海洋环流与波动重点实验室知识库

海洋中的叶绿素不仅可用于衡量浮游植物现存量，还可用于估算海洋初级生产力。海洋初级生产力代表浮游植物的生产能力，它在全球碳循环中起着非常重要的作用，对探讨全球气候变暖、海平面上升等气候变化有着深远的影响。在本文中，我们集中研究了两个问题：其一是定量估计中尺度涡对叶绿素分布的影响；其二是研究海洋动力要素（海表面温度、风应力、混合层深度）对开放海域中的叶绿素变化的影响。

首先，本文基于观测数据和叶绿素垂向分布的模型针对中尺度涡对叶绿素分布的影响进行了研究。量级为O（100 km）的中尺度涡遍布于海洋，约占海洋表面的25%-30%。它们包含巨大的能量，并且在物质、热、盐和能量的输运中起着非常重要的作用。以前的研究已经对中尺度涡对水体、热、盐的输运进行了量化。中尺度涡诱导的水体输运量与大洋环流对水体的输运量是同量级的，同时中尺度涡对热量和盐度的输运量也分别占总输运量的很大一部分，但中尺度涡圈住的叶绿素及其对叶绿素的输运的影响目前仍不清楚。在卫星测高观测和Argo观测的基础上，根据位涡守恒原理，对中尺度涡对水体的输运进行了量化。此时，中尺度涡内部的流体与涡旋一起作为一个整体一起移动，这是因为被涡旋捕获的流体倾向于被圈在封闭的等位涡线内。当中尺度涡与它内部的水柱一起移动时，水柱内的浮游植物也被携带着一起移动。叶绿素浓度通常对浮游植物生物量有一定的指示作用。受到中尺度涡对水体输运估算的启发，我们认为中尺度涡所捕获的叶绿素可以被定量化。中尺度涡穿透水体达到海面以下100 米至2000多米，而海洋水色卫星只能观测到海洋表面的叶绿素，对真光层以下的叶绿素却无能为力。在这里，我们借助叶绿素垂向分布的经验模型，结合海表叶绿素浓度来重构中尺度涡内海表面以下的叶绿素浓度。因此，当中尺度涡在携带浮游植物一起移动的时候，我们可以基于卫星观测数据、Argo浮标测量的数据和经验模型来估计涡旋诱导的叶绿素的输运。卫星高度计数据和Argo观测结合起来可用于通过追踪在某深度处最外层的封闭的等位涡线来识别涡旋的边界。然后，利用卫星观测的海表叶绿素浓度以及垂向模型来估算涡旋内的叶绿素浓度。海洋中尺度涡捕获的叶绿素的质量可以达到3.2x10^12 g，大约占海洋中总的叶绿素质量的一半之多。全球时间平均的中尺度涡对叶绿素的输运向西大约为 5.7x10^3 g/s。结果表明，海洋中尺度涡对海洋内部的叶绿素升高起着非常重要的作用。

其次，本文基于卫星观测和Argo观测数据，探究了海洋动力要素（海表面温度，风应力和混合层深度）对叶绿素的影响。以前许多关于海洋动力要素对特定区域中叶绿素影响的研究主要集中在海表面温度，混合层深度或者单独的风应力。现在，遥感和Argo浮标已经成为海洋观测和监测的常用手段，因为它们可以提供覆盖范围广的长期的数据。在这项研究中，对副热带环流区中的5个开放海域的叶绿素与这三项海洋动力要素之间的关系进行了量化，并使用卫星观测和Argo观测数据分析了13年（2003-2015）的海表面温度，混合层深度、风速和叶绿素的变化趋势。相关分析结果表明，混合层深度与叶绿素的变化呈正相关，海表面温度与叶绿素呈负相关，叶绿素与风应力呈正相关或负相关。基于它们之间的显著的相关性，使用多元线性回归方法建立了表示它们之间关系的模型，并分析了哪些动力因素是影响叶绿素变化的主要决定因素。回归系数表明，海表面温度和混合层深度对叶绿素的变化都有显著的影响。推导的模型可用于诊断叶绿素在过去的变化，了解在当前的变化并预测未来的变化。叶绿素与海洋动力因素之间的关系帮助了解开放海域中叶绿素变化的动力学机制。浮游植物对二氧化碳的光合作用是维持海洋生物的必要先决条件，这个过程与海洋中的二氧化碳浓度紧密相关。随着积累越来越多的观测的二氧化碳数据，在构建数学模型时，如果把吸收的二氧化碳考虑进去，可以提高模型的准确性。