孙庆杨, 林静柔, 唐丹玲, 潘刚, 姜兆玉

南海海气CO2交换对两个热带气旋“风泵”的不同响应机理分析

孙庆杨1,5, 林静柔1,2,3,5, 唐丹玲2,3,6,*, 潘刚2,3, 姜兆玉4

1. 国家海洋局南海规划与环境研究院, 广州 510300 2. 中国科学院南海海洋研究所, 热带海洋环境国家重点实验室, 广东省海洋遥感重点实验室, 广州 510301 3. 中国科学院大学, 北京 100049 4. 临沂大学生命科学学院, 临沂 276000 5. 南方海洋科学与工程广东省实验室(珠海), 珠海 519082 南方海洋科学与工程广东省 ·实验室(广州), 广州 510301

利用实测和遥感数据, 对比分析南海海气二氧化碳(CO2)交换对2011年4月热带气旋Tropical Depression One(TDO)和2013年9月热带气旋Wutip(WU)的响应及其机理。结果表明, 两个热带气旋过境的“风泵”作用均对海气CO2交换产生显著影响: TDO和WU过境后, 海水表层CO2分压(CO2,sw)分别增加42.56 µatm、30.88 µatm, TDO过境导致区域海洋由强碳汇(–4.7 ± 1.8) mmol·CO2·m–2·d–1变为弱碳源(2.0 ± 3.1) mmol·CO2·m–2·d–1, 而WU过境使区域海洋由弱碳源(1.9 ± 1.0) mmol·CO2·m–2·d–1变为强碳源(4.0 ± 1.6) mmol·CO2·m–2·d–1。CO2,sw的增加均由于次表层富含溶解无机碳(DIC)海水的入侵, 但是“风泵”的作用机制不同: TDO过境强风引起的艾克曼抽吸导致水体涌升作用显著, 而WU过境导致的垂直混合作用强烈。“风泵”的作用机制差异可归因于热带气旋过境前海水的初始状态和过境时移动速度不同: TDO过境前该海域存在冷涡, 强风引起的艾克曼抽吸使次表层海水的向上涌升作用增强; 而WU过境前存在暖涡, 强风引起的艾克曼抽吸造成次表层海水与下沉的表层水垂直混合。TDO的移动速度慢, 对海水的作用时间更长, 强风引起的艾克曼抽吸作用更强; 而WU移动速度快, 短时间强风过境造成的水体垂直混合效应作用更显著。

热带气旋; 海气CO2交换; 艾克曼抽吸; 垂直混合

0 前言

南海是全球受热带气旋影响最严重的地区之一[1-3]。近年来, 热带气旋对海洋生态系统的影响越来越引起海洋科学家们的重视[4-7]。热带气旋过境带来的“风泵”作用会引起强烈的降温[8,9]、增加浮游植物生长[10,11], 提高生物有机碳在真光层的输出[12,13]、增加浮游植物种群和渔业资源等[14,15]。海水表层二氧化碳分压(CO2,sw)是海气二氧化碳(CO2)交换的中间因子, 也是海洋碳从表层传输到深层的重要媒介。研究表明, 热带气旋过境引起的降温[16-18]、降雨[19,20]、混合过程[21-23]以及所引起的浮游植物繁殖[21]对区域海洋以及全球大洋的海洋碳循环都有显著影响。

目前的研究表明, 热带气旋过境主要通过两种“风泵”机制影响区域海气碳交换: (1)热带气旋过境的降温过程。Bates等人[17]研究发现, 热带气旋引发的4oC的降温可导致区域海洋CO2,sw降低60 μatm。(2)热带气旋过境的垂直混合扰动。Nemoto等[24]则通过实测浮标数据发现热带气旋过境带来的海水扰动使底层富含溶解无机碳(DIC)的海水上升到表层, 造成CO2,sw升高达34 μatm。

然而热带气旋影响海洋生态系统的方式并不是单一的, 通常情况下, 热带气旋过境伴随多个过程, 如降温、强风、降雨、水华等“风泵”作用会共同影响该地区的海洋环境[9-11,19,26-28]。对CO2,sw和海气CO2交换来说, 热带气旋过境带来的多个过程影响其变化的主控机理还尚未完全清楚。本研究利用实测采样和遥感资料, 对南海海域CO2,sw和海气CO2交换对两个热带气旋 Tropical Depression One(TDO)和Wutip(WU)过境的响应进行了对比分析, 探讨热带气旋过境所引发的多个物理过程对区域海洋碳交换的影响, 以及影响海气CO2交换的控制机制。

