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台风“麦莎”对东海海域浮游植物叶绿素a的影响
Hui Zhao, Jinchao Shao, Guoqi Han, Dezhou Yang, Jianhai Lv
摘要：台风在上层海洋中会引起强烈的扰动、混合和上升流。次表层丰富的营养物质可以被带到透光层，这将引起浮游植物的繁殖和快速生长。在本文中，我们研究了一个强度较强、移动迅速的热带风暴——台风“麦莎”对中国东部浮游植物叶绿素a浓度的影响。利用卫星遥感数据，我们分析了叶绿素a浓度、海表面温度和风速在台风前后的变化。并初步探讨了近岸和离岸水域中叶绿素a浓度的不同变化。在营养物质丰富的近岸海域，叶绿素a最大值通常出现在表层或近表层。而在热带低营养的离岸海域，叶绿素a最大值通常出现在分层水体。在台湾东部的一个离岸海域，叶绿素a浓度在台风过后两周内逐渐升高。然而，在台湾北部的沿海地区，高叶绿素a浓度在台风登陆前急剧下降，在台风登陆后迅速反弹到一定程度，并在两周内逐渐恢复到台风登陆之前的水平。台风期间，近岸海域的叶绿素a浓度与风速呈负相关，这和离岸海域的情况刚好相反。这种现象可以归因于低叶绿素a水的近岸平流、海岸沉降和强化混合，这些因素使得沿海地区的表层叶绿素a浓度在台风来临之前下降。在离岸地区，台风引起的上升流和卷吸混合作用引起的营养盐上升会激发叶绿素a浓度的增加。
引言
当台风经过海面时，能有效地促进海洋浮游植物，从而提高海洋表面叶绿素a浓度。叶绿素a浓度是反映海洋光合自养生物多寡的重要指标，而海洋浮游植物不仅是海洋有机物的初级生产者，也是海洋食物结构中的基本环节。它在海洋生态系统中的物质循环和能量转换过程中扮演着重要的角色，在海气碳循环系统、环境监测、洋流（上升流和沿岸流）、渔业管理等研究中都具有重要意义[1-7]。目前，许多从事海洋、大气和环境研究的学者认为叶绿素a浓度在海洋水色和海洋生态环境研究中是一个很重要的参数。由于全球变暖可能引起更强的台风[8]，它们对海洋浮游植物叶绿素a浓度的影响可能进一步增强。
西北太平洋和东海经常受到台风的影响。台风对海洋环境和气候的影响正成为世界研究热点。每年在西北太平洋海域生成的热带气旋平均有30个，其中约有7个登陆我国。随着全球变暖和环境恶化，强台风的发生将更加频繁[9]。因而台风事件对海洋环境、气候和生态系统的影响正在引起全世界的关注。 台风对海洋有强烈的能量输入。台风通过其诱发上升流、垂向混合和卷吸过程，能够对海洋上层层结进行重组，从而对浮游植物的繁殖生长产生积极的影响，因此，浮游植物叶绿素a的浓度也会增加。许多研究表明，台风在叶绿素a浓度增加中起着重要的作用[10-11]。
近年来，研究人员研究了台风对叶绿素a浓度和初级生产力的影响以及台风移动速度和强迫时间对浮游植物生长的影响和机制。Lin等人[12]研究了2000年台风Kai-Tak在南海引起的浮游植物繁殖的过程，估计碳的固定量为0.8Mt，约为南海2000年全年初级生产力的2%~4%，而台风这种天气过程对于南海的年均净初级生产力的贡献约为20%~30%。 Zhao等人[13]在对两个移动速度和最大持续风速不同的台风的研究中显示，快速移动的台风受限于较浅的上层海水。然而移速较慢的台风能够引起较为强烈的浮游植物水华。Sun等人[14]、Chen和Tang[15]也提出，台风的持续强迫,是能否形成强烈上升流和惯性振荡并最终导致浮游植物水华爆发的重要因素。有许多研究结果表明离岸海域的水华是由一系列的物理过程造成的，比如台风引起的上升流、 混合的加强和卷吸。这些物理过程增加了海表的营养盐。然而在近岸海域，充沛的降水与入海的径流使得大量浮游植物、有色溶解有机物和悬浮沉积物进入海水从而形成水华[16-19]。在本文中，我们利用卫星遥感数据分析了台风“麦莎”期间海表面温度、风速和海表面叶绿素a浓度的变化，发现并研究了近岸和离岸海域海表面叶绿素a浓度的不同响应。
资料和方法
卫星资料
