黑潮延伸區(qū)氣旋式渦旋浮游植物繁殖個(gè)例

王同宇，張書文,2，馬永貴，陳法錦，蔣 晨，于 杰

（1.廣東省近海海洋變化與災(zāi)害預(yù)警重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 / 廣東海洋大學(xué)海洋與氣象學(xué)院，廣東 湛江524088;2.區(qū)域海洋動(dòng)力學(xué)與數(shù)值模擬功能實(shí)驗(yàn)室 / 海洋科學(xué)與技術(shù)國家實(shí)驗(yàn)室，山東 青島 266237）

海洋 20%～30%海表面積表現(xiàn)出中尺度渦旋的特征。這些中尺度渦旋半徑尺度在100 km左右，時(shí)間維持幾天到幾個(gè)月，在西邊界流海域尤為活躍[1]。黑潮為北太平洋西邊界流，具有高溫、高鹽、高流量、水色顯著等特征，在 35°N、140°E附近分為 2支，呈現(xiàn)出彎曲形態(tài)，并不斷有渦旋脫落，主干道向東到達(dá)160°E，稱為黑潮延伸區(qū)[2]。該區(qū)域是全球海洋鋒面最強(qiáng)、渦動(dòng)能最大的區(qū)域之一，易受地形、季風(fēng)、西邊界流等因素影響，使得中尺度渦旋呈現(xiàn)出復(fù)雜、多變特點(diǎn)，因此中尺度渦旋是調(diào)節(jié)中緯度上層海洋物理-生態(tài)-化學(xué)特性的關(guān)鍵[3]。在中尺度渦旋生成到消亡階段，渦旋攜帶其內(nèi)部水體向西運(yùn)動(dòng)，引起熱鹽、動(dòng)能、營(yíng)養(yǎng)鹽、葉綠素a (Chl-a)濃度等物理化學(xué)物質(zhì)的水平交換和輸運(yùn)，這些物理生物地球化學(xué)現(xiàn)象對(duì)于海洋上層生態(tài)環(huán)境起重要作用[4-5]。

20世紀(jì)90年代以來，衛(wèi)星遙感技術(shù)和產(chǎn)品在逐步改進(jìn)，為研究海洋現(xiàn)象提供了有效手段。Doney等[6]發(fā)現(xiàn)衛(wèi)星觀測(cè)到的海洋水色變化與中尺度渦旋引起的生態(tài)要素有關(guān)。氣旋式渦旋（cyclone eddy ,CE）海表面輻散使得海表高度異常偏低，等密度面抬升，使得富營(yíng)養(yǎng)水進(jìn)入真光層，初級(jí)生產(chǎn)力增加，同時(shí)海表風(fēng)應(yīng)力以及浮力損失導(dǎo)致海水發(fā)生垂直混合也會(huì)把浮游植物和營(yíng)養(yǎng)鹽向上輸送[7-9];對(duì)于反氣旋渦旋（anticyclone eddy , AE），海表面高度異常偏高，一方面混合層和等密面加深抑制營(yíng)養(yǎng)鹽向上輸送[10-11]，另一方面渦旋內(nèi)部由于風(fēng)驅(qū)動(dòng)的埃克曼流與渦旋相互作用產(chǎn)生輻散，通常也會(huì)導(dǎo)致Chl-a濃度增加[12-14]。Siegel等[15]將渦旋對(duì)浮游植物的影響機(jī)制歸納為“渦旋抽吸”“渦旋水平輸送”“渦-風(fēng)埃克曼抽吸”“亞中尺度抽吸”，這些機(jī)制都有可能會(huì)對(duì)浮游植物的時(shí)空分布有影響。副熱帶海域浮游植物繁殖主要受營(yíng)養(yǎng)鹽的限制，冬季強(qiáng)湍流混合促進(jìn)營(yíng)養(yǎng)鹽垂向輸運(yùn)，所以這些海域，葉綠素濃度高值主要出現(xiàn)在冬季[16-17]，而中高緯度海域（黑潮延伸體區(qū)）則會(huì)受到光照和營(yíng)養(yǎng)鹽的限制，便對(duì)浮游植物繁殖產(chǎn)生不同的影響。在不同海域，不同中尺度渦旋存在的機(jī)制都會(huì)有所不同[18]，因此，研究不同海域在不同環(huán)境下中尺度渦旋對(duì) Chl-a濃度的影響是十分有必要的。本研究將利用高分辨率衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)，對(duì)黑潮延伸區(qū)個(gè)例中尺度渦旋生命周期內(nèi)浮游植物繁殖機(jī)制進(jìn)行討論。

