王　騰　高　磊　李道季

(華東師范大學(xué)河口海岸學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室　上?！?00062)

在 20世紀(jì)六七十年代,國(guó)外科學(xué)家開(kāi)始在全球部分地區(qū)開(kāi)展了臺(tái)風(fēng)對(duì)海洋水環(huán)境影響的研究工作(Leipper,1967; Brand,1971; Antheset al,1978)。我國(guó)關(guān)于臺(tái)風(fēng)對(duì)外海水環(huán)境影響的研究開(kāi)展較晚,上世紀(jì)90年代朱建榮等(1995a,1995b)借助于改進(jìn)的物理模型,從多個(gè)方面探討了海洋上層對(duì)臺(tái)風(fēng)的響應(yīng)。進(jìn)入 21世紀(jì)后,各種觀測(cè)手段快速發(fā)展,關(guān)于臺(tái)風(fēng)對(duì)海洋水環(huán)境影響的研究成果不斷涌現(xiàn)。Lin等(2003)借助于衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù),首次發(fā)現(xiàn)了臺(tái)風(fēng)對(duì)海洋初級(jí)生產(chǎn)力的增加有重要的貢獻(xiàn)。此后,衛(wèi)星遙感被用于研究臺(tái)風(fēng)對(duì)外海表層水環(huán)境影響,多個(gè)研究發(fā)現(xiàn)臺(tái)風(fēng)過(guò)境加強(qiáng)了海洋水體的垂向混合作用,在這個(gè)過(guò)程中下層低溫、高營(yíng)養(yǎng)鹽海水可以被夾帶到表層,使臺(tái)風(fēng)后海洋表層溫度(SST)出現(xiàn)降低,而營(yíng)養(yǎng)鹽的補(bǔ)充則促進(jìn)了表層浮游植物的生長(zhǎng),臺(tái)風(fēng)過(guò)后海區(qū)初級(jí)生產(chǎn)力增加(Babinet al,2004; Zhenget al,2007;Shanget al,2008; Siswantoet al,2009; Zhaoet al,2015)。

雖然關(guān)于臺(tái)風(fēng)對(duì)海洋水環(huán)境影響的研究較多,但鑒于臺(tái)風(fēng)期間外海區(qū)采樣的困難,當(dāng)前大部分工作的研究數(shù)據(jù)都是通過(guò)各種間接手段獲得,數(shù)據(jù)的完整性及可靠性有待完善。此外,遙感衛(wèi)星只能觀測(cè)海洋表層的環(huán)境變化,表層以下的變化狀況不能直接了解。而且,以往關(guān)于臺(tái)風(fēng)對(duì)海洋水環(huán)境影響的研究多是針對(duì)某個(gè)特定臺(tái)風(fēng),研究的假定條件是該海區(qū)之前沒(méi)有受到其它臺(tái)風(fēng)的影響,或者前一個(gè)臺(tái)風(fēng)已經(jīng)過(guò)境較長(zhǎng)時(shí)間,其影響已經(jīng)基本消失(Foltzet al,2015)。而事實(shí)上,臺(tái)風(fēng)季節(jié)某些海區(qū)臺(tái)風(fēng)過(guò)境的頻率很高; 比如我國(guó)東海,根據(jù)中國(guó)臺(tái)風(fēng)網(wǎng)資料統(tǒng)計(jì),在本世紀(jì)平均每年有近7個(gè)臺(tái)風(fēng)過(guò)境該地區(qū),本地區(qū)受連續(xù)臺(tái)風(fēng)影響的現(xiàn)象十分常見(jiàn)(Yinget al,2014)。相比于單個(gè)臺(tái)風(fēng),連續(xù)臺(tái)風(fēng)過(guò)境背景下海洋環(huán)境變化持續(xù)的時(shí)間更久(Babinet al,2004)。

2003年 9月實(shí)驗(yàn)室在東海北部海區(qū)開(kāi)展了野外調(diào)查工作,期間恰逢臺(tái)風(fēng) Maemi(0314)及 Choi-Wan(0315)相繼過(guò)境該地區(qū),我們獲得了大量的臺(tái)風(fēng)前后現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)。但一直以來(lái),該航次取得的與臺(tái)風(fēng)有關(guān)的數(shù)據(jù)還未經(jīng)過(guò)深入的研究分析。在這之后,也很難有機(jī)會(huì)再獲得連續(xù)臺(tái)風(fēng)過(guò)境前后東海外海區(qū)的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)。鑒于該數(shù)據(jù)的稀有及珍貴性,本文將其重新整理,并結(jié)合一些遙感及模型數(shù)據(jù),仔細(xì)分析了連續(xù)兩個(gè)臺(tái)風(fēng)過(guò)境對(duì)東海北部外海水環(huán)境及初級(jí)生產(chǎn)力的影響。

1　采樣與方法

1.1　研究區(qū)域概況

本研究的區(qū)域主要位于東海東北部,該區(qū)域恰好是陸架水和黑潮次表層水匯合的地方(圖 1)。黑潮主流由臺(tái)灣東側(cè)進(jìn)入東海,水體具有高溫、高鹽的特征,表層最高水溫可達(dá) 30°C,最高鹽度出現(xiàn)在次表層(150—200m),可達(dá) 35左右(蘇育嵩,1986)。此外,長(zhǎng)江沖淡水在夏季也可到達(dá)到東海東北部,對(duì)該地區(qū)的物質(zhì)組成及環(huán)境改變也產(chǎn)生一定的影響(韋欽勝等,2013; Gaoet al,2014,2015)。

