孫慶楊, 林靜柔, 唐丹玲, 潘剛, 姜兆玉

南海海氣CO2交換對兩個熱帶氣旋“風泵”的不同響應機理分析

孫慶楊1,5, 林靜柔1,2,3,5, 唐丹玲2,3,6,*, 潘剛2,3, 姜兆玉4

1. 國家海洋局南海規(guī)劃與環(huán)境研究院, 廣州 510300 2. 中國科學院南海海洋研究所, 熱帶海洋環(huán)境國家重點實驗室, 廣東省海洋遙感重點實驗室, 廣州 510301 3. 中國科學院大學, 北京 100049 4. 臨沂大學生命科學學院, 臨沂 276000 5. 南方海洋科學與工程廣東省實驗室(珠海), 珠海 519082 南方海洋科學與工程廣東省 ·實驗室(廣州), 廣州 510301

利用實測和遙感數(shù)據(jù), 對比分析南海海氣二氧化碳(CO2)交換對2011年4月熱帶氣旋Tropical Depression One(TDO)和2013年9月熱帶氣旋Wutip(WU)的響應及其機理。結果表明, 兩個熱帶氣旋過境的“風泵”作用均對海氣CO2交換產生顯著影響: TDO和WU過境后, 海水表層CO2分壓(CO2,sw)分別增加42.56 μatm、30.88 μatm, TDO過境導致區(qū)域海洋由強碳匯(–4.7 ± 1.8) mmol·CO2·m–2·d–1變?yōu)槿跆荚?2.0 ± 3.1) mmol·CO2·m–2·d–1, 而WU過境使區(qū)域海洋由弱碳源(1.9 ± 1.0) mmol·CO2·m–2·d–1變?yōu)閺娞荚?4.0 ± 1.6) mmol·CO2·m–2·d–1。CO2,sw的增加均由于次表層富含溶解無機碳(DIC)海水的入侵, 但是“風泵”的作用機制不同: TDO過境強風引起的艾克曼抽吸導致水體涌升作用顯著, 而WU過境導致的垂直混合作用強烈?！帮L泵”的作用機制差異可歸因于熱帶氣旋過境前海水的初始狀態(tài)和過境時移動速度不同: TDO過境前該海域存在冷渦, 強風引起的艾克曼抽吸使次表層海水的向上涌升作用增強; 而WU過境前存在暖渦, 強風引起的艾克曼抽吸造成次表層海水與下沉的表層水垂直混合。TDO的移動速度慢, 對海水的作用時間更長, 強風引起的艾克曼抽吸作用更強; 而WU移動速度快, 短時間強風過境造成的水體垂直混合效應作用更顯著。

熱帶氣旋; 海氣CO2交換; 艾克曼抽吸; 垂直混合

0 前言

南海是全球受熱帶氣旋影響最嚴重的地區(qū)之一[1-3]。近年來, 熱帶氣旋對海洋生態(tài)系統(tǒng)的影響越來越引起海洋科學家們的重視[4-7]。熱帶氣旋過境帶來的“風泵”作用會引起強烈的降溫[8,9]、增加浮游植物生長[10,11], 提高生物有機碳在真光層的輸出[12,13]、增加浮游植物種群和漁業(yè)資源等[14,15]。海水表層二氧化碳分壓(CO2,sw)是海氣二氧化碳(CO2)交換的中間因子, 也是海洋碳從表層傳輸?shù)缴顚拥闹匾浇?。研究表? 熱帶氣旋過境引起的降溫[16-18]、降雨[19,20]、混合過程[21-23]以及所引起的浮游植物繁殖[21]對區(qū)域海洋以及全球大洋的海洋碳循環(huán)都有顯著影響。

目前的研究表明, 熱帶氣旋過境主要通過兩種“風泵”機制影響區(qū)域海氣碳交換: (1)熱帶氣旋過境的降溫過程。Bates等人[17]研究發(fā)現(xiàn), 熱帶氣旋引發(fā)的4oC的降溫可導致區(qū)域海洋CO2,sw降低60 μatm。(2)熱帶氣旋過境的垂直混合擾動。Nemoto等[24]則通過實測浮標數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)熱帶氣旋過境帶來的海水擾動使底層富含溶解無機碳(DIC)的海水上升到表層, 造成CO2,sw升高達34 μatm。

