墨西哥湾西部开阔海域净初级生产力浮标评估方法的重新研究

《Deep Sea Research Part I: Oceanographic Research Papers》：Profiling Float Assessment of Net Primary Production in the Open-Ocean Western Gulf of Mexico: A Re-examination

该研究基于Argo浮标数据，验证了VIIRS卫星产品在替代MODIS校正海洋初级生产量（NPP）数据中的有效性，发现NPP年总量稳定在1.5×10^5至1.8×10^5 mg C m?2 yr?1，并揭示了表层NPP冬季因营养盐增加达峰，深层NPP夏季因光照充足形成最大值，且混合层以下NPP贡献率可达70%。

　　

杨波

美国南佛罗里达大学海洋科学学院，圣彼得堡，FL 33701

摘要

在之前研究（Yang等人，2022年）的基础上，该研究利用剖面浮标数据首次为墨西哥湾（GoM）的开放海域提供了深度分辨的净初级生产力（NPP）估算。本研究取得了三项主要进展：首先，对可见光红外成像辐射计套件（VIIRS）卫星产品在浮标数据校正方面的性能进行了测试。结果显示，它可以有效替代之前使用的中等分辨率成像光谱辐射计（MODIS）产品，在三年时间内，水柱积分NPP的累积差异在2%以内。其次，年NPP值保持在1.5 × 10^5至1.8 × 10^5毫克碳每平方米每年（mg C m^-2 yr^-1）之间，与之前的估算值1.6 × 10^5毫克碳每平方米每年（mg C m^-2 yr^-1）一致。新数据（2020-2024年）进一步证实了早期（2011-2015年）发现的季节性特征：表层NPP在冬季达到峰值，这可能与营养物质的可利用性有关，而次表层NPP则更多地受光照条件影响，在夏季或初秋达到峰值。第三，次表层NPP最大值的持续性得到了验证。虽然这种现象全年都可能发生，但在春季和夏季最为明显。此外，混合层以下对整个水柱NPP的贡献显著，冬季这一贡献占比为0%，而在春季和夏季可高达70%。

引言

初级生产者（主要是浮游植物）产生的有机碳是海洋碳循环和海洋生态系统的基础。净初级生产力（NPP）是指通过光合作用固定的碳量减去生产者呼吸消耗的碳量，是衡量生物碳生产的关键指标。墨西哥湾（GoM）是鱼类和其他海洋物种的重要栖息地，对该地区具有重要的社会、经济和生态价值（Muller-Karger等人，2015年；Davis，2017年）。关于墨西哥湾NPP的研究主要集中在沿海和大陆架区域，特别是受密西西比-阿查法拉亚河流系统影响的区域（例如，Zhao和Quigg，2015年）。相比之下，对墨西哥湾开放海域NPP的研究较少，且大多依赖于卫星观测数据，这些数据无法提供深度分辨信息（例如，Muller-Karger等人，2015年）。在墨西哥湾开放海域直接进行的NPP实地测量非常罕见，且通常仅限于特定季节（例如，Stukel等人，2021年；Yingling等人，2021年）。然而，最近的建模研究（例如，Gomez等人，2018年；Damien等人，2021年；Kelly等人，2021年；Lee-Sánchez，2022年）表明，垂直混合、水平输送以及中尺度动力学（如涡流）显著影响了这一贫营养区域的生物碳生产的季节性变化。

在我们之前的研究（Yang等人，2022年）中，我们使用中等分辨率成像光谱辐射计（MODIS）卫星产品的表层叶绿素-a（Chl）估算值，校正了2011年至2015年间部署的四个Argo剖面浮标提供的深度分辨叶绿素-a数据。这种校正通过减少由于浮标差异和传感器漂移引起的变异，确保了数据集的一致性。校正后的叶绿素-a数据，结合浮标测量的后向散射（bbp）和MODIS计算出的表面光合有效辐射（PARsurf），利用Yang等人（2021年；2022年）提出的类似方法，首次生成了该区域全年深度分辨的NPP估算值。作为我们之前工作的延续，本研究有三个主要目标：（1）随着MODIS卫星使用寿命的临近，评估了使用可见光红外成像辐射计套件（VIIRS）卫星产品校正剖面浮标深度分辨叶绿素-a和bbp数据的有效性；（2）利用2022年至2024年墨西哥湾西部开放海域（WGoM）的新浮标数据，验证了2011年至2015年研究（Yang等人，2022年）中发现的NPP的空间和时间模式；（3）利用2022-2024年浮标部署的数据，包括新传感器同时测量的硝酸盐含量（这是之前研究所未具备的功能），进一步确认并分析了早期研究中观察到的次表层NPP最大值。

数据获取

数据获取

Argo剖面浮标4903622由美国国家海洋和大气管理局（NOAA）于2021年10月在墨西哥湾西部开放海域部署（https://data-argo.ifremer.fr/dac/aoml/4903622/）。该浮标测量了从海面到1900米深度的水压（深度）、温度、盐度、溶解氧、pH值、硝酸盐、叶绿素-a和后向散射（bbp），测量间隔约为10天。本研究使用了2022年1月至2024年12月的三年温度和盐度数据集。

利用卫星数据（MODIS和VIIRS）评估浮标数据校正

从2021年10月到2025年4月，共有126个MODIS和118个VIIRS的时空匹配数据用于浮标数据校正。MODIS和VIIRS计算的表层叶绿素-a值与浮标测量的表层叶绿素-a值均显示出良好的线性关系（图2a和2c），其中MODIS产品的性能略好（R = 0.78，RMSE = 0.05 mg m^-3；VIIRS的R = 0.74，RMSE = 0.07 mg m^-3）。这些R值与我们之前的研究结果相当，但RMSE有所改善（R介于0.65到0.76之间）。

结论

总之，作为我们之前研究（Yang等人，2022年）的延续，本研究取得了三项重要成果：首先，评估了最先进的MODIS和VIIRS卫星产品在Argo数据校正中的性能，两者均能有效校正浮标测量的深度分辨叶绿素-a和后向散射值，从而构建了一个用于时空NPP分析的一致的长期Argo数据集。最终的NPP估算值差异小于1.6%。

未引用的参考文献

Behrenfeld等人，2005年；Boss和Ha?ntjens，2016年；Lee-Sánchez等人，2022年；Marshak和Link，2021年；Sea-Bird Scientific，2025年。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

作者感谢NASA提供的MODIS和VIIRS卫星数据。Argo数据（https://doi.org/10.17882/42182）由国际Argo计划及其参与的各国项目收集并免费提供。Argo计划是全球海洋观测系统的一部分。本研究得到了美国国家科学院（National Academy of Sciences）的“墨西哥湾研究计划”（奖项编号SCON-10000542）的支持。