南海海域浮游植物叶绿素与海表温度季节变化特征分析

林丽茹，赵 辉

（1.广东海洋大学 广东省陆架及深远海气候、资源与环境重点实验室，广东 湛江 524088；2.国家海洋局 南海海洋工程勘察与环境研究院，广东 广州 510300）

0 引言

南海处于典型的东亚季风区［1－2］，在季风的驱动下，南海上层环流呈现显著的季节变化［3－4］。同时南海位于光照充足的热带季风区，营养盐是南海大部分区域的主要限制因素［5］。南海的海洋动力过程相当复杂，海洋环境场（如风速、温度和盐度等）的时空变化可能通过混合、平流输运、升降流及江河径流输入等多种物理过程引起营养盐的变化，从而对海洋生态系统产生重要的影响［6－8］。

海洋浮游植物量在海洋生物过程中扮演极其重要的角色，其不仅构成了海洋食物链的基础，对全球生物圈净生产量的贡献达一半左右［9］，而且通过光合作用影响着海表二氧化碳的生物吸收。最近有研究表明气候变化尤其是海表温度的变化对当前的海洋初级生产力有十分显著的影响，海表的升温效应带来了初级生产量的下降［9］。因此海洋浮游植物的环境效应研究对海洋渔业、海－气相互作用以及全球变暖等问题有重要的意义。

海洋生态系统及浮游生物的研究在南海不同区域已广泛开展［10－11］。CHEN et al［12］利用现场观测数据探讨了春季氮对南海浮游植物生长的影响机制。基于水色遥感数据，吕宋海峡西部的冬季浮游植物水华及其对海洋环境影响的相关研究也正被广泛开展［13－14］。TANG et al［7－8，15－16］研究了北部湾海域冬季的浮游植物水华，并分析了该水华同冬季风混合以及冬季上升流的关系；同时，还探讨了夏季西南季风期间越南东南部的离岸浮游植物增加和南海北部的赤潮水华及相关海洋学机理。LIU et al［17］借助数值模式展示了南海叶绿素及初级生产力的分布特征，并发现在南海海域，尤其在3个季节性上升流区，叶绿素质量浓度及初级生产力有明显的季节变化和垂向分布特征。LIN et al［18］对一个台风个例的研究发现，台风事件对海洋浮游植物水华以及新生产力有很大的贡献。VO［19］调查了沿岸珊瑚礁的分布及珊瑚礁多样性，并探讨了珊瑚礁分布及珊瑚虫种与海洋环境的关系。

然而早期的相关研究主要是借助稀疏的现场观测或几个环境营养参数，对南海局部区域的浮游植物和初级生产力时空分布及影响机制进行的研究，而关于南海海洋浮游植物同气候变化尤其与温度的关系鲜有专门的研究。本文采用尽可能长期的海洋水色数据以及其它卫星遥感数据，首先分析了南海不同季节的叶绿素质量浓度以及同期海表温度的时空分布特征，进而探讨了浮游植物叶绿素质量浓度变化的物理和营养学机制。

图1 研究区域位置及海底地形Fig.1 Location of the study area and the bottom topography

1 研究区域、数据和方法

1.1 研究区域和数据提取区域

南海是位于西太平洋的边缘海，属于热带东亚季风区（图1），南海的南北陆架都比较宽广，在南海中部相对较窄，比如在金兰湾北部离岸几十公里宽的范围，其深度达到500m，而南海东部几公里的范围就深达1 000m。本研究中，为了消除近岸陆源物质输入的影响，仅考虑了水深超过200m区域的一类水体。

前期研究显示南海的叶绿素质量浓度通常存在季节和空间变化特征，有较高叶绿素质量浓度的夏季上升流通常出现在越南东南部、广东沿岸以及台湾海峡海域，而冬季上升流出现在吕宋海峡西部海域以及台湾海峡。鉴于台湾海峡海域以及广东沿岸的上升流发生在水深不足200m的水域，此处不予以考虑。为了探讨叶绿素质量浓度同温度的关系，本文首先对整个南海平均的叶绿素质量浓度和海表温度进行了初步时间序列分析，并将南海内区划分为3°×3°网格做更细致的分析（如图1的正方形区域）。为进一步研究南海不同区域叶绿素质量浓度的特征，本文从北向南选取了4个典型区域进行定量分析：区域A（18°～21°N，117°～120°E），区域 B（12°～15°N，114°～117°E），区域 C（10°～14°N，110°～113°E）和区域 D（5°～7°N，111°～114°E）分别表征南海东北部海区、南海中部深水海盆、越南东南部上升流区以及南海南部海域。

