厦门大学光学海洋学等研究团队在Nature Communications发文揭示海洋最大规模的高叶绿素舌正在向西扩张

科研进展

RESEARCH PROGRESS

近日，厦门大学海洋与地球学院光学海洋学团队联合海洋碳循环、动力海洋学及海洋环境生态学团队以“Ocean’s largest chlorophyll-rich tongue is extending westward (2002-2022)”为题，在Nature Communications期刊发表最新研究结果。该研究基于MODIS-Aqua卫星的叶绿素观测数据，揭示了赤道太平洋高叶绿素舌（CRT）在2002-2022年期间呈现向西扩张的趋势。这一时期太平洋年代际涛动（PDO）持续处于负相位，CRT的西向扩张很大程度上是气候系统内部自然变率(internal variability) 的生态响应。该发现表明，赤道太平洋富含浮游植物的表层水体覆盖范围变得更广，对热带生态系统以及热带太平洋乃至全球气候可能产生显著影响。

研究背景

由于上升流导致的富含营养盐和CO2的海水上涌，赤道太平洋是海洋最大的大气CO2来源，同时也维持了全球海洋18%的新生产力。信风驱动的上升流带来了利于浮游植物生长的营养条件，在赤道太平洋地区形成了从秘鲁东岸向西延伸至180°W的高叶绿素舌（CRT）。CRT的强度和范围随季节和年份而变化，其年际变化主要受厄尔尼诺-南方涛动（ENSO）影响。过去的观测研究表明，赤道太平洋地区大气海洋环流和生态系统受气候变化影响显著，而CRT的长期变化尚不清楚。尤其是考虑到过去20年里，受到全球变暖的影响，位于CRT南北两侧的低生产力副热带流涡区正在不断扩张，CRT是否会不可避免地缩小？

研究结果

该研究使用20年（2002年8月-2022年7月）的卫星观测月平均叶绿素数据，以0.1 mg/m3定义赤道太平洋CRT边界（图1），得到了20年时间长度的CRT面积时间序列（图2a）。使用经验模态分解（EMD），得到了CRT时间序列的季节分量（图2b）、年际分量（图2c）以及长期趋势（图2d）。

图1.（a）赤道太平洋高叶绿素舌示意图；

（b）海表流场空间分布

图2.高叶绿素舌（CRT）面积时间序列的EMD分解。（a）20年时间长度的CRT面积时间序列（黑色实线）以及线性拟合趋势（红色实线）；CRT时间序列的（b）季节分量、（c）年际分量以及（d）长期趋势分量。

CRT时间序列的季节分量显示了其在1月、5-6月有最大值，在10-11月达到最小值（图2b），与已知的赤道太平洋流系的季节周期一致。年际分量是CRT面积的主要组分，其与表征ENSO强度的MEI指数呈显著负相关(R = -0.65, P < 0.01) (图2c)，这一结果与过去的研究一致，表明CRT的年际变率主要受ENSO影响。例如，2016年强厄尔尼诺事件发生时，热带西太平洋异常西风抑制了高营养盐海水的西向平流，削弱了赤道上升流强度，导致CRT面积的显著减小(图2c)。CRT的长期趋势分量表明在2002年至2022年间，CRT呈显著扩张趋势，平均速率为1.87 (±0.82)×105 km2/yr。对CRT的边界位置时间序列做相同的EMD分析，结果表明CRT的扩张主要以西向扩张为主。

由于信风驱动着赤道上升流以及富营养盐水体的西向平流，因此将EMD应用于赤道太平洋平均纬向风速和海表流速（图3）。结果表明，2002年至2022年间赤道太平洋东风在增强，可能导致更强的向西的海表平流，部分解释了CRT的西向扩张。进一步估算了赤道太平洋海表艾克曼辐散及上升流强度变化，结果同样显示上升流强度在过去20年里呈增强趋势。综上所述，赤道太平洋增强的东风导致了更强的西向平流和上升流，为CRT的西向扩张提供了合理的解释。

图3.赤道太平洋平均

（a）纬向风速和（b）南赤道流强度

考虑到在研究时间周期2002-2022年内，PDO几乎一直处于负相，EMD检测到的长期趋势可能包含更低频的变化信号。为了探究CRT的低频变化与PDO的潜在联系，将CRT时间序列对称外推至边界外，得到了比原始时间序列5倍长的新时间序列（图4a）。将EMD方法应用于新时间序列，分离得到CRT面积时间序列的年代际分量（图4b）以及长期趋势项（图4c）。CRT面积的年代际分量与PDO指数呈显著负相关，且长期趋势项相较于原始时间序列的分解呈现出更弱的扩张，这表明原始时间序列分解得到的长期扩张趋势很大程度上包含了年代际信号。因此，从2002年至2022年观测到的CRT西向扩张很大程度上是与PDO紧密相关的自然变率的一部分。

图4.CRT面积扩展时间序列的分解。

（a）边界对称扩展的CRT面积时间序列；EMD分解得到的CRT面积（b）年代际分量和（c）长期趋势分量。

研究团队及资助

该论文共同第一作者为2020级博士生彭帅星和余小龙副教授，通讯作者为商少凌教授，共同作者包括李忠平、林宏阳、柳欣与戴民汉教授。该研究获得国家重点研发计划项目（2022YFB3901703, 2022YFC3104903）与国家自然科学基金项目（42430107, 41890803 和 42250710150）的联合资助。

论文来源及链接

Peng, S.#, Yu, X.#, Lee, Z., Lin H., Liu X., Dai M., Shang S.*. Ocean’s largest chlorophyll-rich tongue is extending westward (2002–2022). Nature Communications16, 103 (2025).

https://doi.org/10.1038/s41467-024-55650-8

• 信息来源：厦门大学海洋与地球学院。

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