南海西部夏季表层浮游植物粒径结构分布特征分析

受夏季西南季风影响,南海西部会形成一支离岸急流,该急流通常与冷涡和暖涡组成偶极结构,共同影响该海域生态环境。本研究利用2014年9月现场和卫星数据,首次结合南海西部急流和冷暖涡过程,分析它们对该海域浮游植物粒径结构的影响。数据显示,表层以微微型浮游植物(0.2~2μm)为主,占总叶绿素a的平均比例为76.7%。在急流区中,微型浮游植物(2~20μm)和小型浮游植物浓度(20~200μm)占总叶绿素a平均比例相对较高,且与总叶绿素浓度呈线性正相关。暖涡区小型浮游植物比例(平均10.3%)高于冷涡区(平均3.6%)。结果表明,物理动力过程是南海西部夏季表层浮游植物粒径结构的主要影响因素。急流和冷暖涡可以提升小型浮游植物的比例,改变表层的粒径结构。急流对沿岸上升流区浮游植物的水平输送是表层小型浮游植物的主要来源。涡旋的辐合、辐散与急流的相互作用,导致各粒径浮游植物在冷涡边缘出现锋面分布,并且提高了暖涡区表层小型浮游植物的比例。冷涡的垂直抽吸作用加强了营养盐供给,也提高了冷涡中心表层小型浮游植物的比例。     

南海东北部分粒级叶绿素a和超微型光合生物的周日变化

分别于2014年春、秋和2015年夏3个季节对南海东北部A站位(118°E,21.5°N)分粒级叶绿素a浓度和超微型光合生物(原绿球藻、聚球藻和超微型真核藻类)细胞丰度的昼夜变化进行了24 h时间序列连续观测和分析。通过萃取荧光法分析叶绿素a浓度,发现叶绿素a浓度呈现明显的昼夜变化,春季正午最高,秋季和夏季基本变化趋势为白天升高,夜晚降低;而因夏季中午的光抑制作用,叶绿素a的浓度相对较低。超微型光合生物(0.2~3μm)对总叶绿素a的贡献最高(71.49%),小型浮游植物(20μm)贡献率最低(10.41%)。通过流式细胞技术检测到3个超微型光合生物类群;其中,原绿球藻为优势类群,最大细胞丰度达1.05×10~5cells/m L,其次是聚球藻,超微型真核藻类的细胞丰度最低,但由于其单位细胞内的叶绿素a含量高,所以可能对叶绿素a的贡献最大。聚球藻丰度基本上白天下降,傍晚到午夜上升;秋季和夏季,超微型真核藻类的丰度白天高,夜晚低,而春季则相反;原绿球藻在秋季和春季的昼夜变化规律和超微型真核藻类相似。在多种因素共同影响下,光照是调控叶绿素a浓度和超微型光合生物丰度昼夜变化的一个关键因素。季节变化上,原绿球藻的细胞丰度季节间没有统计学差异(P0.05),聚球藻的季节变化为秋夏春,超微型真核藻类的季节变化规律和聚球藻相反。     

西赤道太平洋暖池区光合色素分布及其对浮游植物群落的指示作用

利用光合色素的生物标志性可以在"纲"水平上表征浮游植物群落结构。依托大洋科学考察第20航次和21航次,通过对西赤道太平洋不同区域5个站位的HPLC藻类色素分析及CHEMTAX程序因子分析,获取了暖池区光合色素及浮游植物群落的垂直分布信息。结果显示在寡营养的暖池区,玉米黄素(Zeaxanthin)及乙二烯叶绿素a(DV Chl a)与叶绿素a浓度呈显著的正相关,浮游植物群落结构以蓝细菌、原绿球藻及定鞭金藻为优势藻纲,按对生物量的贡献率原绿球藻大于蓝细菌大于定鞭金藻的。蓝细菌和原绿球藻分布在真光层不同深度,而在营养盐丰富的次表层优势浮游藻类为定鞭金藻。     