圖1　東海北部海域兩次臺(tái)風(fēng)路徑(a)及采樣斷面站位(b)Fig.1　Two typhoons (Maemi and Choi-Wan) in the northern East China Sea (ESC) in 2003(a) the trajectory; (b) station and transects for observation

1.2　現(xiàn)場(chǎng)采樣與數(shù)據(jù)來(lái)源

2003年9月13日,即臺(tái)風(fēng)Maemi過(guò)境后第2天,開(kāi)始在東海北部外海開(kāi)展現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查。在臺(tái)風(fēng)Choi-Wan到來(lái)之前,已經(jīng)完成了 3個(gè)斷面的調(diào)查工作,其中13—14日及18日,對(duì)P斷面的4站進(jìn)行了重復(fù)采樣。19日上午Choi-Wan開(kāi)始影響該海區(qū),野外采樣工作暫時(shí)停止。在 22日下午風(fēng)力減小后,又對(duì)A、B兩個(gè)斷面進(jìn)行了第二次采樣,外海所有采樣工作于24日上午完成。具體每站的位置、采樣時(shí)間及水深等見(jiàn)表1?，F(xiàn)場(chǎng)采用 CTD(美國(guó) Sea-Bird)測(cè)量每個(gè)站位由表層到底層的溫度、鹽度及葉綠素?zé)晒獾葦?shù)據(jù)。臺(tái)風(fēng)前后每日 10m高度的風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)取自美國(guó)國(guó)家氣候數(shù)據(jù)中心(NCDC)下的混合海洋風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)庫(kù)。表層流場(chǎng)數(shù)據(jù)來(lái)源于 HYCOM 模型數(shù)據(jù)(Bleck,2002)。每日SST數(shù)據(jù)來(lái)源于全球海洋數(shù)據(jù)同化試驗(yàn)(GODAE)下的高分辨率海洋表層溫度試驗(yàn)項(xiàng)目(GHRSST-PP)提供的 L4產(chǎn)品。臺(tái)風(fēng)降雨量數(shù)據(jù)從TRMM 衛(wèi)星獲取。臺(tái)風(fēng)期間研究區(qū)域表層葉綠素a(chla)濃度數(shù)據(jù)來(lái)源于MODIS/Aqua衛(wèi)星提供的二級(jí)產(chǎn)品。初級(jí)生產(chǎn)力數(shù)據(jù)由NOAA CoastWatch提供,它依托VGPM模型(Behrenfeldet al,1997),將多種遙感數(shù)據(jù)結(jié)合,可以提供全球各海區(qū)初級(jí)生產(chǎn)力數(shù)據(jù)。受到臺(tái)風(fēng)期間云層遮擋較多影響,每日Chla及初級(jí)生產(chǎn)力數(shù)據(jù)質(zhì)量較差,本文一律采用了8天平均數(shù)據(jù)產(chǎn)品。

2　結(jié)果

2.1　兩次臺(tái)風(fēng)過(guò)境前后研究區(qū)域風(fēng)場(chǎng)及流場(chǎng)變化

臺(tái)風(fēng) Maemi過(guò)境前整個(gè)研究區(qū)域主要受東風(fēng)影響,最大風(fēng)速不超過(guò) 10m/s(圖 2a)。Maemi過(guò)境時(shí)產(chǎn)生了一個(gè)氣旋式風(fēng)場(chǎng),近臺(tái)風(fēng)中心最大風(fēng)速達(dá)到了45m/s左右,本次研究區(qū)域主要位于Maemi路徑右側(cè),受東南風(fēng)影響較大(圖2b)。由于Maemi移速較快,它對(duì)研究區(qū)域風(fēng)場(chǎng)影響時(shí)間較短,雖然 9月 14日研究區(qū)域以西風(fēng)為主,但風(fēng)速卻降到了5m/s左右; 18日風(fēng)速繼續(xù)降低,風(fēng)向變成以東風(fēng)為主(圖2c和d)。20日臺(tái)風(fēng) Choi-Wan到來(lái)后研究區(qū)域風(fēng)速開(kāi)始增強(qiáng),但 A斷面東西兩側(cè)風(fēng)向差別較大,其中東側(cè)以東南風(fēng)為主,而西側(cè)以卻東北風(fēng)為主(圖2e)。Choi-Wan過(guò)后風(fēng)速逐漸降到 10m/s左右,但風(fēng)向卻變?yōu)橐员憋L(fēng)為主,并且北風(fēng)持續(xù)了較長(zhǎng)時(shí)間(圖2f)。

