副热带环流区涡致叶绿素扰动：生物量变化还是生理学响应？

Global satellite observations reveal chlorophyll increases in anticyclonic eddies and decreases in cyclonic eddies in the subtropical gyres, which is opposite to the conventional view in the open ocean. This anomalous behavior is believed to be related to Eddy-induced Ekman pumping, winter mixing and their combined effects. These mechanisms account for vertical transport of nutrients and phytoplankton, hence play a key role in sustaining and modulating biological production in these regions. However, chlorophyll is not simply a measure of phytoplankton biomass, but also registers physiological adjustments in cellular pigmentation arising from changes in upper ocean light and nutrient conditions. Using satellite observations and model simulations, this study attempts to separate eddy-induces chlorophyll anomalies into biomass and physiological components, and evaluate their relative contributions. We will focus on the photoacclimation responses and how they impacts phytoplankton changes within eddies. This study will present new insights into the eddy effects on chlorophyll concentrations, and gain a better understanding of the connections between physical, optical and biogeochemical processes within eddies in the subtropical gyres.

全球卫星观测表明，在副热带环流区，气旋涡内海表叶绿素浓度降低，而反气旋涡内叶绿素浓度升高。这与开阔海洋中尺度涡生态效应的传统认知相反。涡致埃克曼抽吸、冬季混合或两者的共同作用被认为是造成这种反常行为的主要原因。这些机制能引发营养盐与浮游植物的垂向输运，进而影响混合层叶绿素浓度。然而，叶绿素不仅仅是浮游植物生物量的量度，而且还记录了由生理学调整引起的细胞着色的变化。本项目将利用多种遥感数据与一维生物-物理耦合模型，研究生物量变化与生理学响应对涡致叶绿素扰动的相对贡献，揭示光驯化在其中的重要作用。本研究将为副热带环流区涡致叶绿素扰动机制提供一种新的解释，提升对该海域中尺度涡物理、光学与生物地球化学过程相互作用的认识。

海洋中尺度涡已被广泛记录可以调节全球海洋浮游植物分布，但其作用机制仍不完全清楚。最近的研究表明，副热带流涡区反气旋涡的近表层叶绿素高于气旋涡，这与其他海洋的普遍特征相反。这种反常效应被完全归因于由涡旋引起的Ekman抽吸或对流混合所导致的浮游植物生物量的变化。本项目研究表明，叶绿素的变化实际上由生理学过程主导。反气旋涡内更深的垂向混合和更快的光衰减速度会降低光照强度，促使浮游植物进行光适应调整，导致叶绿素浓度的升高，而气旋涡则相反。这种机制表明，与气旋涡相比，反气旋涡中的浮游植物可能有更多的细胞色素，而不是更高的生产力。其后，我们比较了同时布放在南印度洋气旋涡与反气旋涡中的两个生物地球化学浮标的测量数据。结果表明，由于反气旋涡的层化减弱，春季次表层浮游植物没有发生水华。因此，气旋涡的深度积分浮游植物生物量和生产力均远大于反气旋涡，这与由光适应主导的近表面叶绿素的差异相反。生物地球化学浮标的历史观测数据统计表明，这种现象在副热带流涡区普遍存在。这种次表层生物量与表层叶绿素的不一致，进一步挑战了基于卫星观测数据的该海区反气旋涡比气旋涡生产力高的观点。我们的研究结果强调了生理学过程在浮游植物对涡旋响应中的作用，并呼吁重新审视涡旋对海洋生产力的影响。在本项目的支持下，共发表SCI论文8篇，其中5篇发表在Geophysical Research Letters，Journal of Geophysical Research: Oceans，Journal of Geophysical Research: Atmospheres等顶尖期刊上。