年的最淺為13.5 m[19]。

本研究采用LAANEMETS等[19]提出的差值法,計算混合層以下硝酸鹽濃度超過混合層硝酸鹽濃度0.05 mmol/m3的最淺深度作為硝酸鹽躍層深度。如圖2a所示,如果Δc1小于0.05 mmol/m3且Δc2大于0.05 mmol/m3,則數(shù)據(jù)點i所在深度為滿足濃度差大于0.05 mmol/m3的最淺深度,該深度即為硝酸鹽躍層深度。該方法需要準(zhǔn)確評估混合層深度,基于混合層所在深度的硝酸鹽濃度,理論上能夠較為容易地確定硝酸鹽躍層深度。

1.3.2 梯度法

EPPLEY等[7]提出混合層以下一定深度范圍內(nèi)硝酸鹽濃度變化速率最大的深度即為硝酸鹽躍層深度,該深度可通過求解硝酸鹽濃度隨深度變化的一階導(dǎo)數(shù)最大值得到。2017年,GONG等[9]對梯度法進一步改進,他們認(rèn)為硝酸鹽垂向剖面在滿足二階導(dǎo)數(shù)等于0的基礎(chǔ)上(d2c/dz2=0),需同時滿足三階導(dǎo)數(shù)小于0(d3c/dz3<0),據(jù)此計算得到的混合層以下最淺深度為硝酸鹽躍層深度。基于此,GONG等[9]針對2012年夏季巡航觀測SEATS站點獲得的單條硝酸鹽剖面數(shù)據(jù),計算得到該站點的硝酸鹽躍層深度為89.0 m。SEATS站點的硝酸鹽躍層深度歷史觀測記錄為20～90 m[42-43],該方法計算結(jié)果在歷史觀測范圍內(nèi)。

本研究利用GONG等[9]提出的二階三階導(dǎo)數(shù)法(二階導(dǎo)數(shù)為0,三階導(dǎo)數(shù)小于0)進行了硝酸鹽躍層深度計算。此外,結(jié)合上述研究,還利用二階導(dǎo)數(shù)最大值(即一階導(dǎo)數(shù)變化最大的位置,也即“拐點”)來求取硝酸鹽躍層深度。結(jié)果發(fā)現(xiàn),基于二階導(dǎo)數(shù)最大值所計算的硝酸鹽躍層深度比基于二階三階導(dǎo)數(shù)法計算的誤差更小。因此,本研究綜合前人研究和相關(guān)實踐,計算硝酸鹽剖面隨深度的二階導(dǎo)數(shù)最大值以確定硝酸鹽躍層深度。圖2b為梯度法的示意圖,其中數(shù)據(jù)點i+1所在深度為二階導(dǎo)數(shù)最大值對應(yīng)深度,數(shù)據(jù)點i所在深度則為硝酸鹽躍層深度。

1.3.3 閾值法

CULLEN等[44]在1981年提出,硝酸鹽躍層深度對應(yīng)硝酸鹽濃度最大垂向梯度,而在同一海區(qū)最大垂向梯度對應(yīng)的硝酸鹽濃度僅在小范圍內(nèi)波動,可用固定閾值估算得到硝酸鹽躍層深度?；诖?CULLEN等[44]將閾值設(shè)為1.00 mmol/m3,利用1974—1979年在南加州灣獲取的143條剖面數(shù)據(jù),計算南加州灣近海的硝酸鹽躍層深度為45.0 m。2020年,FUJIKI等[45]針對北太平洋亞熱帶西部的一個站點(30°N,145°E)研究發(fā)現(xiàn),當(dāng)硝酸鹽濃度大于0.10 mmol/m3時,硝酸鹽濃度和位勢密度有很好的線性關(guān)系,提出同時設(shè)定海水位勢密度閾值(24.81 kg/m3)和硝酸鹽濃度閾值(0.10 mmol/m3),以定量評估硝酸鹽躍層深度的計算方法。基于此,FUJIKI等[45]采用2012年7月—2013年3月船測CTD剖面數(shù)據(jù),計算得到北太平洋副熱帶環(huán)流海區(qū)硝酸鹽躍層深度,結(jié)果顯示硝酸鹽躍層深度在2013年3月最淺為10.0 m,在2012年12月最深為130.0 m[45]。