風(fēng)場(chǎng)的改變?cè)谝欢ǔ潭壬弦灿绊懙搅肆鲌?chǎng)的分布,圖3為兩次臺(tái)風(fēng)前后研究區(qū)域表層流場(chǎng)變化。臺(tái)風(fēng) Maemi過(guò)境前該區(qū)域以向北流為主,除東南側(cè)幾站受黑潮影響水體流速較大外,其余大部分區(qū)域流速較低(圖 3a)。臺(tái)風(fēng) Maemi過(guò)境對(duì)研究區(qū)域整體流向改變較小,但受風(fēng)速加強(qiáng)的影響,流速增強(qiáng)(圖3b)。在Maemi過(guò)后表層流場(chǎng)恢復(fù)較快,比如P斷面附近流場(chǎng)在2天后就恢復(fù)到了臺(tái)風(fēng)前水平(圖3c)。

表1　東海北部海域各站現(xiàn)場(chǎng)采樣情況Tab. 1　In-situ measurements at different stations in the northern ECS during two typhoons

圖2　兩次臺(tái)風(fēng)過(guò)境前后東海風(fēng)場(chǎng)Fig. 2　The wind field before and after the two typhoon passages in the ECS

與Maemi不同,臺(tái)風(fēng)Choi-Wan過(guò)境對(duì)表層流向的改變較大。比如18日B斷面附近流向以向北為主,但在 Choi-Wan過(guò)境當(dāng)天流向迅速轉(zhuǎn)為以向西為主,特別是B4與 B5站之間的西向流尤為明顯(圖3d和e)。Choi-Wan后研究區(qū)域東北側(cè)流向轉(zhuǎn)為向南為主,而B(niǎo)4及B5站之間流向依舊以向西為主(3f)。與風(fēng)向變化相對(duì)應(yīng),Choi-Wan過(guò)境當(dāng)天A斷面兩側(cè)表層流向差別也較大,其中東側(cè)流向以向北為主,而西側(cè)卻以向南為主(圖 2e和 3e)。從圖 3也可以看出臺(tái)風(fēng)Choi-Wan過(guò)境使黑潮流向產(chǎn)生了一定程度的改變,其過(guò)境期間黑潮主軸向東偏移,但黑潮軸向的改變?cè)?天后就基本恢復(fù)到了臺(tái)風(fēng)前狀態(tài)(圖3e和f)。

圖3　東海北部海域兩次臺(tái)風(fēng)過(guò)境前后表層流場(chǎng)Fig.3　The surface flow field before and after the two typhoon passing over the northern ECS

2.2　臺(tái)風(fēng)Maemi過(guò)境后兩次采樣P斷面溫度與葉綠素?zé)晒庾兓?/h3>

臺(tái)風(fēng)Maemi在9月12日上午過(guò)境研究海區(qū),過(guò)境后對(duì)P斷面4站進(jìn)行了兩次采樣,具體各站采樣情況可見(jiàn)表1。研究區(qū)域最大水深位于東南側(cè)的A6站附近,深度達(dá)到了1100m左右,鑒于臺(tái)風(fēng)的影響深度有限,本研究只選擇海洋上層,即深度小于 200m的水層作為主要研究對(duì)象。從圖 4可以看出,臺(tái)風(fēng)Maemi后第二次采樣時(shí)P1及P2兩站測(cè)得的溫度與葉綠素?zé)晒庵蹬c第一次相比變化顯著。18日 P1及 P2表層溫度分別比臺(tái)風(fēng)后第一次采樣時(shí)增加了 1.4及1.0°C,熒光值則都減少了0.06mg/m3左右。兩次采樣P3及 P4站近表層溫度變化很小,熒光值雖有降低,但降低值較P1及P2要低得多(圖4)。

圖4　東海北部海域臺(tái)風(fēng)Maemi后P斷面兩次采樣各站上層水體溫度及葉綠素?zé)晒庵礔ig.4　Upper temperature and chlorophyll fluorescence of the stations in P transect after the typhoon Maemi passing across the northern ECS

13日P3站沒(méi)有發(fā)現(xiàn)溫躍層,而臺(tái)風(fēng)后第二次采樣在60m深度附近出現(xiàn)了溫躍層(圖4a和b)。同樣,臺(tái)風(fēng)后第一次采樣時(shí)各站次表層葉綠素最大值(SCM)所在水層葉綠素?zé)晒庵递^低,而5天后各站SCM出現(xiàn)水層葉綠素?zé)晒庵翟黾虞^多,特別是 P1站臺(tái)風(fēng)后第一次采樣時(shí)SCM在一定程度上被破壞,而18日在50m深度處出現(xiàn)了明顯的 SCM,現(xiàn)場(chǎng)測(cè)得的最大熒光值達(dá)到了 0.2mg/m3左右(圖 4d)。另外,各站 SCM出現(xiàn)位置在臺(tái)風(fēng)后第二次采樣時(shí)加深,并且厚度也有所增加(圖4d)。相比于中上層溫度及葉綠素?zé)晒庵档鹊妮^大變化,兩次采樣過(guò)程中大部分站位最下層參數(shù)變化并不明顯(圖4)。

