基于VGPM的中國近海凈初級生產力的時空變化研究

丁慶霞，陳文忠

(中國海洋大學信息科學與工程學院/海洋遙感研究所 青島 266100)

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基于VGPM的中國近海凈初級生產力的時空變化研究

丁慶霞，陳文忠

(中國海洋大學信息科學與工程學院/海洋遙感研究所 青島 266100)

海洋初級生產力對影響全球碳循環有顯著作用，在一定程度上控制著海-氣界面 CO2的交換，是全球氣候變化中的重要課題。隨著科學技術的發展，衛星遙感資料已經被廣泛地應用于海洋初級生產力研究，文章利用中等分辨率成像光譜儀(MODIS)衛星遙感傳感器資料(2003—2014年)分析我國近海海域海洋凈初級生產力在近十幾年的月度、季度、年度變化趨勢，以期對相關研究提供參考。

凈初級生產力；衛星遙感；海洋環境；氣候變化；中國近海

1 引言

隨著我國資源與環境問題的日益嚴重，對海洋初級生產力(Ocean Primary Production，OPP)的研究越來越受到重視，尤其是自 1981年“西太平洋海洋生物學方法論研討會”之后，我國海洋初級生產力研究迅速開展[1]，逐漸積累大量的現場觀測資料，對不同海域浮游植物的分布特征以及理化因子都有一定的認識，取得了許多研究成果。

海洋初級生產力一般是指在單位面積上水柱內海洋浮游植物光合作用的能力，一般以每天或者每年單位面積上產生的碳量即 mg/(m2· d)或g/(m2· a)來表示，是描述海洋生態系統和環境特征的重要參數，對海洋生態系統、環境特征、海洋生物地球化學循環和全球氣候變化等都具有非常重要的研究意義[2]。除此之外，海洋初級生產力研究也可以為海洋生態系統的結構與功能狀況，漁業資源的生產潛力、合理開發與可持續利用，海洋健康狀況的分析評價以及赤潮的監測與預報等提供有力的科學依據。凈初級生產力(Net Primary Production，NPP)是由光合作用所產生的有機質總量中扣除自養呼吸后的剩余部分。

船測海洋初級生產力具有時間短、不連續、范圍小以及資金耗費大的特點，隨著諸多海洋水色衛星的相繼發射，出現多種監測海洋水色的水色輻射計，如美國宇航局于1997年發射的“海星”(SeaStar)上裝載的8個波段的寬視場海洋觀測傳感器(SeaWiFS)，1999年發射的“地球觀測系統”(EOS-AM/TERRA)和2002年發射的“地球觀測系統”(EOS-PM/AQUA)衛星上裝載的36個波段的中等分辨率成像光譜儀(MODIS)，利用衛星遙感監測海洋水色參數具有觀測范圍大、時效性強等優勢，進而有利于利用這些參數根據初級生產力模式估算出海洋初級生產力。

國內不少學者已經對海洋初級生產力進行調查研究，如，李國勝等[2]發現1998年整個東海海域初級生產力的逐月變化具有明顯的雙峰特征，并且海洋初級生產力日平均值為560.03 mgC/(m2·d)；費尊樂等[3]發現渤海海域海洋初級生產力呈現春季最高、秋季次之、夏季較低、冬季最低的趨勢，并且發現其值與海洋浮游植物數量、海水消光系數和透明度、海表面輻射照度、日射量等因子有關；官文江等[4]發現東海、黃海和渤海初級生產力季節變化明顯，東海出現最大初級生產力為5月、最小為2月，黃海和渤海出現最大初級生產力為 8 月、最小為 2 月，而在大洋區初級生產力的季節變化相對較小；鄒亞榮等[5]綜述近年來海洋初級生產力研究進展，并且總結在各種尺度上海洋初級生產力的算法；寧修仁等[6]概括描述我國渤海、黃海、東海海域初級生產力的變化以及對漁業生產量的潛在評估；檀賽春等[7]從海洋光學特性入手，討論大氣校正過程，闡述一些現有的海洋初級生產力模式，研究中國近海(2003—2005 年)海洋初級生產力分布，發現北黃海、南黃海和東海南部的初級生產力分別在春季和秋季出現兩次峰值且春季高于秋季，南海分別在冬季和夏季出現兩次峰值且冬季高于夏季，渤海和東海北部在6 月呈現單峰分布；趙輝等[8]綜述近十幾年有關中國近海浮游植物葉綠素濃度、初級生產力時空變化和影響機制的研究進展。