由于台风在路径和强度上变化迅速，设置系泊浮标或巡航测量不仅耗费巨大，而且难以全面系统地获取观测资料。在这种传统实地调察具有偶然性和危险性的情况下，我们既不能进一步研究上层海洋对台风的响应，也不能获得足够的空间覆盖来测定。因此，很难深入分析上层海水的物理机制。随着科技的发展，我们利用卫星遥感技术克服了上述限制因素，该技术为获得极端天气如台风的综合观测数据提供了有效的方法。目前，运用卫星遥感技术成为了研究台风对海洋环境影响的重要方法。
海表面温度
采用TRMM卫星上装载的TMI（TRMM Microwave Imager）微波传感器的SST产品，数据从1997年7月开始(http://www.remss.com/missions/tmi)。美国宇宙局地球科学研究该数据的空间分辨率为0.25°times;0.25°，选用台风期间每日平均SST数据。
台风路径资料
路径资料是从美国联合台风警报中心（JTWC）和优利系统公司（http://weather.unisys.com）。该数据包含台风最大持续风速（MSW）和台风中心每6小时的位置，基于这些可以计算出台风的移动速度。
海表面风场资料QuikSCAT
采用微波散射计SeaWinds 数据显示台风风场，这是由美国航空航天局海洋矢量风科学团队遥感系统提供的每日数据。该数据的空间分辨率为0.25°times;0.25°。
基于MODIS的叶绿素a浓度
叶绿素a浓度数据来自美国航空航天局数据发布中心（http://oceancolor.gsfc.nasa.gov/）的MODIS level2LAC产品，对台风“麦莎”影响区域(15°N~30°N, 120°E~135°E)进行绘图和分析。考虑到台风路径和叶绿素a浓度数据的覆盖情况，选定正方形区域26°N~28°N, 120.5°E~122.5°E作为近岸海域、22.5°N~24.5°N, 124.5°E~126.5°E作为离岸海域（图1）。在本文中，我们对这两个区域中海表面温度(SST)、海表面风场和叶绿素a浓度的变化做了进一步的分析。
Ekman流和上升流的计算
为了研究浮游植物叶绿素a可能有的反应机制，近岸海域的表层Ekman流和Ekman抽吸速度已经根据QuikScat海表面风场数据估算出来（图1方框）。用下面的方法计算表层Ekman流[20]：
(1)
其中，V0是表层Ekman流速度，U10是10m高风速，phi;是纬度。在北半球，表层Ekman流的方向在风向向右偏45°。
图 1 研究区域的地图和两个选定的区域（近岸海域：26°N~28°N, 120.5°E~122.5°E，离岸海域：22.5°N~24.5°N, 124.5°E~126.5°E）
还有台风“麦莎”的轨迹和强度（最大持续风速（MSW））
Ekman抽吸速度（WE，向上为正）的计算公式如下：
(2)
垂直坐标z向上为正，rho;w是海水密度，f是科氏力参数，tau;是海洋表面风应力，计算公式如下：
(3)
其中，rho;a是空气密度，CD是阻力系数。
海岸上升流速度（WC，向上为正）与上升流有利的沿岸风有关，计算如下：
(4)
其中，tau;a是沿岸风应力，L是上升流的长度尺度。
结果
台风“麦莎”的路径和风场
2005年7月31日台风“麦莎”在10.5°N，136.0°E开始形成热带低压。 8月1日在菲律宾东部海面上演变为强热带风暴,8 月2日在吕宋岛东北部成长为1级台风，8月4日在台湾东部加强成长为2级台风。，于8月5日在中国浙江登陆。表1是从NOAA气候预报中心获得的台风数据，其中包括风度，移动速度和台风中心位置。
表格 1 台风“麦莎”的位置、时间、强度和传播速度
台风的结构及其所处的环境决定了西北太平洋台风向西北方向移动[22-24]。在台风“麦莎”向西北方向移动过程中一直在增强，中心最大风速达到了50m/s。图2和图3是台风期间近岸和离岸海表面风的显著变化。图3的时间序列表面台风作用时间为8月2日-5日，其中最大风速出现在8月3日约为20m/s。“麦莎”影响近岸海域的时间为8月3日-6日，8月5日风速达到最大值，约为29m/s。不管近岸海域还是离岸海域，风速都在台风过后3天恢复到了台风经过之前的水平。