1 材料与方法

1.1 热带气旋资料

热带气旋中心位置、最大持续风速、路径等信息选用Joint Typhoon Warning Center (JTWC)发布的数据。

TDO于2011年4月1日00UTC在南海海域111.8oE, 8.9oN生成(图1), 随后向西北方向移动, 在112.1oE, 8.8oN转向西南方向, 于2011年4月3日18 UTC在112.5oE, 8.7oN消失, 平均风速11.02 m·s-1, 平均移动速度[28,29]1.23 m·s-1, 属于强度弱、移动速度慢的热带气旋。WU于2013年9月26日18 UTC在南海海域117oE, 15oN生成(图1), 随后一直向西方向移动, 于2013年9月30日12 UTC在105.9oE, 17.8oN消失, 平均风速32.47 m·s-1, 平均移动速度4.36 m·s-1, 强度和移动速度均比TDO高。

1.2 实测数据

船只采样数据分别于TDO过境2天后、WU过境前1天和过境2天后获得。

图1 TDO和WU在南海的路径及采样点信息

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是由国际通用的标准8050CO2海水二氧化碳自动监测系统测量获得。海水表层及剖面的温盐数据由海鸟温盐探测仪测量获得, 海表层的叶绿素a(Chla)、pH和溶解氧 (DO)数据由YSI 6600多参数水质监测仪获得。剖面流场数据由声学多普勒流速剖面仪测得。

2013年的Argo浮标(编号2901436和5902163, 过境前: 2013/9/22 15:30 111.258oE 18.059oN, 2013/9/29 15:02 112.252oE 17.67oN; 过境后: 2013/9/30 15:04 111.01oE 17.723oN, 2013/10/1 15:02 112.148oE 17.766oN, www.argodatamgt.org/)用于辅助分析WU过境前后的温盐剖面数据变化。

1.3 遥感数据

海表温度()采用热带降雨测量卫星TRMM上搭载的Microwave Imager(TMI)和先进的微波扫描辐射计(AMSR)融合后的四级(L4)数据, 空间分辨率为1 km, 时间分辨率为1天(升轨和降轨融合, http://www.remss.com/)。

海面风场数据采用卫星Advanced Scatterometer (Ascat)的海表面风场数据, 融合了每日获取的升轨和降轨两次数据,空间分辨率为0.25°×0.25°, 时间分辨率为1天(ftp://ftp.ifremer.fr/ifremer/cersat/products/ gridded/MWF/L3/ASCAT/)。

降雨量(Rainfall)采用热带降雨测量卫星TRMM (Tropical Rainfall Measuring Mission)上搭载的降水雷达获得数据, 时间分辨率为1 天, 空间分辨率为0.25°×0.25°。

海面高度异常数据(SLA)采用TOPEX/Poseidon、Jason1和ERS1/2等高度计数据的融合产品, 时间分辨率1天, 空间分辨率为1/3°×1/3° (http://www. aviso.oceanobs.com/)。

2 结果与分析

2.1 热带气旋过境引起海气CO2交换增加

实测数据(图2)显示, 两个热带气旋过境均有“风泵”效应, 引起区域海表层温度降低、盐度(SSS)升高、CO2,sw升高, 区域海气CO2通量(F)也有较大增加。TDO过境后, 与未受TDO影响的周围海域(4oN—16oN范围海域, 经验证与正常南海春季海水特性[25,30]相近)相比, SST(图2a3)降低最大达1.66oC, 海表盐度(图2a4)升高最高1.25 psu,CO2,sw(图2a2)升高最大达26.07 µatm, 区域海洋由一个强碳汇(-4.7 ± 1.8)mmol·CO2·m–2·d–1变为一个弱碳源(2.0 ± 3.1) mmol·CO2·m–2·d–1。WU过境后, 与过境前相比, SST(图2b3)降低最大为2.71oC, SSS(图2b4)升高最高0.66 psu,CO2,sw(图2b2)升高达30.88 µatm, 区域海洋由一个弱碳源(1.9 ± 1.0) mmol·CO2·m–2·d–1变为一个强碳源(4.0 ± 1.6) mmol·CO2·m–2·d–1。

2.2 热带气旋过境引起海水垂直剖面变化

温盐剖面数据(图3a)显示, TDO过境后混合层深度(MLD)在10.6oN附近最浅, 约为25 m, 其余海域平均MLD为36 m。9.5oN至10.7oN的海域(图3a虚线内区域)存在十分明显的等温线上涌的现象, 25oC等温线从周围的30 m水深涌升至表层。流场剖面(图3b)显示相同结果, 10.2oN附近存在非常明显的逆时针流场, 即海水涌升现象。

