阿拉伯海区域气溶胶时空动态变化及海域叶绿素a浓度特征

雷 茜,罗红霞,*,白林燕,冯建中,罗 东

1 西南大学地理科学学院,重庆 400715 2 中国科学院遥感与数字地球研究所,北京 100094 3 中国农业科学院农业信息研究所,北京 100081

大气气溶胶是由大气介质和混合于其中的固体或液体颗粒物所组成的体系[1],虽然含量很少,但作为地球-大气-海洋系统的重要组成部分,对全球生态环境和气候变化具有重要的影响和意义[2-3]。近些年来,大气气溶胶一直都是国内外学者们的研究热点。其中,气溶胶光学厚度(Aerosol Optical Depth, AOD)是研究气溶胶最基本最重要的参数,也是表征大气气溶胶状况、评价大气环境污染的关键因子之一[4]。大气气溶胶不仅可以通过直接和间接辐射影响着地气、海气辐射能量平衡,而且通过与海洋表面的物质交换,影响着海洋的生态环境。陆源气溶胶可以在环流的作用下通过大气通道从陆地向海洋输送,部分物质经过长距离输运到大洋上空,一方面改变海洋气溶胶的组成成分,另一方面通过沉降过程进入海水,进而影响表层海洋的海洋初级生产力[5]。由此可见,大气环境与海洋环境有着密切的联系。

已有相关研究表明,气溶胶和海洋叶绿素之间存在着一定程度上的联系。Tan等[6-7]利用卫星观测数据,对海洋叶绿素浓度与我国沙尘发生频率的统计分析显示,沙尘事件频率和海洋大气中气溶胶浓度与我国近海及邻近西北太平洋的叶绿素浓度有显著的相关性。Sarangi[8]利用MODIS/Aqua数据比较阿拉伯海东部和孟加拉湾西部的AOD发现,沿海气溶胶浓度高于远海,并分析了印度洋北部地区的气溶胶和叶绿素数据,发现其相关关系显著。 Shafeeque等[9]通过对1998—2013年索马里海域的叶绿素、气溶胶、风和海表温度季节变化的比较发现,气溶胶对海洋叶绿素的影响较大,在季风的影响下,大量的尘埃气溶胶可能会刺激海洋叶绿素浓度的增大。邓祖琴等[10]对北太平洋站点海洋初级生产力与中国大陆沙尘进行分析发现,滞后1个月的海洋初级生产力与中国大陆沙尘相关性较高,初级生产力的峰值与大陆沙尘次数非常匹配,表明沙尘对其生产力的大幅增加有重要的作用。李一凡和陈文忠[11]利用MODIS和CALIOP卫星遥感数据产品,分析了我国华北地区气溶胶光学厚度和西北太平洋部分海域海洋初级生产力的时空分布,并发现华北地区气溶胶光学厚度与滞后其1—2个月的部分海域初级生产力相关性较高。纪嘉彬等[12]分两个航次同时对西北太平洋及中国东部近海上空海洋气溶胶进行采集,结合数理统计方法探究其来源,并发现海域气溶胶沉降的营养盐有利于海洋初级生产力的提高,也会促进生物来源气溶胶的产生。综合前人的研究,本文利用MODIS卫星产品,针对阿拉伯海区域,对其2003—2017年间气溶胶光学厚度的时空变化特征进行研究,并从宏观上探究阿拉伯海域AOD与海洋叶绿素a浓度之间关系。

阿拉伯海区域地理环境独特,且是海上丝绸之路的要道,该海域的大气气溶胶以及海洋叶绿素a浓度都是全球高值区,在研究全球环境变化的过程中处于至关重要的地位。因此,在大的时空尺度上研究阿拉伯海地区气溶胶时空变化特征并分析其对阿拉伯海域叶绿素a浓度的影响,对海洋生态环境监测以及区域环境可持续发展具有重要的科学意义。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

