The typhoon-Induced Biogeochemical Response in the Western North Pacific Ocean

海洋浮游植物利用陽光、二氧化碳及營養鹽進行光合作用。因此浮游植物對吸收重要溫室氣體，即二氧化碳，扮演重要的角色。浮游植物行光合作用必須在光線充足的上層海洋(有光層)中進行。在有光層中除了靠近河川出海口地帶的海域，由河川所帶來的營養鹽濃度較高外，大部分遠離陸地的表水海域，營養鹽都是非常缺乏的。因此在大洋中若是要獲得營養鹽要考慮其他外來機制，如大氣的沙塵暴，或是海洋的湧升現象。期以來也曾經推測颱風有可能造成大洋中營養鹽的供給，但是因為在廣大洋面颱風期間觀測的困難，因此颱風對初級生產力的貢獻一直無法作定量的分析而被忽略。隨著衛星遙測科學及技術的進步，對於颱風引起的海洋生地化反應有越來越多的研究。但大多數的研究都是個案分析，針對多個颱風有系統分析的研究又集中在大西洋區域，對於西北太平洋這個颱風生成個數最多的區域，在這方面至今仍然沒有系統化的研究。研究利用多種先進衛星遙測資料結合海洋初級生產力模式有系統的分析從2000-2006年西北太平洋營養鹽缺乏的開放海域(包含南海)由颱風引起之生地化反應。在颱風經過後兩週內發生藻華現象且不受雲及河流排放干擾的颱風個數共有30個，有8個在南海，22個在太平洋區域。研究發現，在颱風過後葉綠素濃度平均增加22%到6205%，SST平均下降1.35 oC至4.9 oC。並且葉綠素濃度增加與颱風的移動速度呈反比的關係，顯示移動越慢的颱風造成海洋的生物反應越大。當比較兩個不同的海域，在相同的颱風強度下，南海的颱風造成葉綠素增加的比例較西北太平洋大，南海的颱風個案引起的葉綠素濃度增加全都大於100%，增加率介於121%到6205%之間。而太平洋葉綠素濃度平均增加22%到341%。在南海TS(風速介於34-63 knots)強度以上的颱風就可以引發藻華現象，而太平洋區域則需category 1(風速介於64-82 knots)以上的颱風才能引發藻華現象。但由於南海颱風影響面積較小，即使葉綠素濃度增加率較大，颱風過後初級生產力總和仍相對較小。透過初級生產力模式計算颱風過後海洋生物吸收的總碳量的結果，2000-2006年30個颱風造成海洋吸收的碳量為3.20E+16 mg C 。Contributing roughly half of the biosphere’s net primary production, ocean primary (phytoplankton) production plays a significant role in the earth environmental system. It is important to understand the controls on primary production in the upper ocean, because of the fixation and subsequent sinking of organic particles remove carbon from the surface ocean (the so-called biological pump) by phytoplankton. The distribution of phytoplankton biomass and ocean primary production is defined by the availability of light and nutrient. In coastal area, nutrients mainly come from river runoff. In open oceans, the lack of nutrients limits the ocean primary productivity. The supply of nutrients in open oceans is mostly from the pumping of nutrient-rich deep water to the euphotic zone through various mechanisms, such as upwelling and eddies. For long it has been speculated that typhoon’s strong wind may give rise to significant nutrient pumping, however, due to high observational difficulty, evidences were grossly deficient in quantifying this speculation. Satellite remote sensing provides an opportunity to measure over vast ocean. Thus, it is possible to explore the ocean response to typhoon.n this study we used advanced multiple satellite remote sensing data and an ocean primary production model to observe the biological effects of typhoons. In this research we examined 30 typhoons that passed through the oligotrophic area of the western North Pacific Ocean (including the South China Sea) during