黑潮延伸区气旋式涡旋浮游植物繁殖个例

王同宇，张书文,2，马永贵，陈法锦，蒋 晨，于 杰

（1.广东省近海海洋变化与灾害预警重点实验室 / 广东海洋大学海洋与气象学院，广东 湛江524088;2.区域海洋动力学与数值模拟功能实验室 / 海洋科学与技术国家实验室，山东 青岛 266237）

海洋 20%～30%海表面积表现出中尺度涡旋的特征。这些中尺度涡旋半径尺度在100 km左右，时间维持几天到几个月，在西边界流海域尤为活跃[1]。黑潮为北太平洋西边界流，具有高温、高盐、高流量、水色显著等特征，在 35°N、140°E附近分为 2支，呈现出弯曲形态，并不断有涡旋脱落，主干道向东到达160°E，称为黑潮延伸区[2]。该区域是全球海洋锋面最强、涡动能最大的区域之一，易受地形、季风、西边界流等因素影响，使得中尺度涡旋呈现出复杂、多变特点，因此中尺度涡旋是调节中纬度上层海洋物理-生态-化学特性的关键[3]。在中尺度涡旋生成到消亡阶段，涡旋携带其内部水体向西运动，引起热盐、动能、营养盐、叶绿素a (Chl-a)浓度等物理化学物质的水平交换和输运，这些物理生物地球化学现象对于海洋上层生态环境起重要作用[4-5]。

20世纪90年代以来，卫星遥感技术和产品在逐步改进，为研究海洋现象提供了有效手段。Doney等[6]发现卫星观测到的海洋水色变化与中尺度涡旋引起的生态要素有关。气旋式涡旋（cyclone eddy ,CE）海表面辐散使得海表高度异常偏低，等密度面抬升，使得富营养水进入真光层，初级生产力增加，同时海表风应力以及浮力损失导致海水发生垂直混合也会把浮游植物和营养盐向上输送[7-9];对于反气旋涡旋（anticyclone eddy , AE），海表面高度异常偏高，一方面混合层和等密面加深抑制营养盐向上输送[10-11]，另一方面涡旋内部由于风驱动的埃克曼流与涡旋相互作用产生辐散，通常也会导致Chl-a浓度增加[12-14]。Siegel等[15]将涡旋对浮游植物的影响机制归纳为“涡旋抽吸”“涡旋水平输送”“涡-风埃克曼抽吸”“亚中尺度抽吸”，这些机制都有可能会对浮游植物的时空分布有影响。副热带海域浮游植物繁殖主要受营养盐的限制，冬季强湍流混合促进营养盐垂向输运，所以这些海域，叶绿素浓度高值主要出现在冬季[16-17]，而中高纬度海域（黑潮延伸体区）则会受到光照和营养盐的限制，便对浮游植物繁殖产生不同的影响。在不同海域，不同中尺度涡旋存在的机制都会有所不同[18]，因此，研究不同海域在不同环境下中尺度涡旋对 Chl-a浓度的影响是十分有必要的。本研究将利用高分辨率卫星遥感数据，对黑潮延伸区个例中尺度涡旋生命周期内浮游植物繁殖机制进行讨论。

1 数据和方法

1.1 数据

海表面高度异常(Sea level anomaly，SLA)数据从哥白尼海洋环境监测中心（CMEMS）网站（http://marine.copernicus.eu/）下载，该数据由ERS1/2,TOPEX/Poseidon和 Jason等多颗卫星资料融合, 空间分辨率为0.25°×0.25°, 时间分辨率为1 d。时间序列从1993年到2017年。

海表风场数据和海表面温度(sea surface temperature,SST)由遥感系统（remote sensing systems,RSS）提供，下载地址：http://www.remss.com/。其中风场数据空间分辨率为0.25°×0.25° ,时间分辨率是 6 h, SST时间分辨率为 1 d,空间分辨率为0.083°×0.083°，Chl-a浓度从全球水色网站下载：http://hermes.acri.fr/index.php，空间分辨率为9 km, 时间分辨率为1 d。