南海中尺度涡的季节和年际变化特征分析

以11a(1993—2003年)TOPEX/Poseidon、Jason和ERS1/2高度计的融合资料为基础,统计了南海中尺度涡的时空分布,分析了南海中尺度涡的季节和年际变化,并结合QuikSCAT、ERS1/2风场资料初步探讨了南海中尺度涡形成的可能机制。研究结果表明,南海中尺度涡存在明显的季节和年际变化,而季风强迫是这种变化的主要驱动因素。冬季冷涡(气旋涡)主要分布在吕宋岛西北和越南东南海域,而暖涡(反气旋涡)主要在18°N以北出现。春季暖涡在南海中部开始出现并得到充分发展。夏季暖涡明显多于冷涡,暖涡主要分布在越南东南和吕宋岛西北海域,而冷涡分布于越南以东和南海东北部。秋季冷涡主要分布在越南沿岸,暖涡则分布在南海东北部;11a海面高度异常均方根的时空分布变化也显示了南海中尺度涡存在较强的年际变化。     

中尺度涡控制悬浮体的分布——以帕里西维拉海盆区为例

为研究帕里西维拉海盆区上层水体中悬浮体分布特征,对2003年冬季在该海区现场测得的上层水体悬浮体质量浓度数据进行详细分析。结果表明,调查期间研究区悬浮体质量浓度在水平上表现出西高东低的特征,垂向上的差异较小。现场大面站调查和同期卫星高度计数据显示,调查期间在研究区海域同时存在冷涡和暖涡活动,其中冷涡活动区位于研究区西部,暖涡活动区位于东部。分层分析表明,调查区中尺度涡活动对悬浮体分布有明显的控制效应:在冷涡活动区内,深层的富营养盐水体上涌,使冷涡内部的浮游生物量增多,导致冷涡活动区内的悬浮体质量浓度明显高于周围;在暖涡活动区内,因上层的寡营养盐水体下沉,使暖涡区的浮游生物量减少,导致悬浮体质量浓度明显低于周围。受洋流和中尺度涡活动的影响,调查海区西北部岛礁的物质供应也是导致研究区悬浮体分布呈现西高东低格局的重要因素。     

2008年夏季白令海和北冰洋异养浮游细菌丰度与分布特征

利用2008年夏季我国第3次北极科学考察资料,基于流式细胞技术,对白令海北部陆架区的微微型浮游植物丰度、细胞大小(碳含量)、色素浓度的分布特征进行了分析,并对该类群的环境适应性进行了研究。结果表明,微微型浮游植物中仅含聚球藻和真核藻,其丰度范围分别为0.14×106 2.69×106和0.23×106-12.49×106个/dm3。聚球藻的叶绿素a和藻红蛋白含量、微微型真核藻的叶绿素a含量与类群丰度以及微微型真核藻的类胡萝卜素含量与细胞大小间均存在同向变化趋势。两类藻偏向于喜温嗜淡型,更适合在寡营养环境中保持较高的丰度,但能在高营养盐浓度下形成相对较高的碳含量。越接近陆地,细胞越小,丰度越大,碳含量及FL2/FL3越低;所处层位越深、纬度越高,则细胞越大,碳含量及FL2/FL3越高。北极气温升高和径流量的增加有利于陆架区微微型浮游植物类群丰度的增加。     

