夏季南海西部叶绿素浓度高值带的年际变化

古园园，王静，储小青，程旭华

(1. 中山大学 地理科学与规划学院 广东省城市化与地理环境空间模拟重点实验室,广东 广州 510275； 2. 中国科学院南海海洋研究所 热带海洋环境国家重点实验室, 广东 广州 510301)



夏季南海西部叶绿素浓度高值带的年际变化

古园园1,2，王静1*，储小青2，程旭华2

(1. 中山大学 地理科学与规划学院 广东省城市化与地理环境空间模拟重点实验室,广东 广州 510275； 2. 中国科学院南海海洋研究所 热带海洋环境国家重点实验室, 广东 广州 510301)

基于1998-2013年SeaWiFS和MODIS传感器的叶绿素浓度资料，本文分析了夏季南海西部叶绿素浓度高值带的年际变化规律。夏季，叶绿素及营养盐在海流的作用下离岸输送，从而在南海西部形成叶绿素浓度高值带，其分布与东向急流的流向一致。分析结果显示，高值带分布主要受13°N以南海域风场的调控，且滞后风场1周。当13°N以南海域受异常东北风(西南风)控制时，高值带位于其多年平均位置以北(南)。

叶绿素；叶绿素浓度高值带；年际变化；风场

1 引言

南海是西北太平洋最大的半封闭边缘海，其东西跨度99°～122°E，南北跨度0°～23°N。南海位于亚澳季风的中部，属于典型的季风区，夏季盛行西南季风，冬季盛行东北季风[1—2]。夏季，受安南山脉的阻挡，南海西部的西南季风风速急剧增大，强风的搅拌作用以及沿岸上升流导致的低温水和营养盐的上涌为该海域叶绿素浓度的升高提供了有利条件[3—8]。受季风和地形的影响，南海西部上层环流大致以11°N为分界线，分界线以北海域出现气旋式环流，以南出现反气旋式环流，并在两者之间形成一支离岸东向急流[9—12]。海水中的营养盐作为制约叶绿素浓度变化的主要因素，其分布受海流状况的影响，因此叶绿素浓度的分布也与海流密切相关[13—14]。在东向急流的作用下，营养盐和浮游植物离岸输送，尽管浮游植物的生命周期仅1周左右，但在营养盐充足等条件下，南部反气旋环流北部边缘的叶绿素一直保持较高浓度，并形成呈离岸延伸状的叶绿素浓度高值带[4—7，15]，其浓度呈现近岸高离岸低的特点，结合同期地转流场，可以发现，高值带的离岸分布与东向急流流向的一致性较好(图1)。此外，从叶绿素浓度高值带的存在周期来看，高值带基本形成于6月，7-8月最强，10月因西南季风、沿岸上升流及反气旋环流减弱等因素引起的营养盐匮乏而消亡[5]。

南海西部作为南海叶绿素浓度变化最为显著的海域之一[16]，通常年份，该海域的叶绿素浓度在夏季达到全年峰值[4—8]，但1997/1998年强El Nio的出现，造成翌年夏季南海西南季风减弱，因此1998年该海域叶绿素浓度在夏季并未出现峰值[4，17—18]。研究表明，印度洋“电容器效应”是造成El Nio翌年南海西南季风减弱的主要原因[19—23]，而对于某些年份来说，如2000-2002年及2007年，夏季由于受30～60 d变化周期的大气季节内振荡(Maddan-Julian Oscillation，MJO)影响，西南季风突增，造成越南东南沿岸上升流增强，导致该海域叶绿素浓度异常升高[24—25]。

图1 2002年7月(a)与2006年7月(b)叶绿素浓度(mg/m3,底色)及地转流分布 (m/s，紫色箭头)Fig.1 Maps of Chl a concentration(mg/m3,color shading)and geostrophic current(m/s ,vectors),with (a) in July 2002,(b) in July 2006

