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GEOPHYSICAL RESEARCH LETTERS, VOL. 30, NO. 17, 1912, doi:10.1029/2003GL017982, 2003

利用温度-硝酸盐关系对新生产力进行估算的季节性限制

Stephanie A. Henson,¹ Richard Sanders,² John T. Allen,² Ian S. Robinson,¹ and Louise Brown²

Received 17 June 2003; accepted 7 August 2003; published 13 September 2003.

1. 最近，海洋表面温度与主要无机营养物质浓度之间的反向关系被利用来估计来自遥感数据的新产量。在2001/2年连续四个季节在Irminger盆地收集的原位表面数据，可以对温度-硝酸盐关系背后的概念过程进行有力的检验。这些数据证实了一个简单的温度-硝酸盐关系的模型。在两个冬季数据组中都发现了温度和硝酸盐之间的强逆相关关系，但在春季或夏季没有发现相关性。此外，对两个冬季数据集来说，温度-硝酸盐回归的斜率是不同的。这一结果对利用温度-硝酸盐关系在高纬度地区从卫星海面温度测量中得出新的产量估计有影响。然而，这些数据可以通过利用Argo浮标数据，对该地区的新生产进行简单、低限制的估计。索引术语:4845海洋学:生物和化学:营养和营养循环;4805海洋学:生物和化学:生物地球化学循环(1615);4227海洋学:一般:日、季、年周期;4572海洋学:物理:海洋上层过程;关键词:温度-硝酸盐关系，季节变化，Irminger盆地，新生产力估算。引用: Henson,S. A., R. Sanders, J. T. Allen, I. S. Robinson, and L. Brown,Seasonal constraints on the estimation of new production from space using temperature-nitrate relationships, Geophys. Res. Lett., 30(17), 1912, doi:10.1029/2003GL017982, 2003.

介绍

1. 出口生产量是指从地表水到海洋内部的生物源物质的通量，通常被认为是来自于新而非循环的营养物质进入透光层的产物。估计这种通量的大小和季节性变化对于理解生物碳泵的控制和强度以及它对大气中的二氧化碳水平的影响是至关重要的，[Eppley and Peterson, 1979]。基于船舶的观测，例如新的生产测量和营养浓度的变化，都不可避免地缺少在较宽的地区或长时间内取样的能力。由于这个原因，人们的注意力主要集中在使用遥感技术来估计新生产力上。

1School of Ocean and Earth Science, Southampton Oceanography Centre, European Way, Southampton, UK.

2George Deacon Division for Ocean Processes, Southampton Oceano-

graphy Centre, European Way, Southampton, UK.

Copyright 2003 by the American Geophysical Union. 0094-8276/03/2003GL017982$05.00

一种方法是利用广泛报道的海面温度（SST）与硝酸盐，磷酸盐和硅酸盐浓度之间的负相关性 [e.g., Sathyendranath et al., 1991; Morin et al., 1993; Minas and Codispoti, 1993; Chavez et al., 1996; Goes et al., 2000]. 这一相关性反映了寒冷、营养丰富的水与透光区水的混合，其中的营养盐随着经过太阳加热后游植物生长季节的开始而耗尽。尽管温度-硝酸盐(TN)关系的斜率随着位置和季节的变化而变化，但这种相关性的明显的一致性使得通过卫星SST测量得到的地表硝酸盐的大规模估计的可能性得以确定。[见于 Kamykowski et al., 2002 and references therein]. 反之，估计f比，之后的新生产将能由此计算得出。 [Sathyendranath et al., 1991; Dugdale et al., 1997; Alvarez-Salgado et al., 2002].

确定特定位置的TN回归的参数，必然要求大量的原位测量。以前的作者都倾向于从一个地区获取所有可用的巡航数据，不管季节如何。尽管季节性和年际变化对TN关系的可能影响已经得到承认。[Pastuszak et al., 1982; Sathyendranath et al., 1991; Minas and Minas, 1992; Gong et al., 1995], 人们很少注意到这种变化的原因和后果。在本研究中，我们使用了来自于同一地区(包括重复的冬季调查)的四次连续巡航的独特数据，来探索在北大西洋高纬度地区的TN关系的季节性和年际变化，在那里，出口生产量被认为是高的。 [e.g., Laws et al., 2000].