由于WU过境前后, 未进行系统的剖面温盐数据采集, 因此本研究采用Argo数据进行辅助分析。Argo数据显示出较明显的MLD加深现象: 112.2oE (图4a)附近的MLD从28 m增加至50 m; 111.0oE(图4b)附近MLD从19 m增加至37 m。

2.3 遥感数据观测热带气旋前后风场、降雨、SST 及SLA 变化

遥感数据显示, TDO和WU过境时伴随着较强的海面风场、降雨、降温现象。与TDO过境前一周相比, 海表风速(图5a1)在4月2日达到最大值11.7 m·s-1, 艾克曼抽吸速率(EPV)也达到了最大的6×10-5m·s-1, 降雨量(图5b1)最大出现在4月3日, 达到105 mm·d-1, 降温(图5c1­)最大为3.15oC, 发生在4月4日和5日(船只采样的时间), 最大降温中心地点出现在110.25° E, 10° N。同时, 海平面高度异常数据(图5d1­)显示, TDO过境前该海域存在一个冷涡, TDO过境使其强度不断增强, 海平面高度异常(SLA)最大值出现在TDO过境5天后, 最大为-16cm。

图2 TDO过境后(a1)F, (a2)pCO2,sw, (a3)SST, (a4)SSS的空间分布; (b)WU过境前后(b1)F, (b2)pCO2,sw, (b3)SST, (b4)SSS变化对比。

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.

图3 TDO过境后温跃层(a)和流场(b)剖面数据随纬度变化示意图, 蓝色线为MLD, 黑色虚线为涌升范围和位置

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

图4 WU过境前后(a)112.2o E和(b)111.0o E附近 Argo温盐剖面的变化

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

图5 TDO和WU过境前一周、过境期间和过境后一周遥感平均(a)海面风场和EPV、(b)降雨、(c)海表温度和(d)海平面高度异常变化。

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.

与前一周数据相比, WU过境后海表风速(图5a2­)最大为33.2 m·s-1, 发生在2013年9月27日和9月28日两天, EPV高达4.2×10-4m·s-1; 降雨量(图5b2­)最大出现在2013年9月29日, 为334 mm·d-1; 降温(图5c2­)最大出现在WU过境后第三天, 于17.53oN, 111.23oE观测到最大降温值, 为26.1oC, 相比于过境前的温度(平均为29.5oC)降低了3.4oC。SLA数据(图5d2­)显示, 与TDO不同, WU过境前海域存在一个较强的暖涡, 该暖涡从9月14日开始形成, 涡旋最大值(-4 cm)出现在10月3日。

3 讨论

3.1 热带气旋过境引起pCO2,sw和F变化原因分析

3.1.1 降温和降雨不是导致CO2,sw和F变化的原因

实测数据显示, 受TDO过境影响, 区域CO2,sw和F分别增加42.56 µatm、6.7 mmol·CO2·m–2·d–1, 区域海表温度与周围相比降低最大1.66oC; WU过境后CO2, sw升高(最大达30.88 µatm)、增加(2.1mmol·CO2·m–2·d–1), 温度降低(最大达2.71oC)。从遥感数据也可以看出, TDO和WU过境伴随着强降温和降雨现象, 温度降低最大分别为3.15oC和3.4oC, 日降雨量最大为105和334 mm·d-1。

与Bates等人[17]的结果不同, TDO和WU过境均导致区域CO2,sw和F升高。由于CO2,sw和SST的变化呈正相关关系[31,32], 温度降低1℃, 海水表层CO2,sw会降低4.23%, 因此本研究中TDO和WU过境带来的降温不是造成CO2,sw和F升高的原因。

由于雨水的总碱度和溶解无机碳远小于表层海水[33,34], 其与表层海水的混合会稀释CO2,sw从而导致其降低, 强降雨带来的化学溶解可能会导致CO2,sw降低可达30uatm[20]。鉴于本研究中TDO和WU过境后区域CO2,sw和F升高的结果, 降雨也不是造成CO2,sw和F升高的原因。

3.1.2 TDO过境的引起的次表层水涌升是导致CO2,sw和F升高的主要原因

实测海水垂直剖面观测数据显示, TDO过境后区域海洋存在明显的混合层抬升和海水涌升现象。混合层的抬升主要由艾克曼抽吸作用导致: 遥感风场数据显示, TDO过境伴随的强风导致EPV最高可达6×10‑5m·s-1。而船只数据采集于TDO过境2天后, 因此估计, 艾克曼抽吸作用会使得海水抬升10.4 m(2×24×3600×6×10‑5), 这与观测到的受TDO影响内的MLD与周围海域的差值基本吻合(11 m)。