1 數(shù)據(jù)和方法

1.1 數(shù)據(jù)

海表面高度異常(Sea level anomaly，SLA)數(shù)據(jù)從哥白尼海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)中心（CMEMS）網(wǎng)站（http://marine.copernicus.eu/）下載，該數(shù)據(jù)由ERS1/2,TOPEX/Poseidon和 Jason等多顆衛(wèi)星資料融合, 空間分辨率為0.25°×0.25°, 時(shí)間分辨率為1 d。時(shí)間序列從1993年到2017年。

海表風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)和海表面溫度(sea surface temperature,SST)由遙感系統(tǒng)（remote sensing systems,RSS）提供，下載地址：http://www.remss.com/。其中風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)空間分辨率為0.25°×0.25° ,時(shí)間分辨率是 6 h, SST時(shí)間分辨率為 1 d,空間分辨率為0.083°×0.083°，Chl-a濃度從全球水色網(wǎng)站下載：http://hermes.acri.fr/index.php，空間分辨率為9 km, 時(shí)間分辨率為1 d。

李亞諾夫指數(shù)(finite size lyapunov exponents,FSLE)數(shù)據(jù)[19]是衛(wèi)星海洋學(xué)數(shù)據(jù)存檔中心（AVISO）2016年發(fā)布的產(chǎn)品(https://www.aviso.altimetry.fr/en/data.html)，能夠提取出拉格朗日擬序結(jié)構(gòu)（流體輸運(yùn)的邊界），顯示高分辨率的絲狀結(jié)構(gòu)位置和攪拌強(qiáng)度，可以用來分析水平攪拌機(jī)制，進(jìn)而分析浮游植物的傳輸和擴(kuò)散[20-21]。

Hybrid Coordinate Ocean Model (HYCOM)模式資料包含海洋溫度、鹽度和流場(chǎng)等數(shù)據(jù)。該數(shù)據(jù)為邁阿密大學(xué)數(shù)值模式團(tuán)隊(duì)(University of Miami modeling group)和美國海軍研究實(shí)驗(yàn)室(Naval Research Lab)合作的產(chǎn)品。HYCOM模式同化了衛(wèi)星高度計(jì)、拋棄式深水溫度(expendable bathy thermographs, XBT)、溫鹽深儀 (conductivity temperature depth, CTD) 和Argo 浮標(biāo)等多種觀測(cè)資料[22]。該數(shù)據(jù)時(shí)間分辨率為 1 d，水平分辨率為1/12°，垂向分層為40層。

AVISO渦旋數(shù)據(jù)產(chǎn)品基于SLA數(shù)據(jù)識(shí)別出來，產(chǎn)品包含了渦旋的經(jīng)緯度、振幅、半徑、生命周期、旋轉(zhuǎn)速度、移動(dòng)速度、渦旋類型信息，時(shí)間范圍為1993年到2018年1月[4]。

1.2 方法

由于表層風(fēng)應(yīng)力旋度的作用，海水產(chǎn)生埃克曼抽吸，埃克曼抽吸速率（We）根據(jù)公式[4]：

當(dāng)存在較強(qiáng)溫躍層的海域，用溫度或鹽度計(jì)算的 MLD一致，本文采用溫度剖面數(shù)據(jù)計(jì)算 MLD,取ΔT=0.5 ℃的深度為MLD[23]。

基于AVISO渦旋數(shù)據(jù)產(chǎn)品對(duì)FSLE、SST、SLA、Chl-a濃度進(jìn)行歸一化合成分析，選取每一天距離渦旋中心 2倍半徑區(qū)域內(nèi)所有網(wǎng)格點(diǎn)，考慮到衛(wèi)星遙感資料分辨率不同，將選取網(wǎng)格點(diǎn)內(nèi)數(shù)據(jù)差值到歸一化后的網(wǎng)格區(qū)域，計(jì)算平均值。

2 結(jié)果

選取黑潮延伸區(qū)域?yàn)?30°N－40°N，140°E－170°E，如圖1所示，該區(qū)域1998－2017年平均SLA的標(biāo)準(zhǔn)偏差(STD)，沿著黑潮延伸區(qū)域主軸 35°N，南北兩側(cè)均表現(xiàn)出高STD值0.3 m，呈現(xiàn)顯著地渦旋活動(dòng)。該區(qū)域沿著主軸北側(cè)以ACE為主，南側(cè)以CE為主，并且CE區(qū)域CHL-a濃度明顯高于ACE[24]，在主軸南側(cè)選取一個(gè)生命期為44周，從2013年11月22日－2014年9月24日的CE，并在3月底到4月初這段時(shí)間內(nèi)CE內(nèi)部出現(xiàn)高濃度Chl-a（圖2）。