阿拉伯海属于印度洋的西北部分,总面积约3862000 km2,最大宽度约为2400 km,其最大深度为4652 m,平均深度为2734 m。它位于伊朗和巴基斯坦的北部,西部是非洲之角和阿拉伯半岛,东部是印度半岛,南部与印度洋的其余部分融为一体[13]。向北由阿曼湾经过霍尔木兹海峡连接波斯湾,向西由亚丁湾通过曼德海峡进入红海,是21世纪海上丝绸之路的世界性交通要道。

阿拉伯海处于热带季风气候区,终年气温较高。中部海域6月和11月表层水温常在28℃以上；1月和2月温度转低,为24—25℃。临近阿拉伯半岛海面由于陆地干热气流的“烘烤”,水温可达30℃以上。11月至翌年3月常吹东北季风,降水稀少,为干季；4—10月盛吹西南季风,降水丰沛,为雨季；海流随季风风向而变化,夏季受西南季风影响呈顺时针方向,冬季受东北季风作用呈逆时针方向(图1)。在夏秋之交常发生热带气旋,伴有巨风恶浪和暴雨。

图1 研究区地理位置及其大气气溶胶光学厚度(AOD)空间分布Fig.1 The location and atmospheric aerosol optical depth (AOD) of study area

1.2 数据源及处理

研究使用的遥感影像数据来自美国宇航局戈达德太空飞行中心(NASA Goddard Space Flight Center)发布的MODIS数据。MODIS是搭载于Terra和Aqua 卫星上的一个最重要光学遥感仪器,提供了从可见光波段(0.4 μm)到中红外波段(14 μm)的全球观测资料[14],用于对全球海洋环境、大气环境等进行长期连续的观测。

气溶胶数据是由MODIS三级大气产品中“AOD_550_Dark_Target_Deep_Blue_Combined”数据集生成的,无量纲单位。NASA利用MODIS数据进行气溶胶特性反演,发布了气溶胶光学厚度和其他光学特性的全球分布产品[15]。相关研究[16]中利用全球自动观测网(AERONET)的太阳光度计测得的光学厚度对NASA发布的MODIS AOD产品进行验证,相关系数高达0.8,说明MODIS气溶胶产品达到了一定的精度。海洋叶绿素浓度数据是由MODIS Chlorophyll a Concentration 三级产品生成的,根据蓝绿波段遥感反射率比的经验关系计算,反映了表层叶绿素a的浓度(单位：mg/m3)。

本文主要选用了MODIS/Aqua卫星2003—2017年的550 nm气溶胶光学厚度(Aerosol Optical Depth, AOD)和海洋叶绿素a浓度(Chlorophyll a Concentration,Chl-a)的月平均数据产品,空间分辨率为0.1°× 0.1°。由于受云覆盖等影响,逐月数据中的无效值较多,因此利用IDL/ENVI、ArcGIS等软件对研究区(图1)范围内气溶胶光学厚度数据和海洋叶绿素浓度数据进行批量处理,对有效值进行季度、年度求平均,然后对其时空分布和变化趋势进行深度分析研究。

1.3 研究方法

对阿拉伯海区域气溶胶光学厚度和海洋叶绿素a浓度进行时空分布规律的研究中,采用季节变化标准划分方法：3—5月为春季,6—8月为夏季,9—11月为秋季,12—次年2月为冬季[17]。因此,本文将每一年的3—12月及次年的1—2月当作一年,将2003年3月—2017年2月划分为14年,季度变化按此处理,以便于研究其季节规律性变化。

为了反映研究区2003—2017年气溶胶光学厚度AOD的变化趋势,本文采用线性趋势分析方法[18]定量研究二者的空间变化趋势。该方法是对每个像元上15 年的气溶胶光学厚度年均值求出斜率,对逐像元的斜率分布进行分析, 利用空间平均方法分析气溶胶光学厚度多年的变化特征及变化趋势。对2003—2017年研究区AOD的年际变化进行模拟,具体计算公式如下：

