【文献阅读】Compound high-temperature and low-chlorophyll extremes in the ocean over the satellite period

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Title: Compound high-temperature and low-chlorophyll extremes in the ocean over the satellite period / 卫星期间海洋的高温和低叶绿素复合极端现象
The author: Natacha Le Grix, Jakob Zscheischler, Charlotte Laufkötter, Cecile S. Rousseaux, Thomas L. Frölicher
Journal: Biogeosciences
Publication date: March 24, 2021

1. What did the author do

本文首次利用卫星观测数据对全球海洋中复合极端事件（高温和低叶绿素极端事件）进行了全面评估。作者分析了这些事件的时空分布特征、持续时间、强度及其与自然气候变率的关系。研究还揭示了复合事件发生的热点区域及其在气候变化下的潜在演变。

2. Why they do this

复合极端事件可能对海洋生物和生态系统产生严重影响，但现有研究主要集中于陆地上的复合事件，对海洋中这类事件的研究较少。作者试图通过本研究填补这一知识空白，探讨复合极端事件的驱动因素及其与气候模式的关系，为预测这些事件并减轻其对生态系统的影响提供科学依据。

3. How they did it

数据来源：
- 使用了两个主要数据集：
  - NOAA 每日最优插值海表温度（OISST）数据，空间分辨率为 0.25°，时间范围从 1981 年至 2018 年。
  - NASA 海洋生物地球化学模型（NOBM）的叶绿素浓度数据，时间范围从 1998 年至 2018 年。
- 为保证数据一致性，将海表温度数据重新网格化至叶绿素数据的较低分辨率。
事件定义：
- 单变量极端事件：
  - 海洋热浪（MHW）：当海表温度超过其 90 百分位的异常值时定义为 MHW。
  - 低叶绿素事件（LChl）：当叶绿素浓度低于其 10 百分位的异常值时定义为 LChl 事件。
- 复合极端事件：
  - 同时满足 MHW 和 LChl 定义的时间点和空间网格被定义为复合事件（如图 2）。
  - 未设置事件持续时间的下限，以确保事件统计的全面性。
分析方法：
- 计算每个网格的异常值和百分位数，去除季节性影响。
- 使用复合事件频率计算方法：
  - 如果 MHW 和 LChl 事件是独立的，复合事件的预期频率应为 1%。观察频率与预期频率的比值被定义为“可能性倍增因子”（LMF）。
- 指标计算：
  - 持续时间：复合事件的连续天数。
  - 强度：SST 和叶绿素分别超出阈值的均值。
  - 空间分布：分析复合事件在全球海洋中的分布特征。
- 探索与气候模式的关系：
  - 将复合事件频率与主要气候模式（ENSO、PDO、AAO 等）的正负位相进行比较，评估其相关性。

4. What are the major results

复合事件的时空分布：
- 热点区域：
  - 赤道太平洋、副热带环流边界、北印度洋和南极周边是复合事件发生的主要热点。
  - 这些区域的复合事件发生频率显著高于假设独立条件下的预期值（约 3-7 倍）。
- 时间分布：
  - 季节性：
    - 在高纬度地区（如南极），复合事件主要集中在夏季（如图 6c）。
    - 低纬至中纬地区全年都有分布，但在春季和夏季更为常见。
  - 年际变化：
    - 复合事件的发生频率随厄尔尼诺-南方涛动（ENSO）等气候模式显著波动。
    - 在强厄尔尼诺年份（如 1998 年和 2015–2016 年），复合事件的频率显著增加（如图 7c）。
事件强度和持续时间：
- 复合事件的强度和持续时间具有显著的区域差异。
  - 最强烈的复合事件出现在赤道太平洋和南极地区，SST 异常值超过 2℃，叶绿素浓度异常值超过 -0.06 mg · m⁻³（如图 5）。
  - 在赤道太平洋中心和南极威德尔海地区，复合事件的持续时间最长，可达 30 天以上（如图 4b）。
与气候模式的关系：
- 厄尔尼诺现象（ENSO）：
  - 厄尔尼诺正位相期间，复合事件在赤道东太平洋、印度洋和南极的发生频率显著增加（增加幅度可达 300%，如图 8a）。
  - 厄尔尼诺负位相期间（拉尼娜），复合事件在西太平洋和南极中纬度区域频率上升（如图 8b）。
- 其他气候模式：
  - 太平洋年代际振荡（PDO）的正位相会在热带太平洋和印度洋增加复合事件频率（如图 8e）。
  - 南极涛动（AAO）正位相对南极周围的复合事件发生有明显促进作用（如图 8m）。
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生态和气候意义：
- 复合事件的生态影响可能比单一极端事件更为严重。
  - 低纬度地区的物种因接近其温度耐受上限而受到严重威胁。
  - 高纬度地区的初级生产力减少可能导致食物网中能量传递的中断。
- 气候变化背景下，随着海洋表面温度升高和营养物质供给减少，预计未来复合事件的频率将进一步增加，对海洋生态系统的压力加剧。