本研究采用FUJIKI 等[45]提出的雙閾值法計算原理,通過敏感性實驗確定位勢密度的閾值為24.81 kg/m3,硝酸鹽濃度的閾值為1.00 mmol/m3,計算硝酸鹽剖面中同時滿足兩個閾值的最淺深度,且硝酸鹽躍層深度需大于混合層深度。如圖2c所示,數(shù)據(jù)點i-1 處位勢密度大于24.81 kg/m3但硝酸鹽濃度小于1.00 mmol/m3,而數(shù)據(jù)點i所在深度的兩個參數(shù)均達(dá)到閾值且深度大于混合層深度。根據(jù)上述方法原理,數(shù)據(jù)點i所在深度為同時滿足兩個設(shè)定條件的最淺深度,該深度即為硝酸鹽躍層深度。

1.3.4 誤差評估

針對每條硝酸鹽剖面,采用人工目視解譯三次求平均的方法判定并記錄各剖面的硝酸鹽躍層深度,將該深度與三種方法計算的硝酸鹽躍層深度進行對比,并從統(tǒng)計角度對各方法的計算結(jié)果進行對比分析。其中,人工目視解譯是指憑借人的眼睛,依靠解譯者對于硝酸鹽躍層深度概念的理解、硝酸鹽濃度垂向變化的認(rèn)知以及掌握的相關(guān)航次和浮標(biāo)資料,通過分析、判斷,提取每條剖面的硝酸鹽躍層深度。從定義來看,人工目視解譯判讀結(jié)果是較為準(zhǔn)確合理的。需要說明的是,人工目視解譯方法會存在一定程度的主觀性,但依據(jù)硝酸鹽躍層深度的定義進行人工判定,并未傾向任何一種計算方法;而且,通過多次目視解譯求平均的方法可以盡可能地減小判別誤差。不同的解譯者得出的結(jié)果可能存在差別,但這種差別與其他三種計算方法判別結(jié)果的差別相比,非常不顯著。因此可將目視解譯判讀結(jié)果作為系統(tǒng)評價其他方法的標(biāo)準(zhǔn)。人工目視解譯具體步驟如下。

1)準(zhǔn)備工作:(i)計算每條剖面的混合層深度;(ii)繪制1 000 m深度范圍內(nèi)的硝酸鹽濃度的垂向剖面圖,并在剖面圖上標(biāo)記混合層深度。

2)初步解譯:(i)通過人眼可識別到混合層標(biāo)記點以下一定深度范圍內(nèi),剖面呈現(xiàn)硝酸鹽濃度隨深度急劇增加的特性;(ii)標(biāo)記并記錄混合層以下300 m的深度位置,截取混合層標(biāo)記點到該標(biāo)記點范圍內(nèi)的數(shù)據(jù),該部分剖面包含了硝酸鹽躍層的上部分。需要說明的是,這里選擇混合層以下300 m深度的范圍進行剖面局部放大,是為了保障在充分看到硝酸鹽躍層變化的前提下,更準(zhǔn)確地判斷硝酸鹽躍層上邊界的位置。

3)詳細(xì)判讀:(i)繪制截取深度范圍內(nèi)的硝酸鹽剖面圖(即硝酸鹽躍層的上部分);(ii)人眼識別、標(biāo)記并記錄剖面曲線中硝酸鹽濃度隨深度急劇增加的初始深度。

4)重復(fù)驗證:(i)針對每條剖面重復(fù)步驟1)～3)三次;(ii)對三次結(jié)果求平均值,確定硝酸鹽躍層深度。

選取R2和RMSE作為誤差統(tǒng)計指標(biāo)。在統(tǒng)計學(xué)上,R2為決定系數(shù);RMSE表示均方根誤差,用于衡量估測值與真實值之間的偏差,并且對數(shù)據(jù)中的異常值較為敏感。若R2越接近1,RMSE越接近0,說明該方法計算結(jié)果與目視解譯結(jié)果相差越小,準(zhǔn)確度越高。R2和RMSE的計算公式如下:

(1)

(2)

2 結(jié)果與驗證

由上述三種計算方法,分別求解BGC-Argo和CTD兩種采樣剖面數(shù)據(jù)的硝酸鹽躍層深度,并將三種方法的計算結(jié)果進行對比分析。對比包括兩部分:其一,以單一硝酸鹽剖面為例,對比展示各方法的計算結(jié)果和誤差(圖3);其二,將各計算方法應(yīng)用到所有剖面數(shù)據(jù),進行誤差統(tǒng)計,以綜合評估各計算方法的優(yōu)劣性(圖4)。

圖3 針對單一剖面三種方法計算得到的硝酸鹽躍層深度

圖4 三種方法計算的硝酸鹽躍層深度與目視解譯硝酸鹽躍層深度的比較

2.1 差值法結(jié)果

針對BGC-Argo數(shù)據(jù),以單一剖面為例,圖3a所示剖面的混合層深度為93.6 m,該深度處硝酸鹽濃度為0.02 mmol/m3;由差值法計算得到的硝酸鹽躍層深度(后文簡稱ZN)為111.2 m,對應(yīng)硝酸鹽濃度為0.53 mmol/m3,該值與混合層深度處的相差0.51 mmol/m3。針對該剖面,采用目視解譯判定的ZN為111.0 m,與差值法計算的ZN僅相差0.2 m。類似的,針對CTD數(shù)據(jù),以單一剖面為例,圖3b所示剖面的混合層深度為76.0 m,對應(yīng)硝酸鹽濃度為0.81 mmol/m3;差值法計算得到的ZN為152.0 m,該深度對應(yīng)硝酸鹽濃度為1.33 mmol/m3;目視解譯判定的ZN為150.0 m,與差值法計算的ZN相差2.0 m。

將所有剖面計算得到的ZN與目視解譯判定的ZN進行對比統(tǒng)計,結(jié)果顯示:基于BGC-Argo數(shù)據(jù),由差值法計算的ZN,其R2為0.77,RMSE為28.48 m(圖4a);基于CTD數(shù)據(jù),由差值法計算的ZN,其R2為0.81,RMSE為16.13 m(圖4d)。

2.2 梯度法結(jié)果

針對BGC-Argo數(shù)據(jù),以單一剖面為例(圖3a),由梯度法計算得到的ZN為313.8 m,對應(yīng)硝酸鹽濃度為5.62 mmol/m3。針對該剖面,采用目視解譯判定的ZN為111.0 m,與梯度法計算的ZN相差達(dá)到202.8 m。類似的,針對CTD數(shù)據(jù),以單一剖面為例(圖3b),由梯度法計算的ZN為305.0 m,對應(yīng)硝酸鹽濃度為11.33 mmol/m3;目視解譯判定的ZN為150.0 m,與梯度法計算的ZN相差155.0 m。

統(tǒng)計結(jié)果顯示:基于BGC-Argo數(shù)據(jù),由梯度法計算的ZN,其R2為0.52,RMSE為53.80 m(圖4b);基于CTD數(shù)據(jù),由梯度法計算的ZN,其R2為0.42,RMSE為36.41 m(圖4e)。

2.3 閾值法結(jié)果

針對BGC-Argo數(shù)據(jù),以單一剖面為例(圖3a),由閾值法計算得到的ZN為131.0 m,對應(yīng)硝酸鹽濃度為2.21 mmol/m3(該值大于1.00 mmol/m3),對應(yīng)的位勢密度為24.83 kg/m3(該值大于24.81 kg/m3)。針對該剖面,目視解譯判定的ZN為111.0 m,與閾值法計算的ZN相差20.0 m。類似的,針對CTD數(shù)據(jù),以單一剖面為例(圖3b),閾值法計算得到的ZN為101.0 m,對應(yīng)硝酸鹽濃度為1.01 mmol/m3(該值大于1.00 mmol/m3),對應(yīng)的位勢密度為24.92 kg/m3(該值大于24.81 kg/m3);目視解譯判定的ZN為150.0 m,與閾值法計算的ZN相差49.0 m。

