王秀君 王曉雯 尤再進 石洪源

近20年臺風事件對黃渤海顆粒有機碳季節(jié)性的影響*

王秀君1王曉雯1尤再進2, 3石洪源3

(1. 北京師范大學全球變化與地球系統(tǒng)科學研究院 北京 100875; 2. 大連海事大學港口與航運安全協(xié)創(chuàng)中心 遼寧大連 315100; 3. 魯東大學港口與海岸災害研究中心 山東煙臺 264025)

邊緣海初級生產(chǎn)力普遍較高, 有機碳在沉積物中的埋藏高達全球的80%。黃渤海是位于我國東部的一個半封閉的溫帶陸架邊緣海, 在近20年中, 黃渤海經(jīng)歷的臺風事件頻率不斷增大, 對碳循環(huán)關鍵過程發(fā)生多重影響。文章利用多組衛(wèi)星及再分析資料, 圍繞2003～2020年期間夏季臺風過境對黃渤海關鍵環(huán)境變量的影響, 分析生物和非生物過程對不同海域水體中顆粒有機碳的貢獻。結(jié)果表明, 夏季臺風過境一次、兩次對黃渤海葉綠素的影響沒有明顯差異, 葉綠素濃度增加主要在渤海西南部和南黃海約50%的海域?？傮w上看, 臺風過境對渤海、北黃海大部分海域水體中顆粒有機碳影響不大, 但兩次臺風過境引起了南黃海約80%的離岸海域顆粒有機碳濃度的顯著增加。南黃海中部海域水體中顆粒有機碳與葉綠素的比值在臺風過后明顯降低, 表明該海域顆粒有機碳濃度的提高主要是由生物固碳過程的增強引起。臺風過境加劇了黃海與渤海、近岸與離岸的水流交換, 此過程增強了高營養(yǎng)鹽和有機物水向南黃海尤其是中部海域的輸送, 因而提高了南黃海大部分海域顆粒有機碳濃度。除了光合作用等生物過程及水流交換對顆粒有機碳有影響外, 黃渤海水體中顆粒有機碳濃度還受到沉積物再懸浮、陸源有機碳輸入等過程的影響。臺風過境可以加劇沉積物再懸浮和陸源有機物的輸入, 進一步提高黃渤海近岸及離岸海域顆粒有機碳的濃度。

葉綠素; 顆粒有機碳; 季節(jié)變化; 臺風事件; 黃渤海

隨著全球氣候變化的加劇, 極端氣候事件的發(fā)生更加頻繁。熱帶風暴潮、臺風的頻繁出現(xiàn), 不僅嚴重影響低緯度海域, 還對中緯度海域環(huán)境產(chǎn)生不同程度的影響。而對中緯度邊緣海而言, 其影響除了臺風事件帶來的強風、暴雨對海水物理過程的直接作用, 還有因臺風過境引起的風暴浪或者傳播到海域的臺風涌浪對海岸的強烈沖刷以及暴雨對沿岸表層土壤的沖洗和進而引起的近岸海水的污染。這些水文過程不僅使得臺風過境期間海域環(huán)境條件發(fā)生劇烈變化, 還可能在較長時間對海水的生物地球化學過程產(chǎn)生一系列的影響。

臺風帶來的強風會引起海水強烈的垂直混合, 使得營養(yǎng)鹽豐富的亞表層水進入有光層(Pan, 2018; Liu, 2019), 因而促使浮游植物快速生長, 提高初級生產(chǎn)力(Chen, 2017)。另外, 風暴浪/涌浪和暴雨也會將含有多種養(yǎng)分的陸源物質(zhì)帶入近岸海水, 對浮游植物的生長起到促進作用(Herbeck, 2011)。有大量研究報道, 邊緣海海表在臺風過境期間或者臺風過后出現(xiàn)不同程度的水華(Liu, 2019; Ning, 2019; Hernandez, 2020)。但另一方面, 有研究報道, 由于大量雨水輸入或者低營養(yǎng)鹽海水的涌入所造成的稀釋作用以及沉積物再懸浮對表層水中光滲透的負面影響, 使得邊緣海部分海域浮游植物生物量有所下降(Wetz, 2008; Hung, 2010; Huang, 2011; Wiegner, 2013)。

由臺風事件引發(fā)的水文過程, 不僅對邊緣海物理和生物過程產(chǎn)生極大影響, 還會對海岸帶及河口碳循環(huán)過程產(chǎn)生多方面的影響, 進而影響近岸水體中各形態(tài)碳的儲量, 但有關這方面的研究較少。根據(jù)對一組長達20年的數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn), 美國紐斯河口水體中總有機碳含量在氣旋事件過后有明顯增加, 其原因歸咎于初級生產(chǎn)力的增加和陸源有機碳的輸入(Paerl, 2020)。另有研究顯示, 臺風事件引起了近岸水體中顆粒有機碳(particulate organic carbon, POC)濃度的增加, 其原因包括浮游植物快速生長中產(chǎn)生了大量的POC (Chen, 2011), 臺風過境引起的陸源有機碳的輸入(Liu, 2007), 以及由強烈的再懸浮和近岸上升流輸入的底層沉積物(Shiah, 2000)。由此可見, 邊緣海碳循環(huán)對臺風事件的響應具有明顯的時空異質(zhì)性特征。