(1)

式中,k为气溶胶光学厚度变化趋势,i为2003—2017的年序号,Xi为第i年的AOD值。若k>0则说明此像元AOD在这15年的变化趋势是增加的,反之则是减少。

气溶胶光学厚度与海洋叶绿素a浓度之间的关系采用相关系数方法进行分析,基于逐个像元分析气溶胶光学厚度与海洋叶绿素a浓度的空间相关分布特征[19],即把气溶胶光学厚度值和海洋叶绿素a浓度分别看作2个变量,用得到的Rxy表示AOD与Chl-a之间的相关程度,其公式为：

(2)

2 结果与讨论

本文首先分析阿拉伯海区域2003—2017年气溶胶光学厚度AOD多年平均特征和年际变化趋势,然后按照季节差异分析其AOD多年平均季节特征。为了探究该海域AOD对海洋环境的影响,进一步对长时间序列的叶绿素a浓度月数据集进行年均值、季节均值计算分析,并从宏观上研究分析阿拉伯海域气溶胶与海洋叶绿素a浓度之间的关系。

2.1 阿拉伯海区域气溶胶光学厚度(AOD)时空动态变化

图2 2003—2017年阿拉伯海区域AOD年均值空间分布Fig.2 Spatial distribution of the annual mean AOD over Arabian Sea during 2003—2017

环阿拉伯海区域2003—2017年气溶胶光学厚度AOD多年平均特征的空间分布如图2所示,AOD值在0—1范围内。阿拉伯海区域AOD分布表现出显著的地理分异特征,环阿拉伯海周边陆上区域AOD高值区多集中在受沙漠沙尘频发地带影响的阿拉伯半岛及印度北部,阿拉伯海域范围内高值区多分布于沿海近岸区域,AOD值多集中在0.341—1的范围,低值区主要分布于海域中部及北印度洋区域,AOD值多小于0.231。该海域AOD总体呈现出由北向南、由沿岸海区向远海区逐渐减小的趋势。

图3 2003—2017年研究区AOD变化趋势Fig.3 Trends of AOD during 2003—2017

基于ArcGIS空间分析,线性趋势分析方法得到2003—2017年阿拉伯海区域AOD变化趋势空间分布(图3),依据变率k大小进行分级：明显增加区(0.006

图4为阿拉伯海域15年的月均值变化和年均值变化。从时间尺度上看,海域AOD多年月均值呈中间高两边低的周期性波动走势。1—4月AOD值逐渐升高；5月略有下降；6—8月为全年AOD高值期,7月升到全年最高峰值(0.692),随后逐渐下降。因此,夏季是气溶胶光学厚度的高值季节。6—8月期间,主要受强季风影响,来自附近沙漠的沙尘颗粒的增加导致了阿拉伯海气溶胶含量增加[20]。对阿拉伯海区域AOD年均值的统计分析发现,气溶胶光学厚度值主要分布在0.3—0.4范围内,海域AOD多年呈增长趋势,同Mehta M等[21]研究结果保持一致。

图4 2003—2017年阿拉伯海区域AOD月变化和年际变化Fig.4 Variability of mensal and annual mean AOD over Arabian sea during 2003—2017

分析阿拉伯海区域AOD季节空间分布及多年季节变化结果表明,四季气溶胶光学厚度(AOD)均值总体表现为夏季(0.584)>春季(0.325)>秋季(0.284)>冬季(0.235),春夏两季AOD均值明显高于秋冬两季。通过14年的阿拉伯海区域春夏秋冬AOD均值变化分析,由图5可见,基本上每个季度的变化起伏不大,是比较稳定的,但2008年阿拉伯海域夏季AOD值异常升高,主要归因于2008年6月锡斯坦地区(伊朗、阿富汗边界)的沙尘暴及印度低压系统向北部阿拉伯海的异常强化,强烈影响了阿拉伯海的北部和中部地区,导致阿拉伯海域夏季AOD异常增高[22]。

