2017年秘鲁北部沿海厄尔尼诺现象期间,叶绿素的响应及高产区的收缩

时间:2026年1月19日
来源:Progress in Oceanography

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秘鲁北部2017年海洋热浪由东南信风减弱及反向引发,导致海表温度异常升高(>4℃)、营养盐减少及浮游植物生物量骤降(-3mg/m³),生产力区面积缩减13万km²。四月中下旬物理驱动因素恢复常态,浮游植物生物量快速回升,凸显该生态系统对短期气候变率的敏感性及应对极端气候的适应性。

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罗德里戈·莫戈隆(Rodrigo Mogollón)|但丁·埃斯皮诺萨-莫里贝隆(Dante Espinoza-Morriberón)|奥斯瓦尔多·贝拉斯克斯(Oswaldo Velasquez)|吉塞拉·亚瓦尔(Guisela Yabar)|曼努埃尔·维莱纳(Manuel Villena)|豪尔赫·坦(Jorge Tam)
秘鲁海洋研究所(IMARPE)海洋建模、生态系统与气候变化实验室(LMOECC),卡亚俄,利马,秘鲁

摘要

2017年的海洋热浪事件的特点是海表温度异常升高,这一现象是由风力模式减弱并发生逆转所驱动的,时间跨度从1月中旬持续到4月中旬。在沿海厄尔尼诺现象期间,风向的逆转促进了下沉流过程,限制了富含营养的水体向上输送,导致表层浮游植物生物量的迅速减少。此外,潜热通量的减少和短波辐射的增加进一步加剧了海表升温。2017年2月至3月期间,叶绿素a浓度出现了显著的负异常值(超过−3 mg m−3),高生产力区(HPZ)的范围显著缩小,从1月的300公里外缩至2个月的时间内仅剩约25公里宽,HPZ总面积减少了130,000平方公里,表明表层叶绿素a浓度急剧下降。然而,随着物理驱动因素在4月左右恢复到典型的季节性水平,上升流重新开始,叶绿素a浓度出现正值,表明浮游植物生物量相对较快地得到了恢复,HPZ也重新扩展到了气候学上的正常范围。这些发现强调了秘鲁北部海洋生态系统对短期气候变化的敏感性。鉴于此类气候事件的频率不断增加,理解生态系统变化的物理驱动因素对于预测未来影响和制定适应性管理策略至关重要。

引言

2017年夏季,秘鲁北部海岸经历了异常强且具有破坏性的降雨。2017年1月至3月间的降雨量仅与1982–1983年和1997–1998年的重大厄尔尼诺事件相当(Martínez Grimaldo和Morón,2017年;ENFEN,2017年)。这种极端降水与秘鲁沿海东南信风的异常减弱有关,这阻碍了沿海上升流,并导致东太平洋地区温度显著升高(Takahashi等人,2018年;Rodriguez-Morata等人,2019年)。尽管2017年的沿海厄尔尼诺现象具有局部性,但它对秘鲁的生态系统产生了广泛而显著的影响,类似于1982–1983年和1997–1998年全流域厄尔尼诺事件期间的影响(Ramírez和Briones,2017年)。像1925年的沿海厄尔尼诺事件一样(Takahashi和Martínez,2019年),其特点是海表温度升高以及风和海洋环流模式的紊乱,通常会对海洋生态系统和沿海社区造成灾难性影响。
2017年的沿海厄尔尼诺现象对秘鲁北部的海洋生态系统产生了深远影响,严重扰乱了上升流过程,并引发了生物生产力的连锁反应。作为秘鲁海洋生态系统中的关键物种,anchoveta鱼被驱赶到南至瓦尔梅(10°S)以南的地区,并在萨拉韦里(8.2°S)至秘鲁最南端沿海地区聚集,整个夏季期间没有观察到其繁殖或产卵活动。此外,与温暖水域相关的物种(如鲣鱼和金枪鱼)的数量有所增加(ENFEN,2017年)。
由于海表温度在短时间内迅速且持续升高,2017年的沿海厄尔尼诺事件被归类为严重的海洋热浪(Hobday等人,2018年;Pietri等人,2021年;Mogollón等人,2023年)。在钦博特(9°S)沿海约10海里的某些区域,海表温度超过了28°C,达到了1982–1983年和1997–1998年全流域极端厄尔尼诺事件期间也未见过的水平(Paulino Rojas等人,2019年)。相比之下,2008年7月发生了一次沿海厄尔尼诺现象,但近岸温度不足以引发显著的降雨事件(Hu等人,2019年)。因此,2017年的沿海厄尔尼诺事件为研究短期气候变化对秘鲁北部海洋环境的影响提供了重要机会。
几种海洋过程与厄尔尼诺现象密切相关,在塑造海洋生态系统动态中起着关键作用。关键过程包括温跃层深度的变化、海洋分层的变化、赤道波扰动以及上升流和下沉流速率的变动。在厄尔尼诺事件期间,这些过程会发生显著改变,通常导致上升流速率减弱、温跃层加深以及分层结构改变(Colas等人,2008年;Echevin等人,2014年;Espinoza-Morriberón等人,2017年),所有这些都会减少表层水体中的营养物质。营养物质的匮乏直接限制了浮游植物的生长,从而导致生物生产力显著下降,进而通过海洋食物网产生影响,波及渔业和沿海经济(Barber和Chavez,1983年)。
为了有效评估这种条件下北部海洋生态系统的健康状况,本研究重点关注了两个关键指标:叶绿素a(chla)浓度(作为浮游植物生物量的代理指标,Mogollón等人,2024年)和高生产力区(HPZ),后者代表生物活动较为活跃的区域。我们的目标是量化2017年沿海厄尔尼诺期间叶绿素a浓度和HPZ范围的变化,并探讨驱动这些变化的大气和海洋学因素。通过研究关键物理机制(如风向逆转、热量通量的变化、海表温度的变化以及上升流速率的减弱),我们旨在评估这些过程如何影响该地区的生产力模式。
理解这些动态对于预测沿海生态系统对未来快速变暖事件的响应至关重要。随着气候变化导致海洋热浪变得更加频繁和强烈(Frölicher等人,2018年;Frölicher和Laufkötter,2018年)(例如2017年的沿海厄尔尼诺事件,已被归类为MHW),本研究提供的见解可以提高我们预测海洋生物多样性、渔业和沿海社区潜在后果的能力。通过这些结果,我们可以为基于生态系统的管理和适应策略提供科学依据,以减少这些重要生态系统对气候变率和极端变暖事件的脆弱性。