邊緣海僅占全球海洋總面積的7%～10%, 但其初級生產(chǎn)力卻為全球的30%, 有機碳在沉積物中的埋藏高達全球的80% (Bauer, 2013; Fang, 2018)。21世紀以來, 中緯度邊緣海受臺風事件影響頻率明顯增加, 但有關臺風對邊緣海碳循環(huán)方面的研究較為鮮見。黃渤海是位于我國東部的一個半封閉的溫帶陸架邊緣海, 受到海岸帶、河口徑流和海洋環(huán)流的共同影響, 具有復雜的水動力過程和生物地球化學過程。在近20年中, 黃渤海經(jīng)歷的臺風事件頻率不斷增大, 過去10年中平均每年有兩次臺風過境。本文利用多組衛(wèi)星及再分析資料, 圍繞2003～2020年期間夏季臺風過境對黃渤海關鍵環(huán)境變量的影響, 分析生物和非生物過程對水體中顆粒有機碳的調(diào)控機制, 為明確極端氣候條件對黃渤海碳循環(huán)的影響機理、深入認識中緯度邊緣海碳源匯關鍵過程及其主控因素提供科學依據(jù)。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 研究區(qū)概況

本文的研究區(qū)域為黃渤海, 位于北太平洋西部, 三面環(huán)陸, 為典型的半封閉型陸架邊緣海(圖1), 沿岸人口密集、河流眾多, 人類活動和地表變化對黃渤海的影響十分突出。黃渤海總面積約為46萬km2, 分為渤海、北黃海、南黃海三大海域, 平均水深分別為18、38、44 m。黃渤海的海岸線長約7 000 km, 注入河流主要包括黃河、灤河、遼河、沂河等, 每年向黃渤海輸入約1.04×109t的陸源物質(zhì)(http: //www.mwr. gov.cn/sj/tjgb/zghlnsgb/)。其中黃河的輸沙量最大, 年均輸沙量為6.74×108t, 每年大約攜帶3.89×105t POC進入渤海(Wang, 2012)。

圖1 黃渤海水深、環(huán)流系統(tǒng)、2004～2020年間過境臺風的路徑(圖中彩色折線)及四個代表性區(qū)域: 黃河口(A)、北黃海中部(B)、黃海冷水團上層(C)、古黃河口(D)

注: 測深數(shù)據(jù)來自ETOPO1全球地形模型(Amante, 2009), 河流數(shù)據(jù)來自中國科學院資源環(huán)境科學與數(shù)據(jù)中心(http: //www.resdc.cn/data. aspx?DATAID=221), 臺風路徑數(shù)據(jù)來自日本日本國立信息學研究所(http://agora.ex.nii.ac.jp/digital-typhoon/)

黃渤海的水文條件較為復雜, 北向的黃海暖流和南向的黃海沿岸流等黃渤海的主要海流具有“冬強夏弱”的特點。除此之外, 在黃海中心底層海域的“黃海底層冷水團”在一年四季都具有低溫特征, 由于“黃海底層冷水團”的兩個冷中心分別分布在南黃海和北黃海的中心海域, 夏季黃海水體垂直分層的現(xiàn)象十分顯著, 呈現(xiàn)出底層低溫高鹽、表層高溫低鹽的溫鹽分布情況(Oh, 2013; Guo, 2016)。

2003～2020年期間, 黃渤海海域有12年在6～10月期間受到臺風過境事件的影響, 其中有6年每年僅有一次臺風過境, 另外6年有兩次臺風過境。由于黃渤海位于中緯度, 多數(shù)臺風進入黃渤海時, 風速已經(jīng)明顯減弱, 尤其是經(jīng)過黃渤海西部或有登陸的臺風均已減弱為熱帶低壓(<17 m/s)、熱帶風暴(18～32 m/s), 而經(jīng)過黃渤海東部的臺風仍保持一定強度(圖1)。為簡化起見, 并便于比較兩次臺風過境和一次臺風過境的影響, 本文在圖表及結(jié)果描述中統(tǒng)一用“臺風”這一定義。

1.2 數(shù)據(jù)來源與處理

本研究使用的海面風場及降水數(shù)據(jù)來自全球氣候的歐洲中期天氣預報中心第五代大氣再分析數(shù)據(jù)(ERA5), 空間分辨率為27 km, 時間分辨率為1 d。葉綠素(chl)和POC數(shù)據(jù)為衛(wèi)星數(shù)據(jù), 由搭載在Aqua、Terra兩個衛(wèi)星上的中分辨率成像光譜儀(MODIS)獲取, 為Level 3 SMI產(chǎn)品, 空間分辨率為4 km, 時間分辨率為1 d, 在我國近海的海洋環(huán)境研究中有一定的可信度(Wu, 2016; Fan, 2018; 田洪陣等, 2019; Zhao, 2019)。本文篩選2003～2020年間的春季(3～5月)及夏季(6～8月)的有關數(shù)據(jù)來分析臺風事件對黃渤海物理環(huán)境及生物化學過程的影響。由于數(shù)據(jù)缺失, ERA5數(shù)據(jù)的時間跨度為2003～2019年。

