南海中西部叶绿素时空变化特征分析

陈 莹，赵 辉*,2

(1.广东海洋大学 化学与环境学院,广东 湛江 524088；2.南方海洋科学与工程广东省实验室,广东 珠海 519080)

0 引言

南海是西北太平洋最大的半封闭深水边缘海，面积约3.5×106km2，处于典型东亚季风区，其表面环流受东亚季风影响显著[1-3]。南海海域全年光照充足，但营养盐较低，属于寡营养盐海域[4-7]，中西部存在明显上升流。叶绿素是评价海洋浮游植物数量的一个重要指标，可以反映海域生产力的高低。受季风和上升流系统的影响[8-9]，南海叶绿素的时空变化复杂，其中中西部是变化最显著的海域之一[8]。

南海中西部上升流(越南沿岸)大约发生在109°E—114°E，7.5°N—17.5°N区域[10]。1961年WYRTKI[11]首次发现6—7月时该区域海表温度下降了1 ℃，SHAW et al[12]在1996年也证实了在该区域存在强烈上升流。HO et al[9]研究发现南海浮游植物生物量受到季风变化和上升流系统的影响；赵辉 等[13]使用遥感数据研究表明越南上升流地区的叶绿素质量浓度通常高于南海其它海域；LIANG et al[14]利用现场观测数据和卫星资料研究发现，沿岸上升流促进了浮游植物的生长，在夏季西南季风期，越南海岸浮游植物藻华现象尤为明显。

目前对该海域叶绿素分布的研究多基于短期遥感观测或者是个别月份的原位观测[9-14]。本研究利用长时间序列的卫星遥感资料(2003年1月至2019年12月)，将风场和海表温度作为重点分析的环境场，运用 EOF法进行时空分离，分析南海中西部海域叶绿素分布及其与海表温度、海面风场之间的关系。

1 研究区域

研究区域位于南海中西部，在106°E—115°E，7°N—17°N之间(图1黑色方框区域)。该区受季风影响明显，5月中旬，受安南山脉的阻挡，南海西部的西南季风风速急剧增大，在7月或8月充分发展[15-16]，冬季盛行强东北季风。海岸线的走向为南海西部沿岸风生上升流的形成提供了有利条件[17-18]。选取图1红色方框区域(109°E—113°E,10°N—14°N)作为上升流研究区。

图1 研究区域Fig.1 Study area(A为南海中西部，B为上升流区)(A:mid-western South China Sea,B:upwelling area)

2 数据与方法

2.1 数据来源

本研究中，冬季指12月、1月和2月，春季指3月、4月和5月，夏季指6月、7月和8月，秋季指9月、10月和11月。

叶绿素质量浓度数据来自Asia-Pacific Data-Research Center (APDRC)的MODIS Aqua Chlorophyll-alevel 3的叶绿素月平均产品(http:∥apdrc.soest.hawaii.edu/)，资料所覆盖的时段为2003年1月到2019年12月，共204个月，空间分辨率为0.04°×0.04°。

海表面风场数据来自于美国遥感系统实验室(http:∥www.remss.com/)，包括快速散射计(QuikSCAT,Quick Scaterometer，2003年1月—2009年12月)和先进散射计(ASCAT,Advanced Scatterometer，2010年1月—2019年12月)的产品数据，时段为2003年1月到2019年12月，共204个月，空间分辨率均为0.25°×0.25°。

温度数据来自APDRC的MODIS Aqua SST level 3的数据产品，时段为2003年1月到2019年12月，共204个月，空间分辨率为0.04°×0.04°。

2.2 数据分析方法

将叶绿素质量浓度、风场以及海表温度月平均数据处理成多年平均1—12月的月平均数据，绘制气候态空间分布图。对南海中西部叶绿素质量浓度进行区域平均，生成区域平均时间序列。因研究区近岸海域的光学条件复杂[19-20]，本文去除了水深100 m以浅的数据。

利用经验正交分解，把叶绿素质量浓度分解为在空间场和时间场的分布。经验正交函数(Empirical Orthogonal Function，简称EOF)[21]是一种将原始变量场的资料矩阵分解为特征向量矩阵和时间系数矩阵的统计分析方法,用于提取要素的主要特征。若特征向量各分量同号，表示此模态中变量的变化趋势基本一致;若特征向量的分量异号,则表示一种相反的空间分布形态。特征向量对应的时间系数代表了不同分布形式的时间变化特征，时间系数的绝对值越大，表示该分布形式越典型；系数越接近0，表示该分布形式越不典型。

3 结果

3.1 南海中西部各季节叶绿素变化

2003年1月至2019年12月，南海中西部叶绿素月平均质量浓度如图2所示(叶绿素质量浓度值进行以10为底的对数处理)。研究海域叶绿素分布总体表现为近岸高、中央海盆低，在越南东南部，叶绿素质量浓度全年较高，达1 mg/m3。冬季高于其它季节，最大值出现在1月；春季为全年最低，最小值出现在5月的中部区域，叶绿素质量浓度低于 0.1 mg/m3；夏季，高值区出现在越南东南部，羽流状延伸到海盆中部，最大值出现在8月；秋季最大值出现在11月的越南东南部，叶绿素的高质量浓度带呈月牙形伸向海盆。

图2 南海中西部叶绿素质量浓度的气候态空间分布Fig.2 Climatological spatial distribution of chlorophyll concentration in the mid-western South China Sea(叶绿素质量浓度以10为底取对数。)(The chlorophyll concentration is processed by logarithm with base of 10.)