2.1 渦旋信息

CE在33°N，159°E形成，以3～12 cm/s速度向西移動(dòng)，最終在31°N、146°E處消亡。在向西移動(dòng)的過程中，其半徑變化在80～120 km之間，冬季（1～15周）期間半徑和振幅達(dá)到最大，進(jìn)入春季時(shí)，渦旋半徑和振幅均減小，半徑基本維持在80 km, 而渦旋振幅緊接著增加至0.45 m, 移動(dòng)速度在藻華期間大于5 cm/s, 渦旋的非線性程度根據(jù)非線性指數(shù)（U /C）判斷,U為渦旋旋轉(zhuǎn)速度，C為移動(dòng)速度（圖3-a,b,c）。強(qiáng)非線性（U / C＞ 1 )出現(xiàn)在整個(gè)渦旋生命周期內(nèi)（圖3-d），也就是說，對(duì)于旋轉(zhuǎn)速度遠(yuǎn)大于移動(dòng)速度的高度非線性渦旋往往使得內(nèi)部水體不易與外部產(chǎn)生交換。

圖1 1993－2017年SLA的標(biāo)準(zhǔn)偏差空間分布Fig.1 Spatial distribution of standard deviation for SLA from 1993 to 2017 year

圖2 Chl-a濃度、地轉(zhuǎn)流、SLA空間分布Fig.2 Spatial distribution of Chl_a concentrations, geostrophic current and SLA

2.1 渦旋信息

CE在33°N，159°E形成，以3～12 cm/s速度向西移動(dòng)，最終在31°N、146°E處消亡。在向西移動(dòng)的過程中，其半徑變化在80～120 km之間，冬季（1～15周）期間半徑和振幅達(dá)到最大，進(jìn)入春季時(shí)，渦旋半徑和振幅均減小，半徑基本維持在80 km, 而渦旋振幅緊接著增加至0.45 m, 移動(dòng)速度在藻華期間大于5 cm/s, 渦旋的非線性程度根據(jù)非線性指數(shù)（U /C）判斷,U為渦旋旋轉(zhuǎn)速度，C為移動(dòng)速度（圖3-a,b,c）。強(qiáng)非線性（U / C＞ 1 )出現(xiàn)在整個(gè)渦旋生命周期內(nèi)（圖3-d），也就是說，對(duì)于旋轉(zhuǎn)速度遠(yuǎn)大于移動(dòng)速度的高度非線性渦旋往往使得內(nèi)部水體不易與外部產(chǎn)生交換。

圖3 拉格朗日時(shí)間序列的渦旋信息Fig.3 Lagrangian time series of eddy information

2.2 浮游植物繁殖

渦旋區(qū)域的Chl-a濃度時(shí)間分布，分為3個(gè)區(qū)域：中心（0.5R）、渦旋內(nèi)部(1R)、邊緣(R-2R), Chl-a濃度依次減少，整個(gè)生命周期內(nèi)均表現(xiàn)為相同趨勢(shì)變化，1～15周內(nèi) Chl-a濃度基本維持在 0.15～0.28之間，而在16～23周內(nèi)均有大幅度增加，3個(gè)區(qū)域的Chl-a濃度梯度達(dá)到最大，第18周，渦旋中心最大 Chl-a濃度達(dá)到 0.65 mg/m3, 是同期背景場(chǎng)的Chl-a濃度3倍，邊緣Chl-a濃度增加1.5倍，于3月29號(hào)開始迅速減少，直到第23周的Chl-a濃度恢復(fù)正常（圖4），此時(shí)渦旋的位置是 31.21°N、154.61°E，向西傳播了180 km。

圖4 渦旋Chl-a濃度變化拉格朗日時(shí)間序列Fig.4 Lagrangian time series of observed Chl-a concentrations

無論是整個(gè)周期還是藻華期，合成Chl-a濃度空間分布都呈現(xiàn)單極子結(jié)構(gòu)-中心為高值區(qū)，向四周遞減，生命期為44周的渦旋內(nèi)部(R)平均Chl-a濃度最大值僅為0.19 mg/m3，邊緣區(qū)域(R-2R)則為0.12 mg/m3，而藻華期渦旋整個(gè)區(qū)域均大于0.2 mg/m3，內(nèi)部達(dá)到0.50 mg/m3（圖5-a,d），同時(shí)，比較SST和SLA藻華期和整個(gè)周期空間分布，渦旋SST由北向南逐漸遞增且具有一定偏度，藻華期的SST最小值達(dá)到 16℃，比整個(gè)周期平均 SST（20℃）低4℃(圖5-b,e)，其SLA范圍僅有小范圍增加，最大SLA由-58 cm減少至-62 cm(圖5-c,f)，SST和SLA最小值區(qū)域正是浮游植物大量繁殖區(qū)域（圖5）。

