南海东北部夏季叶绿素a浓度垂向变化特征及其对水动力过程的响应*

叶绿素a浓度是估算海洋初级生产力的一个重要参数, 在海洋中垂向分布极不均匀, 其分布特征及影响机制是海洋生态学研究的重要基础问题。利用海洋光学观测的高垂向分辨率剖面数据, 系统地研究叶绿素a浓度垂向剖面的时空分布特征及其与海洋动力环境要素的关系, 可为揭示南海典型动力过程的生态环境效应提供重要基础。文章基于2015年夏季黑潮调查航次实测生物光学剖面, 利用676nm处吸收基线高度(a_LH(676))与叶绿素a浓度(Chla)之间的关系, 建立了具有较高反演精度的叶绿素a浓度反演算法(Chla=49.96×(a_LH(676))^0.9339, 决定系数R²=0.87和均方根误差RMSE=0.16mg·m^-3); 进一步结合观测期间物理过程, 揭示了叶绿素垂向分布对不同水动力过程的响应特征。研究结果表明, 近岸区域表层叶绿素a浓度变化范围为0.42~1.57mg·m^-3, 随着水深增加, 叶绿素a浓度逐渐降低, 在沿岸上升流影响区域, 叶绿素a浓度明显增高, 垂向上相对趋于均一分布; 次表层叶绿素极大值(Subsurface Chlorophyll Maximum, SCM)现象在外海显著存在, 受中尺度过程影响明显, SCM深度在34m到100m之间变化, 在吕宋岛以西海域, 黑潮入侵加速了上层水体的混合, SCM所在水层被显著抬升至34m左右; 在冷涡影响区域, 次表层叶绿素极大值层被抬升, 涡旋中心比涡旋边缘抬升更为显著, 同时SCM的厚度增大。     

东、黄海典型海域叶绿素a含量的垂向变化与周日波动

2000年10月21至11月5日对东海与黄海典型海区进行了叶绿素a浓度的现场周日观测，地理环境和水文状况的差异使各海区的垂向变化与日波动表现各自的特征：东海观测站位在垂向上的分布比较单一，多数呈上混合层均匀分布型并在跃层以上递减；长江口受潮流影响大，偶而在底层峰值，而南黄海观测站位垂向布出现了均匀分布型与次表层双峰型两种，受潮流等影响，叶绿素a浓度的日变化在各海区间及各自的垂向上都有所差异；出现层化的测站，跃层以上日波动层以下明显；在E7测站的表层和长江口测站的底层都以半日周期为，而南黄海测站以全日周期为主。     

南海北部春季海流的垂向变化

对南海北部一连续观测站的春季海流资料进行功率谱分析,潮流调和分析及统计分析,得到了南海北部春季海流垂向结构的基本特征为：（１）实测平均海流偏Ｗ向流动并随深度的增加稍作逆时针方向偏转,平均流速随深度的增加而减小,实测海流的日周期明显,在垂向上,近底层（３００ｍ）的功率谱峰值明显比其它水层的大,表明该层海流包含的日周期波动最强;（２）海区的日潮流相当强,其最大流速（Ｋｋ１＋Ｗｏ１）在近底层最大;日潮流     

南海北部春季海流的垂向变化

对南海北部一连续观测站的春季海流资料进行功率谱分析、潮流调和分析及统计分析,得到南海北部春季海流垂向结构的基本特征为:(1)实测平均海流偏W向流动并随深度的增加稍作逆时针方向偏转,平均流速随深度的增加而减小;实测海流的日周期明显,在垂向上,近底层(300m)的功率谱峰值明显比其它水层的大,表明该层海流包含的日周期波动最强;(2)海区的日潮流相当强,其最大流速(WK1 WO1)在近底层最大;日潮流作顺时针方向旋转,其椭圆长轴基本上为偏NW—SE向;(3)海区的平均余流呈偏W向流动,在200m层相对较稳定,随深度的增加其方向略呈逆时针方向偏转,量值呈减弱趋势。     