方法

1. 海洋生产力计划的目标是研究控制浮游动物的物理因素(http://www.nerc.ac.uk/marprod)。作为该计划的一部分，我们进行了四次对Irminger盆地的航行:两个早期的冬季巡航(2001年11月- 12月和2002年)，一次开花季的春季巡航(2002年4月- 5月)和一次开花后的夏季巡航(2002年7月- 8月)。图1显示了研究区域和数据点的位置。应该指出的是，几个数据点落在了Irminger盆地的外面，这个位于盆地中被称为Reykjanes山脊的西面。删除这些数据点对结果没有什么影响，因此它们被包括在分析中。这项研究使用了每个CTD铸件的表面瓶的营养数据，除了2001年冬季的航行外，每隔4个小时从深度为5米的温盐仪连续传回表面营养盐采样数据。

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OCE 10 - 2 HENSON ET AL.: SEASONAL CONSTRAINTS ON THE ESTIMATION OF NEW PRODUCTION

Figure 1.研究区域以及数据位置.

通过常规比色法（减少镉）使用Skalar San Plus自动分析仪[Kirkwood，1995]测定硝酸盐的浓度。 在持续的海上航行中SST数据通过Surfmet系统记录。 用于收集和分析样品的方案对于所有四次巡航都是相同的[Pollard et al。，2002; Richards等人，2002; Brierley等，2003; Allen等人，2003]。 共使用了480个优质温度/硝酸盐对.

结果与讨论

1. 对包含来自所有四次航行的数据的TN图进行线性拟合的结果 r²为0.71; 文献报道的TN关系通常. r²gt; 0.85。 为了理解这种有点令人失望的结果，考虑了TN关系下的生物物理过程。
2. 虽然在硝酸盐和温度之间有很强的反比关系，但两者之间的相关性是间接的。营养物和叶绿素浓度的年循环模型在高纬度地区都表现出强烈的季节性，其特征是春天开花期间浮游植物生长会有短暂爆发。在传统的年度养分循环中冬季风驱动冷却和深对流混合的模型会使表层温度偏低，但在冬季结束时表层营养水平较高。由于低的光照和持续的混合，生物对营养物的利用很低，直到春季，由于光照增加和风应力的降低导致了生物生产的增强和养分的快速消耗。

在开花后的夏季，营养物质已经被浮游植物从表层水体中吸收走，而SST则处于峰值。随着秋季和初冬的太阳热的减少，虽然营养丰富的水被带到表面，但是浮游植物却不能利用它。因此，这是一年中唯一的时间，硝酸盐和温度是守恒的，一个线性的TN关系是可以预期的。在一年的其他时间，营养成分的生物消耗会使假设的SST与硝酸盐的线性变化失效。

1. ]图2显示了TN关系中年度周期的概念模型(在Minas和Minas[1992]有详细的介绍)。点A代表开花后的夏季，温度高，硝酸盐浓度低。B点是较晚的冬季/预开花前的春季，大规模养分吸收开始，并与低温和高硝酸盐浓度有关。点A和B代表在秋季和初冬发生的对流翻转的混合的最终结果。从B点到A的返回路径发生在生长季节，可以遵循两条路线中的一条。如果生物利用硝酸盐的速度比通过太阳能加热的SST增加的速度快，那么则出现路径1的情况。这种情况在高纬度地区是典型的快速增长的。或者，如果SST的增加比生物对硝酸盐的吸收速度快，那么路径2的情况将发生。这种情况可能发生在快速加热的地区，例如西北印度洋。.