1.2 卫星遥感数据

1.2.1 SeaWiFS叶绿素质量浓度数据

本文所用叶绿素质量浓度数据为SeaWiFS三级第4.1版标准产品，来自 NASA Goddard Space Flight Center Distributed Active Archive（GSFC DAAC），上述遥感数据的空间分辨率为9km×9km，为每月平均产品 （http：//oceancolor.gsfc.nasa.gov／cgi／level3.pl），选用时间范围为1998年1月—2007年12月。

1.2.2 热带降雨雷达使命微波（TRMM）遥感海表温度（SST）

热带降雨雷达使命微波成像仪能够避免云的影响，全天观测热带海域海表的温度和降雨，该产品空间分辨率为0.25°，时间频率为1d［20］。本文选用从1998年1月—2007年12月月平均海表水温数据（http：//www.ssmi.com／）。

1.2.3 数据处理

根据每月叶绿素质量浓度以及温度数据，计算绘制了多年季节平均分布图，其中春季为3—5月，夏季为6—8月，秋季为9—11月，冬季为12—翌年2月。为定量分析海表叶绿素质量浓度和温度的关系，基于上述1.1节介绍的数据提取区域生成了局部区域的时间序列用于分析。

2 结果分析

2.1 叶绿素质量浓度的季节分布和空间变化

南海大部分区域，春季叶绿素质量浓度普遍较低（＜0.13mg·m－3）（图2a），尤其是南海中部和东部即吕宋岛以及巴拉望岛西部海域（＜0.12mg·m－3）。较高的叶绿素质量浓度出现在南海东北部（＞0.13mg·m－3），在吕宋海峡西北部达到0.16mg·m－3。

图2 南海1998—2007年多年平均叶绿素质量浓度季节分布Fig.2 Seasonal distributions of averaged Chl－amass concentration during 1998—2007in the South China Sea

夏季南海大部分海域叶绿素质量浓度（图2b）较春季低（图2a），其在吕宋海峡西北部以及南海南部，这种叶绿素质量浓度下降特征尤为显著（＜0.12mg·m－3）。较高的叶绿素质量浓度（＞0.16mg·m－3）出现在南海西南部海域，在靠近金兰湾位置叶绿素质量浓度高值中心超过0.30mg·m－3。同时更低的叶绿素质量浓度（＜0.10mg·m－3）出现在吕宋岛东部海域。

秋季叶绿素质量浓度（图2c）在南海大部分区域显示出较高数值（＞0.12mg·m－3）。同春季相比在南海东北部的叶绿素质量浓度略低，同夏季相比仅在越南东南部海域略低。秋季叶绿素质量浓度的空间分布开始呈现出东部海域低的特征。

冬季整个南海的叶绿素质量浓度（图2d）普遍高于其它季节（＞0.13mg·m－3）。在大部分区域叶绿素质量浓度超过0.16mg·m－3，甚至在其它季节低于0.12mg·m－3的南海东部海域，该时期的叶绿素质量浓度也达到0.16mg·m－3。吕宋海峡西北部的叶绿素质量浓度甚至达到0.4mg·m－3的极高水平。在空间分布上，叶绿素质量浓度大致呈现北高南低的趋势。

2.2 温度的季节和空间变化

春季海表温度（图3a）从NW到SE逐渐增高，在17°N以南，海表温度超过28℃，在南海东南部近一半海域温度甚至达到29℃以上。南海北部温度基本低于28℃，尤其是吕宋海峡西北部、台湾海峡南部海域。

夏季整个南海的温度（图3b）普遍较高（＞28℃），仅在越南东南部、南海西部海域存在一个相对的低温区（＜28℃），这一低温区同越南东南部的高叶绿素质量浓度区域位置大致相当。该时期南海海表温度分布非常均匀，没有表现出明显的南北温度梯度。同春季相比，夏季南海北部的升温趋势比南部更明显。

同夏季相比，秋季温度（图3c）明显下降，并呈现出明显的NW—SE方向的温度梯度，与春季的温度分布极为相似，17°N以南，温度超过28℃，南海东南部温度依然在29℃以上。

冬季南海温度普遍较低，是四季中温度最低的季节（图3d）。15°N以北的温度普遍低于25℃，从NW向SE逐渐增高；其中15°N以南，在越南东北近岸海域温度较低（25.5～26.0℃），南海东南温度较高（约为28℃）。

图3 南海1998—2007年多年平均温度季节分布Fig.3 Seasonal distributions of averaged SSTfor 1998—2007in the South China Sea