HYCOM再分析資料已廣泛應(yīng)用于上層海洋研究，He等[25]利用三維溫度數(shù)據(jù)分析長(zhǎng)時(shí)間具有中尺度渦特征的上層海洋，Wu等[26]和 Lu等[27]也利用HYCOM數(shù)據(jù)研究臺(tái)風(fēng)過境后，渦旋內(nèi)部三維結(jié)構(gòu)變化特征。本研究用此數(shù)據(jù)繪制出4個(gè)時(shí)刻渦內(nèi)三維溫度結(jié)構(gòu)，初始時(shí)刻選取2013年12月25日（圖6-a），渦旋表層中心的SST并未表現(xiàn)出顯著低溫，然而渦旋中心海表面100 m以下存在著顯著地冷水上涌，與表層溫度相差5 ℃，這種不規(guī)則的三維溫度分布表明該旋渦不是模態(tài)渦旋，而是常見的中尺度渦旋[7]，渦旋垂直結(jié)構(gòu)與前人的研究一致，CE具有較低的溫度（高密度），混合層深度淺。隨著冬季湍流混合加強(qiáng)，表層與次表層溫差逐漸減少，2014年1月27日, 整個(gè)上層海洋0～300 m由于混合層加深，溫度分布均勻，降溫至17℃左右（圖6-b），隨后進(jìn)一步降溫，3月25日之后溫躍層開始重新抬升（圖6-c）, 冷核中心的位置發(fā)生偏移，再經(jīng)過1個(gè)月后，整個(gè)上層海洋繼續(xù)降溫（圖6-d）。

圖5 合成渦旋周期44周和藻華期（16-23周）Chl-a濃度、SST、SLAFig.5 Composite averages of Chl-a concentrations, SST and SLA during the entire lifetime of the cyclonic eddy and algal period

surface(subsurface)圖6 基于HYCOM再分析數(shù)據(jù)的渦旋溫度三維結(jié)構(gòu)Fig.6 3-D structures of temperature (from HYCOM) along the eddy’s track

圖7 周期為44周渦旋中心溫度拉格朗日時(shí)間序列（白線代表MLD）Fig.7 Lagrangian time series of the center of temperature in cyclonic eddy, which covers the entire lifetime of the cyclonic eddy, the white line represent MLD

圖8 合成渦旋周期44周和藻華期（16-23周）表層風(fēng)應(yīng)力引起的We以及FSLEFig.8 Composite averages of We induced by the curl of surface wind stress and FSLE during the entire lifetime of the cyclonic eddy and algal period

3 討論

在上層海洋中，光和營(yíng)養(yǎng)鹽是促進(jìn)浮游植物大量繁殖最重要的2個(gè)因素，光照條件和營(yíng)養(yǎng)鹽濃度的分布可以調(diào)節(jié)Chl-a濃度變化[28]。在中高緯度的黑潮延伸體區(qū)域，光照條件受到限制，一般營(yíng)養(yǎng)鹽躍層遠(yuǎn)大于混合層深度，浮游植物繁殖更會(huì)受到營(yíng)養(yǎng)鹽的限制，因此引起浮游植物大量繁殖需要營(yíng)養(yǎng)鹽的供應(yīng)，經(jīng)過冬季湍流混合夾卷作用使得海洋深層的營(yíng)養(yǎng)鹽輸送進(jìn)入混合層內(nèi)，春季便出現(xiàn)浮游植物繁殖[29-30]。

該CE形成于11月22日，冬季混合降溫使得MLD由初始值75 m迅速增加，第10周達(dá)到最大值160 m，增加速率為1.21 m/d，該深度一直維持至第20周，隨后20～40周內(nèi)MLD減少至25 m，MLD變化明顯受到季節(jié)性影響（圖7）。從冬季開始，MLD溫度逐漸降低，冬末初春MLD溫度降低至 16℃，夏季回溫至 24℃。浮游植物的藻華期大致滯后MLD的時(shí)間為4～6周（圖4,7），意味著除MLD加深后，還有其他機(jī)制為浮游植物繁殖提供營(yíng)養(yǎng)鹽。