数据集

叶绿素a数据来源于海洋颜色气候变化倡议(OC-CCI v6.0)数据集(https://www.oceancolour.org/),Sathyendranath等人(2019年)对此进行了详细描述。该多传感器产品结合了来自各种卫星仪器的数据,自卫星时代开始以来提供了全面的覆盖范围。使用了0.04°水平分辨率的每日平均海表叶绿素a值。
湍流和辐射成分(潜热和短波热量通量)的数据来源于

空间范围

图1a展示了2017年夏季沿海厄尔尼诺事件高峰期的平均海表叶绿素a浓度,而图1b则基于长期数据(1998–2023年)展示了2月至3月的平均叶绿素a浓度,作为与2017年沿海厄尔尼诺现象进行比较的基准。实线黑色线条标出了该时期的HPZ平均范围,与气候学上的HPZ范围(虚线灰色线条)相比显得更窄。

2017年的海洋热浪

结果显示,从1月中旬到4月中旬海表温度出现异常升高,这突显了2017年沿海厄尔尼诺现象的温暖特征(图3a)。在此期间,海表温度异常值超过了4°C,表明这是一个异常温暖的事件。这一发现与Paulino Rojas等人(2019年)的观测结果一致,他们报告称3月的海表温度具有典型的极端厄尔尼诺特征。此外,Echevin等人(2018年)也发现海表温度异常值达到了

结论

2017年的沿海厄尔尼诺现象显著影响了秘鲁北部海岸的叶绿素a分布和高生产力区(HPZ)。这一事件是由大气和海洋过程的复杂相互作用所驱动的,其中热量通量、风应力以及上升流强度是调节海洋生态系统响应的关键因素。
2017年1月中旬至4月中旬期间,海表温度异常值超过了+4°C。这次海洋热浪是由于风力减弱并发生逆转所致,风的方向从通常的西北方向改变了

CRediT作者贡献声明

罗德里戈·莫戈隆(Rodrigo Mogollón):撰写初稿、可视化处理、软件使用、方法论设计、调查实施、数据分析。但丁·埃斯皮诺萨-莫里贝隆(Dante Espinoza-Morriberón):撰写与编辑、监督工作、概念构思。奥斯瓦尔多·贝拉斯克斯(Oswaldo Velasquez):资源调配、项目管理、资金筹集。吉塞拉·亚瓦尔(Guisela Yabar):资源调配、项目管理、资金筹集。曼努埃尔·维莱纳(Manuel Villena):项目管理、资金筹集、数据分析。豪尔赫·坦(Jorge Tam):撰写与编辑、监督工作。

利益冲突声明

作者声明以下可能被视为潜在利益冲突的财务利益/个人关系:但丁·埃斯皮诺萨-莫里贝隆表示获得了PROCIENCIA的财务支持。如果还有其他作者,他们声明没有已知的可能影响本文所述工作的财务利益或个人关系。

致谢

本研究由PROCIENCIA(CONCYTEC)(项目编号:153-2020)和里卡多·帕尔马大学(Universidad Ricardo Palma,URP)资助。R. Mogollón感谢URP对该项目“气候变化背景下厄尔尼诺和拉尼娜现象对皮乌拉陆地和海洋生态系统的影响”的支持。

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