2008年夏季南海北部海区生物光学特性的垂向变化特征

Vertical variability in the bio-optical properties of seawater in the northern South China Sea(NSCS) including inherent optical properties(IOPs) and chlorophyll a concentration(Chl) were studied on the basis of in situ data collected in summer 2008 using an absorption/attenuation spectrophotometer. An empirical model was developed to estimate Chl profiles based on the absorption line height at long wavelengths, with a relative root mean square error of 37.03%. Bio-optical properties exhibited large horizontal and vertical spatial variability. As influenced by coastal upwelling and the Zhujiang River(Pearl River) discharge, both IOPs and Chl exhibited high values in the surface waters of the inner shelf, which tended to decrease with distance offshore. Subsurface maximum layers of IOPs and Chl were observed in the middle and outer shelf regions, along with significantly higher values of attenuation coefficients beneath this layer that rapidly increased towards the bottom. In the open ocean, both IOPs and Chl exhibited consistent variability, with the subsurface maximum layer typically located at34–84 m. Phytoplankton were found to be one of the major components in determining the vertical variability of bio-optical properties, with their vertical dynamics influenced by both physical forcing and light attenuation effects. The depth of the subsurface maximum layer was found to be closely related to the fluctuation of the oceanic thermocline and the depth of the euphotic zone, which also affected the total integrated biomass of the upper ocean. Typically high values of attenuation coefficients observed in the bottom waters of the continental shelf reflected the transport of particulate matter over the bottom boundary layer. Our results reveal large spatial differences in bio-optical profiles in response to complex marine ecodynamics in the NSCS. From the perspective of marine research, high-resolution optical measurements are clearly advantageous over conventional bottle sampling.     

南海sCHIsM 模式不同垂向坐标研究

基于 sCHIsM 模式建立南海三维流场模式,进行了设置 g 坐标 、sZ 坐标与局地 g 坐标的数值模拟研究。结果表明, 在不加同化条件下, 垂向坐标对南海斜压环流和海温模拟有比较明显的影响, 在越南外海尤为显著, g 坐标和局地 g 坐标能 够较好地模拟出越南外海的涡旋, sZ 坐标对涡旋的模拟效果比较差, 局地 g 坐标对海温的模拟效果最好, 而 g 坐标对海温 的模拟结果最差。总体而言, 局地 g 坐标可以兼顾南海斜压环流和海温模拟的要求。     

2008年夏季南黄海叶绿素a垂向分布格局初探

根据2008年8月南黄海海域的温度、盐度、光照和叶绿素a的观测资料,分析了叶绿素a垂向分布特征及其与温度、盐度、光照的关系.结果表明,叶绿素a垂向有1个、2个或多个峰区,按其所在水团和垂向特征可分为10个类型;叶绿素a垂向分布格局与海水层化、光照和营养盐等环境因子有关.     

黄海冷水团上升流对叶绿素垂向分布的影响

利用黄海冷水团物理-生态耦合模式，对冷水团水域叶绿素垂向分布的季节变化进行了数值模拟研究。物理模式为冷水团热动力模型，生态模式主要考虑叶绿素，营养盐和食植浮游动物基本状态变量的耦合方程。研究结果表明，黄海冷水团上升流对叶绿素垂向分布的夏季上层结构具有显著影响。整个夏季，受上升流的影响，叶绿素垂向分布最大值的位置向海面抬升，量值增大，混合层叶绿素的平均浓度增加，与实测资料比较表明，考虑冷水团上升流的影响比不考虑上升流与实测结果符合要好。     

珠江口及其邻近海域走航式叶绿素荧光计数据的校正

探讨了走航式叶绿素荧光计的现场校正方法。针对珠江口及其邻近陆架海域,分别对经非标准化和标准化处理的盐度和荧光计叶绿素数据进行聚类统计．区分河口区与陆架海区,给出分区段的校正系数。结果表明,在珠江河口区尤其是低盐度段,分区校正与单一的校正相比有相当明显的改善;非标准化与标准化数据处理方案各有优缺点。这一方法对于快速、连续测量该复杂海区的叶绿素浓度有着重要的意义。     