由上述可知，前人对南海西部海域叶绿素浓度在不同时间尺度的变化及其与各海洋环境因子、ENSO(El Nio / Southern Oscillation)、MJO等气候模态相互关系做了大量研究，但对叶绿素浓度高值带空间分布特征的分析鲜有涉及。而由图1给出的2002年及2006年7月的高值带分布状况来看，2002年7月高值带呈东向离岸分布，2006年7月高值带则呈东北向离岸分布，由此可见，不同年份的高值带分布存在较大差异。随着近年来海洋遥感资料的不断丰富，分析较长时间序列的叶绿素浓度及其他影响因子的变化已成为可能。基于以上考虑，本文以Sea viewing Wide Field of view Sensor(SeaWiFS)和Moderate-resolution Imaging Spectroradiometer(MODIS) L3级标准产品为数据源，分析了夏季7°～17°N，106°～115°E之间的南海西部海域(图2黑框)叶绿素浓度高值带分布的年际变化规律，并初步探讨其可能的影响机制，这对于认识南海区域海洋生态系统及其与海洋物理环境的关系具有重要意义。

图2 南海地形图,黑框所示为研究海域(7°～17°N，106°～115°E)Fig.2 Topography of the South China Sea, the black box indicates the study area(7°～17°N，106°～115°E)

2 资料来源及处理方法

本文采用来自NASA Goddard Space Flight Center Distributed Active Archive(GSFDAAC)的SeaWiFS传感器和MODIS传感器叶绿素浓度资料，空间分辨率为9 km×9 km，时间分辨率为8 d，取1998年到2013年7月的8日平均叶绿素浓度数据，其中，1998年到2007年使用SeaWiFS传感器数据，由于2007年之后，SeaWiFS数据缺失较大，因此从2008到2013年使用具有同样时空分辨率的MODIS数据。同时，为保持数据的连续性，利用关系式：

[chl]SeaWiFS=0.942[chl]MODIS+0.021[26].

(1)

将MODIS传感器数据转化为以SeaWiFS传感器数据为基准的数据。绘图时，叶绿素浓度值取以10为底的对数，并去除水深20m以浅的数据。

本文使用的海面风场数据是由欧洲中尺度天气预报中心(EuropeanCentreforMedium-RangeWeatherForecasts，ECMWF)提供的大气、陆地和海洋全球再分析数据，时间分辨率为1d，空间分辨率为0.25°×0.25°，时间跨度为1998年到2013年。基于研究结果(见下文)，将风速处理成与叶绿素浓度数据时间段对应的8日平均风场(例如选取1998年7月20-27日的叶绿素分布，那么对应的风场则是1998年7月13-20日期间的平均分布)。异常风速是通过减去对应月份的气候态月平均风速得到。

为研究叶绿素浓度与海表温度的关系，本文同样使用ECMWF提供的大气、陆地和海洋全球平均再分析数据，空间分辨率为0.25°×0.25°，时间分辨率为1月，时间跨度为1998年1月到2013年12月。

文中采用的表面地转流资料来自法国Archiving，ValidationandInterpretationofSatelliteOceangraphicData(AVISO)提供的格点化产品，时间分辨率为1d，空间分辨率为0.25°×0.25°，时间自1998年到2013年，处理过程类似对风场的处理。

此外，MJO指数由澳大利亚气象局(AustralianGovernmentBureauofMeterorology)提供。

3 结果与分析

3.1 高值带的年际变化特征

在分析高值带的年际变化时，需排除季节和季节内等较短时间尺度信号的干扰，但由于叶绿素浓度数据缺测较多，无法直接利用带通滤波来滤除叶绿素浓度数据短时间尺度的信号，鉴于南海西部海域叶绿素浓度高值带离岸分布与东向急流流向的一致性[13—14]，首先对地转流场数据进行滤波处理，使用butterworth低通滤波滤去120d以下的季节内和季节变化信号，获得仅保留年际变化信号的地转流场，利用此流场来反映叶绿素浓度在年际尺度上的变化。

