基于卫星遥感的南海海域POC浓度时空变化特征研究_刘少军.pdf

气象科技 第 卷第期 年月 ，基于卫星遥感的南海海域 浓度时空变化特征研究刘少军蔡大鑫赵婷韩静佟金鹤（海南省气象科学研究所海南省南海气象防灾减灾重点实验室，海口 ）摘要海水中颗粒有机碳（）是海洋碳循环的基本变量，在海洋碳循环研究中起着关键作用。根据 年南海区域遥感数据反演的 数据集，分析了南海海域 浓度时空变化规律。研究结果表明：在整个研究区 的年平均浓度变化范围为 ；浓度分布呈现出近岸高、远海低，主要原因为南海近岸浅水海域 浓度主要受陆源输入和沿岸流影响，远海区域内 浓度主要受南海环流和水团控制。在季度上，第季度 浓度平均值为 ，；总体上 浓度呈现出夏季低、冬季高的趋势，主要原因为南海受到冬季的东北季风和夏季的西南季风影响，影响到南海海水混合层的结构变化，浮游植物在冬季比夏季更为繁盛。在月尺度上，月 浓度平均值达到最高值；月 浓度平均值快速下降，月 浓度平均值达到最低值；月 浓度平均值开始缓慢上升。以上研究结论可为南海碳循环、政府碳达峰、碳中和及应对气候变化等提供决策依据。关键词颗粒有机碳（）；浓度；遥感反演；南海中图分类号：，：文献标识码：气象科技海南省重点研发计划项目（），海南省院士创新平台科研项目（）资金资助作者简介：刘少军，男，年生，博士，正高级工程师，研究方向为卫星遥感应用，：收稿日期：年 月 日；定稿日期：年 月 日引言碳中和是应对气候变化的必由之路，实现碳中和的主要路径是减排和增汇 。海洋具备贮存、吸收大气 的能力，影响着大气中 收支平衡，据不完全统计海洋每年大约可吸收 人类活动所释放的碳。海洋中颗粒有机碳（，）由浮游植物细胞、细菌以及有机碎屑等组成，是海洋中碳固化、碳迁移输出的主要方式。的生物地球化学过程是研究海洋碳循环的关键，海洋中 浓度的变化不但会影响 输出通量的大小，而且会影响到海洋净固碳能力。由于 本身不具有光学活性，直接通过遥感反演存在一定的难度 ，但 与总悬浮颗粒物浓度、叶绿素浓度、颗粒物光学特性及水色光谱分布等存在一定的相关性，这些特征成为了遥感反演海洋 浓度的理论基础。遥感反演海表 浓度算法大致可分为类：基于叶绿素浓度、悬浮物与 的经验关系，通过遥感反演叶绿素和悬浮物浓度间接估算 ；建立表观光学量与 的经验关系，表观光学量（，）包括向上、向下辐照度、遥感反射率、离水辐亮度等，这些变量会随着光照条件变化而变化；建 立 海 洋 水 体 固 有 光 学 量 与 的 经 验 关系，固有光学量（，）包括散射系数、吸收系数和衰减系数等，这些变量只与海洋水体成分有关、不会随光照条件变化而变化，。开阔的大洋和近岸的海水存在不同光学性质，在开阔的海域海水光学特性主要受浮游植物及其伴生物的影响，而近岸海水光学特性主要受到浮游植物、悬浮泥沙、黄色物质和颗粒有机物的影响。因此在建立海水 浓度反演算法时多将海水划分为一类和二类水体开展研究。如，针对开阔海洋（一类水体），建立了叶绿素与 浓度之间关系模型 ；根据海水反射率光谱峰值从蓝波段（、）向绿波段（、）偏移的特征，建立了基于蓝绿波段比值算法来估算 浓度 ；建立了基于颗粒物光衰减系数的海洋 遥感反演模型 和基于颗粒物后向散射系数的海洋 遥感反演模型 等。针对海洋近岸水体（二类水体）国内外学者根据水体差异以及光学 特性 来进行 浓 度 反 演。如，白 雁 在 公式的基础上，建立了固有光学量的遥感半分析 算法；王桂芬等 建立了珠江口遥感反射率的表层颗粒有机碳遥感反演算法；汪文琦等 建立了基于颗粒物后向散射系的表层颗粒有机碳遥感反演算法。南海是我国面积最大的边缘海，总面积达 ，厘清南海海域 浓度时空变化特征对了解南海固碳潜力研究具有重要意义。关于南海 研究方面，国内学者也开展了大量的研究，如陈蔚芳等 开展了南海北部颗粒有机碳输出通量和季节变化研究、戴民汉等 开展南海碳循环、崔万松等开展了南海北部表层颗粒有机碳的季节和年际变化遥感分析、严宏强等 开展了夏季南海北部水体中颗粒有机碳的分布特征研究、张晓辉等 开展了南海碳源汇的季节变化特征研究。