由于黃渤海屬于邊緣海, 近岸海域海水較淺, 海底的反射率會嚴重影響相應水域的光學性質(zhì), 因此我們只對水深為5 m以上的區(qū)域進行分析。由MODIS直接獲得的chl數(shù)據(jù)(公式1～4)、POC數(shù)據(jù)(公式5)的算法如下:

由于黃渤海海域?qū)儆诘湫偷亩愃w, 其光學性質(zhì)同時受到浮游植物和其他懸浮物質(zhì)的影響, 進行海色遙感反演時可能會造成chl、POC等指標的高估。比如, Wei等(2019)的研究報道, 遙感獲得的POC對中國近海陸架的POC估計存在較大的誤差。但是, 也有研究顯示, 黃渤海夏季實測POC濃度大約在320～500 mg/m3(王雪景等, 2018), 與MODIS的夏季POC估值范圍(240～415 mg/m3)相近(Fan, 2018)。針對MODIS-POC數(shù)據(jù)中可能存在的異常高值, 參照前期有關研究方法(Wang, 2021), 將1 000設為閾值, POC值高于1 000的像素點被作為異常點去除, 不參與后續(xù)的計算及分析。

前期, Sun等(2019)提出一種新的應用于黃渤海的chl反演算法(chlt):

其中,488代表中心波長為488 nm波段的遙感反射率。有分析發(fā)現(xiàn), 用chlt算法反演的chl結(jié)果在黃渤海比較接近實測數(shù)據(jù)(He, 2013; Sun, 2019)。因此, 本研究的結(jié)果分析主要采用chlt反演獲得的數(shù)據(jù), 同時也利用MODIS直接獲得的chl數(shù)據(jù)分析生物過程對臺風事件的響應, 并與chlt反演數(shù)據(jù)相比較。

1.3 分析方法

在2003～2020年的18年間, 黃渤海有12年出現(xiàn)過臺風過境事件, 主要發(fā)生在夏季6～8月。其中, 發(fā)生一次臺風年為2004、2005、2007、2008、2009和2015年, 發(fā)生兩次臺風的年為2011、2012、2014、2018、2019和2020年, 無臺風年為2003、2006、2010、2013、2016和2017年。由于黃渤海的物理、生物化學等過程有明顯的季節(jié)性和年際變化特征, 為了排除年際變化的影響, 本文重點分析比較有臺風和無臺風年風場、降雨、chl、POC等指標由春季(3～4月)到夏季(7～8月)的季節(jié)性變化。

在本研究中, 數(shù)據(jù)獲取和處理工作在Google Earth Engine (GEE)平臺上完成, 統(tǒng)計分析利用Matlab進行, 圖形制作利用Spyder等軟件完成。

2 結(jié)果分析

2.1 臺風過境對黃渤海風場和降雨的影響

黃渤海的風場在正常年份有明顯的空間異質(zhì)性及季節(jié)性特征, 春季的風場在南黃海中心海域(<0.6 m/s)處顯著低于其他區(qū)域(～1～3 m/s)(圖2a), 而夏季風場在位于南黃海西南部的長江沖淡水區(qū)域最高(>3 m/s), 向東北方向逐漸減弱, 北黃海和渤海多數(shù)海域風速為1～2 m/s (圖2b)。總體上看, 黃渤海夏季平均風場在正常年份和有臺風過境年份沒有明顯的變化(圖2d, 2e, 2f); 但有臺風過境的年份春季風速在多數(shù)海域顯著大于無臺風年份, 其中, 有一次臺風過境年份的風速高于兩次臺風過境年份(圖2a, 2b, 2c)。

圖3顯示, 黃渤海夏季降雨約為3～10 mm/d, 顯著高于春季(1～3 mm/d); 在無臺風年份, 南黃海降雨量要高于北黃海和渤海。春季降雨在有臺風年份與無臺風年份的差異總體上不大(圖3d, 3e), 而夏季降雨在大部分海域表現(xiàn)為有臺風年份大于無臺風年份(圖3i, 3j); 一次臺風過境年份黃海大部分海域夏季降雨增加(圖3i, 3n), 而兩次臺風過境年份渤海夏季降雨增加(圖3j, 3o)。

2.2 臺風過境對黃渤海葉綠素和顆粒有機碳季節(jié)性的影響

黃渤海海表葉綠素存在明顯的季節(jié)性和空間異質(zhì)性(圖4)。很明顯, 海表葉綠素在近岸海域(約1.5～4 mg/m3)顯著高于離岸海域(多為0.5～2 mg/m3), 其空間差異在夏季要遠大于春季。葉綠素的季節(jié)性變化在有臺風年份和無臺風年份存在一定相似性, 總體上看, 渤海大部分海域葉綠素在夏季高于春季, 但北黃海和南黃海除了近岸以外的海域葉綠素在春季明顯高于夏季。夏季臺風過境在不同程度上增加了黃渤海夏季葉綠素的濃度, 一次臺風過境年份夏季葉綠素在大部分近岸海域有一定程度的增加(圖4i, 4n), 而兩次臺風過境年份夏季葉綠素在南黃海中部冷水團處有明顯增加(圖4j, 4o)。

圖2 黃渤海無臺風、一次臺風、兩次臺風年份春季和夏季平均風速(m/s)

