全球变暖下亚洲沙尘变化趋势对中国近海叶绿素a及初级生产力的影响

Though declining trends of chlorophyll a (Chl a) concentrations and ocean primary productivity (OPP) are related to increasing sea surface temperature (SST) over the world oceans, the positive correlation between SST and OPP is observed in the coastal seas of China. The reasons and mechanisms for the "reverse phase" in the coastal seas of China remain uncertain. This proposal focuses on the effects of Asian dust, SST and mixed layer depth (MLD) on Chl a and OPP, by analyzing the non-linear trend of these three factors, which includes the following two parts: (1) Asian dust activity index, three kinds of dust weather (dust storm, blowing dust and dust haze) are further analyzed to find out the change of the long-range transport route of Asian dust, simultaneously, the corresponding biotic response of Chl a and OPP are investigated; (2) Combined with the variation trends of SST and MLD, the contribution of these three factors to the enrichment of Chl a and OPP is investigaed to find out the link between the climate-driven ocean physical change and ocean biology functions. The aim of this study is helpful for climate change impact assessment on coastal marine biology, which provides scientific evidence to forecast and prevention management of marine disasters.

近几十年来，全球范围内海洋表层叶绿素a、初级生产力随海表面温度上升呈现下降趋势，而中国近海海表面温度与叶绿素a、初级生产力均呈现上升趋势，与全球变化的整体趋势相反，导致中国近海所呈现的这种反位相的原因和机制尚不明确。本申请结合亚洲沙尘、海表面温度及混合层深度的长期变化趋势，通过以下两个方面研究这三类因素对中国近海叶绿素a及初级生产力变化趋势的综合作用及影响机制：（1）通过解析亚洲沙尘（沙尘暴、扬尘及沙尘灰霾）的活动指数、时空分布、传输路径的变化趋势，分析沙尘传输路径迁移的气候成因，揭示沙尘传输路径迁移对近海海表叶绿素a与初级生产力的影响和作用；（2）通过分析海表面温度和混合层深度的变化趋势，从三类因素对中国近海叶绿素a、初级生产力的贡献入手，诠释各海域叶绿素a及初级生产力富集的原因与机制。研究结果将有宜于准确评估气候变化对近海生态环境的影响，为预测和预警沙尘及赤潮等海洋灾害提供科学依据。

本课题运用新的数据分析方法（经验模分解、全息谱、集合平均差异投影方法等）对中国近海叶绿素a的长期趋势、春秋季水华峰值及时间的变化趋势及其影响因素（海表面温度、气溶胶光学厚度、混合层深度、光合有效辐射、风应力旋度等）进行了研究。首先，我们选用目前最长的水色卫星观测融合数据，采用经验模分解方法，得到了中国近海各海域叶绿素a、海表面温度、气溶胶光学厚度、混合层深度的长期趋势的时空演变过程。运用格兰杰因果关系研究了各影响因素与叶绿素a长期趋势在时空上的因果关系。其次，本课题对中国近海以及全球的叶绿素a的春秋季水华峰值及其出现时间的变化趋势特征进行了分析，并结合气候变化对浮游植物水华影响的背景，运用最新的全息谱分析方法，得到水华的动态变化趋势主要受年际及年代际时间尺度因子的调制作用。此外，运用集合经验模分解方法，考察分析了叶绿素a对不同物理因素驱动力调制年循环分量的响应。通过以上研究分析，得到如下几个主要结果：（1）通过分析近二十年的卫星数据，提取中国近海叶绿素a浓度的本征趋势，各海域均呈现先增加后减少的趋势；气溶胶光学厚度的本征趋势及其瞬时变化速率的时空演变过程与中国近海各海域chl a的变化特征比较吻合；（2）中国近海浮游植物水华的时间及峰值特征虽然不同，但其趋势均呈现水华峰值时间滞后，峰值增加。全息谱结果显示浮游植物水华时间及峰值的变化趋势主要受年际及年代际等更长时间尺度的气候变化过程调制；（3）集合平均差异投影方法分析了各海域海表叶绿素a对不同物理驱动力调制年循环分量的响应，结果显示海表叶绿素a对光合有效辐射、海表面温度、风场的调制年循环分量的响应幅度最大且相关系数最高，其中叶绿素a对光合有效辐射和海表面温度的调制年循环的响应幅度分别为为0.025 mg/m3每Einstein/m2 day及每ºC 0.5 mg/m3。