統(tǒng)計結(jié)果顯示:基于BGC-Argo數(shù)據(jù),由閾值法計算的ZN,其R2為0.64,RMSE為34.85 m(圖4c);基于CTD數(shù)據(jù),由閾值法計算的ZN,其R2為0.47,RMSE為27.65 m(圖4f)。

2.4 輔助驗證

JOO 等[46]在日本海區(qū)域研究發(fā)現(xiàn),ZN與海表面溫度具有良好的擬合關(guān)系,可利用遙感數(shù)據(jù)實現(xiàn)海洋硝酸鹽躍層深度的評估:

ZN=248.9-18.23×t+0.358 5×t2

(3)

式中:t為海表面溫度。

本研究根據(jù)JOO模型對三種計算方法和目視解譯法的準(zhǔn)確性開展了輔助驗證實驗。對于日本海區(qū)域,選取經(jīng)預(yù)處理操作篩選得到的45個數(shù)據(jù)站點,依據(jù)JOO模型,利用每個觀測站點的海表面溫度計算對應(yīng)的ZN,將該結(jié)果分別與目視解譯判別結(jié)果、差值法計算結(jié)果、閾值法計算結(jié)果、梯度法計算結(jié)果進行比較,計算R2和RMSE。統(tǒng)計分析顯示(表2),R2為0.68～0.82,RMSE為14.06～20.06 m。其中,目視解譯判別結(jié)果與JOO模型的計算結(jié)果最接近,差值法是三種計算方法中最優(yōu)的(R2=0.78,RMSE=15.12 m),梯度法所得ZN的誤差最大(R2=0.68,RMSE=20.06 m)。該結(jié)果輔助驗證了目視解譯結(jié)果的準(zhǔn)確性和選擇差值法濃度閾值為0.05 mmol/m3的合理性。

表2 JOO模型計算的硝酸鹽躍層深度與目視解譯以及其他三種方法計算結(jié)果的對比統(tǒng)計

3 討論

本文旨在比較不同ZN計算方法的優(yōu)劣性和普適性。在這一研究中,ZN的真實值是一個很重要的判斷指標(biāo),但目前尚未有絕對客觀的標(biāo)準(zhǔn)方法來識別ZN的真實值。本文僅根據(jù)ZN的定義,對每條剖面的ZN進行人工目視解譯來確定ZN的相對參考值,并通過多次判別求平均的方式盡可能減小判別誤差。需要說明的是,目視解譯是根據(jù)定義進行的,所得判別結(jié)果并不傾向于任何一種計算方法。針對上述三種方法計算的ZN,本文的分析討論包括三部分:其一,針對兩種數(shù)據(jù)類型,討論基于不同垂向分辨率數(shù)據(jù)計算結(jié)果的準(zhǔn)確度;其二,針對三種計算方法,討論各方法的優(yōu)劣性和適用性;其三,針對差值法和閾值法的閾值設(shè)定進行敏感性實驗,討論根據(jù)不同閾值計算所得結(jié)果的差異性。

對于BGC-Argo數(shù)據(jù),三種方法計算得到的R2均大于0.50,其中差值法的R2最大為0.77,閾值法的R2次之為0.64,梯度法的R2最小為0.52。差值法計算結(jié)果的RMSE最小為28.48 m,閾值法的次之為34.85 m,梯度法的最大為53.80 m。對于高垂向分辨率數(shù)據(jù),三種方法計算得到的ZN與目視解譯ZN均具有良好相關(guān)性,其中差值法相較其他兩種方法計算得到的ZN與目視解譯ZN差值最小。