南海西北部夏季叶绿素a浓度的分布特征及其对海洋环境的响应

南海生态动力学过程复杂,尤其是夏季,在东南季风的影响下,南海西部的上升流、西北部东北向的离岸流对该海区乃至整个南海生态动力学过程都有重要的影响。根据1999—2003年的SeaW-iFS卫星遥感叶绿素a浓度数据,结合2004年在南海北部海洋观测航次实测的叶绿素a浓度数据,分析了南海西北部夏季叶绿素a的分布特征;同时根据海表温度、风场、海面高度等卫星遥感历史资料,探讨了叶绿素a浓度的分布及其对环境因子的响应。结果表明,南海西北部夏季(6—8月)叶绿素a浓度的分布有显著的空间变化:在西部半径达500km低温、强风的半圆形海域范围叶绿素a浓度较高(>0.15mg.m-3),其中位于越南金兰湾东北部有一叶绿素a浓度更高的激流形带(>0.2mg.m-3);而在南海东北部夏季(6—8月)叶绿素a浓度明显偏低(<0.12mg.m-3)。叶绿素a的这种空间分布特征同季风等海洋环境因素之间有密切的关系。对比实测叶绿素a浓度显示,遥感叶绿素a浓度同实测叶绿素a浓度有很好的一致性。     

南海北部水体浮游植物比吸收系数的变化

在2004年9月南海北部开放航次中测定了51个站点的浮游植物比吸收系数aph^＊（A）。分析表明，aph^＊的数值和光谱分布都有较大的变化，且在沿岸和外海表现出不同的变化趋势。aph^＊的变化主要受色素打包效应和色素成分的影响。外海水体微微型藻类占绝对优势，而沿岸水体中微型藻类和大型藻类的比例相对增大，相应地色素打包效应增强，aph^＊减小。外海水体的aph^＊光谱分布随深度的增加呈现出一定的变化趋势，且在上层水体的蓝红比较高，反映出辅助色素含量的相对变化对比吸收系数的影响。aph^＊随叶绿素a浓度的增大而减小，两者之间呈现出较好的幂指数关系。     

南海东北部中尺度涡对海表叶绿素a浓度的影响规律研究

基于南海东北部1998~2019年的多源卫星遥感数据和风场再分析数据, 较系统地分析了南海东北部涡旋内部叶绿素a浓度的分布特征, 通过量化统计和涡心坐标系参数合成等方法探究了中尺度涡对叶绿素a浓度变化的影响规律及潜在机制。结果表明: (1)南海东北部约有60%的中尺度涡旋内部存在叶绿素a浓度增加和减少的现象。(2)南海东北部中尺度涡内部叶绿素a扰动受到涡旋抽吸和涡致Ekman抽吸机制的共同调控, 其中约有38% (39%)的暖(冷)涡内涡旋抽吸的贡献更大, 21% (24%)的暖(冷)涡内涡致Ekman抽吸的贡献更大。(3)南海东北部中尺度涡生命周期内的海表叶绿素a浓度变化存在显著的阶段性差异, 在冷暖涡的生成期, 涡旋抽吸的作用更为显著, 而在冷暖涡的顶峰和消亡期, 涡致Ekman抽吸的作用更为明显。上述研究结果有助于理解南海东北部初级生产力对中尺度涡的响应过程与机理, 对认识海洋物理-生物耦合过程具有一定的参考价值和研究意义。     