李亚诺夫指数(finite size lyapunov exponents,FSLE)数据[19]是卫星海洋学数据存档中心（AVISO）2016年发布的产品(https://www.aviso.altimetry.fr/en/data.html)，能够提取出拉格朗日拟序结构（流体输运的边界），显示高分辨率的丝状结构位置和搅拌强度，可以用来分析水平搅拌机制，进而分析浮游植物的传输和扩散[20-21]。

Hybrid Coordinate Ocean Model (HYCOM)模式资料包含海洋温度、盐度和流场等数据。该数据为迈阿密大学数值模式团队(University of Miami modeling group)和美国海军研究实验室(Naval Research Lab)合作的产品。HYCOM模式同化了卫星高度计、抛弃式深水温度(expendable bathy thermographs, XBT)、温盐深仪 (conductivity temperature depth, CTD) 和Argo 浮标等多种观测资料[22]。该数据时间分辨率为 1 d，水平分辨率为1/12°，垂向分层为40层。

AVISO涡旋数据产品基于SLA数据识别出来，产品包含了涡旋的经纬度、振幅、半径、生命周期、旋转速度、移动速度、涡旋类型信息，时间范围为1993年到2018年1月[4]。

1.2 方法

由于表层风应力旋度的作用，海水产生埃克曼抽吸，埃克曼抽吸速率（We）根据公式[4]：

当存在较强温跃层的海域，用温度或盐度计算的 MLD一致，本文采用温度剖面数据计算 MLD,取ΔT=0.5 ℃的深度为MLD[23]。

基于AVISO涡旋数据产品对FSLE、SST、SLA、Chl-a浓度进行归一化合成分析，选取每一天距离涡旋中心 2倍半径区域内所有网格点，考虑到卫星遥感资料分辨率不同，将选取网格点内数据差值到归一化后的网格区域，计算平均值。

2 结果

选取黑潮延伸区域为 30°N－40°N，140°E－170°E，如图1所示，该区域1998－2017年平均SLA的标准偏差(STD)，沿着黑潮延伸区域主轴 35°N，南北两侧均表现出高STD值0.3 m，呈现显著地涡旋活动。该区域沿着主轴北侧以ACE为主，南侧以CE为主，并且CE区域CHL-a浓度明显高于ACE[24]，在主轴南侧选取一个生命期为44周，从2013年11月22日－2014年9月24日的CE，并在3月底到4月初这段时间内CE内部出现高浓度Chl-a（图2）。

2.1 涡旋信息

CE在33°N，159°E形成，以3～12 cm/s速度向西移动，最终在31°N、146°E处消亡。在向西移动的过程中，其半径变化在80～120 km之间，冬季（1～15周）期间半径和振幅达到最大，进入春季时，涡旋半径和振幅均减小，半径基本维持在80 km, 而涡旋振幅紧接着增加至0.45 m, 移动速度在藻华期间大于5 cm/s, 涡旋的非线性程度根据非线性指数（U /C）判断,U为涡旋旋转速度，C为移动速度（图3-a,b,c）。强非线性（U / C＞ 1 )出现在整个涡旋生命周期内（图3-d），也就是说，对于旋转速度远大于移动速度的高度非线性涡旋往往使得内部水体不易与外部产生交换。

图1 1993－2017年SLA的标准偏差空间分布Fig.1 Spatial distribution of standard deviation for SLA from 1993 to 2017 year

图2 Chl-a浓度、地转流、SLA空间分布Fig.2 Spatial distribution of Chl_a concentrations, geostrophic current and SLA

2.1 涡旋信息

CE在33°N，159°E形成，以3～12 cm/s速度向西移动，最终在31°N、146°E处消亡。在向西移动的过程中，其半径变化在80～120 km之间，冬季（1～15周）期间半径和振幅达到最大，进入春季时，涡旋半径和振幅均减小，半径基本维持在80 km, 而涡旋振幅紧接着增加至0.45 m, 移动速度在藻华期间大于5 cm/s, 涡旋的非线性程度根据非线性指数（U /C）判断,U为涡旋旋转速度，C为移动速度（图3-a,b,c）。强非线性（U / C＞ 1 )出现在整个涡旋生命周期内（图3-d），也就是说，对于旋转速度远大于移动速度的高度非线性涡旋往往使得内部水体不易与外部产生交换。