春季季风间期巽他陆架和马六甲海峡表层海水浮游植物群落结构研究

于2013年3-5月通过走航取样分别对巽他陆架和马六甲海峡表层海水浮游植物叶绿素a生物量和群落结构进行了观测和研究。结果表明:巽他陆架生物量较低,叶绿素a浓度平均值为(0.083±0.043)μg/L,爪哇海的SS4站位生物量最低,仅为0.014μg/L,浮游植物粒级组成上主要以Pico-级为优势,占80%以上;马六甲海峡自西北至东南存在明显的盐度梯度,在盐度最低的SM5站,叶绿素a生物量最高,达到1.080μg/L;马六甲海峡站位叶绿素a浓度平均值为(0.433±0.315)μg/L,同时浮游植物群落结构变动较大。在海峡西北的SM1-SM4站与巽他海峡类似,主要以聚球藻为优势类群,Pico-级浮游植物占60%~80%;在生物量最高的SM5站,同样以聚球藻为优势类群,而在海峡东南段的SM6和SM7站,虽然叶绿素a浓度相对于SM5略有降低,但仍明显高于其他马六甲海峡站位和巽他陆架站位,此两个站位硅藻比例明显升高,均可达20%以上。从优势类群生物量与环境因子和营养浓度的相关性可以看出,研究海区叶绿素a生物量与水体盐度呈现显著负相关(p0.050),说明陆源输入对研究海区生物量具有明显的影响。另外,硅藻生物量也与磷酸盐浓度(p0.050)和硅酸盐(p0.010)浓度均呈现显著正相关;聚球藻在浮游植物群落中的优势度会受到陆源营养盐输入的影响而降低,但仍然是整个研究区域最优势的浮游植物类群。     

南海北部M2内潮与中尺度涡能量的数值研究

基于真实地形下的三维数值模拟结果,对南海北部的M_2内潮、中尺度涡能量以及两者相互作用过程进行了研究。结果显示,M_2内潮冬季稍强于夏季,在吕宋海峡生成的能量,冬季(12.2 GW)比夏季(11.6 GW)强5.2%,传入南海的能通量,冬季(4.2 GW)比夏季(3.8 GW)强10.5%,内潮能通量的空间分布在冬夏两季基本保持一致。中尺度涡的模拟结果显示,在南海内冷涡与暖涡个数相当(8个/a),冷涡的平均存活周期约为40 d,比暖涡的31 d长。当冷涡出现时,内潮非锁相部分的能通量大小及水平动能均出现明显增强现象,冷涡对内潮传播射线的汇聚作用是主要原因;M_2内潮和中尺度涡相互作用期间可以激发或抑制高模态内潮,也存在无显著影响的情况。     

北太平洋鱿鱼渔场叶绿素a分布特点及其与渔场的关系

根据2001年～8月对位于39°～43°N,152°E～171°W的北太平洋鱿鱼渔场进行的水温、盐度、叶绿素a、浮游植物和鱿鱼捕捞等的调查结果,主要分析北太平洋鱿鱼渔场表层叶绿素a分布特点及其与环境因子、中心渔场的关系.分析结果表明,调查区表层叶绿素a含量变化为0.03～0.32 mg/m3,平均为0.13 mg/m3,其中中部渔场表层叶绿素a含量值最大,东部渔场次之,西部渔场最低;调查海域表层叶绿素a含量分布与表层温度、盐度存在较好的对应关系,叶绿素a含量高值区对应高温区,冷涡区含量最低,暖涡区含量最高;叶绿素a含量随盐度的增加而增加;在西部、中部、东部渔场,表层叶绿素a含量与浮游植物数量呈正相关关系;表层叶绿素a的分布与鱿鱼中心渔场存在较好的对应关系,中心渔场主要位于0.1 mg/m3叶绿素a等值线舌状部分或叶绿素a水平梯度较大处,渔场中心的叶绿素a值大于0.1 mg/m3.叶绿素a分布与环境要素及渔场的相关性分析表明叶绿素a可作为鱿鱼渔场分析中的一个重要参考指标.     