針對歷史船測CTD數(shù)據(jù),本研究進行了間隔為15 m的一維線性插值,合理填充了剖面缺失的數(shù)據(jù),相較于原始剖面數(shù)據(jù),插值后的剖面數(shù)據(jù)在一定程度上提高了硝酸鹽躍層深度的計算精度。其中差值法計算結(jié)果的R2最大為0.81,閾值法的R2次之為0.47,梯度法的R2最小為0.42;差值法計算結(jié)果的RMSE最小為16.13 m,閾值法的次之為27.65 m,梯度法的最大為36.41 m。對于較低垂向分辨率數(shù)據(jù),分辨率精度對梯度法和閾值法的影響較大,對差值法影響較小。因此梯度法和閾值法的計算結(jié)果與目視解譯結(jié)果相差較大,而差值法相差較小。BGC-Argo和CTD兩種數(shù)據(jù)的垂向分辨率不同,依據(jù)CTD數(shù)據(jù)計算的ZN與目視解譯的ZN的差值顯著高于依據(jù)BGC-Argo數(shù)據(jù)計算的結(jié)果。

結(jié)合單一硝酸鹽剖面計算結(jié)果(圖3)和統(tǒng)計結(jié)果(圖4)可知,差值法對數(shù)據(jù)垂向分辨率要求較低,適用性較強,但硝酸鹽濃度差值的設(shè)定不僅受時間和研究區(qū)域的影響,也受人為主觀因素的干擾,易引起ZN的偏差[19]。梯度法計算方法簡單,不受主觀因素影響,所得結(jié)果為單純物理學(xué)意義上的ZN,但該方法對數(shù)據(jù)的垂向分辨率要求較高,而海洋硝酸鹽的現(xiàn)場剖面觀測多為離散采樣,針對垂向采樣頻率較低的剖面,采用此方法計算ZN往往容易得到虛假躍層深度信息[9],此外,當(dāng)硝酸鹽剖面出現(xiàn)多段躍層時,計算的ZN往往和真實值相差較大。閾值法計算簡單易行,對數(shù)據(jù)的垂向分辨率要求較低,可用于垂向分辨率較低的剖面數(shù)據(jù),但不同海區(qū)情況不同,硝酸鹽濃度差別顯著,且雙閾值的確定均帶有一定程度的主觀性,所以計算得到的ZN偏差通常較大[7,11]。上述三種方法中,梯度法根據(jù)硝酸鹽剖面的垂向變化特征進行計算,理論上不存在區(qū)域差異性,而差值法和閾值法的計算精確度與閾值的設(shè)定息息相關(guān),不同海區(qū)動力和生物地球化學(xué)過程都不同,選擇合適的閾值至關(guān)重要。本研究中的閾值法參考的海水位勢密度閾值(24.81 kg/m3)是FUJIKI 等[45]針對北太平洋亞熱帶西部的一個站點(30°N,145°E)所設(shè)定,該站點位于本文研究區(qū)域內(nèi),具有一定科學(xué)參考價值。差值法的參考閾值(0.05 mmol/m3)是LAANEMETS 等[19]針對芬蘭灣近海上升流海區(qū)所設(shè)定;VAHTERA 等[47]針對芬蘭灣西部開闊大洋海區(qū),研究營養(yǎng)鹽對混合層的輸入作用,證明該閾值同樣適用;HOIKKALA 等[48]利用閾值0.05 mmol/m3探究波羅的海北部海域營養(yǎng)鹽對細(xì)菌生長的重要性,發(fā)現(xiàn)使用該閾值計算的結(jié)果與預(yù)期效果基本一致。