然而熱帶氣旋影響海洋生態(tài)系統(tǒng)的方式并不是單一的, 通常情況下, 熱帶氣旋過境伴隨多個過程, 如降溫、強風、降雨、水華等“風泵”作用會共同影響該地區(qū)的海洋環(huán)境[9-11,19,26-28]。對CO2,sw和海氣CO2交換來說, 熱帶氣旋過境帶來的多個過程影響其變化的主控機理還尚未完全清楚。本研究利用實測采樣和遙感資料, 對南海海域CO2,sw和海氣CO2交換對兩個熱帶氣旋 Tropical Depression One(TDO)和Wutip(WU)過境的響應進行了對比分析, 探討熱帶氣旋過境所引發(fā)的多個物理過程對區(qū)域海洋碳交換的影響, 以及影響海氣CO2交換的控制機制。

1 材料與方法

1.1 熱帶氣旋資料

熱帶氣旋中心位置、最大持續(xù)風速、路徑等信息選用Joint Typhoon Warning Center (JTWC)發(fā)布的數(shù)據(jù)。

TDO于2011年4月1日00UTC在南海海域111.8oE, 8.9oN生成(圖1), 隨后向西北方向移動, 在112.1oE, 8.8oN轉向西南方向, 于2011年4月3日18 UTC在112.5oE, 8.7oN消失, 平均風速11.02 m·s-1, 平均移動速度[28,29]1.23 m·s-1, 屬于強度弱、移動速度慢的熱帶氣旋。WU于2013年9月26日18 UTC在南海海域117oE, 15oN生成(圖1), 隨后一直向西方向移動, 于2013年9月30日12 UTC在105.9oE, 17.8oN消失, 平均風速32.47 m·s-1, 平均移動速度4.36 m·s-1, 強度和移動速度均比TDO高。

1.2 實測數(shù)據(jù)

船只采樣數(shù)據(jù)分別于TDO過境2天后、WU過境前1天和過境2天后獲得。

圖1 TDO和WU在南海的路徑及采樣點信息

Figure 1 The track information of TDO and WU in the South China Sea, and locations of ship-measured datasets in the study

CO2,sw是由國際通用的標準8050CO2海水二氧化碳自動監(jiān)測系統(tǒng)測量獲得。海水表層及剖面的溫鹽數(shù)據(jù)由海鳥溫鹽探測儀測量獲得, 海表層的葉綠素a(Chla)、pH和溶解氧 (DO)數(shù)據(jù)由YSI 6600多參數(shù)水質監(jiān)測儀獲得。剖面流場數(shù)據(jù)由聲學多普勒流速剖面儀測得。

2013年的Argo浮標(編號2901436和5902163, 過境前: 2013/9/22 15:30 111.258oE 18.059oN, 2013/9/29 15:02 112.252oE 17.67oN; 過境后: 2013/9/30 15:04 111.01oE 17.723oN, 2013/10/1 15:02 112.148oE 17.766oN, www.argodatamgt.org/)用于輔助分析WU過境前后的溫鹽剖面數(shù)據(jù)變化。

1.3 遙感數(shù)據(jù)

海表溫度()采用熱帶降雨測量衛(wèi)星TRMM上搭載的Microwave Imager(TMI)和先進的微波掃描輻射計(AMSR)融合后的四級(L4)數(shù)據(jù), 空間分辨率為1 km, 時間分辨率為1天(升軌和降軌融合, http://www.remss.com/)。

海面風場數(shù)據(jù)采用衛(wèi)星Advanced Scatterometer (Ascat)的海表面風場數(shù)據(jù), 融合了每日獲取的升軌和降軌兩次數(shù)據(jù),空間分辨率為0.25°×0.25°, 時間分辨率為1天(ftp://ftp.ifremer.fr/ifremer/cersat/products/ gridded/MWF/L3/ASCAT/)。

降雨量(Rainfall)采用熱帶降雨測量衛(wèi)星TRMM (Tropical Rainfall Measuring Mission)上搭載的降水雷達獲得數(shù)據(jù), 時間分辨率為1 天, 空間分辨率為0.25°×0.25°。