因此, TDO过境后CO2,sw升高, 主要是由于强风带来的强艾克曼抽吸作用导致富含DIC的次表层水涌升至表层, 而造成了表层CO2,sw升高。同时也使区域碳通量属性发生变化, 由局部短时的强碳汇(-4.7 ± 1.8)mmol·CO2·m–2·d–1变为一个弱碳源(2.0 ± 3.1)mmol·CO2·m–2·d–1而形成正的海气CO2通量, 即海洋向大气排放CO2。

3.1.3 WU过境引起的水体垂直混合作用是导致CO2,sw和F升高的主要原因

WU过境后, 表层海水盐度升高(最大达0.66psu)、CO2, sw升高(最大达30.88 µatm)、增加(2.1mmol·CO2·m–2·d–1)、温度降低(最大降温2.71oC), MLD有较大的增加(112.5oN附近增加达30米)。遥感数据显示, 该区域受WU过境影响显著。MLD增加说明该区域存在较大程度的海水混合作用, 而次表层富含DIC的海水与表层水混合, 应是导致表层海水CO2,sw升高的主因。

因此, 与TDO影响机制不同, WU过境造成的海水垂直混合是导致CO2,sw升高的主因, 同时由于海表层CO2增加, F增加, 区域海水的碳源属性显著增强。

3.2 热带气旋对海气CO2交换的不同控制机理原因

TDO和WU过境均造成CO2, sw和F的增加, 但控制机理不同: TDO主要是强风引起的艾克曼抽吸导致次表层水涌升, 而WU主要是强风导致表层和次表层水的垂直混合。

导致不同影响机理的主要原因分析如下:

(1)区域海洋的海水初始状态不同

遥感影像显示, TDO过境前海域存在一个冷涡, 受TDO过境影响, 该涡旋的强度、移动速度均明显增强。由于冷涡为气旋式旋涡, 中心海水自下而上运动, 将下层冷水带到上层较暖的水中[9], 因此冷涡导致的次表层水的向上运动也促进了CO2,sw升高; 而WU过境前后海域存在一个较强的暖涡, 即反气旋式涡旋, 海水自上而下运动, 携带上层的暖水进入下层冷水中[35,36]。WU过境时, 强风引起的艾克曼抽吸与暖涡的海水向下运动结合, 造成次表层海水与表层海水的混合, 从而导致CO2,sw和F升高。

(2)热带气旋移动速度不同

TDO的平均移动速度为1.23 m·s-1, 最高为1.5 m·s-1,属于较慢移动的热带气旋[28], 而WU的平均移动速度为4.36 m·s-1, 最高达8 m·s-1, 移动速度比TDO快, 属于移动速度中等的热带气旋。由于TDO的移动速度较慢, 海面风场对海水的作用时间较长, 且在9.5oN,111.75oE附近有一个转向过程, 因此更长的作用时间使得风的泵吸作用更强[23,35], 艾克曼抽吸引起的海水涌升对CO2交换作用更加明显; 而WU虽然强度、风速更大, 但其移动速度快, 对区域海洋的作用时间短, 对区域海洋的影响主要是短时间强风过境造成的水体垂直混合[22,37], 因此, 表层水与底层水的混合影响对海气CO2交换更加明显。

4 结论

(1)热带气旋TDO和WU过境均造成显著的CO2,sw和F升高, TDO过境甚至导致区域海洋碳汇属性在一定时间段变为碳源。

(2)TDO和WU过境影响海气CO2交换的“风泵”机理不同。TDO过境的引起的次表层水涌升、WU过境引起的水体垂直混合作用是导致造成CO2,sw和F升高的主因。

(3)两个热带气旋“风泵”效应机理不同, 主要原因一是热带气旋过境前海水的初始状态存在差异, 二是热带气旋的移动速度不同。

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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

国家自然科学基金重点项目(41430968); 国家自然科学基金青年基金(41506127); 广东省基金(2019BT2H594, GML2019ZD0602); 中国科学院南海海洋研究所热带海洋环境国家重点实验室开放课题(LTO1604); 广东省海洋遥感重点实验室开放课题(2017B030301005-LORS1805, 2017B030301005-LORS1807); 中国-东盟海上合作基金: 全球变化背景下南中国海近海生态系统监测与保护管理示范

孙庆杨(1987—), 男, 山东肥城人, 博士, 主要从事海洋生态遥感研究, E-mail: sun_qyang@163.com

唐丹玲, 女, 研究员, 主要从事海洋生态与海洋遥感研究, E-mail: lingzistdl@126.com

孙庆杨, 林静柔, 唐丹玲, 等. 南海海气CO2交换对两个热带气旋“风泵”的不同响应机理分析[J]. 生态科学, 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.