2.3　臺(tái)風(fēng)Choi-Wan過(guò)境前后A、B斷面溫度與鹽度變化

圖5和圖6為臺(tái)風(fēng)Choi-Wan前后A、B斷面上層溫度與鹽度,從圖中可以發(fā)現(xiàn)臺(tái)風(fēng)過(guò)后研究區(qū)域各站溫度出現(xiàn)了不同程度的變化。除 A5、A6、B4及B5外,臺(tái)風(fēng)后A、B斷面其余各站上層水體溫度與臺(tái)風(fēng)前相比均出現(xiàn)下降,溫度下降的區(qū)域主要集中在東北側(cè)A1、A2、B1及B2附近,特別是B1站上層溫度在 Choi-Wan過(guò)后下降值超過(guò)了 2°C(圖 6b)。溫度增加的四個(gè)站位中,A5及A6站上層及B4站表層水體溫度增加值較低,而 B5站上層水體溫度在臺(tái)風(fēng)前基本低于 24°C,但在臺(tái)風(fēng)后卻超過(guò)了 26°C(圖6b)。臺(tái)風(fēng)前某些站位混合層內(nèi)水體溫度有一定差異,雖然臺(tái)風(fēng)后各站溫躍層深度變化不一,但 Choi-Wan過(guò)后A、B斷面溫躍層以上水體溫度基本都沿垂向遞減,混合層內(nèi)溫度差極小(圖5b和6b)。

臺(tái)風(fēng) Choi-Wan過(guò)后東北側(cè) A1、A2、B1及 B2站位上層鹽度出現(xiàn)一定程度降低,尤其是 A2站位表層鹽度下降明顯,其降低值接近了0.4(圖5d)。除這4站外,其余各站上層水體鹽度與臺(tái)風(fēng)前相比均有增加,特別是B5站位,臺(tái)風(fēng)前其表層鹽度值只有32.6,而臺(tái)風(fēng)后鹽度值超過(guò)了34(圖6c和d)。同溫度變化類(lèi)似,Choi-Wan過(guò)后雖然鹽躍層深度不一,但基本所有站位鹽躍層以上水體鹽度差變得很小(圖5d和6d)。

2.4　臺(tái)風(fēng)Choi-Wan過(guò)境前后A、B斷面葉綠素?zé)晒庾兓?/h3>

圖7為臺(tái)風(fēng)Choi-Wan前后A、B斷面葉綠素?zé)晒庾兓?。Choi-Wan過(guò)后A斷面南側(cè)3站上層葉綠素?zé)晒庵蹬c臺(tái)風(fēng)前相比出現(xiàn)降低,A5站降低尤為明顯,其值由臺(tái)風(fēng)前的 0.15mg/m3左右降到了臺(tái)風(fēng)后的0.05mg/m3以下(圖 7a和b)。北側(cè) 3站上層葉綠素?zé)晒庵翟谂_(tái)風(fēng)后出現(xiàn)一定程度增加,但增加值較小。B斷面外側(cè) 3站上層葉綠素?zé)晒庵翟谂_(tái)風(fēng)后出現(xiàn)不同程度的增加,而B(niǎo)4及B5兩站20 m以淺水層葉綠素?zé)晒庵翟谂_(tái)風(fēng)后大幅度降低,其中 B5站降低值最大達(dá)到了0.35mg/m3左右(圖7c和d)。臺(tái)風(fēng)后B4與B5兩站葉綠素?zé)晒廛S層不明顯,中上層葉綠素?zé)晒獬尸F(xiàn)出近垂直分布的特征(圖7d)。

與表層相比,臺(tái)風(fēng) Choi-Wan過(guò)境前后表層以下葉綠素?zé)晒庵档母淖兏@著(圖7)。A1到A4站SCM內(nèi)葉綠素?zé)晒庵翟谂_(tái)風(fēng)后均出現(xiàn)增加,其中臺(tái)風(fēng)前A4站SCM不明顯,而臺(tái)風(fēng)后在40m深度附近出現(xiàn)了明顯的 SCM,層內(nèi)葉綠素?zé)晒庵底畲筮_(dá)到了0.23mg/m3,與臺(tái)風(fēng)前相比增加了約 0.15mg/m3(圖7b)。B斷面B1站SCM深度在臺(tái)風(fēng)Choi-Wan后略有下降,葉綠素?zé)晒庵翟黾用黠@; B2站深度變化不大,層內(nèi)熒光值略有增加; 其余3站臺(tái)風(fēng)后SCM均不明顯(圖 7d)。

圖5　東海北部海域臺(tái)風(fēng)Choi-Wan過(guò)境前后A斷面各站上層水體溫度與鹽度Fig.5　Upper temperature and salinity of the stations in A transect before and after the typhoon Choi-Wan passing over the northern ECS

圖6　東海北部海域臺(tái)風(fēng)Choi-Wan過(guò)境前后B斷面各站上層水體溫度與鹽度Fig.6　Upper temperature and salinity of the stations in B transect before and after the typhoon Choi-Wan passing over in the northern ECS

2.5　兩次臺(tái)風(fēng)過(guò)境前后研究海區(qū) SST與表層 chla濃度變化

臺(tái)風(fēng)Maemi過(guò)境前整個(gè)采樣區(qū)域SST較高,最低也超過(guò)了 27.5°C(圖 8a)。9月12日Maemi過(guò)境后其路徑附近海區(qū) SST開(kāi)始下降,特別是西北側(cè)降溫較明顯,SST從之前的29°C迅速降到了26°C以下(圖8b)。之后幾天內(nèi)受臺(tái)風(fēng)影響較大的海區(qū)SST變化較小,離臺(tái)風(fēng)路徑較遠(yuǎn)海區(qū)的SST則緩慢恢復(fù)(圖8c)。9月20日臺(tái)風(fēng)Choi-Wan在研究區(qū)域東南過(guò)境,在其影響下研究海區(qū) SST又出現(xiàn)一次降低,但 Choi-Wan帶來(lái)的降溫幅度遠(yuǎn)低于Maemi(圖8d,e和f)。