图3 拉格朗日时间序列的涡旋信息Fig.3 Lagrangian time series of eddy information

2.2 浮游植物繁殖

涡旋区域的Chl-a浓度时间分布，分为3个区域：中心（0.5R）、涡旋内部(1R)、边缘(R-2R), Chl-a浓度依次减少，整个生命周期内均表现为相同趋势变化，1～15周内 Chl-a浓度基本维持在 0.15～0.28之间，而在16～23周内均有大幅度增加，3个区域的Chl-a浓度梯度达到最大，第18周，涡旋中心最大 Chl-a浓度达到 0.65 mg/m3, 是同期背景场的Chl-a浓度3倍，边缘Chl-a浓度增加1.5倍，于3月29号开始迅速减少，直到第23周的Chl-a浓度恢复正常（图4），此时涡旋的位置是 31.21°N、154.61°E，向西传播了180 km。

图4 涡旋Chl-a浓度变化拉格朗日时间序列Fig.4 Lagrangian time series of observed Chl-a concentrations

无论是整个周期还是藻华期，合成Chl-a浓度空间分布都呈现单极子结构-中心为高值区，向四周递减，生命期为44周的涡旋内部(R)平均Chl-a浓度最大值仅为0.19 mg/m3，边缘区域(R-2R)则为0.12 mg/m3，而藻华期涡旋整个区域均大于0.2 mg/m3，内部达到0.50 mg/m3（图5-a,d），同时，比较SST和SLA藻华期和整个周期空间分布，涡旋SST由北向南逐渐递增且具有一定偏度，藻华期的SST最小值达到 16℃，比整个周期平均 SST（20℃）低4℃(图5-b,e)，其SLA范围仅有小范围增加，最大SLA由-58 cm减少至-62 cm(图5-c,f)，SST和SLA最小值区域正是浮游植物大量繁殖区域（图5）。

HYCOM再分析资料已广泛应用于上层海洋研究，He等[25]利用三维温度数据分析长时间具有中尺度涡特征的上层海洋，Wu等[26]和 Lu等[27]也利用HYCOM数据研究台风过境后，涡旋内部三维结构变化特征。本研究用此数据绘制出4个时刻涡内三维温度结构，初始时刻选取2013年12月25日（图6-a），涡旋表层中心的SST并未表现出显著低温，然而涡旋中心海表面100 m以下存在着显著地冷水上涌，与表层温度相差5 ℃，这种不规则的三维温度分布表明该旋涡不是模态涡旋，而是常见的中尺度涡旋[7]，涡旋垂直结构与前人的研究一致，CE具有较低的温度（高密度），混合层深度浅。随着冬季湍流混合加强，表层与次表层温差逐渐减少，2014年1月27日, 整个上层海洋0～300 m由于混合层加深，温度分布均匀，降温至17℃左右（图6-b），随后进一步降温，3月25日之后温跃层开始重新抬升（图6-c）, 冷核中心的位置发生偏移，再经过1个月后，整个上层海洋继续降温（图6-d）。

图5 合成涡旋周期44周和藻华期（16-23周）Chl-a浓度、SST、SLAFig.5 Composite averages of Chl-a concentrations, SST and SLA during the entire lifetime of the cyclonic eddy and algal period

surface(subsurface)图6 基于HYCOM再分析数据的涡旋温度三维结构Fig.6 3-D structures of temperature (from HYCOM) along the eddy’s track

图7 周期为44周涡旋中心温度拉格朗日时间序列（白线代表MLD）Fig.7 Lagrangian time series of the center of temperature in cyclonic eddy, which covers the entire lifetime of the cyclonic eddy, the white line represent MLD

图8 合成涡旋周期44周和藻华期（16-23周）表层风应力引起的We以及FSLEFig.8 Composite averages of We induced by the curl of surface wind stress and FSLE during the entire lifetime of the cyclonic eddy and algal period