东海区叶绿素a和初级生产力季节变化特征

依据2008年春季(5月)、夏季(8月)、秋季(11月)和2009年冬季(2月)的现场调查结果,分析了东海区叶绿素a、初级生产力的平面分布、垂直分布和季节变化的特征,并探讨了其影响因素。结果表明,四个航次叶绿素a浓度分别为1.33、0.93、1.61和0.65 mg/m3,秋季春季夏季冬季。春季、夏季和秋季最大值均出现在0—10m水层,冬季最大值出现在底层。叶绿素a浓度远海年季变化较小,近岸区和垂直分布年季变化较大。四个航次初级生产力平均为375.03、414.37、245.45和102.60 mg/(m3 h),夏季秋季春季冬季。叶绿素a浓度和初级生产力水平均高于历史同期值。鱼外渔场的年平均初级生产力最大,海州湾渔场最小。通过分析叶绿素a和环境因子的相关性表明,叶绿素a与浮游植物显著正相关;春季和秋季的低温以及春季和夏季的低盐比较适合浮游植物的生长;活性磷酸盐可能是限制春季和秋季叶绿素a的重要因素。     

南海温度锋的分布特征及季节变化

利用50a(1950—2007年)的SODA(Simple Ocean Data Assimilation)数据分析了南海上层温度锋分布特征以及季节变化规律。结果表明:受季风、太阳辐照以及诸多因素影响,温度锋季节变化明显,锋面结构复杂。冬季,温度锋基本沿陆架分布,存在于南海北部海区,从台湾海峡一直延伸到北部湾,发育比较显著;春季,主要出现在南海北部海区、北部湾、越南东部海岸,分布比较广泛;夏季温度锋出现概率增加,出现区域扩大,越南东部出现大面积温度锋;秋季南海中西部海域存在大面积的温度锋。     

南海及其围区新生代岩浆活动时序与成因研究

南海及其围区新生代岩浆活动具有相似的特征,根据与南海扩张时间(32~15.5 Ma)的先后关系,将岩浆活动分为三期：扩张前(>32 Ma)、扩张期(32~15.5 Ma)和停止扩张后(< 15.5 Ma)。从岩相学特征可知：扩张前的岩石以三水盆地双峰式岩浆岩组合为代表;根据最新的IODP 349航次的钻孔样品资料,南海海盆扩张期岩浆岩为典型的MORB,而少量的陆缘岩石资料显示,该期岩浆岩为碱性玄武岩;停止扩张后岩浆活动可分为两期,早期以大陆-大洋中脊过渡型拉斑玄武岩为主,晚期以碱性玄武岩为主。除了扩张期南海海盆的MORB,整个新生代的岩浆岩地球化学特征大体一致,与OIB相似,显示地幔源区具有不均一性,由一个DMM和一个EM端元组成,且岩石均表现出明显的Dupal异常特征。对于富集端元的性质和来源、Dupal异常的成因、海南地幔柱是否存在等问题目前存在较大争议。具OIB特征的岩浆除来自地幔柱作用外,地幔交代作用也是重要的产生机制。本文认为碳酸盐流体对地幔源区的交代作用可能在南海地区新生代岩浆活动中扮演了重要的角色。另外,岩浆岩成岩过程的研究也不够全面深入,这些都是在今后的研究工作中需要关注的地方,有待后来进一步的研究。     

南海大尺度动力场年循环和年际变化

应用COADS风应力、Levitus温度资料，描述南海上层海洋动力场的年循环及其与热力场之间的关系和南海大尺度动力场的年际变化。针对冬、夏2个季节，分析Sverdrup环流场与上层海温之间的关系。研究发现，上层海温变化与上层海洋环流基本结构非常相似，即上层海温变化在一定程度上反映了南海Sverdrup平衡，而且随着浓度的增加，平均海温场与流函数场之间的对应关系更好。本文还着重分析了El Nino期间和La Nina期间的南海异常流函数场。研究发现，异常流函数场在El Nino期间的夏季主要是强化南海自身的环流结构，即强化南部反气旋式涡流（gvre)和强化北部气旋式涡流；冬季则削弱整个南海的气旋式流场。LaNina期间对夏季环流态的影响主要集中在南海北部，即削弱北部气旋式涡流，而对于南海南部的影响甚微；冬季则强化整个南海的气旋式流场。