Basic Info
- Title: Responses of Satellite Chlorophyll-a to the Extreme Sea Surface Temperatures over the Arabian and Omani Gulf / 阿拉伯海和阿曼湾极端海面温度下卫星叶绿素 a 的响应
- The author: Manal Hamdeno, Hazem Nagy, Omneya Ibrahim, Bayoumy Mohamed
- Journal: Remote Sensing
- Publication date: 2022 年 9 月 17 日
1. What did the author do
作者通过分析卫星观测数据，研究了阿拉伯湾和阿曼湾的极端海表温度（Marine Heat Waves，MHWs）和低叶绿素-a（LChl-a）事件的时空变化特征，初步揭示了阿拉伯湾和阿曼湾的MHW和LChl-a事件的时空变化规律及其与大气条件和气候模式的关联性，为保护该区域的海洋生态系统提供了科学依据。
2. Why they do this
为了应对全球变暖对海洋生态系统的影响，特别是阿拉伯湾和阿曼湾这些脆弱的生态系统。通过分析海洋热浪和低叶绿素-a 事件，作者希望揭示它们的时空变化及与气候模式的关系，填补复合极端事件的研究空白，帮助更好地保护和管理这些地区的海洋资源。
3. How they did it
1. 数据收集：
- 海表温度（SST）数据：作者使用了从Copernicus 海洋环境监测服务（CMEMS） 提供的高分辨率卫星观测数据，时间范围从 1982 年至 2020 年，空间分辨率为 0.05° × 0.05°。SST 数据是基于卫星和现场观测的每日无缝隙海表温度图。
- 叶绿素-a 浓度数据：从同样的 CMEMS 数据中提取 1998 年至 2020 年间的叶绿素-a 浓度数据，分辨率为 0.04° × 0.04°，用于评估浮游植物的生产力。
- 大气再分析数据：欧洲中期天气预报中心（ECMWF）ERA5的再分析数据，获取了从 1982 年至 2020 年间的大气参数数据：10 米高度的风速、2 米高度的空气温度、短波和长波辐射、以及感热和潜热通量。这些数据以每小时为时间步长，空间分辨率为 0.25° × 0.25°。
- 气候模式数据：厄尔尼诺-南方涛动（ENSO）数据从美国国家海洋和大气管理局（NOAA） 获取，印度洋偶极子（IOD）数据从日本海洋-地球科学与技术机构（JAMSTEC） 获得。
2. 数据处理和分析方法：
- 海洋热浪（MHWs）检测：使用标准化的海洋热浪检测方法，基于 Hobday 等人提出的 MHW 定义，将==海表温度高于该时间段的 90%气候百分位且持续五天以上==的事件定义为 MHW。作者采用了 Matlab 工具箱 M_MHW 来检测 MHW 的频率、持续时间、强度等指标。
- 低叶绿素-a（LChl-a）事件检测：同样使用 Matlab 工具箱，通过检测叶绿素-a 浓度低于时间段 10% 百分位的事件，来识别低叶绿素-a 事件。
- 复合事件分析：复合事件定义为在时间和空间上同时发生的海洋热浪和低叶绿素-a 事件。作者分析了这些复合事件的空间分布及其强度和持续时间，并计算了它们与大气参数（如空气温度、风力和热通量）的相关性。
3. 趋势分析：
- 线性趋势计算：作者使用了 Theil-Sen 估计方法，而非普通最小二乘法，以避免因非正态分布或异常值导致的偏差。使用改进的 Mann-Kendall 检验来确定趋势的统计显著性。
- 异常分析：通过计算 1982 年至 2020 年的海表温度和叶绿素-a 浓度的异常，分析这些参数在极端事件中的变化。异常是通过减去气候基准值（1982-2020 年平均）来计算的。
4. 气候模式与极端事件的关系分析：
- ENSO 和 IOD 的影响：通过分析 ENSO 和 IOD 时间序列与极端事件的年频率，作者研究了这些气候模式如何调节海洋热浪和低叶绿素-a 事件的发生。特别是分析了 ENSO 的厄尔尼诺和拉尼娜现象，以及 IOD 的正负相位对极端事件频率和强度的影响。
5. 复合事件的案例分析（2020 年）：