假使均一風(fēng)場(chǎng)作用于渦旋，由于渦旋兩側(cè)水團(tuán)運(yùn)動(dòng)方向不同，渦旋兩側(cè)相對(duì)風(fēng)場(chǎng)的速度也不同，使得渦旋兩側(cè)的風(fēng)應(yīng)力出現(xiàn)差異，氣旋渦中心水平埃克曼傳輸產(chǎn)生輻聚，導(dǎo)致水體下沉[31]。CE表層海水與空氣之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的風(fēng)應(yīng)力旋度可以產(chǎn)生垂直向下的，風(fēng)引起向下的達(dá)到0.18 m/d (圖8-a), 而渦旋邊緣南北兩側(cè)都出現(xiàn)相反且量級(jí)與中心相反的，藻華期是整個(gè)周期平均的3倍，達(dá)到0.6 m/d(圖8-c), 這種單極子分布的強(qiáng)下沉流并未抑制浮游植物繁殖（圖4），這說明是渦旋內(nèi)部向上的渦致抽吸作用遠(yuǎn)大于渦-風(fēng)導(dǎo)致的, 可以將深層富含高營(yíng)養(yǎng)鹽的冷水抬升至混合層或真光層內(nèi)，一方面引起渦旋中心出現(xiàn)低SST，另一方面為浮游植物繁殖提供營(yíng)養(yǎng)鹽，但He等[25]研究南半球副熱帶環(huán)流區(qū)一個(gè)ACE中心浮游植物繁殖機(jī)制，冬季MLD加深滯后于Chl-a濃度增加，混合層加深至營(yíng)養(yǎng)鹽躍層深度，有利于上升流和混合夾卷作用攜帶營(yíng)養(yǎng)鹽輸送至混合層，認(rèn)為高濃度的Chl-a主要是由于冬季湍流混合和埃克曼抽吸共同作用。

為了比較混合層加深和上升流的重要性，我們利用由Caniaux等[32]提出針對(duì)混合層內(nèi)營(yíng)養(yǎng)鹽通量方程：

浮游植物繁殖連續(xù)持續(xù)6周，同時(shí)渦旋也是向西傳播，渦旋表現(xiàn)為高度非線性，整個(gè)周期渦旋是接近閉合的拉格朗日擬序結(jié)構(gòu)（圖9），特別是藻華期擬序結(jié)構(gòu)進(jìn)一步加強(qiáng)，范圍縮小(圖8-b,d)，形成與周圍水體交換的障礙帶，保證水體較少受外界影響，因此除了MLD加深和上升流之外，CE周圍強(qiáng)拉格朗日擬序結(jié)構(gòu)也可以保持長(zhǎng)時(shí)間的高濃度Chl-a。

圖9 FSLE空間分布Fig.9 Spatial distribution of FSLE

4 結(jié)論

通過高分辨率衛(wèi)星和再分析數(shù)據(jù)，研究分析長(zhǎng)時(shí)間序列（44周）CE性質(zhì)變化，發(fā)現(xiàn)浮游植物繁殖出現(xiàn)在16～23周，Chl-a濃度增加3倍。通過合成分析SST、SLA、Chl-a，渦旋內(nèi)部中心表現(xiàn)為低溫、低SLA值、高Chl-a值的單極子分部特征，并維持閉合的拉格朗日擬序結(jié)構(gòu)，其特征在藻華期（16～23周）更為顯著。在渦旋生命期前期，冬季強(qiáng)湍流混合作用和渦-風(fēng)導(dǎo)致的使得MLD降溫并加深至營(yíng)養(yǎng)鹽躍層，藻華期滯后于MLD加深至最大時(shí)期大約4～6周。另外，在冬末初春，渦旋內(nèi)混合層與營(yíng)養(yǎng)鹽躍層的距離接近，渦致抽吸作用引起的向上的遠(yuǎn)大于渦-風(fēng)導(dǎo)致的向下的，易將更多營(yíng)養(yǎng)鹽向上輸送帶入混合層。在春季光照條件得到滿足的情況下，浮游植物大量繁殖，使渦旋內(nèi)Chl-a濃度顯著高于周圍水平。通過混合層內(nèi)營(yíng)養(yǎng)鹽通量方程分析，季節(jié)性MLD變化結(jié)合埃克曼抽吸作用，可以更顯著地影響混合層內(nèi)營(yíng)養(yǎng)鹽通量，因?yàn)橥牧骰旌虾桶？寺槲謩e主導(dǎo)躍層以上和以下的營(yíng)養(yǎng)鹽輸送，共同促進(jìn)浮游植物大量繁殖。