對(duì)比衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)與現(xiàn)場(chǎng)采樣數(shù)據(jù),發(fā)現(xiàn)二者所反映的臺(tái)風(fēng)前后海區(qū)溫度變化趨勢(shì)較吻合(圖4,5,6和8)。臺(tái)風(fēng)Choi-Wan前采樣時(shí)B4及B5兩站上層海水溫度明顯低于其它各站,而從遙感圖像也可清晰地看到當(dāng)時(shí)B4及B5兩站SST大大低于其它站位(圖 8c)。同時(shí),臺(tái)風(fēng) Choi-Wan過(guò)后東北側(cè)研究區(qū)域SST與采樣前相比明顯降低,而B(niǎo)4及B5站附近海區(qū)SST卻出現(xiàn)增加(圖8c和f)。

由圖 9可以看出,臺(tái)風(fēng)過(guò)境前后海區(qū)表層 chla濃度出現(xiàn)了明顯的變化。首先,臺(tái)風(fēng)Maemi過(guò)后路徑附近海區(qū)表層 chla濃度比臺(tái)風(fēng)前顯著增加,特別是在降溫最明顯的采樣區(qū)域西北側(cè)海區(qū),chla濃度大于1mg/m3的海區(qū)面積增加明顯(圖9b,9c)。但在Maemi過(guò)境幾天后海區(qū)表層 chla濃度開(kāi)始降低(圖 9d),這與 P斷面兩次現(xiàn)場(chǎng)采樣獲得上層葉綠素?zé)晒庾兓厔?shì)較吻合(圖4)。其次,臺(tái)風(fēng)choi-Wan過(guò)后A斷面附近海區(qū)表層chla濃度整體變化不大,B斷面外側(cè)3站則略有增加,而B(niǎo)4及B5兩站表層Chla濃度明顯降低(圖9c,9d)。經(jīng)過(guò)對(duì)比,衛(wèi)星遙感觀測(cè)到的臺(tái)風(fēng)前后表層chla變化趨勢(shì)與現(xiàn)場(chǎng)測(cè)得的表層葉綠素?zé)晒庾兓厔?shì)也較吻合。

2.6　兩次臺(tái)風(fēng)過(guò)境前后研究海區(qū)初級(jí)生產(chǎn)力變化

同chla變化類(lèi)似,臺(tái)風(fēng)Maemi影響下研究海區(qū)初級(jí)生產(chǎn)力增加明顯,其中P斷面北側(cè),B斷面南側(cè)的Maemi路徑附近海區(qū)8天平均初級(jí)生產(chǎn)力由8月底的 1000mgC/(m2·d)左右增加到了臺(tái)風(fēng)期間的1450mgC/(m2·d),西北側(cè)高生產(chǎn)力海區(qū)范圍與臺(tái)風(fēng)前相比也大幅度擴(kuò)展(圖10a,b和c)。雖然臺(tái)風(fēng)Choi-Wan作用下研究海區(qū)初級(jí)生產(chǎn)力的增加程度不如 Maemi顯著,甚至高生產(chǎn)力水團(tuán)面積開(kāi)始縮小(圖10c,10d),但 Choi-Wan過(guò)后很長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)兩臺(tái)風(fēng)路徑之間海區(qū)8天平均初級(jí)生產(chǎn)力一直保持在 700mgC/(m2·d)以上(圖10d,e和f),而Maemi過(guò)境之前其值只有600mgC/(m2·d)左右(圖10a,10b),可見(jiàn)連續(xù)臺(tái)風(fēng)過(guò)境背景下初級(jí)生產(chǎn)力增加持續(xù)的時(shí)間較久。

圖8　東海北部海域兩次臺(tái)風(fēng)過(guò)境前后SST變化Fig.8　SST before and after the two typhoon passages in the northern ECS

圖9　東海北部海域兩次臺(tái)風(fēng)過(guò)境前后8天平均表層chl a濃度變化Fig.9　Eight-day averaged surface chl a concentrations before and after the two typhoon in the northern ECS注: 白色表示有云層遮擋

圖10　東海北部海域兩次臺(tái)風(fēng)過(guò)境前后8天平均初級(jí)生產(chǎn)力變化Fig.10　Eight-day averaged primary productivity before and after the two typhoon passages in the northern ECS注: 白色表示有云層遮擋

3　討論

3.1　臺(tái)風(fēng)作用下水體垂向混合過(guò)程加強(qiáng)