3 讨论

在上层海洋中，光和营养盐是促进浮游植物大量繁殖最重要的2个因素，光照条件和营养盐浓度的分布可以调节Chl-a浓度变化[28]。在中高纬度的黑潮延伸体区域，光照条件受到限制，一般营养盐跃层远大于混合层深度，浮游植物繁殖更会受到营养盐的限制，因此引起浮游植物大量繁殖需要营养盐的供应，经过冬季湍流混合夹卷作用使得海洋深层的营养盐输送进入混合层内，春季便出现浮游植物繁殖[29-30]。

该CE形成于11月22日，冬季混合降温使得MLD由初始值75 m迅速增加，第10周达到最大值160 m，增加速率为1.21 m/d，该深度一直维持至第20周，随后20～40周内MLD减少至25 m，MLD变化明显受到季节性影响（图7）。从冬季开始，MLD温度逐渐降低，冬末初春MLD温度降低至 16℃，夏季回温至 24℃。浮游植物的藻华期大致滞后MLD的时间为4～6周（图4,7），意味着除MLD加深后，还有其他机制为浮游植物繁殖提供营养盐。

假使均一风场作用于涡旋，由于涡旋两侧水团运动方向不同，涡旋两侧相对风场的速度也不同，使得涡旋两侧的风应力出现差异，气旋涡中心水平埃克曼传输产生辐聚，导致水体下沉[31]。CE表层海水与空气之间的相对运动产生的风应力旋度可以产生垂直向下的，风引起向下的达到0.18 m/d (图8-a), 而涡旋边缘南北两侧都出现相反且量级与中心相反的，藻华期是整个周期平均的3倍，达到0.6 m/d(图8-c), 这种单极子分布的强下沉流并未抑制浮游植物繁殖（图4），这说明是涡旋内部向上的涡致抽吸作用远大于涡-风导致的, 可以将深层富含高营养盐的冷水抬升至混合层或真光层内，一方面引起涡旋中心出现低SST，另一方面为浮游植物繁殖提供营养盐，但He等[25]研究南半球副热带环流区一个ACE中心浮游植物繁殖机制，冬季MLD加深滞后于Chl-a浓度增加，混合层加深至营养盐跃层深度，有利于上升流和混合夹卷作用携带营养盐输送至混合层，认为高浓度的Chl-a主要是由于冬季湍流混合和埃克曼抽吸共同作用。

为了比较混合层加深和上升流的重要性，我们利用由Caniaux等[32]提出针对混合层内营养盐通量方程：

浮游植物繁殖连续持续6周，同时涡旋也是向西传播，涡旋表现为高度非线性，整个周期涡旋是接近闭合的拉格朗日拟序结构（图9），特别是藻华期拟序结构进一步加强，范围缩小(图8-b,d)，形成与周围水体交换的障碍带，保证水体较少受外界影响，因此除了MLD加深和上升流之外，CE周围强拉格朗日拟序结构也可以保持长时间的高浓度Chl-a。

图9 FSLE空间分布Fig.9 Spatial distribution of FSLE

4 结论

通过高分辨率卫星和再分析数据，研究分析长时间序列（44周）CE性质变化，发现浮游植物繁殖出现在16～23周，Chl-a浓度增加3倍。通过合成分析SST、SLA、Chl-a，涡旋内部中心表现为低温、低SLA值、高Chl-a值的单极子分部特征，并维持闭合的拉格朗日拟序结构，其特征在藻华期（16～23周）更为显著。在涡旋生命期前期，冬季强湍流混合作用和涡-风导致的使得MLD降温并加深至营养盐跃层，藻华期滞后于MLD加深至最大时期大约4～6周。另外，在冬末初春，涡旋内混合层与营养盐跃层的距离接近，涡致抽吸作用引起的向上的远大于涡-风导致的向下的，易将更多营养盐向上输送带入混合层。在春季光照条件得到满足的情况下，浮游植物大量繁殖，使涡旋内Chl-a浓度显著高于周围水平。通过混合层内营养盐通量方程分析，季节性MLD变化结合埃克曼抽吸作用，可以更显著地影响混合层内营养盐通量，因为湍流混合和埃克曼抽吸分别主导跃层以上和以下的营养盐输送，共同促进浮游植物大量繁殖。