圖3 黃渤海無臺風、一次臺風、兩次臺風年份春季和夏季平均降雨量(mm/d)及其季節(jié)差異

圖4 黃渤海無臺風、一次臺風、兩次臺風年份春季和夏季平均葉綠素濃度(mg/m3)及其季節(jié)差異

黃渤海顆粒有機碳的空間變化及季節(jié)性特征均十分明顯(圖5)。與葉綠素相似, 顆粒有機碳在近岸海域(>400 mg/m3)也明顯高于離岸海域(約200～ 400 mg/m3), 其空間差異在夏季也遠大于春季(圖5)。很明顯, 就無臺風年而言, 除了渤海的部分海域和古黃河口淺水區(qū)以外, 黃渤海其他海域顆粒有機碳在春季顯著高于夏季, 其季節(jié)差達200 mg/m3以上(圖5k)。臺風過境降低了渤海、北黃海大部分海域夏季顆粒有機碳的濃度, 但在不同程度提高了南黃海近50%海域的夏季顆粒有機碳的濃度, 并減小了季節(jié)性差異, 其中, 兩次臺風過境年份南黃海顆粒有機碳的變化最為明顯(圖5n, 5o)。

圖5 黃渤海無臺風、一次臺風、兩次臺風年份春季和夏季平均顆粒有機碳濃度(mg/m3)及其季節(jié)差異

2.3 臺風過境對黃渤海顆粒有機碳與葉綠素比值的影響

如圖6所示, 黃渤海海表顆粒有機碳與葉綠素的比值(POC/chl)呈現(xiàn)出明顯的空間變化及季節(jié)性的特征。就離岸海域而言, POC/chl在渤海的值及其范圍都最小, 約為150～200 g/g, 北黃海次之, 大約在300～400 g/g范圍內(nèi), 南黃海最大, 為300～900 g/g。在無臺風年份, 除了近岸以外的黃渤海海域, 夏季POC/chl比春季高100～300 g/g (圖6k)。在有臺風年份, 渤海及黃海近岸的一些海域夏季POC/chl比春季低約100 g/g, 而北黃海和南黃海的離岸海域夏季POC/chl比春季高150～300 g/g (圖6l, 6n), 其季節(jié)性差異在有兩次臺風過境年份更加明顯(圖6n)?？傮w而言, 一次臺風過境降低了黃渤海大部分離岸海域的POC/chl, 其中影響最大的是南黃海中部海域(圖6n); 而兩次臺風過境僅降低了整個渤海和南黃海中部小部分海域的POC/chl, 南黃海其他海域和整個北黃海的POC/chl均呈現(xiàn)不同程度的增加(圖6o)。

3 討論

3.1 不同葉綠素反演數(shù)據(jù)的比較

用不同的反演方法所獲得的葉綠素數(shù)據(jù)之間會存在一定程度的差異。很明顯, 由MODIS反演所獲得的葉綠素濃度在整個黃渤海遠高于用中國近海反演模型計算的葉綠素, 其中, 在渤海的差異最為顯著(表1)。然而, 本研究的重點是評估臺風對黃渤海顆粒有機碳時空分布的影響機制, 分析葉綠素的目的是明確生物過程變化對顆粒有機碳的相對貢獻。表1顯示, 兩套數(shù)據(jù)在黃渤海各區(qū)域葉綠素的季節(jié)性變化及其對臺風事件的響應程度十分相近。比如, 在渤海和南黃海, 夏季與春季葉綠素濃度差在無臺風、有臺風年份沒有明顯差別。就北黃海而言, 兩套數(shù)據(jù)均顯示, 夏季與春季葉綠素濃度差在有臺風年份比無臺風年份大約10%, 即Δchls(夏季chls和春季chls的差值)分別為-0.44、-0.4 mg/m3, 而Δchlt(夏季chlt和春季chlt的差值)分別為-1.02、-0.88 mg/m3。

圖6 黃渤海無臺風、一次臺風、兩次臺風年份春季和夏季顆粒有機碳與葉綠素平均比值及其季節(jié)差異

表1 由MODIS反演方法(chls)和中國近海反演模型(chlt)所獲得的渤海、北黃海、南黃海在無臺風、有臺風年份春季和夏季的平均葉綠素濃度以及顆粒有機碳與葉綠素的比值(POC/chl)

Tab.1 Mean chlorophyll concentrations from MODIS and an model for China’s marginal seas and particulate organic carbon vs chlorophyll ratio (POC/chl) in spring and summer of non-typhoon and typhoon years.