以往研究證明臺(tái)風(fēng)過(guò)境加快了海洋水體的垂向混合過(guò)程,下層冷水被帶到表層,使臺(tái)風(fēng)后SST降低,幅度一般為2—4°C,極端條件下可達(dá)到10°C (Linet al,2003; Tsenget al,2010; Chianget al,2011)。當(dāng)然,臺(tái)風(fēng)后不同海區(qū)間 SST的降低也有差別,其中溫躍層位置的深淺是影響臺(tái)風(fēng)后 SST響應(yīng)高低的重要因素,溫躍層位置越淺,下層低溫水越易被帶到表層,SST的降幅也越大(朱建榮等,1995a,1995b)。由于夏季整個(gè)東海溫躍層所在深度由西北向東南遞增(于洪華,1988),導(dǎo)致了Maemi影響下采樣區(qū)域西北側(cè)SST的降低更明顯(圖 7)。同時(shí),垂向混合加強(qiáng)也能將下層大量的營(yíng)養(yǎng)鹽帶到表層,促進(jìn)了臺(tái)風(fēng)后表層浮游植物的生長(zhǎng)(Linet al,2003; Zhenget al,2007;Siswantoet al,2009; Zhaoet al,2015)。本研究發(fā)現(xiàn)在SST降低較大的海區(qū),臺(tái)風(fēng)后表層葉綠素濃度增加也相對(duì)較多(圖 8和 9),這表明臺(tái)風(fēng)前海區(qū)躍層位置越淺,臺(tái)風(fēng)期間下層營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)越容易被帶到表層,臺(tái)風(fēng)后這些海區(qū)表層浮游植物的生物量也越容易出現(xiàn)增加。另外,也有學(xué)者認(rèn)為臺(tái)風(fēng)期間垂向混合過(guò)程的加強(qiáng)可以將下層浮游植物夾帶到表層,使臺(tái)風(fēng)后表層葉綠素濃度出現(xiàn)增加(Daviset al,2004; Walkeret al,2005; Yeet al,2013)。對(duì)比發(fā)現(xiàn)臺(tái)風(fēng)前后各站SCM基本都位于溫躍層,SST的降低證明溫躍層下部分水體通過(guò)上升流被夾帶到了表層,在此過(guò)程中 SCM 也可能被破壞,層內(nèi)部分浮游植物可以被帶到表層,下層浮游植物的補(bǔ)充對(duì)臺(tái)風(fēng)后表層葉綠素濃度的增加也有很大作用。臺(tái)風(fēng)后表層營(yíng)養(yǎng)鹽的增加以及下層浮游植物的向上夾帶共同促進(jìn)了臺(tái)風(fēng)后海區(qū)表層葉綠素濃度的升高,但要區(qū)分其這兩者各自的貢獻(xiàn)比例卻有很大難度。而且下層被夾帶上來(lái)的浮游植物并不能被算作新生產(chǎn)力,因此過(guò)往研究很可能高估了臺(tái)風(fēng)對(duì)海洋新生產(chǎn)力增加的貢獻(xiàn)。

臺(tái)風(fēng)Maemi后P斷面第二次采樣時(shí)部分站位溫躍層及 SCM 開(kāi)始變明顯,這些變化證明海區(qū)的水體結(jié)構(gòu)正在不斷恢復(fù)(圖 4)。但臺(tái)風(fēng)過(guò)后海區(qū)水環(huán)境的恢復(fù)往往需要一段時(shí)間(Babinet al,2004; Zhenget al,2007)。Maemi過(guò)境一周后Choi-Wan就開(kāi)始影響該海區(qū)(圖1),雖然臺(tái)風(fēng)Choi-Wan在很大程度上提高了研究海區(qū)上層水體的混合程度,并且也延長(zhǎng)了初級(jí)生產(chǎn)力增加持續(xù)的時(shí)間,但在其過(guò)后海區(qū) SST的降低及表層葉綠素濃度的增加程度均不如Maemi明顯(圖5和6)。Choi-Wan過(guò)后上層水體的這種變化與Maemi有很大關(guān)系,Maemi過(guò)境使研究區(qū)域上層水體混合較均勻,水體穩(wěn)定性減弱,更利于后面的 Choi-Wan對(duì)上層海水進(jìn)行垂向混合。但也是因?yàn)?Maemi之前的混合作用,減小了上下水環(huán)境的差異,阻礙Choi-Wan對(duì)SST及表層葉綠素濃度產(chǎn)生較大的改變。在墨西哥灣,Babin等(2004)同樣發(fā)現(xiàn)在連續(xù)兩個(gè)臺(tái)風(fēng)過(guò)境時(shí),后續(xù)臺(tái)風(fēng)對(duì)海區(qū) SST及表層葉綠素的改變程度要比前一個(gè)臺(tái)風(fēng)低得多。當(dāng)然,Choi-Wan對(duì)表層水環(huán)境影響較小也與其強(qiáng)度低以及路徑離研究區(qū)域較遠(yuǎn)等因素有一定關(guān)系。由于兩次臺(tái)風(fēng)過(guò)境間隔時(shí)間較短,Choi-Wan過(guò)境時(shí)Maemi的影響仍然存在,依靠現(xiàn)有數(shù)據(jù)很難甄別和界定這兩次臺(tái)風(fēng)在研究海區(qū)水環(huán)境改變及初級(jí)生產(chǎn)力增加中各自的貢獻(xiàn),但該方面研究有利于進(jìn)一步認(rèn)識(shí)連續(xù)臺(tái)風(fēng)的影響,在今后值得繼續(xù)關(guān)注。