夏季南海西部中尺度物理过程对营养盐和叶绿素a分布特征的影响

通过对2014年8月31日-9月26日国家自然科学基金委南海西部综合航次的调查结果分析,发现在中南半岛沿岸海域存在具有低温高盐的冷涡和位于其东南部海域具有高温低盐的暖涡。相对于暖涡和其他海域,冷涡水团含有更高的营养盐,并在50 m、75 m和100 m层增加明显,DIP分别高0.21 μmol/L、0.39 μmol/L和0.23 μmol/L,DIN分别高4.94 μmol/L、7.56 μmol/L和3.76 μmol/L,DSi分别高2.55 μmol/L、5.25 μmol/L和3.46 μmol/L,说明冷涡对提高初级生产力具有明显的营养优势条件和巨大潜力;叶绿素a最大值均出现在50 m层,其中以海南岛近岸海域最大,冷涡在25 m层提高初级生产力明显,主要是受营养盐影响显著;而在75 m、100 m层可能受到冷涡带来的低温环境而导致叶绿素a含量不高。     

Eddy diffusivity and coherent mesoscale eddy analysis in the Southern Ocean

The spatial distribution of eddy diffusivity, basic characteristics of coherent mesoscale eddies and their relationship are analyzed from numerical model outputs in the Southern Ocean. Mesoscale fluctuation information is obtained by a temporal-spatial filtering method, and the eddy diffusivity is calculated using a linear regression analysis between isoneutral thickness flux and large-scale isoneutral thickness gradient. The eddy diffusivity is on the order of O (103 m2/s) with a significant spatial variation, and it is larger in the area with strong coherent mesoscale eddy activity. The mesoscale eddies are mainly located in the upper ocean layer, with the average intensity no larger than 0.2. The mean radius of the coherent mesoscale cyclonic (anticyclonic) eddy gradually decays from (121.2±10.4) km ((117.8±9.6) km) at 30°S to (43.9±5.3) km ((44.7±4.9) km) at 65°S. Their vertical penetration depths (lifespans) are deeper (longer) between the northern side of the Subpolar Antarctic Front and 48°S. The normalized eddy diffusivity and coherent mesoscale eddy activity show a significant positive correlation, indicating that coherent mesoscale eddy plays an important role in eddy diffusivity.     

西北太平洋中尺度涡半径与涡动能的统计关系

中尺度涡的半径与涡动能之间的关系及其内在机制的研究,对我们理解中尺度涡旋的三维结构特征及其变异规律有很大的帮助。本文利用AVISO卫星高度计融合数据,基于流场几何特征的识别方法对西北太平洋(10°～52°N, 120°～180°E)的中尺度涡进行了识别追踪,并由此分析了该区域内中尺度涡的半径与涡动能(Eddy Kinetic Energy, EKE)的统计关系。结果表明该区域中尺度涡的半径与EKE之间存在类似翻转高斯函数的递增关系,特别是在涡旋半径达到一定程度后,EKE将不随半径的变大而继续增强。而且该关系与纬度密切相关,相同半径条件下,涡旋的EKE近似与其所在纬度的第一斜压Rossby变形半径的平方呈反比。进一步分析表明该统计关系与中尺度涡所处的发展阶段没有明显的联系。该结果为建立一个实用性的参数化、归一化的中尺度涡模型提供了一定的理论基础。     

基于海面高度数据的全球海洋多核涡旋探测和统计

This study produced a statistical analysis of multicore eddy structures based on 23 years' altimetry data in global oceans. Multicore structures were identified using a threshold-free closed-contour algorithm of sea surface height, which was improved for this study in respect of certain technical details. Meanwhile a more accurate definition of eddy boundary was used to estimate eddy scale. Generally, multicore structures, which have two or more closed eddies of the same polarity within their boundaries, represent an important transitional stage in their lives during which the component eddies might experience splitting or merging. In comparison with global eddies, the lifetimes and propagation distances of multicore eddies were found to be much smaller because of their inherent structural instability. However, at the same latitude, the spatial scale of multicore eddies was found larger than that of single-core eddies, i.e., the eddy area could be at least twice as large. Multicore eddies were found to exhibit some features similar to global eddies. For example, multicore eddies tend to occur in the Antarctic Circumpolar Current, some western boundary currents, and mid-latitude regions around 25°N/S, the majority(70%) of eddies propagate westward while only 30% propagate eastward, and large-amplitude eddies are restricted mainly to reasonably confined regions of highly unstable currents.     