2.3 叶绿素质量浓度和温度时间序列

2.3.1 整个南海平均叶绿素质量浓度和温度时间序列

图4为根据月平均数据计算的整个南海的平均叶绿素质量浓度和温度时间序列，由图可知，叶绿素质量浓度和温度的变化大致呈反相相关，即温度升高对应叶绿素质量浓度降低。根据线性相关及显著性分析（图5a），叶绿素质量浓度和温度之间存在显著负相关关系（R＝－0.89，P＜0.01）。

此外，我们进一步探讨了以3°×3°网格选取不同南海区域的叶绿素质量浓度与温度分布特征（图5b）：在28℃附近温度叶绿素质量浓度点分布相对分散，其它部分分布较好。该数据的叶绿素质量浓度和温度也呈显著负相关关系（R＝－0.53，P＜0.01），不过同整个南海平均时间序列相比关系略差。为了进一步研究这种局部差异的原因，我们对图1中的4个典型区域（A～D）做进一步研究。

2.3.2 不同区域叶绿素质量浓度和温度时间序列

南海北部（区域A）叶绿素质量浓度和温度散点图（图6a）显示出显著的线性负相关（R＝－0.87，P＜0.01），该区域的平均叶绿素质量浓度为0.1～0.5mg·m－3，且温度变化也较大（22.5～31.2℃）。在相对低温的情况下（＜24℃），叶绿素质量浓度增加趋势比较高温度下（＞24℃）叶绿素质量浓度的增加特征更显著。

南海中部（区域B）叶绿素质量浓度与温度变化（图6b）也呈较显著的线性负相关（R＝－0.62，P＜0.01）。叶绿素质量浓度变动范围较小（0.1～0.2mg·m－3），温度变化也较小（25.5～31.0℃）。同南海北部（区域A）相比，该区域的平均叶绿素质量浓度相对较低。

越南东南部上升流区（区域C）温度变动范围同南海中部区域相似（25.5～30.5℃）（图6c），但在27～29℃之间数据点的分布相对分散。同南海中部（区域B）相比，叶绿素质量浓度变化更大（0.1～0.3 mg·m－3）。叶绿素质量浓度同温度的相关性相对较差（R＝－0.43，P＜0.01）。

南海南部（区域D）叶绿素质量浓度和海表温度显示出很好的线性负相关（R＝－0.81，P＜0.01）（图6d）。叶绿素质量浓度为0.1～0.3mg·m－3，温度较高，变动范围较小（26.5～30.6℃）。

全年平均叶绿素质量浓度显示南海北部最高（0.180mg·m－3），越南东南部上升流区域次之（0.150mg·m－3），南海南部较低（0.145mg·m－3），南海中部最低（0.120mg·m－3）。

3 讨论

南海是全年光照丰富、营养盐匮乏的热带海域，除了部分季节上升流区南海大部分海域海洋上层全年都有较好的水体层化。众所周知，营养盐和光辐射通常是限制海洋浮游植物生长的2个关键因素。南海位于热带海域，光照通常不会对浮游植物造成限制，因而营养盐的供应成为南海浮游植物生长的主要限制要素［5，7，21］。因此，影响营养盐分布的海洋环流、混合过程、大气粉尘沉降等对浮游植物的生长起到重要作用。本研究着重讨论温度变化对浮游植物分布的影响。

图6 4个典型区域叶绿素质量浓度－海表温度散点图Fig.6 Scatter plots of Chl－amass concentration and SSTaveraged for the four typical regions

3.1 叶绿素质量浓度和温度的季节和空间分布特征

叶绿素质量浓度与海表温度显示出较好的线性负相关关系：温度升高，叶绿素质量浓度下降，在温度相对较低（高）的位置通常表现出较高（低）的叶绿素质量浓度。冬季，普遍较高的叶绿素质量浓度同冬季较低的温度分布相对应，尤其吕宋岛西北部最高的叶绿素质量浓度区域对应着最低的温度分布。这同以往该海域冬季浮游植物水华的观测结果相一致［21－22］。春季叶绿素质量浓度从北向南的降低趋势和温度从北向南的升高趋势吻合很好，在南海北部显示出较高的叶绿素质量浓度和较低的海表温度。夏季，较高初级生产出现在南海西部上升流区，对应于此处海面的低温特征。秋季叶绿素质量浓度除东北部温度略高于春季的区域略低外，大部分区域叶绿素质量浓度高于春季。南海平均叶绿素质量浓度从高到低依次是冬季、秋季、春季和夏季，同时南海四个季节的平均温度由低到高依次是冬季、秋季、春季和夏季。由此说明温度可能是影响南海叶绿素质量浓度的一个重要指标。