水體中POC/chl經(jīng)常被用于分析顆粒有機碳的來源(Hung, 2010; Yu, 2019)。雖然, 由于兩套葉綠素數(shù)據(jù)的差異導致了POC/chl上的差異, 但二者比值的空間分布特征、季節(jié)性變化及其對臺風的響應卻是一致的(表1)。比如, 兩套數(shù)據(jù)POC/chl在北黃海、南黃海均為夏季高于春季; 此外, 兩套數(shù)據(jù)均顯示, 臺風過境降低了渤海夏季POC/chl的比值, 提高了北黃海POC/chl, 但對南黃海POC/chl沒有影響。由此可見, 用MODIS反演方法和用中國近海反演模型所得的葉綠素來分析生物過程對臺風的響應, 所得出的結(jié)論是一致的。

3.2 臺風對邊緣海環(huán)境條件及生物過程的影響

臺風過境帶來的強風和暴雨對邊緣海產(chǎn)生多方面的影響。強風通常會增大沿岸海域的上升流及海水垂直混合的強度, 而暴雨也會在一定程度上增強海水的垂直混合; 暴雨同時也會加劇海岸帶的水土流失, 使得富含多種養(yǎng)分及有機物的陸源物質(zhì)流入近海(Shiah, 2000; Paerl, 2020)。這些過程都將提高近海海域表層海水中營養(yǎng)鹽的濃度(Zheng, 2007; Liu, 2019)。最近的研究發(fā)現(xiàn), 2019年夏季的利奇馬臺風過境, 使得北黃海水體中氮素營養(yǎng)鹽提高了90% (盧龍飛等, 2020)。

一般而言, 營養(yǎng)鹽的增加會促進海水中浮游作物的生長。有研究顯示, 臺風過境顯著提高了邊緣海水體中葉綠素的濃度(Shiah, 2000)。然而, 臺風過境對邊緣海葉綠素的影響存在明顯的空間異質(zhì)性。前期研究發(fā)現(xiàn), “利奇馬”臺風過境后一周, 黃海大部分海域葉綠素有不同程度的提高, 但渤海海域葉綠素總體卻呈現(xiàn)了下降的趨勢(Wang, 2021)。一般而言, 在上升流及海水垂直混合增強的海域, 因為營養(yǎng)鹽濃度的增加能夠促進水體中浮游植物的生長, 因而提高葉綠素的濃度; 而在受到大量降雨影響的海域, 由于稀釋作用引起營養(yǎng)鹽濃度的下降, 會導致葉綠素濃度降低(Huang, 2011; Wiegner, 2013)。

本研究發(fā)現(xiàn), 在那些僅有一次臺風過境的年份, 臺風在進入黃渤海時已減弱為熱帶低壓或者熱帶風暴, 黃海水體中葉綠素濃度增加幅度不大(<0.2 mg/m3); 而在兩次臺風過境的年份, 臺風在進入黃渤海時仍然保持一定強度(為熱帶風暴或者臺風), 對黃渤海水體中葉綠素的影響較大, 比如南黃海冷水團上層的葉綠素濃度顯著提高(>0.25 mg/m3)。就黃渤海正常年份而言, 只有黃河口海域夏季葉綠素比春季高, 但其余大部分海域葉綠素是春季高于夏季。因而, 夏季臺風過境的影響不僅體現(xiàn)在對夏季葉綠素的影響, 還會反映在葉綠素的季節(jié)變化上。很明顯, 二次臺風過境顯著提高了黃河口、古黃河口和南黃海冷水團海域夏季葉綠素濃度, 而一次臺風過境僅對古黃河口和南黃海冷水團海域夏季葉綠素產(chǎn)生顯著的正面效應(表2)?？傮w上看, 臺風過境事件對黃渤海水體中葉綠素的影響程度遠不如對其他邊緣海的影響。早期研究顯示, 臺風過境使得南海北部的葉綠素提高了約50%～100% (Lin, 2003; Zheng, 2007)。

3.3 臺風對邊緣海碳循環(huán)過程的影響

有研究報道, 臺風過境可以顯著提高邊緣海水體中的顆粒有機碳濃度, 其原因除了與浮游植物的快速生長有關以外(Hung, 2010), 還與增強的陸源有機碳輸入及沉積物再懸浮有關(Shiah, 2000; Fu, 2016; D'Sa, 2019)。本研究發(fā)現(xiàn), 黃海水體中顆粒有機碳對臺風過境的響應與葉綠素的響應在很大程度上具有的相似性, 尤其是在南黃海的中部, 二者的增加都最為顯著(圖4o, 5o), 說明在黃海的大部分海域生物過程對顆粒有機碳貢獻的重要性。然而在渤海, 顆粒有機碳對臺風過境的響應與葉綠素的響應存在較大差異, 渤海的大部分海域在有臺風事件的年份顯示葉綠素從春季到夏季有所增加(圖4o), 但顆粒有機碳除了近岸海域以外的海域均顯示降低(圖5o), 這是由于臺風過境加劇了渤海與北黃海的水交換過程所致(Wang, 2021)。進一步對黃渤海典型海域的分析發(fā)現(xiàn), 夏季臺風過境對黃河口、北黃海中部海域顆粒有機碳的影響不明顯, 但顯著提高了古黃河口和南黃海冷水團海域顆粒有機碳濃度(表2)。