根据南海中西部海域2003—2019年的平均叶绿素质量浓度时间序列(图3a)和气候态月平均叶绿素质量浓度时间序列(图3b)，可以看出该海域叶绿素存在季节变化，但不显著。其中，2007年11月平均叶绿素质量浓度高达0.78 mg/m3，该异常值在很大程度上影响了11月的叶绿素平均质量浓度值。

从叶绿素质量浓度的空间分布可见，上升流区明显高于其他区域，特别是夏季，该区叶绿素质量浓度值比整个中西部平均值高0.04 mg/m3左右。图4 为上升流区平均叶绿素质量浓度的时间序列，由于2007年11月份的值过大(4a)，将其剔除，得到图4b。由 图4b 可见上升流区的叶绿素质量浓度季节变化显著。

图4 2003—2019年上升流区域叶绿素质量浓度时间序列Fig.4 The time series of chlorophyll concentrations in upwelling area from 2003 to 2019(图b为去除2007年11月叶绿素质量浓度的时间序列。)(Fig.b is obtained by removing the average chlorophyll concentrations in November 2007.)

3.2 不同叶绿素质量浓度范围的面积占比分析

由图3可知，在南海中西部，2003—2019年的月平均叶绿素质量浓度范围为0～0.3 mg/m3,气候态月平均叶绿素质量浓度范围约为0.1～0.2 mg/m3。为探究不同季节叶绿素质量浓度范围的分布，将叶绿素质量浓度划分为五级，分别是0～0.1 mg/m3、0.1～0.2 mg/m3、0.2～0.3 mg/m3、0.3～1.0 mg/m3、>1.0 mg/m3，各级面积占比情况见表1。冬季，平均叶绿素质量浓度分布在0.1～0.2 mg/m3，约占85%以上；0.2～0.3 mg/m3、0.3～1.0 mg/m3的面积占比较低(<15%)。春季，叶绿素质量浓度在0～0.1 mg/m3的面积约为35%；0.1～0.2 mg/m3的面积约为61%，较冬季减少近25%；其余各级面积占比均低于其他季节。夏季叶绿素质量浓度整体较春季上升，秋季与冬季相差不大(表1)。

图3 南海中西部叶绿素质量浓度2003—2019年时间序列(a)以及气候态月平均时间序列(b)Fig.3 The time series of chlorophyll concentrations in the mid-western South China Sea from 2003 to 2019(a)and the time series of climatic monthly average(b)

表1 南海中西部不同叶绿素质量浓度范围所占的面积百分比Tab.1 Percentage of area occupied by different chlorophyll concentration ranges in the mid-western South China Sea

3.3 EOF分析

利用EOF分解得到2003年1月—2019年12月南海中西部叶绿素质量浓度的时空变化显著模态(图5～图7)。

第一模态(图5)的方差贡献为42.01%，空间分布与图2中秋季(11月)叶绿素空间分布相似。空间系数几乎都大于0，较高的正值分布在10°N—12°N区域。结合时间系数图可见异常高值出现在2007年11月(时间系数为75.26)，表明该空间分布形态在11月最典型。

图5 第一模态的特征向量空间分布图(a)和时间系数图(b)Fig.5 Spatial distribution map(a)and time coefficient diagram(b)of the first mode of chlorophyll

第二模态(图6)的方差贡献为9.53%，空间系数正值主要分布在10°N—12°N区域。由时间系数图可看出此模态具有明显的季节特征，每年夏季的时间系数均为正值，表明该形态在夏季最为典型；冬季时间系数为负值，说明其空间特征与EOF2的空间分布相反；春季与秋季为过渡期。

图6第二模态的特征向量空间分布图(a)和时间系数图(b)Fig.6 Spatial distribution map(a)and time coefficient diagram(b)of the second mode of chlorophyll

第三模态(图7)的方差贡献为6.38%，空间系数正值主要分布在越南东南部，时间系数极大值主要出现在夏季8月,说明该空间分布形态在8月最为典型。

图7第三模态的特征向量空间分布图(a)和时间系数图(b)Fig.7 Spatial distribution map(a)and time coefficient diagram(b)of the third mode of chlorophyll