图 2 2005年8月1日-6日海表面风（箭头代表风向）
图 3 7月29日-8月12日，近岸（空心点）和离岸（实心点）海域海面风场变化
台风“麦莎”对海表面温度的影响
台风对海洋最明显的影响之一是海表面温度下降[25]。海表面温度也在台风的生成、发展和增强起着重要的作用。海表面温度的下降受台风强度、速度和其他因素的影响。另一方面，上层海水自身的结构和当地海洋环境也会影响海表面温度。由于低压和强烈的风应力，台风引起上层海水强烈的混合和辐散。台风引起的卷吸使混合层加深，上升流造成温跃层变浅，以及在跃层处硝酸盐有一个局部隆起[26]，这些都导致海表面温度下降。海表面温度的下降可以减少从海洋向大气输送的热通量，从而减弱台风，逐渐形成一个负反馈过程[27]。所以，台风过程是海气相互作用最复杂、最强烈的过程之一。台风还能引起上层海洋强烈的混合，同时还能带来大量的营养物质到海水表层，从而促进了浮游植物的大量增殖，形成大面积的水华。它提高了海洋初级生产力，对海洋生态系统具有及其重要的影响。
图4显示了台风“麦莎”对近岸海域和离岸海域海表面温度的显著影响，其中海表面温度下降最明显的是台风路径附近。从图4和图5可以看出，在19°N~24°N之间，海表面温度从8月2日开始下降。8月4日-6日期间，台风“麦莎”在向西北方向移动的过程中逐渐增强并在25°N~30°N达到最大强度，在这里，台风移动得相对缓慢，海表面温度显著下降。离岸海域的区域平均值从8月2日的29℃降低到5日的26.4℃，降幅达9%。直到台风过后的8月10日才恢复到最大值。因此，在台风路径附近，近岸海域和离岸海域海表面温度的变化都很明显。
图 4 2005年8月1日-6日海表面温度
图 5 7月29日-8月12日，近岸（空心点）和离岸（实心点）海域海表面温度变化
台风“麦莎”对叶绿素a的影响
基于卫星的叶绿素a浓度的反演通道在可见光范围内，无法穿透云层。所以台风期间的叶绿素a数据可能会严重缺失，尤其是在台风中心。在此期间获得的逐日图像数据也缺失较为严重，难以分析，因此需要整合数据。本文分别将8月1-3日、8月6-8日和8月9-11日的每日叶绿素a浓度数据进行3天的平均处理，图6是台风登陆前后的变化。
图 6 台风过境前、中、后海表面叶绿素a浓度
远海的叶绿素a浓度较低。浙江沿海地区在台风登陆之前叶绿素a浓度值很高，这可能是由夏季季风引起的沿岸上升流、水深较浅以及陆源物质的排放引起的[28]。
图7是近岸海域的叶绿素a的48h平均时间序列，随着台风中心逐渐靠近该研究区域，8月4日-5日的叶绿素a浓度数据严重缺失，所以这两天的数据缺测。8月6日左右，近岸叶绿素a浓度有明显下降，从1.83mg/msup3;降低至0.73mg/msup3;，降幅为60.1%。当台风逐渐消亡，风速减弱，该区叶绿素a浓度在8月8日左右回升至1.17mg/msup3;，涨幅为60.3%。在台风离开约两周后即8月18日又逐渐回升至台风登陆前的水平。
图 7 近岸（空心点）和离岸（实心点）海表面叶绿素a浓度的变化
其中离岸海域8月4日、16日和近岸海域8月20日的数据缺失
尽管在离岸海域叶绿素a浓度很低，但是它在台风过后很长一段时间一直在增长，在8月17日达到最大值0.09mg/msup3;，相比于台风登陆前，涨幅为78%，见图7。之后开始逐渐降低，到8月23日降至台风登陆前的水平。
台风“麦莎”影响期间，叶绿素a和海表面温度的变化与近岸海域的风速关系密切，如图8.随着风速的增加，海表面温度和叶绿素a浓度下降。
图 8 台风期间近岸海域SST、叶绿素a浓度和风速变化
讨论
离岸海域叶绿素a的响应
在上层海洋中，控制海洋浮游植物叶绿素a浓度的两个主要生态因子是光照条件和营养物质[29-30]。它们的空间结构分布决定了叶绿素a浓度的垂直分布[31]。在分层的海洋中常常能够观察到一个现象，即叶绿素a浓度的钟形垂直剖面，通常被称为次表层水叶绿素a最大值现象（SCM）。因此，叶绿素
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