西北非沿岸上升流系统净初级生产力的年际变异及其与达喀尔尼诺事件的关联机制

《Scientific Reports》：Interannual variability of net primary productivity in the northwest African coastal upwelling system and their relation to Dakar Ni?os

本研究针对西北非季节性上升流区(9°N–18°N)净初级生产力(NPP)年际变异的驱动机制展开研究。通过结合卫星观测、再分析数据和海洋模型，团队首次发现该区域在2003-2023年间出现的6次极端低NPP事件均与达喀尔尼诺事件相关，并揭示其受局地风应力变化与远程沿岸陷波(CTWs)传播的双重调控。研究进一步阐明大西洋经向模(AMM)对NPP变率的显著影响，为理解气候变化下海洋生态系统响应提供了新视角。

　　

在西北非洲海岸线外，存在一个被称为加那利洋流上升流系统(CCUS)的海洋宝藏。这片位于北纬10度到35度之间的海域，是全球最具生产力的海洋生态系统之一，支撑着丰富的海洋生物多样性。然而，这片富饶水域的"生命力"——即浮游植物通过光合作用固定的碳量，也就是净初级生产力(NPP)——却呈现出强烈的年际波动。特别是在该系统的南部季节性上升流区(9°N-18°N)，这种波动尤为显著，与被称为达喀尔尼诺和达喀尔尼娜的极端暖水和冷水事件密切相关。

理解这些生产力波动的驱动机制对于预测海洋生态系统如何响应气候变化至关重要。然而，尽管达喀尔尼诺/尼娜事件已被发现，但它们如何具体影响海洋生产力，特别是通过什么物理过程来实现这种影响，尚不清楚。此外，远程气候信号如来自赤道的海洋波动是否以及如何影响该区域的生产力，也是一个悬而未决的问题。

为了解决这些问题，Rodrigue Anicet Imbol Koungue及其合作者开展了一项深入研究，分析了2003年至2023年间西北非沿岸上升流系统净初级生产力的年际变异及其与达喀尔尼诺事件的关系。研究发现，NPP的年际变异与海表温度变化密切相关，其中最显著的影响发生在3-5月的主要上升流季节。

研究方法概述

研究团队综合利用了多种数据源和分析方法：基于MODIS chlorophyll的垂直广义生产模型(VGPM)估算NPP、NOAA的最优插值海表温度(OI-SST)数据、ECMWF的ERA5再分析风场数据，以及来自Copernicus Marine Service的海平面异常(SLA)数据。同时，研究使用了区域海洋模型(NEMO-v4.2.1)输出进行混合层热收支分析，采用自助法(bootstrap method)进行统计显著性检验，并利用皮尔逊相关性分析探讨了气候模态与NPP变率的关系。

NPP年际变率特征

研究发现，塞内加尔和毛里塔尼亚海岸外的CDNI区域(9°N-18°N的2度宽沿岸带)表现出最大的NPP变率。该区域NPP具有明显的年循环特征，在3-5月达到最大值，7-9月降至最低。有趣的是，NPP异常的标准差在3月和5月出现两个峰值，表明NPP变率可以看作是对其年循环的调制——即NPP季节峰值的提前或推迟，和/或年最大值的增大或减小。

在2003-2023年期间，研究共识别出9个在3-5月达到峰值的极端NPP事件：3个极端高NPP事件(2012、2015、2016年)和6个极端低NPP事件(2005、2008、2010、2020、2021、2023年)。这些极端低NPP事件均与达喀尔尼诺事件相关，是本研究重点关注的对象。

局地过程与远程强迫的沿岸陷波作用

为了阐明极端低NPP事件的形成机制，研究团队进行了复合分析。结果显示，极端低NPP事件与局地和远程强迫均有关联。

在局地尺度上，极端低NPP事件的发展阶段和峰值阶段(峰值前两个月至峰值)，局地风应力的减弱和正的风应力涡度(埃克曼泵吸)导致潜热损失和沿岸上升流减少，从而产生异常温暖的海表温度(达喀尔尼诺事件)和海平面正异常。同时，混合层深度异常变浅也在此期间被观测到。