3.4 海洋环境特征

3.4.1 海面温度场的时空分布

图8为1—12月南海中西部海表温度气候态分布。冬季，海表温度为全年最低，低于27 ℃，从西北往东南方向逐渐升高；春季温度较冬季上升，5月达到全年最高；夏季，海表温度接近30 ℃，6—8月，越南东南部出现低温区(<28.5 ℃)；秋季，海表温度从西北往东南方向逐渐升高，大致为28～29 ℃，9月接近30 ℃，10月、11月温度分布和冬季趋于一致。由图9可知，南海中西部叶绿素质量浓度同海表温度呈负相关(r=-0.59，p<0.05)。

图9 气候态月平均叶绿素与温度的时间序列关系图Fig.9 Relationship between the time series of climatic monthly average chlorophyll concentration and sea surface temperature

3.4.2 海面风场的时空分布

由图10可见，研究海域季风变化显著。冬季，东北季风盛行，风速约为9 m/s，为全年最强；春季，风速<6 m/s，为全年低值，风向由东北向西南偏南转换；夏季，西南季风盛行，其中在越南东南部风速较大；秋季处于季风转换时期，风速较小，风向不稳，其中9月，13°N以北区域风速较小，12°N以南区域风速较大，而10月和11月则相反。叶绿素质量浓度和海面风场呈正相关(r=0.87，p<0.01)(图11)。

图10 南海中西部风场气候态空间分布Fig.10 Climatic spatial distribution of sea surface wind in the mid-western South China Sea

图11 气候态月平均叶绿素与风场的时间序列关系图Fig.11 Relationship between the time series of climatic monthly average chlorophyll concentration and sea surface wind

4 讨论

4.1 上升流区叶绿素时空分布

南海中西部位于热带海域，海洋环境复杂，季风是影响该区域环流和动力的最主要因素。南海中西部上升流多发生在5月，消失在9月，其中心位置在空间分布上与风速、风向有关[22]。叶绿素受营养盐的影响很大[7，23-24]，上涌的深层水含有丰富的营养盐，为浮游植物生长提供了必不可少的条件[25]。图2中夏、秋季越南东南部叶绿素高值区的变化，与上升流的消长一致。

4.2 台风等极端天气对叶绿素的影响

台风途经时，海域受到强风、海表降温以及埃克曼抽吸等作用，对浮游植物的生长有重要的影响[21,26]。台风时风应力旋度升高，上升流流速增加，导致叶绿素质量浓度激增[27-28]。2007年11月，台风海贝思途径南海中西部，虽然该台风强度较弱,但其较慢的移动速度、迂回的路径，可能导致了该区域的叶绿素质量浓度的异常升高(1.79 mg/m3)，一些研究也发现海贝思后浮游植物藻华显著增强[7]。EOF1模态与2007年11月的叶绿素质量浓度分布高度相似，表明台风等极端天气对南海中西部叶绿素有重要影响。

4.3 南海中西部叶绿素分布与海表温度、海面风场的相互关系

冬季，南海中西部叶绿素质量浓度普遍增加，达到最大值，这与赵辉 等[13]的研究结果一致。该时期太阳辐射减少、海洋湍流热通量增加，海表温度降至全年最低，海洋上层稳定性变弱，海水混合以及营养物质的垂直输运增强[13]，促进了浮游植物生长，使叶绿素质量浓度高于其他季节。

夏季，南海中西部叶绿素质量浓度大幅度增加，叶绿素高值分布与海表温度低值高度吻合，并且，在越南东南部，叶绿素高值以激流形式延伸至南海盆地，与以往该海域夏季浮游植物旺发现象一致[13,21,29]。EOF3模态也反映出叶绿素质量浓度呈羽状流分布的特征。受西南季风的影响，风应力和对流等引起的垂直混合较强，加大了混合层的厚度，使越南沿岸上升流得到很好的发展[10]。上升流将次表层低温且富含营养的深层水带到表层，促进了浮游植物生长和叶绿素质量浓度上升。同时，在埃克曼离岸运输以及反气旋环流作用下，将叶绿素由越南东南部沿岸输送至南海盆地，这种现象在8月表现最为强烈。

南海中西部平均叶绿素质量浓度与同时期的海表温度、海面风场都有较好的相关性。夏季温度相对较低(高)的区域表现出较高(低)的叶绿素，冬季叶绿素质量浓度高于其他季节。林丽茹 等[30]研究表明在南海西部，叶绿素同温度的相关性为r=-0.43，p<0.01，与本文结果(r=-0.59，p<0.01)一致。

5 结论

本文利用MODIS遥感叶绿素质量浓度数据、海表温度数据、Quik SCAT和ASCAT风场数据，研究了南海中西部海表叶绿素时空分布特征及其同海表温度和海面风场的关系。结果表明南海中西部叶绿素分布存在时空变化，同海表温度呈负相关，同海面风场呈正相关。EOF1显示研究区叶绿素质量浓度与台风等极端天气相关，EOF2和EOF3均显示与上升流相关。