3.2　臺(tái)風(fēng)作用下水體平流輸運(yùn)改變

Choi-Wan過(guò)后東北側(cè)的A1、A2、B1及B2站位水體混合層內(nèi)鹽度均降低(圖5和 6)。以往研究認(rèn)為臺(tái)風(fēng)降水是臺(tái)風(fēng)后混合層內(nèi)鹽度降低的主要原因(Liuet al,2014; Shanet al,2014)。但根據(jù)衛(wèi)星遙感觀測(cè)發(fā)現(xiàn)臺(tái)風(fēng) Choi-Wan影響期間路徑右側(cè)降雨明顯,而鹽度降低的區(qū)域并沒(méi)有降雨發(fā)生(圖11)。同時(shí),臺(tái)風(fēng)后這四站混合層內(nèi)水體溫度均出現(xiàn)降低,證明臺(tái)風(fēng)產(chǎn)生的垂向混合作用很可能將下層水體夾帶到了上層(圖5和6)。在沒(méi)有降雨而且下層水上涌的前提下,臺(tái)風(fēng)后上層水體鹽度理應(yīng)出現(xiàn)增加(Wuet al,2012; Liuet al,2014)。另外,臺(tái)風(fēng)Choi-Wan影響下A5及A6站上層水體雖然混合加強(qiáng),但混合層內(nèi)水體溫度卻略有增加; 臺(tái)風(fēng)后 B5站溫度與鹽度都大幅度增加(圖5和6)。這些發(fā)現(xiàn)與以前的研究結(jié)論存在很大差異,經(jīng)過(guò)分析,以上異常現(xiàn)象的出現(xiàn)均與臺(tái)風(fēng)Choi-Wan過(guò)后海區(qū)平流輸運(yùn)的改變有很大關(guān)系。

圖 3表明臺(tái)風(fēng)對(duì)東海北部表層流場(chǎng)的改變有很大作用。臺(tái)風(fēng)Choi-Wan過(guò)后東北側(cè)采樣區(qū)域不斷受到北部低溫低鹽水入侵的影響,導(dǎo)致這個(gè)區(qū)域各站上層溫度與鹽度與臺(tái)風(fēng)前相比均有所下降(圖5和6)。而Choi-Wan過(guò)后B4與B5之間的西向流持續(xù)了較長(zhǎng)時(shí)間,B5站水體逐漸被東側(cè)水體替代,使 Choi-Wan過(guò)后B5站混合層內(nèi)溫度及鹽度與之前相比皆大幅度增加,并且與臺(tái)風(fēng)前 B4站上層溫度及鹽度基本相同(圖6)。臺(tái)風(fēng)Choi-Wan過(guò)境使黑潮主軸向東偏移,但它很快又恢復(fù)到臺(tái)風(fēng)前水平(圖 3)。在黑潮軸向恢復(fù)的過(guò)程中東南側(cè)海區(qū)部分高溫高鹽水很可能被帶到A5及A6站附近,使臺(tái)風(fēng)后這兩站上層溫度與鹽度與臺(tái)風(fēng)前相比均有所增加(圖5)。

圖11　臺(tái)風(fēng)Choi-Wan過(guò)境前后3天累計(jì)降雨量Fig.11　Three-day accumulated rainfall before and after the typhoon Choi-Wan

同時(shí),海洋浮游植物的分布也會(huì)受到平流輸運(yùn)的影響(Chenet al,2012; Zhaoet al,2014)。臺(tái)風(fēng)Choi-Wan過(guò)后A5及A6站附近水體受垂向混合加強(qiáng)的影響,上層葉綠素?zé)晒獬蚀怪狈植?但由于東南低生產(chǎn)力水團(tuán)的侵入,上層葉綠素?zé)晒庵递^臺(tái)風(fēng)前降低(圖7a和b)。同樣,東北側(cè)研究區(qū)域受到北部近岸高生產(chǎn)力水團(tuán)影響,臺(tái)風(fēng)后上層葉綠素?zé)晒庵瞪?圖7b和d)。而B(niǎo)4及B5兩站附近水體先受到垂向混合作用影響,后又受到東側(cè)較低生產(chǎn)力水團(tuán)影響,導(dǎo)致上層葉綠素?zé)晒庵党尸F(xiàn)垂直分布,但其值較臺(tái)風(fēng)前降低較多(圖7c和d)。以上這些變化提醒我們?cè)谘芯颗_(tái)風(fēng)對(duì)海洋環(huán)境的影響時(shí),不但要考慮垂向混合過(guò)程加強(qiáng)的貢獻(xiàn),同時(shí)也要考慮平流輸運(yùn)改變的作用,它在較大程度上也會(huì)改變臺(tái)風(fēng)后海洋上層水環(huán)境以及初級(jí)生產(chǎn)力的分布特征。