本文針對差值法和閾值法的閾值設(shè)定進行了敏感性實驗,通過調(diào)整閾值,觀察不同閾值計算結(jié)果的差異。針對差值法,本文利用BGC-Argo數(shù)據(jù),以硝酸鹽濃度步長為0.01 mmol/m3開展了5組敏感性實驗,即濃度閾值分別為 0.07,0.06,0.05,0.04 和0.03 mmol/m3。每組實驗結(jié)果分別與目視解譯判別結(jié)果進行比較,計算R2和RMSE。結(jié)果顯示,R2范圍為0.68～0.77,RMSE范圍為28.4～32.05 m。其中濃度閾值為0.07 mmol/m3時計算誤差最大,濃度閾值為0.05 mmol/m3時計算誤差最小,證明了本文選擇硝酸鹽濃度閾值為0.05 mmol/m3的合理性。

對于閾值法的敏感性實驗,首先是針對位勢密度閾值的敏感性實驗,在保持硝酸鹽濃度閾值為1.00 mmol/m3不變的前提下,利用BGC-Argo數(shù)據(jù),以位勢密度步長為0.10 kg/m3開展了5組敏感性實驗,即分別以位勢密度閾值為24.61,24.71,24.81,24.91和25.01 kg/m3來計算硝酸鹽躍層深度,并與目視解譯判別結(jié)果進行比較,計算R2和RMSE。結(jié)果顯示,R2分別為0.635,0.639,0.644,0.641和0.637,RMSE分別為35.24,35.07,34.85,34.96和35.14 m?？梢?位勢密度閾值為 24.81 kg/m3所得ZN誤差最小。其次是針對硝酸鹽濃度閾值的敏感性實驗,在保持位勢密度閾值為24.81 kg/m3不變的前提下,開展了5組敏感性實驗,分別選取硝酸鹽濃度閾值為 0.50,0.90,1.00,1.10和1.50 mmol/m3來計算ZN。結(jié)果顯示,R2范圍為0.56～0.64,RMSE范圍為34.85～36.81 m,其中濃度閾值為0.50 mmol/m3的計算誤差最大,濃度閾值為1.00 mmol/m3的計算誤差最小,證明了選擇硝酸鹽濃度閾值為1.00 mmol/m3的合理性。因此,閾值的確定應(yīng)綜合考慮具體數(shù)據(jù)的剖面特征、海區(qū)動力環(huán)境以及生物地球化學(xué)特性等多項要素,不同的海區(qū)可以考慮選用不同的閾值。

4 結(jié)論

本文在收集西北太平洋歷史船測CTD數(shù)據(jù)和漂流浮標(biāo)BGC-Argo數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上,利用差值法、梯度法和閾值法分別計算硝酸鹽躍層深度,并以人工目視解譯判定的結(jié)果為參考標(biāo)準(zhǔn)進行了對比和分析。研究表明:

1)就三種計算方法而言,相較于梯度法和閾值法,差值法計算的ZN具有更高的適用性,與目視解譯ZN相差較小。

2)就兩種數(shù)據(jù)類型而言,基于BGC-Argo數(shù)據(jù)計算的ZN與目視解譯ZN的差值顯著小于基于CTD數(shù)據(jù)計算的結(jié)果,三種方法計算得到的ZN與目視解譯ZN均呈現(xiàn)良好相關(guān)性,且差值法估算的ZN準(zhǔn)確度最高;基于CTD數(shù)據(jù),由于其垂向采樣分辨率較低,三種方法計算得到的ZN與目視解譯ZN相差較大,但相比于梯度法和閾值法,差值法的計算誤差仍然最小。

本文僅針對西北太平洋對比分析了ZN的三種計算方法,得到一些有益的結(jié)論,但對于其他海區(qū)乃至全球大洋ZN的計算以及ZN計算方法精確度的提高和計算方式的創(chuàng)新還有待于進一步分析研究。

致謝感謝美國國家環(huán)境信息中心(NCEI,https://www.nodc.noaa.gov/access/index.html)和BGC-Argo數(shù)據(jù)網(wǎng)站中心(https://biogeochemical-argo.org/)對本文有關(guān)CTD觀測數(shù)據(jù)和BGC-Argo觀測數(shù)據(jù)的支持,同時特別感謝兩位匿名審稿人提出的寶貴審稿意見,幫助我們完善了實驗設(shè)計并提升了論文質(zhì)量。