海面高度異常數(shù)據(jù)(SLA)采用TOPEX/Poseidon、Jason1和ERS1/2等高度計數(shù)據(jù)的融合產品, 時間分辨率1天, 空間分辨率為1/3°×1/3° (http://www. aviso.oceanobs.com/)。

2 結果與分析

2.1 熱帶氣旋過境引起海氣CO2交換增加

實測數(shù)據(jù)(圖2)顯示, 兩個熱帶氣旋過境均有“風泵”效應, 引起區(qū)域海表層溫度降低、鹽度(SSS)升高、CO2,sw升高, 區(qū)域海氣CO2通量(F)也有較大增加。TDO過境后, 與未受TDO影響的周圍海域(4oN—16oN范圍海域, 經驗證與正常南海春季海水特性[25,30]相近)相比, SST(圖2a3)降低最大達1.66oC, 海表鹽度(圖2a4)升高最高1.25 psu,CO2,sw(圖2a2)升高最大達26.07 μatm, 區(qū)域海洋由一個強碳匯(-4.7 ± 1.8)mmol·CO2·m–2·d–1變?yōu)橐粋€弱碳源(2.0 ± 3.1) mmol·CO2·m–2·d–1。WU過境后, 與過境前相比, SST(圖2b3)降低最大為2.71oC, SSS(圖2b4)升高最高0.66 psu,CO2,sw(圖2b2)升高達30.88 μatm, 區(qū)域海洋由一個弱碳源(1.9 ± 1.0) mmol·CO2·m–2·d–1變?yōu)橐粋€強碳源(4.0 ± 1.6) mmol·CO2·m–2·d–1。

2.2 熱帶氣旋過境引起海水垂直剖面變化

溫鹽剖面數(shù)據(jù)(圖3a)顯示, TDO過境后混合層深度(MLD)在10.6oN附近最淺, 約為25 m, 其余海域平均MLD為36 m。9.5oN至10.7oN的海域(圖3a虛線內區(qū)域)存在十分明顯的等溫線上涌的現(xiàn)象, 25oC等溫線從周圍的30 m水深涌升至表層。流場剖面(圖3b)顯示相同結果, 10.2oN附近存在非常明顯的逆時針流場, 即海水涌升現(xiàn)象。

由于WU過境前后, 未進行系統(tǒng)的剖面溫鹽數(shù)據(jù)采集, 因此本研究采用Argo數(shù)據(jù)進行輔助分析。Argo數(shù)據(jù)顯示出較明顯的MLD加深現(xiàn)象: 112.2oE (圖4a)附近的MLD從28 m增加至50 m; 111.0oE(圖4b)附近MLD從19 m增加至37 m。

2.3 遙感數(shù)據(jù)觀測熱帶氣旋前后風場、降雨、SST 及SLA 變化

遙感數(shù)據(jù)顯示, TDO和WU過境時伴隨著較強的海面風場、降雨、降溫現(xiàn)象。與TDO過境前一周相比, 海表風速(圖5a1)在4月2日達到最大值11.7 m·s-1, 艾克曼抽吸速率(EPV)也達到了最大的6×10-5m·s-1, 降雨量(圖5b1)最大出現(xiàn)在4月3日, 達到105 mm·d-1, 降溫(圖5c1-)最大為3.15oC, 發(fā)生在4月4日和5日(船只采樣的時間), 最大降溫中心地點出現(xiàn)在110.25° E, 10° N。同時, 海平面高度異常數(shù)據(jù)(圖5d1-)顯示, TDO過境前該海域存在一個冷渦, TDO過境使其強度不斷增強, 海平面高度異常(SLA)最大值出現(xiàn)在TDO過境5天后, 最大為-16cm。

圖2 TDO過境后(a1)F, (a2)pCO2,sw, (a3)SST, (a4)SSS的空間分布; (b)WU過境前后(b1)F, (b2)pCO2,sw, (b3)SST, (b4)SSS變化對比。

Figure 2 The distribution of (a1)F, (a2)CO2,sw, (a3)SST, (a4)SSS after TDO;variations of (b1)F, (b2)CO2,sw, (b3)SST, (b4)SSS before and after WU.