3.3　臺(tái)風(fēng)對(duì)海洋表層以下浮游植物生長(zhǎng)的影響

臺(tái)風(fēng)作用下垂向混合過(guò)程的加強(qiáng)不僅可以改變表層水體的溫度、鹽度、營(yíng)養(yǎng)鹽及初級(jí)生產(chǎn)力水平,同時(shí)對(duì)表層以下水體理化結(jié)構(gòu)的改變及生物的生長(zhǎng)也會(huì)產(chǎn)生重要的影響(Shiahet al,2000; Chunget al,2012; Yeet al,2013)。但因?yàn)榕_(tái)風(fēng)期間外海采樣較困難,有關(guān)臺(tái)風(fēng)后外海表層以下浮游植物生長(zhǎng)變化的研究并不多見(jiàn)。在東海內(nèi)陸架,Li等(2013)發(fā)現(xiàn)臺(tái)風(fēng)過(guò)后除近岸表層站位外,整個(gè)斷面葉綠素濃度大幅度下降。而在南海北部,Ye等(2013)在調(diào)查時(shí)發(fā)現(xiàn)臺(tái)風(fēng)過(guò)后南海次表層葉綠素增長(zhǎng)及高葉綠素濃度存在的時(shí)間均明顯高于表層。本研究根據(jù)臺(tái)風(fēng)前后現(xiàn)場(chǎng)測(cè)得葉綠素?zé)晒鈹?shù)據(jù),發(fā)現(xiàn)與表層相比,臺(tái)風(fēng)過(guò)境對(duì)東海北部外海海表以下浮游植物生長(zhǎng)的影響更為顯著(圖 4和圖 7)。

臺(tái)風(fēng)Maemi過(guò)境兩天后P斷面各站SCM不明顯,而第二次采樣時(shí)各站SCM開(kāi)始變明顯,特別是P1站SCM 內(nèi)葉綠素?zé)晒庵翟黾语@著(圖 4d)。這種變化與臺(tái)風(fēng)期間垂向混合過(guò)程的改變有直接關(guān)系,臺(tái)風(fēng)過(guò)境期間上層水體垂向混合加強(qiáng),上下水團(tuán)在混合的過(guò)程中對(duì)SCM產(chǎn)生了很大的破壞,SCM內(nèi)浮游植物被夾帶到表層或更深水層,使臺(tái)風(fēng)剛過(guò)后海洋 SCM變得不明顯(圖4c)。臺(tái)風(fēng)過(guò)境幾天后水動(dòng)力過(guò)程減弱,再加上下層營(yíng)養(yǎng)鹽的補(bǔ)充以及臺(tái)風(fēng)后天氣晴朗,次表層浮游植物生長(zhǎng)加快,SCM再次出現(xiàn),內(nèi)部的生物量甚至遠(yuǎn)高于臺(tái)風(fēng)前水平(Yeet al,2013)。因?yàn)闆](méi)有連續(xù)觀測(cè),臺(tái)風(fēng)后東海次表層浮游植物生物量增加持續(xù)的時(shí)間在本研究中沒(méi)有涉及,但鑒于臺(tái)風(fēng)后海表以下葉綠素變化較為顯著,今后有必要進(jìn)一步加強(qiáng)該方面的研究。

4　結(jié)論

連續(xù)兩個(gè)臺(tái)風(fēng)過(guò)境期間,東海北部外海水環(huán)境一直處于不穩(wěn)定的狀態(tài)。首先,臺(tái)風(fēng) Maemi(0314)過(guò)境加強(qiáng)了垂向混合過(guò)程,使海區(qū) SST在臺(tái)風(fēng)后顯著下降,而初級(jí)生產(chǎn)力增加。雖然后面臺(tái)風(fēng)Choi-Wan(0315)強(qiáng)度較低,但由于Maemi過(guò)境破壞了上層水體的穩(wěn)定性,使之更容易對(duì)海區(qū)水體產(chǎn)生垂向混合作用,Choi-Wan過(guò)后海區(qū)上層水體混合程度進(jìn)一步加強(qiáng),并且初級(jí)生產(chǎn)力在長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)高于臺(tái)風(fēng)前水平。但也是由于Maemi的影響,臺(tái)風(fēng)Choi-Wan過(guò)后海區(qū) SST的下降以及初級(jí)生產(chǎn)力的增加較為有限。Choi-Wan對(duì)海區(qū)上層水體平流輸運(yùn)方向的改變較大,受此影響部分海區(qū)上層水環(huán)境及初級(jí)生產(chǎn)力分布出現(xiàn)了特殊的變化。

另外,與臺(tái)風(fēng)后表層葉綠素變化相比,臺(tái)風(fēng)對(duì)次表層葉綠素濃度的改變程度更大。臺(tái)風(fēng)過(guò)境期間垂向混合過(guò)程的加強(qiáng)對(duì)東海 SCM 有較大的破壞作用,部分海區(qū) SCM 在臺(tái)風(fēng)后變得不明顯,但隨著后面水環(huán)境的穩(wěn)定以及下層營(yíng)養(yǎng)鹽的補(bǔ)充,SCM重新出現(xiàn),并且層內(nèi)葉綠素濃度明顯高于臺(tái)風(fēng)前。臺(tái)風(fēng)期間 SCM內(nèi)的浮游植物在垂向混合加強(qiáng)的過(guò)程中也可以被帶到表層,同樣可以促進(jìn)臺(tái)風(fēng)后表層葉綠素濃度的增加,但通過(guò)這個(gè)過(guò)程增加的生產(chǎn)力實(shí)際上不能被算作新生產(chǎn)力,過(guò)往研究很可能高估了臺(tái)風(fēng)對(duì)海洋新生產(chǎn)力的貢獻(xiàn)。

致謝感謝東方紅 2號(hào)科考船全體科研人員以及相關(guān)數(shù)據(jù)網(wǎng)站對(duì)本研究的支持。

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