在远程强迫方面，研究发现在极端低NPP事件峰值前一个月，几内亚湾北部的东风应力异常可能强迫产生下沉沿岸陷波(CTWs)。这些波动沿西北非海岸传播并到达CDNI区域，通过加深温跃层和营养盐跃层来影响海表温度和NPP。

特别值得注意的是，部分下沉沿岸陷波能量以西传罗斯贝波的形式向外传播。这是首次在文献中讨论远程风强迫的沿岸陷波对CDNI区域3-5月海表温度或NPP年际变率的影响。

混合层热收支分析

鉴于极端低NPP事件与达喀尔尼诺事件的发生密切相关，研究团队利用海洋模型输出进行了混合层热收支分析，以探讨这些事件期间驱动混合层温度的过程。

研究发现，在极端低NPP事件的发展阶段(峰值前三个月至一个月)，混合层的异常增温主要由净表面热通量异常解释，这些异常主要由非太阳通量(主要是潜热通量)驱动，而潜热通量异常又与表面风速波动有关。在低NPP事件的峰值阶段，混合层的异常增温主要由垂直扩散和纬向平流的异常贡献解释，这与沿岸风应力和风应力涡度显著减弱导致的沿岸上升流减少一致。极端低NPP事件的消亡则以净表面热通量、纬向平流和垂直扩散的异常导致的混合层异常冷却为标志。

气候模态对CDNI区域NPP变率的影响

研究还考察了大尺度气候模态对CDNI区域NPP变率的潜在贡献。结果显示，在2003-2023年期间，3-5月CDNI区域的NPP异常与同时期的大西洋经向模(AMM)指数显著相关(相关系数-0.62)。这意味着AMM正位相年与热带北大西洋的异常表面增温相关，通过风-蒸发-海表温度(WES)反馈导致东北信风减弱，进而引起潜热损失和沿岸上升流减少，最终导致低NPP。

相比之下，12-2月的厄尔尼诺-南方振荡(ENSO)事件与CDNI区域的NPP事件在2003-2023年间没有显著相关性，尽管部分NPP事件与ENSO事件同步发生(如2005、2010年的低NPP事件与厄尔尼诺同步，2012年的高NPP事件与拉尼娜同步)。

通过使用更长时间序列的海表温度数据，研究发现ENSO与CDNI区域海表温度的关系表现出明显的多年代际变化，且这种变化与大西洋多年代际变率(AMV)显著相关(相关系数-0.60)。在AMV负位相期间，ENSO与CDNI区域海表温度有强且显著的相关性，而在AMV正位相期间(包括本研究时段2003-2023年)，两者相关性不显著。

研究结论与意义

本研究首次系统地记录了CDNI区域在2003-2023年上升流季节(3-5月)的NPP年际变化，并深入探讨了极端NPP事件与达喀尔尼诺/尼娜事件发生之间的联系。研究发现极端低NPP事件受到局地和远程强迫的共同影响：局地强迫表现为沿岸风和近岸风应力涡度的波动，而远程强迫涉及从赤道和几内亚湾北部发出的沿岸陷波传播。

这项研究的意义在于揭示了西北非沿岸上升流系统生产力的复杂调控机制，特别是明确了远程海洋动力学过程在影响该区域生态系统年际变率中的重要作用。研究结果对于理解气候变化背景下海洋生态系统的响应具有重要价值，也为预测未来渔业资源和海洋碳循环的变化提供了科学依据。

该研究论文发表在《Scientific Reports》期刊上，为海洋生态学与物理海洋学的交叉研究提供了重要案例，展示了多源数据融合与数值模型在解析海洋生态系统动态中的强大能力。