渤海、黃海水體中夏季顆粒有機碳對臺風過境的響應差異可能源于幾個方面。其一, 生物過程的季節(jié)性在不同海域有所不同。渤海的葉綠素在夏季高于春季, 即光合作用在夏季較強, 因而夏季臺風過境引起的營養(yǎng)鹽濃度的增加能夠促進了光合作用及其他生物過程對該海域顆粒有機碳的貢獻(Wang, 2021)。而在黃海離岸海域, 多數(shù)年份光合作用在春季比夏季強, 這與其水深相對較深、夏季垂直混合弱所導致的營養(yǎng)鹽濃度相對偏低有關。北黃海在過去20年僅發(fā)生過數(shù)次熱帶低壓、熱帶風暴事件, 直接受影響的海域僅為其東南部, 然而這類事件明顯降低了北黃海夏季初級生產(chǎn)力(圖4o)和顆粒有機碳濃度(圖5o), 這可能是由于增強了的黃海暖流致使營養(yǎng)鹽和顆粒有機碳濃度偏低的水由南黃海涌入, 對北黃海的水起到稀釋作用。相反, 臺風過境不僅促進南黃海西部海域生物固碳, 提高該海域顆粒有機碳濃度, 還可能通過增強了的水交換過程向南黃海中部輸入大量的營養(yǎng)鹽及顆粒有機碳, 進而提高冷水團海域顆粒有機碳的濃度。

表2 典型海域在無臺風、有臺風年份春季、夏季葉綠素(chl)、顆粒有機碳(POC)濃度

Tab.2 Mean chlorophyll and particulate organic carbon (POC) concentrations in spring and summer of non-typhoon and typhoon years

注: 均值后有相同字母表示chl或POC濃度在無臺風、有臺風年份之間的差異在<0.05水平上不顯著

用POC/chl或者顆粒有機物中碳氮比(POC/ PON)可以區(qū)分水體中生物固碳、非生物過程或者陸源有機碳輸入對顆粒有機碳的貢獻(Shiah, 2000; Hung, 2010; Yu, 2019)。一般而言, POC/chl、POC/PON越大, 表明水體中生物過程對顆粒有機碳的貢獻越小, 而外源輸入的貢獻越大。前期有觀測數(shù)據(jù)顯示, POC/chl在黃海離岸海域相對偏高(王雪景等, 2018), 說明離岸海域生物過程對顆粒有機碳的貢獻比近岸海域小。這是因為近岸海域有較豐富的營養(yǎng)鹽, 浮游植物生長較旺盛, 因而水生生物過程對顆粒有機碳的貢獻較大。本研究發(fā)現(xiàn), 在一次臺風過境年份, 黃渤海大部分海域的POC/chl比無臺風年份的低(圖6n), 而在兩次臺風過境的年份, 整個渤海和南黃海中部海域POC/chl偏低, 但北黃海POC/chl明顯偏高(圖6o)。這些結(jié)果進一步表明, 臺風過境提高了渤海和南黃海中部海域生物過程對顆粒有機碳的貢獻, 但對北黃海而言, 臺風過境增大了非生物過程對該海域顆粒有機碳的貢獻。早期研究顯示, 臺風過境顯著提高了邊緣海水體中顆粒有機碳、有機氮的濃度, 但二者的增漲并不同步, 顆粒有機氮濃度由近岸到離岸呈現(xiàn)增加趨勢, 但顆粒有機碳濃度在近岸海域明顯高于離岸海域, POC/PON在近岸海域最高, 說明臺風過境增加了陸源有機碳的輸入(Shiah, 2000)。而后期在美國一些近海的研究發(fā)現(xiàn), 入海河水、洪水中顆粒有機碳濃度在臺風過境后提高了2倍以上(Paerl, 2001; D'Sa, 2019), 反映了臺風過境帶來的暴雨會通過河流和海岸線將更多的陸源有機物輸入到近岸海域。就黃渤海這樣的邊緣淺海而言, 沉積物再懸浮是海水中顆粒有機碳濃度高的另一個原因(Fan, 2018), 而臺風過境會加劇近岸海域沉積物再懸浮(Fu, 2016), 增加非生物過程對黃渤海顆粒有機碳的貢獻。

4 結(jié)論

黃渤海夏季平均風場在正常年份和有臺風過境年份沒有明顯的差異, 但有臺風過境的年份春季風速在多數(shù)海域顯著大于無臺風年份。相反, 春季降雨在有臺風年份與無臺風年份的差異總體上不大, 而夏季降雨在大部分海域表現(xiàn)為有臺風年份大于無臺風年份。夏季臺風過境增加了渤海部分海域、南黃海西部和中部冷水團上層水體中葉綠素的濃度。夏季臺風過境降低了渤海顆粒有機碳的濃度, 但在不同程度提高了南黃海約50%海域顆粒有機碳的濃度。黃渤海POC/chl呈現(xiàn)明顯的季節(jié)性和空間異質(zhì)性, 總體上, 在夏季偏高。夏季臺風過境明顯降低了渤海和南黃海中部水體中POC/chl, 其原因在于葉綠素的增長程度超過了顆粒有機碳, 說明該海域顆粒有機碳的增加主要受生物過程的影響; 而在黃海大部分海域, POC/chl在有二次臺風過境年份增大, 說明非生物過程對該海域顆粒有機碳貢獻增大。

王雪景, 金春潔, 王麗莎, 等, 2018. 2016年夏季黃、渤海顆粒有機碳的分布特征及影響因素[J]. 海洋學報, 40(10): 200-208.