以上研究多集中在对南海 通量的研究上，在研究范围上多集中在南海北部，而在整个南海海域利用卫星遥感开展大尺度和长时间序列 浓度的监测较少。因此本研究利用卫星遥感在时空覆盖度的观测方面具有不可替代的优势，分析南海海域 浓度时空变化特征，以期为南海碳循环及政府碳达峰、碳中和相关研究提供决策依据。数据和方法本研究采用的 年基于 的全球有 机 碳 月 浓 度 数 据 集 来 源 于 网 站 ：，该数据反演的全球海洋颗粒有机碳浓度（）具有较高的精度和稳定性，从外海大洋水体到富营养的近岸二类水体表现均较好。具体算法为：（）（）其中，（）和（）分别为 与 波段遥感反射率；该算法采用 与 波段遥感反射率比值反演 浓度，精度较高、简单方便。研究区域数据的经纬度范围为 ，以上数据集的处理通过编程实现，分别提取 年南海区域不同年、季、月颗粒有机碳浓度，剔除 浓度异常值等。为更好检验卫星资料在南海区域的适用性，根据 年月遥感反演南海表层 浓度与同期实测 浓度进行对比分析，发现两者平均绝对误差 ，平均相对误差 。结果与分析从南海地理位置来看（图），南海通过巴士海峡、苏禄海与太平洋相连，通过马六甲海峡与印度洋相连，南海海域内有湄公河、红河和珠江等大型河流的输入，外有黑潮与之交换，南海上层水平环流受季风 影 响（冬 季 盛 行 东 北 季 风、夏 季 盛 行 西 南 季风）。由于南海气候、地理及水文环境较为复杂，南海海域 浓度有着明显的空间差异和季节变化。图南海地理图（该图基于自然资源部标准地图服务网站下载的审图号为（）的标准地图制作，底图无修改）南海 浓度年变化特征根据 年南海海域颗粒有机碳浓度反演数据，研究区内颗粒有机碳浓度多年平均值为 ，颗粒有机碳浓度分布呈现中低四周高的环状分布，颗粒有机碳浓度小于 的区域主要分布在南海的中部海盆海区；有机碳浓度 的区域分布在以南海海盆海区为中心的周围；有机碳浓度 分布在南海北第期刘少军等：基于卫星遥感的南海海域 浓度时空变化特征研究部、东部、南部靠近大陆架区域；有机碳浓度 和大于 依次分布在南海近岸区域（图）。年南海颗粒有机碳年平均浓度呈现整体微弱的下降趋势，可能与不同年份南海海温、季风、洋流和陆源输入、颗粒物的含量和搬运方式等的变化有关；南海 年平均浓度变化范围为 ，其中 年南海颗粒有机碳年平均浓度最高，为 ；年 平均浓度最小，为 （图）。南海 的来源有陆源、海源以及海底沉积物的再悬浮。南海近岸浅水海域，其主要受到陆源输入和沿岸流引起的再悬浮作用影响，如在南海北部陆架区域受到珠江大型河流的输入，特别是在夏季，珠江径流量达到高峰值，给南海北部近岸和内陆架输送大量的营养盐，使该区域的初级生产力达到较高值；同样南海中东部近岸受到湄公河输入的影响，近岸的 浓度也保持较高值；远海区域内，受环流和水团控制，营养盐供给低于近岸和内陆架区域，生产力水平低，浮游植物生产作用受限，在南海中南部海盆区域，浓度一直保持较低值 。图南海区域 年年平均 浓度空间分布 南海 季节变化特征研究区内颗粒有机碳浓度存在明显季节性变化，其中第、季度月颗粒有机碳浓度平均值为 ，个 季 度图南海区域 年年平均 浓度 浓度变化存在先降后升趋势。从图中可以看出，第季度 浓度平均值在个季度中最大，其中 浓度小于 范围较小，分布在南海的中部海区；浓度 分布在南海的北部和南部；浓度 分布在南海北部、东部、南部靠近大陆架区域；有机碳浓度 和大于 依次分布在南海靠近陆地的沿海海岸带区域。第季度 浓度平均值在个季度中最小，其中 浓度小于 范围较第季度有明显增加趋势，分布在南海的整个海区；浓度 范围较第季度有明显减少，浓度大于 分布范围均 较 第季 度 有明 显减小 趋 势。第、季度 浓度小于 范围较第季度呈现逐渐减小的趋势，浓度 范围较第季度有明显增加趋势；浓度大于 范围有逐渐增加趋势。每年 月至翌年月南海海域东北季风盛行、而在月南海则受西南季风影响，总体上 浓度呈现出夏季低、冬季高的趋势。