温度变化通常代表海洋上层的层结特征［17］，从而影响浮游植物生长所需的营养盐供应。如果其它海洋条件相同，表层水温较低的海域，其垂向层结相对较弱，更易发生较强的垂向交换。此外，当一个区域的上升流或垂向混合交换加剧时，通常会引起该区域的海面温度降低。因此，温度的相对高低也是上升流、垂向混合等上层海洋水体交换过程的一个重要指标［23］。冬季，由于太阳辐射降到全年最低，加之该时期有一年中最强劲的东北季风，引起了很强的垂向混合［24］；同时，气旋式风场的Ekman抽吸作用使营养盐丰富的次表层水涌升，导致海表温度在四季中最低，也诱发了浮游植物及叶绿素质量浓度的急剧增加。春季是冬、夏的过渡季节，风力较弱，但南海北部18°N以北太阳辐射未达到最强，且南海北部从冬季风到夏季风的转化较晚［25］，因此在上述较小区域温度依然较低（27℃等温线以北），叶绿素质量浓度略高于夏季和秋季。南海夏季风速较强，但海表温度普遍上升，阻碍了营养盐丰富的下层水向上层输送的物理过程，致使大范围的叶绿素质量浓度降低，期间，仅在南海西部相对低温的上升流区具有较高的叶绿素质量浓度。秋季同样是季风转化的季节，但温度普遍低于春季，仅在南海东北部海域温度略高于春季，叶绿素质量浓度略低。综上所述，温度变化影响着叶绿素质量浓度的季节分布。

3.2 不同区域叶绿素质量浓度和温度变化的关系

在4个不同的典型区域，叶绿素质量浓度和温度变化都具有负相关关系。南海北部的叶绿素质量浓度同温度的变化相关性最高（R＝－0.87），其次是南海南部（R＝－0.81）和中部（R＝－0.62）的叶绿素质量浓度与温度也有较好的相关性。同上述3个区域相比，南海西部的叶绿素质量浓度和温度的相关性较差（R＝－0.43）。实际上，在南海存在4个显著的季节上升流区，即越南东南部夏季上升流区［6］、吕宋海峡西北部冬季上升流区［21－22］、台湾海峡上升流区以及广东沿岸上升流区（由于后2个上升流区域发生在陆架区，在本文中不予考虑）。对于大致位于吕宋海峡西北部上升流区的区域A来说，冬季上升流引起的降温趋势同冬季的季节降温趋势一致，而且由于冷空气活动导致强的海面冷却（低海表温度）有利于垂向混合和营养盐涌升，温度仍然能够较好地反映上层海洋的扰动状况（如上层层结强度、上升流与垂向混合的影响），因此叶绿素质量浓度在冬季期间依然能够同海表温度表现出较好的相关性。但是在越南东南部的夏季上升流区，上升流引起的降温趋势受到夏季强增温效应的削弱，因而海表温度仅表现出略低于周围的温度，不能充分反映水体的涌升趋势，因此在一定程度上导致该区域叶绿素质量浓度同温度的相关性比其它3个区域略差。

3.3 温度对叶绿素质量浓度的影响机制

全球海洋的浮游植物约2～6d能翻一番［26］，因此，浮游植物能够迅速对光照充足的海洋上层营养盐变化产生生物响应。BEHRENFELD et al［9］研究表明在光照充足的广阔层结热带大洋，叶绿素质量浓度及初级生产力的变化趋势在很大程度上受控于气候变化对海洋上层层结的影响，由于近年来的全球变暖，强化了上层海洋的层结，从而抑制了真光层营养盐的供应。本研究也表明：叶绿素质量浓度同海表温度呈显著负相关关系，温度在很大程度上可以作为海洋上层营养盐多寡的一种指标。鉴于叶绿素质量浓度同温度在南海良好的负相关性，可以推测目前全球变暖趋势很可能造成浮游植物量的减少，导致热带海域初级生产量的降低并产生灾难性后果。

4 结论

利用SeaWiFS卫星遥感叶绿素质量浓度及TRMM微波遥感海表温度产品，研究南海海表叶绿素的季节变化特征及其同海表温度的关系可知：叶绿素质量浓度同温度之间存在明显的反相位变化趋势，通常叶绿素质量浓度的升高对应着海表温度的降低，反之亦然。研究还表明，海表温度一定程度上可以表征热带层结海洋上层的稳定程度，反映垂向混合和上升流等效应所导致的垂向交换过程的影响，从而能够指示营养盐丰富的次表层水体向表层的输运情况，这也是海表温度和叶绿素质量浓度表现出显著负相关的原因。在南海西部上升流区，由于海表的强烈增温趋势削弱了上升流引起的低温效应，因而叶绿素质量浓度同海表温度相关性略差。

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