the periods between 2000 to 2006. The observed increased in chlorophyll-a concentration after typhoon’s passage reached between 22-6205%. Also, sea surface temperature decreased by about 1.35-4.9 oC after typhoon’s passages. It is also found that much stronger biogeochemical response (i.e., increase in chlorophyll-a concentration) is found in the South China Sea than in the western North Pacific Ocean. It is found that due to the the nutricline in the South China Sea is much shallower than in the western North Pacific ocean. As such, given same typhoon forcing, much more intense response can be induced in the South China Sea than in the western North Pacific. In addition, it was found the the increased in chlorophyll-a concentration is correlated with the typhoon’s transit speed. Finally, the estimated carbon fixation resulting from these 30 typhoons is 3.20E+16 mg C.致謝 i文摘要 ii文摘要 iii錄 iv目錄 v目錄 vi一章 前言 1.1 研究背景及動機 1.2 研究目的 4二章 資料來源與研究方法 5.1 Behrenfeld and Falkowski [1997]初級生產力模式(VGPM) 5.2 研究資料 7.2.1 葉綠素濃度 7.2.2 海表面溫度 8.2.3 營養鹽 9.2.4 颱風路徑資料 9.3 研究方法 11.3.1 颱風藻華個案時間點的判別 11.3.2 藻華確切範圍的判別 12.3.3 計算初級生產力及海洋吸收碳總量 12三章 結果與討論 14.1 颱風藻華個案分析 14.1.1 2000年颱風藻華個案 14.1.2 2001年颱風藻華個案 16.1.3 2002年颱風藻華個案 17.1.4 2003年颱風藻華個案 19.1.5 2004年颱風藻華個案 20.1.6 2005年颱風藻華個案 21.1.7 2006年颱風藻華個案 21.2 南海及太平洋比較 23.3 颱風移動速度與葉綠素濃度增加之關係 24.4 多少碳在颱風過後被海洋吸收？ 24.5 與其他海域比較葉綠素及水溫變化情形 26.6 討論 27四章 結論 30考文獻 32 目錄1 各個衛星資料總覽 362 Saffir-Simpson Scale 颱風分級表 363 2000 ~ 2006年受颱風影響藻華個案總覽 374 颱風於藻華區域之相關參數 405 南海與西北太平洋颱風葉綠素濃度及海表面溫度變化比較 436 南海、太平洋海域與Sarassso Sea開放海域颱風過後葉綠素及海表面溫度變化比較 44 目錄1.1 生物幫浦及物理幫浦示意圖 451.2 WOA2005在海表層硝酸鹽濃度的氣候平均值 463.1.1 2000-2006年颱風藻華個案分佈圖 473.1.2 2000 Kai-tak颱風藻華個案 483.1.3 2000 Maria與Wukong颱風藻華個案 493.1.4 2000 Shanshan颱風藻華個案 503.1.5 2000 Bebinca颱風藻華個案 513.1.6 2001 Kong-rey颱風藻華個案 523.1.7 2001 Man-yi颱風藻華個案 533.1.8 2001 Wutip颱風藻華個案 543.1.9 2001 Pabuk颱風藻華個案 553.1.10 2001 Lingling 颱風藻華個案 563.1.11 2002 Phanfone颱風藻華個案 573.1.12 2002 Rusa颱風藻華個案 583.1.13 2002 Sinlaku颱風藻華個案 593.1.14 2002 Higos颱風藻華個案 603.1.15 2002 Pongsona颱風藻華個案 613.1.16 2003 Ketsana颱風藻華個案 623.1.17 2003 Parma 颱風藻華個案 633.1.18 2003 Lupit 颱風藻華個案 643.1.19 2004 Sudal颱風藻華個案 653.1.20 2004 Nida颱風藻華個案 663.1.21 2004 Tingting颱風藻華個案 673.1.22 2004 Tokage颱風藻華個案 683.1.23 2005 Kirogi颱風藻華個案 693.1.24 2005 Kai-tak颱風藻華個案 703.1.25 2006 Chanchu颱風藻華個案 713.1.26 2006 Ioke颱風藻華個案 723.1.27 2006 Shanshan颱風藻華個案 733.1.28 2006 Yagi颱風藻華個案 743.1.29 2006 Soulik颱風藻華個案 753.1.30 2006 Cimaron颱風藻華個案 763.3.1 颱風移動速度與葉綠素濃度增加關係圖 783.4.1 2000-2006年所有颱風吸收碳量分布圖 793.4.2 不同海域颱風影響區域大小比較 8