基于传输函数的中尺度涡旋时空连续可视化

本文结合二维流线可视化技术和中尺度涡旋识别技术,提出了3种中尺度涡旋时空连续可视化的方法:基于OW参数的涡旋可视化方法、基于栅格模板的涡旋可视化方法和基于矢量模板的涡旋可视化方法,这3种方法分别基于Okubo-Weiss算法、Faghmous的算法和Liu的算法来进行涡旋识别,同时将流场可视化的结果填充到涡旋内部,以获得更好的可视化效果。在可视化过程中本文引入了传输函数来对涡旋中的流线颜色和透明度进行实时交互,能够在控制界面上通过设置Key值点的颜色和位置来控制速度、涡度和OW参数等信息的显示效果。本文在性能和显示效果方面比较了3种方法的优劣。从性能上来讲,性能由高到低依次为:基于OW参数的涡旋可视化方法、基于栅格模板的涡旋可视化方法和基于矢量模板的涡旋可视化方法。从显示效果上来讲,基于OW参数的涡旋可视化方法在三者中最差,效果中有较多的杂乱的短线,同时涡旋边界较小,局限于涡旋核心区;基于栅格模板的涡旋可视化方法较第一种方法的显示效果有所提升,杂乱的短线较少,涡旋相对完整,但由于数据分辨率不够高的原因,在放大多倍后涡旋边界呈现锯齿状;基于矢量模板的涡旋可视化方法显示效果最好,涡旋完整、饱满。同时,因为首先进行了涡旋边界的重构,将涡旋边界矢量化,涡旋边界更加平滑。相对于传统长时间序列的涡旋可视化的方法而言,这3种方法提供了一个美观、动态和更富信息性的可视化方法,同时由于传输函数的加入,其可以成为科研人员研究涡旋的一个实用的工具。     

Three-dimensional properties of mesoscale cyclonic warm-core and anticyclonic cold-core eddies in the South China Sea

In general, a mesoscale cyclonic (anticyclonic) eddy has a colder (warmer) core, and it is considered as a cold (warm) eddy. However, recently research found that there are a number of “abnormal” mesoscale cyclonic (anticyclonic) eddies associated with warm (cold) cores in the South China Sea (SCS). These “abnormal” eddies pose a challenge to previous works on eddy detection, characteristic analysis, eddy-induced heat and salt transports, and even on mesoscale eddy dynamics. Based on a 9-year (2000–2008) numerical modelling data, the cyclonic warm-core eddies (CWEs) and anticyclonic cold-core eddies (ACEs) in the SCS are analyzed. This study found that the highest incidence area of the “abnormal” eddies is the northwest of Luzon Strait. In terms of the eddy snapshot counting method, 8 620 CWEs and 9 879 ACEs are detected, accounting for 14.6% and 15.8% of the total eddy number, respectively. The size of the “abnormal” eddies is usually smaller than that of the “normal” eddies, with the radius only around 50 km. In the generation time aspect, they usually appear within the 0.1–0.3 interval in the normalized eddy lifespan. The survival time of CWEs (ACEs) occupies 16.3% (17.1%) of the total eddy lifespan. Based on two case studies, the intrusion of Kuroshio warm water is considered as a key mechanism for the generation of these “abnormal” eddies near the northeastern SCS.     

