副热带海区浮游植物对海洋环流与气候的影响

【摘要】海洋上层浮游植物的生长繁殖一方面受到局地海洋环境因素的限制，另一方面也能反过来影响到上层海洋的物理环境。浮游植物影响海洋物理环境的途径主要是调节海水温度、改变海洋的热动力学状态，进而波及到海洋环流与气候。假设某海区海洋上层浮游植物量较多，则在海洋上层被浮游植物用来进行光合作用的太阳辐射能就较多，相应的能到达海洋深层、未被光合作用所利用的太阳辐射能就较少。因此海洋上层浮游植物的含量决定着太阳辐射能在海水中的垂向分配比例，这一比例对海洋的温度状况有着重大的影响。全球大洋不同区域浮游植物量差异很大，且随着季节的推移周期性的繁殖和衰亡，近年来卫星遥感技术的发展让人们可以从全球尺度上了解浮游植物的季节性变化，为浮游植物在海洋和气候系统中的作用的研究提供了广阔的平台，然而前人的研究大多数集中于热带海区，副热带海区浮游植物对于海洋环流和气候的影响鲜有涉及。本文围绕副热带海区浮游植物对海洋环流与气候的影响这一关键科学问题，基于海气耦合模式FastOceanAtmosphereModel(FOAM)和Sea-viewingWideField-of-viewSensor(SeaWIFS)叶绿素浓度卫星遥感资料，通过对两组采用不同的短波辐射参数化方案的模拟结果进行比较，在多时间尺度上系统分析了北太平洋和北大西洋海洋环流与气候变率的响应及其影响机制。在北太平洋，研究发现在季节尺度上，浮游植物有效的缩小了海表面温度年循环的振幅，夏季使海表面降温，冬季使海表面升温。夏季降温效应来自于夏季浮游植物处于衰亡期，数量较少，更多的太阳辐射能穿过混合层底，进入了季节性温跃层，混合层增温率降低。冬季升温效应来自于混合层的加深以及垂向混合作用的增强使得夏季存储在季节性温跃层内的热量重新进入混合层，混合层降温率降低。浮游植物间接影响中纬度大气环流，夏季海表面温度降低，中纬度大气下沉运动增强，对流层低层产生高压脊，对流层高层产生低压槽，激发斜压的大气响应。冬季海表面温度升高，中纬度大气下沉运动减弱，对流层低层产生低压槽，对流层高层产生高压脊，但是冬季大气中的涡旋混合作用增强，使得对流层高层的高压异常消失，激发正压的大气响应。浮游植物也间接影响中纬度云量，对流降雨以及风生大洋环流。夏季低云云量增多，对流降雨减少，冬季低云云量减少，对流降雨增多。在全年副热带大洋环流均增强。研究发现在年代际尺度上，浮游植物通过影响上层海洋的温度会导致北太平洋年代际涛动(PDO)的振幅减弱，振荡周期缩短。通过对北太平洋海表面温度、大气500mb位势高度、上400m海洋热含量以及风场的经验正交分解及奇异值分解发现，各要素年代际振荡振幅均有一定程度的减弱。北太平洋年代际涛动周期的缩短来自于上层海洋温度的变化导致40m深度以下海洋层结加强，斜压罗斯贝波加速，其跨越北太平洋海盆的平均时间缩短，温跃层调整过程加速，最终北太平洋年代际涛动周期缩短。在北大西洋，研究发现在季节尺度上，浮游植物有效的缩小了海表面温度年循环的振幅，影响大气环流及降雨。机制与北太平洋类似。在年际尺度上，北大西洋副热带风生环流和经向翻转流均加强。就年平均值而言，副热带海表面温度降低，副极地海表面温度升高，降温在副热带激发反气旋式风场，风应力旋度的变化导致副热带环流加强。对于北大西洋经向翻转流，一方面，浮游植物通过将混合层内的热量分配到季节性温跃层，使得整个北大西洋上层海洋的温度升高，另一方面，副极地海表面温度升高导致蒸发增强，表层淡水通量的变化使得副极地海区的盐度升高，在温盐变化的共同影响下，副极地海区海水密度增大，副热带海区海水密度减小，经向密度梯度增大，北大西洋经向翻转流增强。同时，密度的变化使得副极地海区海洋层化变弱，有利于表层海水的下沉运动，进一步促进了北大西洋经向翻转流的增强。研究发现在多年代际尺度上，浮游植物导致北大西洋多年代际振荡(AMO)的振幅减弱，振荡周期缩短。通过对北大西洋海表面温度、大气500mb位势高度、降雨与北大西洋经向翻转流的奇异值分解发现，北大西洋多年代际振荡与经向翻转流的强度有个很好的正相关关系，当经向翻转流处于较强状态时，湾流、亚述尔海流及北大西洋流向高纬度的热量输送增多，北大西洋表层温度偏高。反之亦然。浮游植物使得上层海洋的温度和副极地海区淡水通量的多年代际变化减弱，副极地和副热带海区经向密度梯度的多年代际变化振幅减弱，振荡周期缩短，导致北大西洋经向翻转流的多年代际变化振幅减弱，振荡周期缩短，继而影响北大西洋多年代际振荡。
【作者】梁曦；
【导师】吴立新；
【作者基本信息】中国海洋大学，物理海洋学，2014，博士
【关键词】浮游植物；副热带海区；海洋环流；气候；

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