圖3 TDO過境后溫躍層(a)和流場(b)剖面數(shù)據(jù)隨緯度變化示意圖, 藍色線為MLD, 黑色虛線為涌升范圍和位置

Figure 3 Variations in (a) depths of isotherms, and (b) currents with depth as a function of latitude, and the blue line indicates MLD, and the dark dash line indicates the upwelling

圖4 WU過境前后(a)112.2o E和(b)111.0o E附近 Argo溫鹽剖面的變化

Figure 4 Variations of temperature-salinity profiles before and after WU passage from Argo at (a) 112.2oE and(b)111.0oE.

圖5 TDO和WU過境前一周、過境期間和過境后一周遙感平均(a)海面風場和EPV、(b)降雨、(c)海表溫度和(d)海平面高度異常變化。

Figure 5 Variation of (a) surface wind vector and Ekman pumping velocity (EPV), (b) rainfall, (c) SST and (d) SLA 1week before, during, 1 week the passage of TDO and WU.

與前一周數(shù)據(jù)相比, WU過境后海表風速(圖5a2-)最大為33.2 m·s-1, 發(fā)生在2013年9月27日和9月28日兩天, EPV高達4.2×10-4m·s-1; 降雨量(圖5b2-)最大出現(xiàn)在2013年9月29日, 為334 mm·d-1; 降溫(圖5c2-)最大出現(xiàn)在WU過境后第三天, 于17.53oN, 111.23oE觀測到最大降溫值, 為26.1oC, 相比于過境前的溫度(平均為29.5oC)降低了3.4oC。SLA數(shù)據(jù)(圖5d2-)顯示, 與TDO不同, WU過境前海域存在一個較強的暖渦, 該暖渦從9月14日開始形成, 渦旋最大值(-4 cm)出現(xiàn)在10月3日。

3 討論

3.1 熱帶氣旋過境引起pCO2,sw和F變化原因分析

3.1.1 降溫和降雨不是導致CO2,sw和F變化的原因

實測數(shù)據(jù)顯示, 受TDO過境影響, 區(qū)域CO2,sw和F分別增加42.56 μatm、6.7 mmol·CO2·m–2·d–1, 區(qū)域海表溫度與周圍相比降低最大1.66oC; WU過境后CO2, sw升高(最大達30.88 μatm)、增加(2.1mmol·CO2·m–2·d–1), 溫度降低(最大達2.71oC)。從遙感數(shù)據(jù)也可以看出, TDO和WU過境伴隨著強降溫和降雨現(xiàn)象, 溫度降低最大分別為3.15oC和3.4oC, 日降雨量最大為105和334 mm·d-1。

與Bates等人[17]的結果不同, TDO和WU過境均導致區(qū)域CO2,sw和F升高。由于CO2,sw和SST的變化呈正相關關系[31,32], 溫度降低1℃, 海水表層CO2,sw會降低4.23%, 因此本研究中TDO和WU過境帶來的降溫不是造成CO2,sw和F升高的原因。

由于雨水的總堿度和溶解無機碳遠小于表層海水[33,34], 其與表層海水的混合會稀釋CO2,sw從而導致其降低, 強降雨帶來的化學溶解可能會導致CO2,sw降低可達30uatm[20]。鑒于本研究中TDO和WU過境后區(qū)域CO2,sw和F升高的結果, 降雨也不是造成CO2,sw和F升高的原因。

3.1.2 TDO過境的引起的次表層水涌升是導致CO2,sw和F升高的主要原因

實測海水垂直剖面觀測數(shù)據(jù)顯示, TDO過境后區(qū)域海洋存在明顯的混合層抬升和海水涌升現(xiàn)象。混合層的抬升主要由艾克曼抽吸作用導致: 遙感風場數(shù)據(jù)顯示, TDO過境伴隨的強風導致EPV最高可達6×10?5m·s-1。而船只數(shù)據(jù)采集于TDO過境2天后, 因此估計, 艾克曼抽吸作用會使得海水抬升10.4 m(2×24×3600×6×10?5), 這與觀測到的受TDO影響內的MLD與周圍海域的差值基本吻合(11 m)。