通常来说，叶绿素浓度高值带位置较稳定，并且在7月最为明显，因此，本文选用了1998-2013年逐7月份8d合成的叶绿素浓度数据来代表夏季叶绿素浓度的分布，数据的选取上，在数据量样本足以反映高值带分布状况的前提下尽量保证每年所选数据时间段的一致性。由逐年7月份8d合成的叶绿素浓度分布及同期已滤去季节和季节内等信号的地转流场(图3)，可以看出，除2000年以外，其余年份高值带的离岸分布与对应位置地转流流向的一致性较好，可认为图中所示的叶绿素浓度分布为年际信号，而在2000年7月19-26日期间，高值带呈东向离岸分布而东向急流流向东北，二者明显不一致，这可能是由于更小时间尺度信号的影响[24—25]，对此我们将另行撰文分析。

图4给出了研究区域7月份平均叶绿素浓度、风速、温度随时间的变化序列及叶绿素与两者之间的相关系数，通过分析发现，1998年、2004年、2005年、2007年、2010年、2013年南海西部海域的叶绿素浓度并未明显升高，其中，2004年、2007年、2010年可能是受2003年、2006年、2009年ElNio的影响，翌年夏季区域平均风速低于4m/s，根据图4中三者随时间的变化序列，求得叶绿素浓度与纬向风速的相关系数为0.76，与温度的相关系数为-0.74，但是因为样本数量较少，本文结合前人研究成果，用计算得到的相关系数来表明海表温度及风速对叶绿素浓度的影响。由图4同时结合前人研究结果可知，西南季风的减弱，导致沿岸上升流、海水蒸发及海水搅拌作用的减弱及海表温度的上升，从而抑制了叶绿素浓度的升高，区域平均浓度未超过0.3mg/m3，因此，南海西部海域并未出现叶绿素浓度高值带[4,17—18]。2013年虽然未受到ElNio的影响，但西南季风较弱，南海西部叶绿素浓度较低，也未形成高值带。而1998年、2005年分别受1997年、2004年ElNio影响，南海西部叶绿素浓度明显较其余年份低，但在7月20-27日期间形成了高值带，而夏季的其余时间段南海西部叶绿浓度较低且高值带未形成。因此，本文对2000年、2004年、2007年、2010年及2013年这些特殊年份不予考虑。

图3 1998-2013年逐年7月份8 d平均叶绿素浓度(mg/m3)及滤波之后的地转流(m/s)Fig.3 8-day averaged Chl a concentration (mg/m3) and low-passed filtered geostrophic current(m/s ,vectors) in July from 1998 to 2013 底图颜色为叶绿素浓度，箭头表示地转流，黑线表示高值带位置，红线表示高值带多年平均位置Black lines represent the location of high Chl a concentration strip, and red ones represent averaged location of it

图4 1998-2013年7月份研究海域平均叶绿素浓度(黑线)、风速(绿线)、纬向风速(蓝线)、海面温度(红线)及变化序列Fig.4 Time series of averaged Chl a concentration (black line), wind(green line), and sea surface zonal wind (blue line) ,SST (red line) in July from 1998 to 2013

为了便于分析叶绿素浓度高值带的年际变化，首先要确定高值带的主轴。主轴的确定方法如下：不考虑湄公河口由于近岸陆源性营养盐含量丰富所致的叶绿素浓度高值区，从109°E起，依次连接经向叶绿素浓度最大值所在格点，并以叶绿素浓度值不低于且最接近0.4mg/m3的格点为终点，从而得到高值带的主轴(图3中黑线所示)。通过观察主轴位置的变化，可以看出，每年7月叶绿素浓度高值带分布不尽相同，存在明显的年际变化，如在1998年、1999年、2003年、2005年等年份，高值带位于其多年平均位置(图3中红线所示)以北，且从11°N附近的越南东南近岸处起，向东北离岸方向延伸至13°N左右；而在2009年、2011年，高值带位于其多年平均位置以南，起始点也位于11°N附近的越南东南近岸，基本呈东向离岸分布，其余年份如2008年、2012年，高值带位置与其多年平均位置几乎重合，不存在南北向的偏移。