盧龍飛, 常麗榮, 肖露陽, 等, 2020. 臺風對桑溝灣, 愛蓮灣表層海水的影響探究[J]. 環(huán)境保護前沿, 10(1): 39-48

田洪陣, 劉沁萍, Joaquim I.Goes, 等, 2019. 近20年渤海葉綠素a濃度時空變化[J]. 海洋學報, 41(08): 131-140.

AMANTE C, EAKINS B W, 2009. ETOPO1 1 Arc-Minute Global Relief Model: Procedures, Data Sources and Analysis [R]. NOAA Technical Memorandum.

BAUER J E, CAI W J, RAYMOND P A,, 2013. The changing carbon cycle of the coastal ocean [J]. Nature, 504(7478): 61-70.

CHEN D X, HE L, LIU F F,, 2017. Effects of typhoon events on chlorophyll and carbon fixation in different regions of the East China Sea [J]. Estuarine, Coastal and Shelf Science, 194: 229-239.

CHEN Y Q, TANG D L, 2011. Remote sensing analysis of impact of typhoon on environment in the sea area south of Hainan island [J]. Procedia Environmental Sciences, 10: 1621-1629.

D'SA E J, JOSHI I D, LIU B Q,, 2019. Biogeochemical response of Apalachicola bay and the shelf waters to hurricane Michael using ocean color semi-analytic/inversion and hydrodynamic models [J]. Frontiers in Marine Science, 6: 523, doi: 10.3389/fmars.2019.00523.

FAN H, WANG X J, ZHANG H B,, 2018. Spatial and temporal variations of particulate organic carbon in the Yellow-Bohai Sea over 2002-2016 [J]. Scientific Reports, 8(1): 7971.

FANG Y, CHEN Y J, TIAN C G,, 2018. Cycling and budgets of organic and black carbon in coastal Bohai Sea, China: impacts of natural and anthropogenic perturbations [J]. Global Biogeochemical Cycles, 32(6): 971-986.

FU D Y, LUAN H, PAN D L,, 2016. Impact of two typhoons on the marine environment in the Yellow Sea and East China Sea [J]. Chinese Journal of Oceanology and Limnology, 34(4): 871-884.

GUO J, ZHANG H, CUI T W,, 2016. Remote sensing observations of the winter Yellow Sea warm current invasion into the Bohai Sea, China [J]. Advances in Meteorology, 2016: 8170296, doi: 10.1155/2016/8170296.

HE X, BAI Y, PAN D,, 2013. Satellite views of the seasonal and interannual variability of phytoplankton blooms in the eastern China seas over the past 14 yr (1998-2011) [J]. Biogeosciences, 10(7): 4721-4739.

HERBECK L S, UNGER D, KRUMME U,, 2011. Typhoon-induced precipitation impact on nutrient and suspended matter dynamics of a tropical estuary affected by human activities in Hainan, China [J]. Estuarine, Coastal and Shelf Science, 93(4): 375-388.

HERNANDEZ W J, ORTIZ-ROSA S, ARMSTRONG R A,, 2020. Quantifying the effects of hurricanes Irma and Maria on coastal water quality in Puerto Rico using moderate resolution satellite sensors [J]. Remote Sensing, 12(6): 964.

HUANG W R, MUKHERJEE D, CHEN S S, 2011. Assessment of Hurricane Ivan impact on chlorophyll-a in Pensacola Bay by MODIS 250 m remote sensing [J]. Marine Pollution Bulletin, 62(3): 490-498.

HUNG C C, GONG G C, CHOU W C,, 2010. The effect of typhoon on particulate organic carbon flux in the southern East China Sea [J]. Biogeosciences, 7(10): 3007-3018.

LIN I, LIU W T, WU C C,, 2003. New evidence for enhanced ocean primary production triggered by tropical cyclone [J]. Geophysical Research Letters, 30(13): 1718, doi: 10.1029/2003gl017141.

LIU K K, KAO S J, WEN L S,, 2007. Carbon and nitrogen isotopic compositions of particulate organic matter and biogeochemical processes in the eutrophic Danshuei Estuary in northern Taiwan [J]. Science of the Total Environment, 382(1): 103-120.

LIU Y P, TANG D L, EVGENY M, 2019. Chlorophyll concentration response to the typhoon wind-pump induced upper ocean processes considering air–sea heat exchange [J]. Remote Sensing, 11(15): 1825.

NING J, XU Q, FENG T,, 2019. Upper ocean response to two sequential tropical cyclones over the northwestern pacific ocean [J]. Remote Sensing, 11(20): 2431.

OH K H, LEE S, SONG K M,, 2013. The temporal and spatial variability of the Yellow Sea Cold Water Mass in the southeastern Yellow Sea, 2009-2011 [J]. Acta Oceanologica Sinica, 32(9): 1-10.

PAERL H W, BALES J D, AUSLEY L W,, 2001. Ecosystem impacts of three sequential hurricanes (Dennis, Floyd, and Irene) on the United States′ largest lagoonal estuary, Pamlico Sound, NC [J]. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 98(10): 5655-5660.

PAERL H W, HALL N S, HOUNSHELL A G,, 2020. Recent increases of rainfall and flooding from tropical cyclones (TCs) in North Carolina (USA): implications for organic matter and nutrient cycling in coastal watersheds [J]. Biogeochemistry, 150(2): 197-216.