國際方面，Eppley等[9]于1985年利用經驗算法建立葉綠素濃度、溫度及日照周期之間的經驗關系式來估算海洋初級生產力，建立基于葉綠素濃度的Eppley-VGPM模式；Behrenfeld等[10]于1997年歸一化葉綠素濃度、光照周期和光學深度后，發現實測初級生產力的垂直分布呈相同形式，因此建立VGPM(Vertically Generalized Production Model)估算海洋初級生產力；Dugdale等[11]利用遙感海表溫度(SST)數據來推求表層的分布，進而估算新生產力；Morel等[12]建立估算海洋初級生產力的光-生物模型；Zhao等[13]利用實測數據和衛星遙感數據分析厄爾尼諾效應對越南東部外海海域夏季上升流葉綠素濃度高值分布的影響，并且結合 1998 年南海夏季風極弱的特點，總結該年該海域葉綠素濃度異常低值的主要原因；Chen等[14]分析南海北部海域基于氮的新生產力和初級生產力的調查，得出南海初級生產力的高值主要集中在冬季并廣泛分布在大陸架海域和主要上升流區的結論。

2 數據與方法

2.1 數據

MODIS是搭載在EOS上的最重要的星載儀器，TERRA和AQUA兩顆衛星每天接收到最少兩次白天、兩次黑夜的監測數據。MODIS具有從可見光到熱紅外的36個波段的光學通道，可以同時獲取地球陸地、大氣、海洋、冰川等環境的信息，帶寬范圍為0.405～14.385 μm，其中27個波段用于大氣遙感、其余9個波段用于水色遙感[15]。MODIS的1～2波段的空間分辨率可達250 m；3～7波段的空間分辨率為500 m；8～36波段的空間分辨率為1 000 m，掃描刈幅達2 330 km，每兩天可以覆蓋全球。隨著近年來水色輻射計發展迅速，MODIS具有分辨率高、重復訪問周期短和獲取快速等優點，被廣泛地應用于海洋環境監測中。

2.2方法

本文采用的NPP數據產品模型為VGPM，其表達式如下：

(1)

通常利用緯度和時間計算光照時長。Zeu采用Morel等[16]的參數化方案來計算，其中CTOT代表真光層葉綠素濃度，表達式如下：

(2)

(3)

(4)

3 數據分析

研究區域為我國近海(3°N—45 °N、105°E—131°E)，利用MODIS的逐月衛星數據(2003-2014年)來分析研究我國近海海域凈初級生產力的變化趨勢，主要統計我國近海海域凈初級生產力按照年、季、月變化的時空分布特征。

3.1 月際變化特征

我國近海各海域相對應的月平均凈初級生產力的隨月變化如圖1所示。

圖1 2003—2014年我國近海各海域 月平均凈初級生產力變化(MODIS)

從圖1可以看出在2003—2014年間：渤海海洋凈初級生產力的隨月變化規律表現為3—6月迅速上升并在6月達到全年最大值，6—8月緩慢下降，8—9月略有下降，9月至翌年1月迅速下降并在1月達到最小值，1—2月基本保持不變，全年僅在6月出現1次峰值，表現出良好的單峰分布，該分布與檀賽春的結論一致[7]。

黃海海洋凈初級生產力的隨月變化規律表現為3—6月迅速上升并在6月達到最高值，6—8月呈現下降趨勢，8—9月略有上升，9月至翌年1月迅速下降并在1月達到最小值，1—2月幾乎不變，出現兩次峰值分別在6月和9月，且6月峰值高于9月，具有明顯的雙峰特征，該特征與楊曦光的結論基本一致[17]。

東海海洋凈初級生產力的隨月變化規律表現為3—5月逐漸上升并在5月達到最大值，5—8月逐漸下降，8—10月逐漸上升，而10月至翌年1月又有下降，1—2月略有上升，也出現兩次峰值，分別在5月和10月，且5月峰值高于10月，分布為冬季最低、春季迅速上升達到最大值、夏季略有下降、秋季又略有回升，該分布與李國勝的結論一致[2]。

南海海洋凈初級生產力的隨月變化規律表現為3—5月逐漸下降，5—10月變化較平穩，10月至翌年1月逐漸上升，1—2月略有下降，兩次峰值分別出現在1月和7月且1月峰值高于7月，與檀賽春等的結論一致[7]。

3.2 季節變化特征

我國近海海域2003—2014年4個季節相對應的季平均凈初級生產力水平分布和變化如圖2所示。

圖2 我國近海凈初級生產力的季節變化

從整體來看，我國近海海域的凈初級生產力分布呈現出沿岸明顯高于外海且由近岸向外海帶狀遞減趨勢。明顯的高值區位于長江口外側向外海伸出的三角形狀(因該區受長江徑流影響非常顯著，而外海開闊海域由于低營養鹽其生產力都比較低)，并且渤海、黃海和東海明顯高于南海，該變化特征與檀賽春等的結論一致[7]。