因此, TDO過境后CO2,sw升高, 主要是由于強風帶來的強艾克曼抽吸作用導致富含DIC的次表層水涌升至表層, 而造成了表層CO2,sw升高。同時也使區(qū)域碳通量屬性發(fā)生變化, 由局部短時的強碳匯(-4.7 ± 1.8)mmol·CO2·m–2·d–1變?yōu)橐粋€弱碳源(2.0 ± 3.1)mmol·CO2·m–2·d–1而形成正的海氣CO2通量, 即海洋向大氣排放CO2。

3.1.3 WU過境引起的水體垂直混合作用是導致CO2,sw和F升高的主要原因

WU過境后, 表層海水鹽度升高(最大達0.66psu)、CO2, sw升高(最大達30.88 μatm)、增加(2.1mmol·CO2·m–2·d–1)、溫度降低(最大降溫2.71oC), MLD有較大的增加(112.5oN附近增加達30米)。遙感數(shù)據(jù)顯示, 該區(qū)域受WU過境影響顯著。MLD增加說明該區(qū)域存在較大程度的海水混合作用, 而次表層富含DIC的海水與表層水混合, 應是導致表層海水CO2,sw升高的主因。

因此, 與TDO影響機制不同, WU過境造成的海水垂直混合是導致CO2,sw升高的主因, 同時由于海表層CO2增加, F增加, 區(qū)域海水的碳源屬性顯著增強。

3.2 熱帶氣旋對海氣CO2交換的不同控制機理原因

TDO和WU過境均造成CO2, sw和F的增加, 但控制機理不同: TDO主要是強風引起的艾克曼抽吸導致次表層水涌升, 而WU主要是強風導致表層和次表層水的垂直混合。

導致不同影響機理的主要原因分析如下:

(1)區(qū)域海洋的海水初始狀態(tài)不同

遙感影像顯示, TDO過境前海域存在一個冷渦, 受TDO過境影響, 該渦旋的強度、移動速度均明顯增強。由于冷渦為氣旋式旋渦, 中心海水自下而上運動, 將下層冷水帶到上層較暖的水中[9], 因此冷渦導致的次表層水的向上運動也促進了CO2,sw升高; 而WU過境前后海域存在一個較強的暖渦, 即反氣旋式渦旋, 海水自上而下運動, 攜帶上層的暖水進入下層冷水中[35,36]。WU過境時, 強風引起的艾克曼抽吸與暖渦的海水向下運動結合, 造成次表層海水與表層海水的混合, 從而導致CO2,sw和F升高。

(2)熱帶氣旋移動速度不同

TDO的平均移動速度為1.23 m·s-1, 最高為1.5 m·s-1,屬于較慢移動的熱帶氣旋[28], 而WU的平均移動速度為4.36 m·s-1, 最高達8 m·s-1, 移動速度比TDO快, 屬于移動速度中等的熱帶氣旋。由于TDO的移動速度較慢, 海面風場對海水的作用時間較長, 且在9.5oN,111.75oE附近有一個轉向過程, 因此更長的作用時間使得風的泵吸作用更強[23,35], 艾克曼抽吸引起的海水涌升對CO2交換作用更加明顯; 而WU雖然強度、風速更大, 但其移動速度快, 對區(qū)域海洋的作用時間短, 對區(qū)域海洋的影響主要是短時間強風過境造成的水體垂直混合[22,37], 因此, 表層水與底層水的混合影響對海氣CO2交換更加明顯。

4 結論

(1)熱帶氣旋TDO和WU過境均造成顯著的CO2,sw和F升高, TDO過境甚至導致區(qū)域海洋碳匯屬性在一定時間段變?yōu)樘荚础?/p>

(2)TDO和WU過境影響海氣CO2交換的“風泵”機理不同。TDO過境的引起的次表層水涌升、WU過境引起的水體垂直混合作用是導致造成CO2,sw和F升高的主因。

(3)兩個熱帶氣旋“風泵”效應機理不同, 主要原因一是熱帶氣旋過境前海水的初始狀態(tài)存在差異, 二是熱帶氣旋的移動速度不同。

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Different mechanisms of air-sea CO2exchange responding to “Wind Pump” effects of two tropical cyclones in South China Sea

