冬季 MHW-LChla 复合事件的核心生态效应在于:风速增强驱动混合层加深,将浮游植物稀释至光照受限层,叠加温度未破限、生态功能未被激活,形成“表层浓度下降但生产力维持”的非均衡态。年与月 NPP 气候态显示生态系统仍保有一定光合能力,但浮游植物已失去向表层聚集的结构优势,最终表现为强负异常的表层响应。
一、现象发现与问题提出
1. Chl-a 浓度高,但异常为负
- 从原始浓度图看,冬季(12 月至 2 月)黄渤海 Chl-a 浓度处于全年高值;
- 这在生态上是合理的,因为冬季混合增强,表层营养供应充足;
- 但异常图中却显示出全区一致性强负偏差(–0.4 至 –0.6 mg/m³),特别集中在黄海南部、长江口外海、山东半岛南部等生态敏感区域;
- 说明:尽管绝对浓度较高,但相比正常年份的冬季仍明显偏低,存在异常性负响应。
二、背景气候态与复合事件对比分析
1. 气候态条件(非复合事件年)
- 冬季风速较强但稳定,主导方向偏东或偏东北;
- 混合层深度约 40–50 m,营养盐供给充足;
- SST 较低(<10°C),光照水平偏弱;
- Chl-a 浓度维持在冬季常规高值,异常值接近 0,系统处于营养充足但光照受限的均衡状态。
2. 复合事件期间(MHW + LChla)
- SST 升温 1–2°C;
- 风速增强 1–1.5 m/s,导致混合加剧;
- 混合层深度加深至 55–65 m,显著超过透光层深度;
- Chl-a 浓度虽仍为全年偏高水平,但低于往年冬季应有值,形成明显负异常。
三、关键驱动因子变化与空间对比
1. SST 异常
- 升温幅度达 1–2°C,构成 MHW 特征;
- 但冬季 SST 基准偏低,升温后多数区域仍未超过 10°C;
- 浮游植物光合作用未能被有效激活,温度仍构成限制。
2. 风速与混合层异常
- 复合事件期间风速增强显著,尤其在南黄海和北黄海沿岸;
- 风场增强与MLD加深趋势高度吻合,表明物理扰动驱动混合层结构重塑;
- 对浮游植物的垂向分布构成再分布性影响。
3. Chl-a 异常空间分布
- 复合期异常图显示,负偏差区域集中在生态热点区;
- 与风速增强和 MLD 异常加深区域空间一致,指示两者存在耦合关系。
四、机制分析:为何形成负异常?
1. 过度混合主导的稀释机制
- 风速增强引发混合层加深,原本分布于透光层内的浮游植物被稀释至弱光层;
- 表层浓度因此降低,尽管浮游植物总体生物量可能变化不大;
- 从年和月NPP气候态分布来看,冬季 NPP 水平在北黄海、长江口等近岸区域依然较高(1500–2000 mg/m²/day),说明浮游植物光合功能仍保持活跃;
- 因此,Chl-a负异常应理解为由混合扰动导致的浓度再分布效应,而非生态功能丧失。
2. 温度限制未解除,光合作用未激活
- 尽管 SST 升高,但大多数区域升温后仍未突破光合生理阈值(~10°C);
- 温度依旧限制浮游植物向光合活跃状态转化;
- 与此同时,低光照与稀释效应叠加,使表层难以形成生物量聚集。
3. 营养供应充足但不可利用
- 冬季混合层加深本应促进营养盐上涌,NPP 气候态图也表明资源供给良好;
- 但浮游植物被稀释至光照不足层,无法有效利用营养;
- 导致系统形成“有货无人取”的功能性失配。
五、非复合事件对照验证
- 在非复合期,Chl-a 异常值整体接近 0 或略偏正;
- 说明未出现大范围扰动时,生态系统可维持稳定状态;
- 负异常需物理扰动与气候升温同时叠加,属复合型驱动结果。
六、结论与概括
冬季 MHW-LChla 复合事件的核心生态效应在于:风速增强驱动混合层加深,将浮游植物稀释至光照受限层,叠加温度未破限、生态功能未被激活,形成“表层浓度下降但生产力维持”的非均衡态。年与月 NPP 气候态显示生态系统仍保有一定光合能力,但浮游植物已失去向表层聚集的结构优势,最终表现为强负异常的表层响应。
尽管冬季黄渤海表层叶绿素-a(Chl-a)浓度处于全年高值区间,但在MHW-LChla复合事件期间,观测到区域尺度一致性的强负异常(–0.4 至 –0.6 mg/m³),尤其集中在黄海南部、长江口外海、山东半岛南部等生态敏感区域。初步判断认为,这种负异常并非由于浮游植物数量减少或生物量崩溃,而主要归因于风速增强驱动混合层(MLD)加深(>55 m),使得浮游植物被稀释并再分布至光照受限的深层水体,从而导致其在遥感可观测层(表层)中的浓度明显下降。
结合冬季NPP的年与月气候态图可以发现,尽管表层 Chl-a 显著降低,近岸及北黄海等区域的NPP仍维持在1500–2000 mg/m²/day的较高水平,说明浮游植物依然具备活性,系统生产功能并未崩溃。这种Chl-a 浓度下降与 NPP 水平维持的空间脱钩现象提示,生态响应的核心机制是“垂向稀释”而非“生态系统崩塌”。浮游植物被混合下沉至弱光层,虽失去表层聚集优势,但部分仍能维持一定光合作用,因而整体能量流动未出现显著中断。
此外,尽管 SST 在复合事件期间普遍升高 1–2°C,但冬季基础温度仍低于浮游植物光合启动阈值(<10°C),升温并未显著促进其生长。温度、光照与营养供应三者错配,形成对浮游植物的多重限制,使得生态系统难以实现快速恢复或增长。
综上,复合事件期间的 Chl-a 强负异常主要反映物理扰动主导下的表层结构重构,而非系统功能的根本性削弱。NPP 气候态分布的稳定性进一步验证了这一点:浮游植物光合潜力依然存在,但在深混合与低光照条件下被空间“重定位”,体现出典型的“稀释型负响应”机制,强化了“物理强迫主导、生态响应滞后”的机制框架。