图5 2003—2016年AOD值季节平均值的空间分布及年际变化Fig.5 Spatial distribution and interannual variation of the AOD seasonal mean over Arabian Sea during 2003—2016

从四季分布来看,海域四季 AOD的区域分布特征与年平均分布特征基本相似,AOD值都是由近岸海区向外海逐渐递减,但四季 AOD 浓度呈现出显著的季节性变化。阿拉伯海域地理环境独特,因印度洋季风影响,海域不仅受沿海城市工业生产、生物化石燃料的燃烧产生的煤烟等人为排放物影响,还受来自北非、阿拉伯半岛、南亚、东亚的沙漠地区的沙尘影响。由AOD季节性分布图可以看出,春夏季节,高值区主要集中在阿拉伯海域西部,受西南季风影响显著,北非、阿拉伯半岛等地区的沙尘向东北扩散,导致其AOD增大,而夏季较春季扩散趋势明显,这是由于夏季对流活动多,有利于底层气溶胶向上传输和水平输送,且温度和湿度有利于气-粒转化,气溶胶吸湿后向散射能力增强[14],从而导致夏季AOD高值区范围扩大；秋冬季节,高值区主要集中在东部海域,主要因受东北季风影响,印度、巴基斯坦等地区干燥的大气气溶胶向西南方向扩散,进入海域范围后湿度增加气溶胶发生微物理和化学反应。

2.2 阿拉伯海区域叶绿素a浓度变化特征与分析

海洋叶绿素a浓度是海洋浮游植物数量的一个重要指标,可以反映海洋初级生产力的变化,也是评价海洋水质、污染程度等的重要参数。阿拉伯海是一个独特的海洋区域,主要受周围大陆影响,半年一度的季风逆转使阿拉伯海成为世界海洋高生产力地区之一[23],因此阿拉伯海叶绿素a浓度的观测对海域的各种科学研究具有重要的意义。

为了分析海洋叶绿素a浓度的时空分布特征, 将2003—2017年的月平均叶绿素浓度数据资料处理成多年平均海洋叶绿素a浓度和多年平均逐月海洋叶绿素a浓度,图6即为15年的年均值空间分布、年际变化和月际变化。由此可以看出,在阿拉伯海整个海区,北部区域和沿岸的海洋叶绿素a浓度相对较高,海域总体呈现出由近岸向外海逐渐降低的特征,同AOD分布特征一致；近海岸Chl-a的值相对较高,是由于处于陆架区,频繁的人类活动和污染物的排放扩散等陆源人为影响导致数值偏高[24]。通过对海洋叶绿素a浓度的月平均及年平均统计分析,发现阿拉伯海15年间Chl-a没有表现出任何显著的趋势,海域叶绿素a浓度均值在0.7—1.4 mg/m3范围,变化相对稳定,全年呈现出双峰式分布。2月达到第一个峰值(1.478 mg/m3),随后下降直至5月,这一趋势同Yoder[25]的研究结果相似；9月是第二个峰值(1.613 mg/m3),达到全年最高。

图6 2003—2017年阿拉伯海区域海洋叶绿素a浓度年均值空间分布、月变化和年际变化Fig.6 Spatial distribution of Chl-a annual mean and variability of Chl-a mensal and annual mean in Arabian Sea during 2003—2017

图7可见阿拉伯海区域海洋叶绿素a浓度四季均值的空间分布,各季节Chl-a的区域分布特征与年平均分布特征基本相似,都是由近海岸向远海岸逐渐递减,但呈现出显著的季节性变化。阿拉伯海区域Chl-a多年季节变化可以看出,该海域叶绿素含量秋季(1.098 mg/m3)>冬季(1.077 mg/m3)>夏季(1.026 mg/m3)>春季(0.683 mg/m3),秋冬两季Chl-a均值明显高于春夏两季,海域Chl-a的变异性较高。整个海域,阿拉伯海北部特别是靠近阿曼湾,记录了非常高的叶绿素a浓度[13],变异性在近海岸区域更高,叶绿素浓度范围也更高[26]。