SUN Qingyang1,5, LIN Jingrou1,2,3,5, TANG Danling2,3,6,*, PAN Gang2,3, JIANG Zhaoyu4

1.South China Sea Institute of Planning and Environmental Research, State Oceanic Administration, Guangzhou 510300, China 2. State Key Laboratory of Tropical Oceanography, Guangdong Key Laboratory of Ocean Remote Sensing, South China Sea Institute of Oceanology, Guangzhou 510301, China 3. Graduate University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China 4. College of Life Science, Linyi University, Linyi 276000, China 5. Southern Marine Science and Engineering Guangdong Laboratory(Zhuhai), Zhuhai, Guangdong 519082, China 6. Southern Marine Science and Engineering Guangdong Laboratory (Guangzhou), Guangzhou 510301, China

The mechanisms of air-sea carbon dioxide (CO2) exchange responding to Tropical Depression One (TDO) and Wutip (WU) in South China Sea, were studied in the research using both ship measured and satellite data. Results indicated that CO2fluxes (F) were significantly enhanced by the effect of “wind pump” after the two tropical cyclones. The partial pressure of CO2in sea surface (CO2,sw) increased by 42.56 μatm and 30.88 μatm after the passage of TDO and WU, respectively. The regional ocean changed from a strong carbon sink (-4.7 ± 1.8) mmol·CO2·m–2·d–1to a weak carbon source (2.0 ± 3.1) mmol·CO2·m–2·d–1due to the passage of TDO, while a weak carbon source (1.9 ± 1.0)mmol·CO2·m–2·d–1was changed to a strong carbon source (4.0 ± 1.6) mmol·CO2·m–2·d–1due to the passage of WU. The increase ofCO2,swdue to both tropical cyclone events were consequently from the infusion of deeper subsurface waters, which were rich in dissolved inorganic carbon. However, the mechanisms of “Wind Pump” effects were apparently different, by which a water upwelling process was driven by an Ekman pumping caused by TDO, whereas a strong vertical mixing was driven by strong winds caused by WU, respectively. Such difference was attributed to the difference of the initial oceanographic condition states and the transition speeds of those two tropical cyclones. On the aspect of initial oceanographic conditions, a pre-existed cold eddy before the passage of TDO enhanced the strong Ekman pumping causing upwelling, whereas a pre-existed warm eddy before the passage of WU made a vertical mixing. For the aspect of translation speed, the low translation speed of TDO was slow so that the interaction time was long and leading to a strong Ekman pumping, whereas the speed of WU was fast so that vertical mixing was more significant due to a short-term strong wind transition.

Tropical cyclone; CO2exchange; Ekman pumping; Vertical mixing

10.14108/j.cnki.1008-8873.2020.03.002

S157.2

A

1008-8873(2020)03-009-08

2019-07-03;

2020-04-08

國家自然科學基金重點項目(41430968); 國家自然科學基金青年基金(41506127); 廣東省基金(2019BT2H594, GML2019ZD0602); 中國科學院南海海洋研究所熱帶海洋環(huán)境國家重點實驗室開放課題(LTO1604); 廣東省海洋遙感重點實驗室開放課題(2017B030301005-LORS1805, 2017B030301005-LORS1807); 中國-東盟海上合作基金: 全球變化背景下南中國海近海生態(tài)系統(tǒng)監(jiān)測與保護管理示范

孫慶楊(1987—), 男, 山東肥城人, 博士, 主要從事海洋生態(tài)遙感研究, E-mail: sun_qyang@163.com

唐丹玲, 女, 研究員, 主要從事海洋生態(tài)與海洋遙感研究, E-mail: lingzistdl@126.com

孫慶楊, 林靜柔, 唐丹玲, 等. 南海海氣CO2交換對兩個熱帶氣旋“風泵”的不同響應機理分析[J]. 生態(tài)科學, 2020, 39(3): 9–16.

SUN Qingyang, LIN Jingrou, TANG Danling, et al. Different mechanisms of air-sea CO2exchange respond to “Wind Pump” effect of two tropical cyclones[J]. Ecological Science, 2020, 39(3): 9–16.