3.2 海面风场

在不同时空尺度大气振荡的叠加影响下，夏季南海西南季风强度在不同年份差异较大[27—28]，而南海环流主要受风的驱动[29—31]。近年来，有学者通过分析数值模式结果及卫星遥感资料，进一步指出夏季东向急流的纬度位置因季风强度的不同而表现出明显的年际变化特征：当异常风场为西南风时，东向急流位置偏南；当异常风场为东北风时，东向急流位置偏北[32—33]，虽然较早期有研究指出，南海西部东向急流的流向与叶绿素浓度的分布密切相关[12—13]，但是，研究成果并未涉及夏季南海西部叶绿素浓度高值带分布的变化规律。在前文的分析中，已发现高值带分布存在明显的年际变化特征，我们猜测高值带的分布是否也会与夏季风的强度有所关联，因此，本节将分析夏季南海西部叶绿素浓度高值带分布的年际变化与风场的变化特征。

图5 高值带平均位置纬度时间序列(蓝色线段)与研究海域超前7 d的平均纬向风速时间序列(黑色线段)，直线分别表示平均位置纬度和纬向风速的趋势变化 ；红色实线表示高值带多年平均位置的纬度值 Fig.5 Time series of mean latitude of the high Chl a concentration strip(solid blue segment) and the zonal wind speed(m/s) leading 7 days(solid black segment);the red line is the climatological mean latitude of the high Chl a concentration strip

图5所示为高值带的平均纬度位置及研究海域超前7d的平均纬向风速，我们可以发现，二者年际变化显著，且呈明显的负相关关系。具体来看，当叶绿素浓度高值带的纬度位置偏北时，如在1998年、1999年、2003年、2005年夏季，对应超前7d的纬向风速较弱，而在2009、2011年高值带纬度位置偏南，对应超前7天的纬向风速较强。

3.3 高值带与风场的关系

为进一步探究叶绿素浓度高值带的年际变化与风场的关系，本文选取了典型年份的风场进行合成分析。典型年份的选取方法如下：计算高值带与其多年平均位置在同一列上对应格点距离差值的总和，正值表示高值带位于其多年平均位置以北，负值表示高值带位于其多年平均位置以南(如图6所示)，分别以±0.44×103km(绝对值为一个标准差)为阈值，当差值总和大于0.44×103km时，该年即为高值带北偏明显的年份，而总和小于-0.44×103km的年份则作为高值带南偏明显的年份。据此方法，我们选取了1998年、1999年、2003年、2005年作为高值带位于其多年平均位置以北的典型年份，2009年和2011年作为高值带位于其多年平均位置以南的典型年份。对于典型年份，分析超前叶绿素浓度7d的合成异常风场(图7)，可以发现，南海西部海域海表异常风场大致以13°N为分界线，分界线的南北两侧表现出不同特征，对于高值带明显偏北的年份，13°N以南海域基本受异常东北风控制，由1998年、1999年、2003年、2005年异常风场合成见图7a，13°N以南海域呈东北风异常，13°N以北的大部分海域呈西南风异常；对于高值带偏南的年份，13°N以南海域均呈现西南风异常，2009年和2011年的异常风场合成见图7b，全区均呈现西风异常，13°N以南海域呈西南风异常，13°N以北海域呈西北风异常。

图6 叶绿素含量高值带位置与其多年平均位置差值总和的时间序列Fig.6 Time series of the sum of the distances between the high Chl a concentration strip and its multi-year mean location

图7 叶绿素含量高值带偏北年份(a)和偏南年份(b)异常风场合成，其中底图颜色表示异常纬向风速(m/s)Fig.7 Composites of wind anomalies in the year when the high Chl a concentration strip moves north (a), south(b); shading color represents the zonal wind anomalies (m/s)

由以上分析可以推断，叶绿素浓度高值带位置主要受13°N以南海域风场的影响。因此，风场对叶绿素浓度高值带分布年际变化的影响可概括如下：当高值带分布滞后纬向风速7d时，二者呈现明显的负相关关系；当13°N以南海域纬向风速减小、且全区呈东北风异常时，高值带位于其多年平均位置以北；当13°N以南海域纬向风速增强，且全区呈西南风异常时，高值带位于其多年平均位置以南。