而從圖2來看，我國近海不同海域的凈初級生產力的季節分布狀況分別為：冬季呈現東海最大、渤海最小，夏季呈現渤海最大、南海最小，春、秋兩季都呈現黃海最大、南海最小。具體分析為在2003—2014年間。

總的來看，渤、黃海海域季節變化規律一致，變化趨勢由大到小依次為夏季、秋季、春季、冬季，即從冬季到夏季整個海域內季平均凈初級生產力值逐漸上升并達到最大值，從夏季到秋季開始逐漸下降，該變化與官文江等的結論一致[4]。

東海海域季節變化趨勢由大到小依次為春季、夏季、秋季、冬季，即整個海域內凈初級生產力季平均值的最大值出現在春季，并且從春季到冬季逐漸降低且在冬季達到最小值。

南海海域凈初級生產力季平均值的最大值出現在冬季，并且從冬季到夏季逐漸降低，從夏季到秋季開始緩慢回升。南海與其他三大海域有明顯的季節差異，其原因可能是受東北季風和營養鹽濃度等方面影響，從而使浮游植物在冬季大量繁殖。

除南海海域外，其他海域的凈初級生產力在春季、夏季和秋季都比較高而冬季最低，其原因可能與光照、海溫、海水透明度、營養鹽、季風、長江沖淡水、上升流以及水團特性有很大關系，不同海域控制海洋凈初級生產力變化的主要因素也有所不同[8]。

3.3 年際變化趨勢

我國近海4個海域2003—2014年間年平均凈初級生產力隨年變化分布如圖3所示。

圖3 我國近海各海域年平均 凈初級生產力的年際變化

圖3 我國近海各海域年平均 凈初級生產力的年際變化(續)

其中，Y為趨勢函數，R在95%的置信區間。可以看到：黃海和渤海海域的變化趨勢相關系數分別為0.748 7和0.846 5，說明均呈現顯著性上升趨勢，并且每年黃海的凈初級生產力值都比渤海大；東海的變化趨勢基本保持不變，但由于其相關系數為0.045 8，說明該不變趨勢呈現微相關，年均值在800 mgC/m2/d 左右，而2006年的年平均值異常高于其他年份，可能是由于在該年東海海域頻繁暴發赤潮；南海的變化趨勢為略微下降，但由于其相關系數為0.273 2，說明該下降趨勢呈現微相關，年均值約在350 mgC/m2/d左右。

[1] 寧修仁.西北太平洋區域初級生產力和對我國海洋初級生產力研究的建議[J].東海海洋，1984，2(3)：78-83.

[2] 李國勝，王芳，梁強，等.東海初級生產力遙感反演及其時空演化機制[J].地理學報，2003，58(4)：483-493.

[3] 費尊樂，毛興華.渤海生產力研究Ⅱ.初級生產力及潛在漁獲量的估算[J].海洋學報，1988，10(4)：481-489.

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[5] 鄒亞榮，馬超飛.遙感海洋初級生產力的研究進展[J].遙感信息，2005，11(2)：58-61.

[6] 寧修仁，劉子琳.渤、黃、東海初級生產力和潛在漁業生產量的評估[J].東海海洋，1995，17(3)：72-84.

[7] 檀賽春，石廣玉.中國近海初級生產力的遙感研究及其時空演化[J].地理學報，2006，61(11)：1189-1199.

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Spatial-Temporal Variation of China’s Offshore Net Primary Production Based on Vertically Generalized Production Model

DING Qingxia，CHEN Wenzhong

(Ocean University of China Institute of Inforrmation Science and Engineering/Institute of Marine remote sensing，Qingdao 266100，China)

Ocean primary production is an important study in the global change.It has a significant effect on the global carbon cycle，and to a certain extent，controls the air-sea interface CO2exchange.With the development of science and technology，satellite remote sensing data has been widely applied to the study of ocean primary production.The paper analyzed monthly，quarterly，annual change trend of China’s offshore net primary production in more than ten years，by using the MODIS (2003—2014) satellite remote sensor data，to provide reference to relative researches.

Net primary production，Satellite remote sensing，Marine environment，Climate change，China’s Offshore

2016-02-16；

2016-07-01

國家自然科學基金項目(41375142).

丁慶霞，碩士研究生，研究方向為海洋探測技術，電子信箱：dingqingxia0114@126.com

P7

A

1005-9857(2016)08-0031-05