图7 2003—2016年Chl-a季节平均值的空间分布及四季变化Fig.7 Spatial distribution and variation of the Chl-a seasonal mean in Arabian Sea during 2003—2016

阿拉伯海11月至翌年3月常吹东北季风,4—10月盛吹西南季风,海流随季风而变化,夏季受西南季风影响呈顺时针方向,冬季受东北季风作用呈逆时针方向。海区Chl-a受季风影响显著,在西南季风期,受季风和海流的影响,阿拉伯海域西部Chl-a值比东部海域高,非洲东北海岸的叶绿素浓度较高,是由于频繁的沙尘暴活动[25]；东北季风期间,阿拉伯海北部Chl-a值较高,归因于冬季上层水温度的降低会导致上层水体的增密效应,引起上层水体的不稳定,并且强烈的东北季风对水体的搅拌加大了混合层的厚度,可以使富含营养盐的下层水上涌到上层[27],在这一时期,营养物质的注入是导致阿拉伯海北部叶绿素浓度升高的原因[28],水柱上层的营养注入触发了较高的初级生产力,并且常常导致近海地区的冬季发生水华[29]。

2.3 阿拉伯海区域AOD与叶绿素a含量的相关分析

为了探究气溶胶光学厚度与海洋叶绿素a浓度之间的关系,基于像元尺度时间序列分析,逐像元计算气溶胶光学厚度与海洋叶绿素a浓度的相关系数,计算每个像元点的Rxy值即可以得到整个区域二者关系的空间分布(图8)。由于MODIS海洋叶绿素a浓度数据在6月至9月期间阿拉伯海北部区域无效值较多,会影响数据结果的分析,因此本文仅选取数据质量较好的春季和冬季进行分析。

通过春冬季AOD与Chl-a的相关系数的整体分布情况,可以看出海域内二者的相关性分布较明显,海域不同区域的相关性有正有负。研究海域中,由于季风洋流的影响不同,导致二者相关程度不一。根据相关系数临界值表查阅可知,当n=14时,在显著性水平α=0.05情况下,临界值rs0.05=0.497；当|Rxy|>rs0.05时,呈显著性趋势变化,反之则为不显著性趋势变化。从图中可以看出,阿拉伯海西北部相关性显著,相关系数高于0.4的区域相对集中。由于阿拉伯海域11月至翌年3月盛行东北季风,孟加拉湾的海水流向西南,绕过斯里兰卡岛,与阿拉伯海流向海水一道形成了东北季风洋流。在季风的影响下,受陆源影响的海上气溶胶可以通过远程传输和沉降到海区,增加海洋表层的营养物质,从而可以促进这些海洋区域浮游植物初级生产力的大幅度提高。有研究表明,世界不同海洋区域的海洋气溶胶与浮游植物浓度之间存在正负相关关系[30-31],一些研究还确定了二者之间不存在关系的区域[32-33]。正相关的解释包括灰尘气溶胶中含有的铁以及浮游植物本身作为海洋气溶胶来源之一,负相关可能是因为大风导致海盐气溶胶的产生,同时形成深混合层且可用的平均光照水平低,只能够支持低浓度的浮游植物。Singh等[23]研究发现了沿阿拉伯海发生的主要沙尘暴的沉积物在1—2天最多3—4天的时间内会导致海洋叶绿素a浓度的增高。由此,本文对多年春、冬季时间尺度上的AOD与Chl-a相关性研究中的时滞性可以相对忽略。