- 2020 年复合事件分析：作者详细分析了 2020 年阿曼湾发生的持续 42 天的复合事件。这是研究期间持续时间最长的复合事件。通过分析大气参数（空气温度、风力、热通量）与 SST 和叶绿素-a 的异常，探讨了大气强迫与极端事件的形成关系。
- 风力减弱的影响：分析结果表明，复合事件发生期间阿曼湾风力显著减弱，这与海洋热浪的形成和持续时间密切相关。作者通过计算风应力的异常，进一步分析了风力减弱对 SST 上升和叶绿素-a 下降的影响。
6. 空间相关分析：
- 空间相关性：通过计算 MHW 和 LChl-a 事件的强度和持续时间的空间分布，作者分析了这些事件在阿拉伯湾和阿曼湾的不同区域中的差异，发现一些地区的极端事件特别强烈，例如阿曼湾的沿海地区和阿拉伯湾的北部地区。
7. 图像和可视化分析：
- 作者使用了多个空间图、时间序列图和散点图来可视化 SST、叶绿素-a 浓度及其与大气参数的关系。通过这些图像，读者可以直观地了解极端事件的时空分布和趋势变化。
4. What are the major results
1. 海表温度（SST）变暖趋势：
- 在 1982 年至 2020 年间，阿拉伯湾和阿曼湾的海表温度均显示出显著的变暖趋势。
- 阿拉伯湾（AG）：SST 的平均升温速度为每十年 0.44°C ± 0.06°C。
- 阿曼湾（OG）：SST 的升温速度为每十年 0.32°C ± 0.04°C。
- 这种升温趋势伴随着海洋热浪（MHWs）的频率和持续时间的增加。尤其是在 2010 年和 2020 年，阿拉伯湾和阿曼湾经历了高频率的海洋热浪，分别达到了 6 次和 5 次事件的峰值。
2. 海洋热浪（MHWs）的频率和持续时间增加：
- 作者发现，阿拉伯湾和阿曼湾的 MHW 频率和持续时间呈现显著增加趋势：
- MHW 的频率趋势为每十年增加 0.97 次事件，持续时间趋势为每十年增加 2.3 天。
- 阿拉伯湾的 MHWs 持续时间通常较长，而阿曼湾的 MHW 频率较高但持续时间较短。
3. 极端复合事件的增加：
- 研究表明，海洋热浪和低叶绿素-a 事件经常复合发生，这些复合事件对当地的海洋生态系统具有更大的破坏性。
- 2020 年的极端复合事件：阿曼湾在 2020 年发生了持续 42 天的复合事件，是整个研究期间持续时间最长的复合事件。这次事件中的 MHW 强度高达 3.5°C，最大可达到 5.3°C；同时，低叶绿素-a 事件的强度为 -0.82 至 -0.90 mg/m3。
- 复合事件通常伴随着风应力的减弱，尤其是在阿曼湾，风力减弱与 MHW 的形成和 LChl-a 浓度的下降密切相关。
4. ENSO 和 IOD 对极端事件的调节作用：
- 作者发现，极端海洋事件的发生频率与厄尔尼诺-南方涛动（ENSO）和印度洋偶极子（IOD）现象密切相关：
- 拉尼娜现象（ENSO 负相位）：在 1999 年、2010 年、2011 年和 2020 年，拉尼娜现象与高频率的海洋热浪和低叶绿素-a 事件相关联。
- IOD 正相位：在 2018 年和 2019 年，正 IOD 现象也与阿曼湾和阿拉伯湾的 MHW 事件频繁发生相关。
5. 叶绿素-a 浓度与 SST 的相关性：
- 研究发现，海洋热浪期间，海洋表层的生产力显著下降，表现为叶绿素-a 浓度的下降。尤其是在阿曼湾沿海地区和阿拉伯湾北部地区，叶绿素-a 浓度下降与 MHW 强度较大的区域高度吻合。
- 在 1999 年、2010 年、2018 年、2019 年和 2020 年，MHW 和 LChl-a 事件的负相关性特别明显，说明这些极端温度事件严重影响了浮游植物的生产力。
6. MHW 和 LChl-a 事件的空间分布：
- 海洋热浪：MHW 的频率在阿曼湾较高，尤其是在靠近阿曼沿海的地区，而阿拉伯湾的 MHW 持续时间较长，特别是在西北部区域。
- 低叶绿素-a 事件：LChl-a 事件的持续时间在阿曼湾南部和阿拉伯湾北部较长，尤其是阿曼湾的沿海地区，其 LChl-a 事件与 MHW 同时发生。
7. 大气条件对复合事件的影响：
- 研究表明，复合事件的发生与大气强迫密切相关。2020 年最长的复合事件期间，区域内的 2 米空气温度出现正异常，OG 区域的空气温度异常高于 +2°C。
- 同时，表面净热通量的负异常（即向外散失的热量增多）表明该地区在复合事件期间海水表层积聚了大量的热量，进一步促进了海洋热浪的形成。