主要原因为冬季的东北季风和夏季的西南季风直接强迫南海的表层海水运动，影响到南海海水混合层的结构，季风通过改变营养跃层深度，改变海水中营养盐的利用程度从而对南海浮游植物生产力产生影响。研究表明南海浮游植物的季节性分布特征与季风驱动的中尺度现象有很好的耦合关系，受季风等影响南海一些大个体的浮游植物，冬季比夏季更为繁盛，如在南海北部陆架区域受冬季季风影响，混合层加深，增加了输入真光层的营养物质，浮游植物大量繁殖，海洋初级生产力有所增强。夏季在西南季风的驱动下，南海主要受反气旋式环流控制，加上海水温度增加，混合层深度变浅，海洋初级生产力有所降低，浓度呈现降低趋势。气象科技第 卷图 年第季度平均 浓度分布 南海 月变化特征根据 年南海颗粒有机碳浓度反演数据，可以看出不同月份南海不同海区的颗粒有机碳浓度呈现明显的变化。月 浓度达到最高值，平均值为 ；月 浓度快速下降，月达到最低值，平均值为 ；月 浓度开始缓慢上升（图）。从空间分布上看（图），整个南海 浓度小于 范围从月开始逐渐扩大，一直持续到月，几乎覆盖图 年 月平均 浓度第期刘少军等：基于卫星遥感的南海海域 浓度时空变化特征研究图 年 月平均 浓度空间分布气象科技第 卷整个南海大部分区域；从月开始 浓度小于 范围开始从南海的中东部缩小，一直持续到 月；浓度 分 布范 围在月达到最大覆盖范围，位于南海的北部和南部海区，从月开始覆盖范围逐渐减少，一直持续到月覆盖范围达到最小区域，从月开始范围开展逐渐增加，一直持续到 月；浓度大于 分布在南海北部、东部、南部靠近大陆架区域，其覆盖范围在月达到最大，后持续减小覆盖范围，到月达到最小覆盖面积，在 月其覆盖范围开始逐渐增大。月尺度上南海海域 浓度总体上呈现先降低后增加的趋势，其主要原因为海温、季风、洋流等的共同作用。春夏季节南海海水温度迅速上升，加快海水层化，上下水团的垂直运动变弱，海水混合层变浅，深层营养盐物质不容易被带到海水表层，海表浮游植物的生长受限，叶绿素浓度降低，表层 浓度偏少；秋冬季节南海海表温度下降，加上东北季风影响，海水垂直混合加强，海水混合层变深，深层的营养盐更加容易被带到海水表层，这样促进了海洋浮游植物的生长，海表叶绿素浓度变高，海表 浓度随之上升。结论与讨论本文利用遥感反演的 年 浓度数据，从年、季、月尺度上开展了南海海域 浓度的特征分析。主要结论有：（）年南海海域年平均有机碳浓度为 ，从 空 间 上 看 存 在 明 显 差 异，其 浓度：近岸陆架海盆。南海近岸浅水海域 浓度主要受陆源输入和沿岸流影响，远海区域内 浓度主要受南海环流和水团控制。（）从季节上看，第、季度月 浓度较高，平均值分别为 ，；第季度月 浓度最低，平均值为 ；第季度月 浓度次之；由于南海浮游植物等与南海季风驱动的中尺度现象有一定耦合关系，冬季浮游植物比夏季更为繁盛，导致南海 浓度在第季度最高。（）从不同月份来看，月 浓度平均值达到最高值；月 浓度平均值快速下降，月 浓度平均值达到最低值；月 浓度平均值开始缓慢上升。浓度的变化在一定程度上反映了海水中颗粒物的运动状态，从以上研究可以判断在南海不同时空范围内 的组成有所不同。一是南海水体中颗粒有机碳来源比较复杂，如南海北部和西部的陆源碎屑沉积物主要来自亚洲大陆，依靠珠江、红河、湄公河等大河携入，南海东、南部区域的陆源碎屑沉积物主要来源东南亚岛屿，这些由径流搬运入海的颗粒物对近岸 浓度的变化影响很大。二是南海热带海洋季风性气候非常明显，每年 月至翌年月盛行东北季风、月盛行西南季风、月是季风转换时期。南海的海流在季风的直接强迫下也有明显季风特征，冬季南海海盆表层呈现气旋式环流，夏季南海南部表层呈现反气旋式环流，加上黑潮分支穿越吕宋海峡进入南海东北部，多种流系水团对南海产生影响，使得南海水体中的 浓度分布、转化、迁移等过程变得尤为复杂，。本研究仅利用遥感数据从宏观角度给出了南海海域 浓度的变化规律，由于南海海域环境的复杂性，受控因素较多（如海水中营养盐、光、温度、盐度等环境