图9 海域的划分Fig.9 The division of Arabian sea

由于整个海域AOD与Chl-a的相关性差异较大,进一步对阿拉伯海域进行分区研究。本文根据经纬度信息,在ArcGIS软件中将研究区范围生成多个5°×5°的格网,并将海域划分为六个区域(图9),对AOD与Chl-a的相关性进行统计分析讨论。通过SPSS软件对这六个区域的春季、冬季AOD与Chl-a相关性分析(表1)发现,阿拉伯海北部区域的相关性较高且极显著；西北海域的相关性高于东北海域,西北海域冬季相关性高达0.853；西部海域的相关性高于东部,西部海域的春冬季相关性在0.5左右,这与Shafeeque等[9]在索马里海域的研究结果差异不大,在风的影响下,海洋上空来自北非、阿拉伯半岛、南亚沙漠地区远程扩散的沙尘,增大了AOD,进而大气沉降入海区,增加海洋表层的营养物质,从而对海洋叶绿素含量有所影响；而海域中部以及南部的相关性不显著。阿拉伯海域AOD与Chl-a的相关性呈现出由北向南、由近海岸向外海区逐渐减弱的趋势,同AOD和Chl-a的变化趋势一致。

由于海洋环境较复杂,影响海洋叶绿素a浓度的因子较多,在整个海域中,气溶胶对海洋叶绿素的影响并不全是呈现出正相关,也存在负相关和不相关的区域。Paytant 等[34]人利用实验室实验和现场测定相结合的方法研究气溶胶对海洋浮游植物的某些影响,研究表明,不同的浮游生物对化学性质不同的气溶胶会做出各种不同方式的响应,并且气溶胶沉降对海洋生态系统来说并不总是一种有用的资源。同时,海洋叶绿素的分布也受海表面温度直接影响着,当温度过高或者过低时,对叶绿素分布也有明显的影响,成为限制因素。阿拉伯海东部,冬季季风期间在对流养分输入主导下,风速减弱导致对流冷却减弱,热分层增加和叶绿素a浓度降低[35],这种流域变暖也成为叶绿素浓度增加的一个制约因素[36],这也会间接对研究气溶胶与海洋叶绿素之间的关系造成影响。

表1 不同区域的AOD与Chl-a皮尔森相关性(Pearson)分析

**,相关性在0.01水平上显著(双侧)； *,相关性在0.05水平上显著(双侧)

3 结论

本文主要利用MODIS/Aqua卫星气溶胶及叶绿素遥感产品,对2003—2017年环阿拉伯海域气溶胶的时空动态变化及海域叶绿素浓度特征进行了相关研究分析,结果表明：

(1)阿拉伯海三面环陆,其海域上空大气气溶胶的分布特征受到一定的陆源物质影响。通过对海域气溶胶光学厚度的季节变化和年际变化分布比较可知,海域气溶胶光学厚度都存在类似的变化,其大小和分布都明显受到陆源沙漠沙尘的影响。AOD均值总体表现为夏季(0.584)>春季(0.325)>秋季(0.284)>冬季(0.235),春夏两季AOD均值明显高于秋冬两季；在季风性气候的影响下,更有利于陆源气溶胶向海洋上空输送,使得海域夏季AOD高于春季,冬季AOD高于秋季。15年间海域AOD整体呈现增加趋势,东部增加较明显,北部海域基本没变化。整个海域的地理分布明显,近海岸区域气溶胶光学厚度都大于远海岸,AOD值与海岸距离呈现逐渐递减的趋势。

(2)阿拉伯海区域海洋叶绿素a浓度空间分布呈现出显著的季节性变化。秋冬两季Chl-a均值明显高于春夏两季,海域Chl-a的变异性较高；北部海域Chl-a相对较高,海域总体呈现出由近岸向外海逐渐降低的特征,同AOD分布特征一致,二者在大时间尺度上的走向较为一致。通过春冬季AOD与Chl-a的相关系数分析,发现二者的相关性分布较明显,不同海域的相关性强弱程度有所差异。阿拉伯海西北部区域相关性显著,相关系数高于0.4的区域相对较集中,该海域AOD与Chl-a的相关性呈现出由北向南、由近海岸向外海区逐渐减弱的趋势,同AOD和Chl-a的变化趋势一致。