为了调查数据的季节性，每个季节都制作了TN图，并在四个数据集上分别进行了线性回归（图3）。如 r²值（分别为0.07和0.22）所示， 春季和夏季巡航TN图显示几乎没有相关性。 然而，两个冬季资料集显示出温度与硝酸盐之间强烈的负相关关系（ r² = 0.82和0.84，分别为2001年和2002年的冬季）。 图4显示了2001年冬，2002年春季和2002年夏季巡航的连续数据。实线AB是2001年冬季巡航数据集的冬季混合线。 虚线表示从B点到A点的返回路径。夏末和早春的数据分别位于A点和B点附近。 大部分分布位于冬季线以下，表明2002年春季开花沿着路径1行进。

Figure 2. 理想状态下的TN循环周期. 点A代表开花后的夏季，点B代表开花前的春天.。路径1和路径2时两个可能出现的快速增长的情况。 更多说明可见本文。

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Figure 3. （a）2001年冬季的TN关系图

—

N = 23.71 1.53(T), r² = 0.82; (b) 2002春季 和 (c)

2002夏季 回归关系 没有显示因为其没有什么明显的关系表现出来; (d) 2002冬季 N = 16.27-0.84(T), r2 = 0.84.

因此在Irminger盆地中，由于表面加热生物利用率的上升速度要快于SST的增加。 有一个有趣的推测是，如果由于太阳能加热引起的分层并不能促使春季爆发的产生，那么其他一些因素也可能是造成这种情况的原因。 最有可能的是日增长。 在这个地区春季爆发的影响因素是光照而不是层次化吗?

1. 2002年冬季巡航的数据（为了清楚起见未在图4中显示）与在2002年从夏季的高温低硝酸盐状况转换到低温高硝酸盐的冬季状况的过程是一致。 2002年冬季的数据与2001年冬季的营养盐消耗量相同（A点），证实了TN关系的周期性。然而，两个冬季数据集有不同的斜率（图3）。 2002年冬季的斜率低于2001年的冬季，这意味着2002年初冬混合层较浅，因此较少的硝酸盐混入表层水中。 Waniek [2003]提出，冬季气象条件会影响冬季混合层的深度，从而影响冬季营养水平。冬季的暴风雪可能会导致更深的混合层和增加的营养供应，从而影响春季爆发的幅度和持续时间。与2001年相比，2002年秋季可能保持相对温暖和平静，导致早期冬季迅游时表层水中的硝酸盐浓度较低。 J. Olafsson [冰岛大学， comm。]报道，Irminger盆地11月份的混合层深度（MLD）在2002年的确比2001年的浅，而2002年的冬季特别温和。然而，Olafsson [2003]也指出，在Irminger盆地，较浅（较深）的冬季混合层不一定与减少（增强）的冬季硝酸盐浓度一致。另外，表面硝酸盐浓度的差异可能反映了次混合层水团的组成变化.
2. Irminger盆地TN关系的变化可能反映了季节性周期，在高纬度地区比在低纬度地区更为明显。

本区域TN关系的季节性和年际的变化表明在汇总来自几个不同季节和年份的卫星SST数据来计算估算新产量值时需要谨慎注意。 好消息是，我们已经定义了季节性的时间范围，在此期间，温度和硝酸盐之间存在一种机械式的关系，因此TN关系被认为是线性的，并且可以用来通过卫星SST数据计算获得初级生产量。

1. 尽管Irminger盆地可能不适合利用TN关系来估计来季节性初级生产，但该地区新生产的一个下限估计仍然可以实现。根据硝酸盐浓度的变化计算新产量，需要对在一个年度周期内从水体中消耗的总硝酸盐进行估算。虽然卫星只能感知海洋表面，但是MLD可以通过SST的回归关系或者Argo浮标来确定。Goes et al.[2000]假设在初级生产过程中，所有硝酸盐的消耗都是由混合层中的浮游植物生长所引起的，硝酸盐的消耗等于硝酸盐的季节性变化乘上在夏末的nitracline的深度。

通常情况下，一个地区的MLD将会从冬季到夏季逐渐减少。因此，Goes et al. [2000] 在使用夏季末

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