南大洋叶绿素a浓度年际变化研究

马旺叶 瞿俊峰 赵慧敏

（江苏海洋大学海洋技术与测绘学院，江苏 连云港222005）

0 引言

南大洋是地球上最大的冷水团源地，其微小的变化都会影响着全球的大洋环流；南大洋还是大气、海冰、海洋和生物相互作用的一个综合系统，对环境变化具有极高的敏感性和放大作用[1，2]。

南大洋海区存在着丰富的海洋浮游植物，而叶绿素a是其中最丰富的要素。叶绿素a浓度是海水富营养化程度的重要参数，同时也是评价海洋水质的一个重要指标[3，4]。

全球气候变暖会导致极地冰盖融化，海冰的减少使海水能够吸收大气中的二氧化碳，海水里的浮游生物吸收了二氧化碳从而减少了空气中的二氧化碳含量，说明叶绿素a在海洋—大气系统的碳循环中起着重要的作用[5]。

1 研究区域和数据

为了研究南大洋高纬度海域表层叶绿素a浓度变化，本文采用60°S以南海域作为研究区域。

本文主要采用由美国国家航天航天局（NASA）提供的叶绿素a浓度数据（https://oceancolor.gsfc.nasa.gov/），覆盖年份为2002年至今。本文只选取近10年数据（2009—2019年）。该数据由一种基于三频段反射差异的经验算法计算获得。该数据时间分辨率为一个月，空间分辨率为4 km。

2 叶绿素a浓度时空分布特征

如图1所示，2009—2019年南大洋海域叶绿素a浓度空间分布不均匀：差异较大。叶绿素a浓度的空间分布特征为，南极大陆沿岸冰架前缘海域：叶绿素a浓度较高；开阔的大洋、南极大陆边缘叶绿素a浓度。进一步计算可得，2009—2019年南大洋范围内的年平均叶绿素a浓度为0.310 mg/m3。通过南大洋海域叶绿素a浓度年际变化规律的分析，发现2009—2019年南大洋海域叶绿素a浓度的最小值出现在2013年（0.266 mg/m3），最大值出现在2010年（0.385 mg/m3），且2009—2019年南大洋海域的叶绿素a浓度呈现降低趋势（k=-0.002，p=-0.238）k是增降幅度，p是指相关性。

图1 南大洋叶绿素a浓度变化趋势（2009—2019年）

3 叶绿素a浓度季节异常分析

从南大洋叶绿素a浓度季节变化规律发现，南大洋叶绿素a浓度在4月份极低，5～8月份空间分布上显示空白，而南大洋太阳短波辐射通量在4月份极低，在5～8月份无值。

太阳辐射的光效应主要体现在浮游植物接收到的光照上，光是所有初级生产的基础，但是高强度的光照会造成光抑制和浮游植物的细胞光损伤，从而降低浮游植物的光合作用、生长和存活率。从太阳直射点运动规律分析发现，春分日（3月21）之后，太阳直射点移动到北半球，南半球光照强度逐渐降低，直到夏至日（6月22）太阳直射点到达北回归线，此时南半球昼长达到最小值，南半球光照强度最低，南极圈内就出现了极夜现象，从叶绿素a浓度值可以相应观察出，4月份南大洋叶绿素a浓度骤然降低，5～8月份南大洋无叶绿素a浓度值。秋分日（9月23）之后，太阳直射点移动到南半球，南半球光照强度开始增加，9月开始南大洋叶绿素a浓度值开始增加，直到冬至日太阳直射点移动至南回归线，此时南半球昼长达到最大值，光照强度最大，南极圈内就会出现极昼现象，而相应的叶绿素a浓度值较大。

4 结论

本研究通过来自NASA提供的叶绿素a浓度数据集，分析了南大洋叶绿素a浓度的空间分布特征、时间变化趋势和季节变化规律。在此基础上，分析了太阳短波净辐射通量与叶绿素a浓度的空间分布、时间变化和季节变化的相关性。得到以下结论：

（1）由于太阳辐射的季节变化，南大洋叶绿素a浓度呈现出明显的季节变化规律。南大洋太阳短波净辐射通量在每年4～8月份无辐射通量，因而出现叶绿素a浓度值在4～8月份的空间分布上出现空白现象。

（2）由于南大洋叶绿素a浓度总量主要受12月份、1月份和2月份（即南半球夏季）叶绿素a浓度的控制，因此，本研究主要分析南大洋夏季叶绿素a浓度变化的规律。研究发现，叶绿素a浓度值在每年1月份最高，而南大洋在每年2月份温度最高，出现这种错位的原因是海水中缺乏养分和铁元素，不足以支撑浮游植物生长。

在全球变暖的背景下，基于遥感技术对南大洋高纬度地区的叶绿素a浓度的长时间序列研究，需要更加精准的观测和综合性的分析，并且深入研究未来南大洋变化趋势预测和南大洋生态环境系统对于全球气候的变化具有的响应作用。