4 结论

前人研究结果表明，夏季，西南季风增强、南海西部海域的沿岸上升流将营养盐垂向输送至海表，造成了研究海域叶绿素浓度的显著升高。离岸流、涡旋导致的表面流和埃克曼平流将携带大量浮游动植物及营养盐的水体水平输送，持续的营养盐供给及浮游动植物的生态效应，为南海西部海域叶绿素浓度高值带形成及分布的维持提供了极佳条件，而地转流则在此过程中起主导作用[14]，因此地转流流向与高值带的分布吻合较好。此外，由于南海西部的东向急流是由海面高度变化形成的经向偶极子模态产生，而海面高度的偶极子模态主要受南海局部风场变化影响[33]。因此，基于以上研究成果，我们在本文的分析中发现，叶绿素浓度高值带的分布存在一定的年际变化规律，并且这种变化与研究海域的纬向风速有关，总结如下：

叶绿素浓度高值带的年际变化主要受13°N以南海域纬向风速的影响，并滞后风场7d。当13°N以南海域受异常东北风的控制，高值带位于其多年平均位置以北；当13°N以南海域受异常西南风的控制，高值带位于其多年平均位置以南。可通过图8所示的概念模型来具体反映：当研究海域13°N以南纬向风速增强，在东向急流的作用下，所形成的高值带位置南偏，当13°以南纬向风速减弱，东向急流流向东北，高值带位置北偏。

图8 叶绿素浓度高值带分布及机制的概念模型Fig.8 Conceptual model of the mechanism for the high Chl a concentration strip′s location

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Interannual variability of the high chlorophyllaconcentration strip in the western South China Sea during summer

Gu Yuanyuan1,2，Wang Jing1，Chu Xiaoqing2，Cheng Xuhua2

(1.GuangdongKeyLaboratoryforUrbanizationandGeo-simulation,SchoolofGeographyandPlanning,SunYat-senUniversity,Guangzhou510275,China; 2.StateKeyLaboratoryofTropicalOceanography,SouthChinaSeaInstituteofOceanology,ChineseAcademyofSciences,Guangzhou510301,China)

Based on the SeaWiFS and MODIS chlorophylla(Chla) concentration data from 1998 to 2013, the interannual variability of the high Chlaconcentration strip in the western South China Sea(SCS) during summer is investigated. In summer，under the effect of the eastward current, the Chlaand the nutrients are advected offshore into the open SCS, which contributes to forming the high Chlaconcentration strip, whose distribution pattern seems in accord with the direction of the eastward current. Our analysis shows that in the study region，monsoon in the south of 13°N plays a significant role in determining the distribution of the chlorophyll with 1 week delay, and the interannual variability of wind anomaly results in the variability of the high chlorophyll concentration strip. When the area is controlled by anomalous northeast (southwest) monsoon, the strip moves northward (southward).

chlorophyll; the high Chlaconcentration strip; interannual variability; wind

2016-06-27；

2017-03-10。

国家自然科学基金(41276108，41676010，41476011，41522601，41276025)；广州市珠江科技新星项目(201506010036)。

古园园(1991—)，女，江西省赣州市人，主要从事海洋遥感信息应用研究。E-mail:yuan_8069@163.com

*通信作者：王静，主要从事海洋遥感信息应用研究、GIS研究。E-mail:jwang@scsio.an.cn

10.3969/j.issn.0253-4193.2017.06.001

P731.2；Q178.53

A

0253-4193(2017)06-0001-09

古园园，王静，储小青,等. 夏季南海西部叶绿素浓度高值带的年际变化[J].海洋学报，2017，39(6)：1—9,

Gu Yuanyuan，Wang Jing，Chu Xiaoqing，et al. Interannual variability of the high chlorophyllaconcentration strip in the western South China Sea during summer[J]. Haiyang Xuebao，2017，39(6)：1—9, doi:10.3969/j.issn.0253-4193.2017.06.001