南海中尺度涡的演化过程与行为追踪:一种基于全局最邻近滤波的方法

The eddy tracking approach is developed using the global nearest neighbor filter(GNNF) to investigate the evolution processes and behaviors of mesoscale eddies in the South China Sea(SCS). Combining the Kalman filter and optimal data association technologies, the GNNF algorithm is able to reduce pairing errors to 0.2% in tracking synthetic eddy tracks, outperforming other existing methods. A total of 4 913 eddy tracks that last more than a week are obtained by the GNNF during 1993–2012. The analysis of a growth and a decay based on 3 445 simple eddy tracks show that eddy radius, amplitude, and vorticity smoothly increase during the first half of lifetime and decline during the second half following a parabola opening downwards. The genesis of eddies mainly clusters northwest and southwest of Luzon Island whereas the dissipations concentrate the Xisha Islands where the underwater bay traps and terminates eddies. West of the Luzon Strait, northwest of Luzon Island, and southeast of Vietnam are regions where eddy splits and mergers are frequently observed. Short disappearances mainly distribute in the first two regions. Moreover, eddy splits generally result in a decrease of the radius and the amplitude whereas eddy mergers induce growing up. Eddy intensity and vorticity, on the contrary, are strengthened in the eddy splits and diminished in mergers.     

黑潮延续体区域多源观测资料的海洋涡旋的统计对比分析

本文首次利用海面温度、海面高度异常和表面漂流浮标数据等多元观测资料定量比较了获取的涡旋特征要素。结果表明：虽然不同数据源得出的涡旋统计特征具有一定的差异,但具有相似的分布特征。在此基础上,还发现该研究区域存在异常涡旋（逆时针旋转的暖涡和顺时针旋转的冷涡）。     

海洋中尺度涡旋源汇空间分布特征研究

借助卫星高度计数据,对中尺度涡进行识别和追踪;以16年内中尺度涡个数上的生消为判据,发现中尺度涡在除赤道外的全球大洋中生消频繁,但在海盆内区并没有明显的生成占优区或消亡占优区;而在中纬度近岸的狭窄东边界内中尺度涡生成居多,在另一侧近岸的狭窄西边界中尺度涡消亡居多。同时,我们以一阶斜压模态所对应的特征深度作为两层结构的内界面深度,并假定涡动能平均分配于正压模态和一阶斜压模态,计算得到了包含涡动能和涡有效重力位能的中尺度涡能量年平均净生成率和净耗散率,发现虽然海盆西边界是涡场能量耗散大于能量生成的区域,但强耗散过程实际上在海盆西侧内区的强流及其回流区均有发生。另外,中尺度涡生消个数差值的分布与中尺度涡能量净生成率和净耗散率的分布表明,虽然海盆东边界近岸区域内中尺度涡的生成居多,但该区域中尺度涡的能量偏弱,因此该区并非涡场能量的主要源区。     

Living coccolithophores in the western Pacific Ocean with mesoscale eddies

Living coccolithophores(LCs) are regarded as a group of calcifiers and play important roles in global carbon cycle.This study used microscopic observations of LCs in the western Pacific Ocean to investigate their community structure and biodiversity,especially to test whether local physical traits(mesoscale eddies) could explain their biogeographic distributions during autumn of 2017.The coccolithophore calcite inventory based on carbon-volume transformation was estimated in this study.A total of 28 taxa of coccospheres and 19 types of coccoliths were identified from 161 samples.Gephyrocapsa oceanica was the most predominant species in all the coccolithophore community,followed by Florisphaera profunda,Emiliania huxleyi,Umbilicosphaera sibogae,Gladiolithusflabellatus and Umbellosphaera tenuis.The abundance of coccospheres and coccoliths ranged from 0 to 26.8×10~3 cells/L and from 0 to 138.5×10~3 coccoliths/L,averaged at 4.2×10~3 cells/L and 10.9×10~3 coccoliths/L,respectively.This study indicated that coccolithophore community in the survey area can be clustered into four groups.Three ecological niches of coccolithophores were characterized by their vertical profiles and multivariate statistical analysis.Coccolithophore abundance and species composition were remarkably different among warm-eddy region,G.oceanica dominated warm-eddy region,while F.profunda dominated warm-eddy and none-eddy region.The average values of estimated particulate inorganic carbon,particulate organic carbon were0.197 μg/L and 0.140 μg/L,respectively.The current field study widened the dataset of coccolithophores in western Pacific Ocean.