PAN J Y, HUANG L, DEVLIN A T,, 2018. Quantification of typhoon-induced phytoplankton blooms using satellite multi-sensor data [J]. Remote Sensing, 10(2): 318.

SHIAH F K, CHUNG S W, KAO S J,, 2000. Biological and hydrographical responses to tropical cyclones (typhoons) in the continental shelf of the Taiwan Strait [J]. Continental Shelf Research, 20(15): 2029-2044.

SUN D Y, HUAN Y, WANG S Q,, 2019. Remote sensing of spatial and temporal patterns of phytoplankton assemblages in the Bohai Sea, Yellow Sea, and east China sea [J]. Water Research, 157: 119-133.

WANG X C, MA H Q, LI R H,, 2012. Seasonal fluxes and source variation of organic carbon transported by two major Chinese Rivers: the Yellow River and Changjiang (Yangtze) River [J]. Global Biogeochemical Cycles, 26(2): GB2025, doi: 10.1029/2011gb004130.

WANG X W, WANG X J, YOU Z J, 2021. Variations of chlorophyll-a and particulate organic carbon in the Yellow-Bohai Sea: in response to the Typhoon Lekima event [J]. Geoscience Letters, 8(1): 30.

WEI X D, SHEN F, PAN Y Q,, 2019. Satellite observations of the diurnal dynamics of particulate organic carbon in optically complex coastal oceans: the continental shelf seas of China [J]. Journal of Geophysical Research: Oceans, 124(7): 4710-4726.

WETZ M S, PAERL H W, 2008. Estuarine phytoplankton responses to hurricanes and tropical storms with different characteristics (Trajectory, Rainfall, Winds) [J]. Estuaries and Coasts, 31(2): 419-429.

WIEGNER T N, MEAD L H, MOLLOY S L, 2013. A comparison of water quality between low-and high-flow river conditions in a tropical estuary, Hilo Bay, Hawaii [J]. Estuaries and Coasts, 36(2): 319-333.

WU X, DUAN H Q, BI N S,, 2016. Interannual and seasonal variation of chlorophyll-a off the Yellow River Mouth (1997-2012): dominance of river inputs and coastal dynamics [J]. Estuarine, Coastal and Shelf Science, 183: 402-412.

YU J, WANG X J, FAN H,, 2019. Impacts of physical and biological processes on spatial and temporal variability of particulate organic carbon in the North Pacific Ocean during 2003-2017 [J]. Scientific Reports, 9(1): 16493.

ZHAO N, ZHANG G L, ZHANG S,, 2019. Temporal-spatial distribution of chlorophyll-a and impacts of environmental factors in the Bohai Sea and Yellow Sea [J]. IEEE Access, 7: 160947-160960, doi: 10.1109/access.2019.2950833.

ZHENG G M, TANG D L, 2007. Offshore and nearshore chlorophyll increases induced by typhoon winds and subsequent terrestrial rainwater runoff [J]. Marine Ecology Progress Series, 333: 61-74, doi: 10.3354/meps333061.

IMPACTS OF TYPHOON EVENTS ON THE SEASONAL VARIATION OF PARTICULATE ORGANIC CARBON IN THE YELLOW-BOHAI SEA IN THE PAST TWO DECADES

WANG Xiu-Jun1, WANG Xiao-Wen1, YOU Zai-Jin2, 3, SHI Hong-Yuan1

(1. College of Global Change and Earth System Science, Beijing Normal University, Beijing 100875, China;2. College of Transportation Engineering, Dalian Maritime University, Dalian 315100, China; 3. Centre for Ports and Coastal Disaster Mitigation, Ludong University, Yantai 264025, China)

Typhoon events have large impacts on marginal seas’ environmental conditions with implications for carbon cycling. However, little is known about the responses of particulate organic carbon (POC) to typhoon events in the Yellow-Bohai Sea (YBS). In this study, we utilized satellite-derived datasets of chlorophyll (chl) and POC, together with key physical parameters, to analyze their responses to the typhoon events during 2003～2020. In the past 18 years, there were 6 years experiencing 1 typhoon event and another 6 years having 2 typhoons, between June and October with weakened wind (lower than category 3 in intensity) and heavy rainfall. Result shows that Chl-was increased in summer of typhoon years in the western Bohai Sea (BS) and western/central South Yellow Sea (SYS), especially in the upper layer of Yellow Sea Cold Water Mass, but decreased in most parts of the North Yellow Sea (NYS). POC is increased in the western/central SYS (by ～50%) and decreased in the BS and most parts of the NYS. In addition, POC/chl ratio was decreased in the BS and central SYS in typhoon years, indicating that elevated POC was largely resulted from enhanced phytoplankton growth. Some coastal regions in the YBS showed an increase in POC/chl ratio, suggesting that there were other POC sources rather than biological contribution, such as sediment resuspension and terrestrial runoff. This study highlights the complex impacts of typhoon on the carbon cycle in marginal seas.

chlorophyll; particulate organic carbon; seasonal variation; typhoon events; Yellow-Bohai Sea

*NSFC-山東聯(lián)合重點基金, U1806227號。王秀君, 博士生導師, 教授, E-mail: xwang@bnu.edu.cn

2021-12-16,

2022-05-02

P734

10.11693/hyhz20211200328