基于卫星的加利福尼亚流系海洋中层缺氧区上边界深度长时序变化重建

作者:张异凡 发布日期:2023-03-03 阅读:402

近日,我室白雁研究员团队及合作者在环境科学与生态学TOP期刊Science of the total environment(IF=10.75)上发表了题为“Three stages in the variation of the depth of hypoxia in the California Current System 2003–2020 by satellite estimation (基于卫星反演2003–2020加利福尼亚流系海洋中层缺氧区上边界深度的三个阶段性变化)”的研究论文。论文第一作者为我室与上海交通大学联合培养的博士生张异凡,通讯作者为我室白雁研究员,合作者包括我室何贤强研究员、李腾博士、龚芳高级工程师以及我室江治廷博士研究生。

海洋中氧气(O2)的含量是生态系统生产力、生物多样性和生物地球化学循环的限制性因素。稳态条件下,O2在海水环境中以溶解氧(DO)的形式存在,DO对生物循环的变化非常敏感,因此,被认为是海洋生物地球化学循环发生变化的一个重要特征信号。目前全球气候变化的影响有目共睹,全球海洋的氧气浓度正在持续下降;对于中层海洋来说,海洋环境的异常变化叠加人类活动会产生复杂的生物地球化学响应,其影响之一可导致海洋中层最小含氧带(Oxygen minimum zones,OMZs)的形成深度变浅,对生态系统的稳定性和渔业经济发展产生致命影响,以沿岸海洋生态系统尤为突出。海洋中层缺氧区上边界深度(depth of hypoxia, DOH, 基于DO=60 μmol kg1)可用于判断OMZ在水柱内的纵向扩张程度,以及评估其对中层海洋生态系统的影响,帮助识别和预判水生生物有利栖息地的变化。然而,目前原位DO测量数据量仍不足以完成长时间序列、高时空分辨率的海洋中层DOH演化特征研究,尤其是在复杂的沿岸海域。

卫星遥感可提供长时序、大面积同步的海洋生态环境变化信息。本研究基于布放在加利福尼亚流系(California Current System,CCS)的单个连续工作时间最长的BGC-Argo浮标连续采集的原位溶解氧剖面观测数据(观测时间为2012年11月18日~2016年8月31日)(图1),考虑该海域调控溶解氧收支平衡的物理垂直混合过程和浮游植物光合作用等生物活动过程,基于卫星净生产力和海表面温度遥感数据,构建了DOH非线性多项式回归反演模型,实现了CCS海区DOH的遥感反演。经过实测数据验证,总体结果表现为R2=0.82,RMSE=37.69 m (n=80)。

图片1.png

图1(a)加利福尼亚流系(California Current System,CCS)的流场和主要经济鱼类活动范围(修改自Checkley and Barth, 2009);(b)编号5904021 BGC-Argo的工作轨迹,运动时间为2012年11月18日~2016年8月31日,颜色代表观测时间,绿色和红色星号分别代表表示浮标工作的起点和重点终点。图中Box均为2°×2°

在此基础上,本研究重建了CCS 2003-2020年共18年的DOH演化过程,结果显示:2003~2013年间CCS沿岸海域受到上升流加强的强烈影响,深层营养盐持续涌升刺激表层浮游植物生产力,随之导致水柱内耗氧过程快速发生,最终引发中层OMZ形成并持续扩张;基于卫星反演结果,CCS近岸海域的DOH呈现长时序显著变浅趋势(p<0.05, n=132);随后该区域遭受了连续两个大的气候震荡事件,包括2014~2015年东太平洋异常变暖事件以及随后2015~2016年发生的El Niño事件。这导致多个环境参数的变化趋势出现减缓,甚至完全逆转的改变,如DOH出现加深变化信号,暂时减缓了OMZ即dead zone的扩张;至2017年后,CCS生态系统正在逐渐摆脱前述气候震荡事件的影响,DOH整体不再呈现显著加深趋势,但截至2020年末,DOH尚未完全恢复至2014年之前所呈现的显著变浅特征(图2)。在没有进一步的人为干扰条件下,该生态系统将可能逐渐恢复到2014年前的环境模式,这意味着未来CCS的DOH进一步变浅的可能性很大。本研究开发的基于CCS生态系统海洋中层缺氧区上边界深度DOH卫星反演模型,为探究其长时序高分辨率海洋生态系统和缺氧变化时空规律提供了新的视角。

图片2.png

图2 2003-2020年加利福尼亚流系(CCS)的卫星反演海洋中层缺氧区上边界深度(DOH)变化分布图,可分为三个阶段:(a)常规气候期间(2003~2013年),(b)气候振荡期间(2014~2016年)和(c)气候恢复期间(2017~2020年)。图(a)中Box位置与图1一致,与BGC-Argo的运行轨迹重合。图(d-f)为三个box平均海表面温度、净生产力和DOH长时序变化,同样分为三个阶段,变化趋势线性拟合结果p<0.05以实线表示,反之,以虚线表示。图中灰色阴影为BGC-Argo运行时间。

论文引用:

Zhang, Y., Bai, Y.*, He, X., Li, T., Jiang, Z., & Gong, F. (2023). Three stages in the variation of the depth of hypoxia in the California Current System 2003–2020 by satellite estimation. Science of The Total Environment, 162398. 

https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2023.162398.

  • 卫星海洋环境动力学国家重点实验室

    © 2021卫星海洋环境动力学国家重点实验室 版权所有.
    浙ICP备10040255号-4   流量统计   

  • 地址:杭州市保俶北路36号
    邮编:310012
  • 总机号码:+86-571-8196 3198
    传真:+86-571-8883 9374