近期,实验室在全球气候变化和海洋水色研究方面取得新进展,研究成果以《Satellites reveal hot spots of ocean changes in the early 21st century》为题,发表于《Science Advances》上。第一作者为2021级博士研究生李正浩,通讯作者/共同第一作者为孙德勇教授,合作者包括南京信息工程大学王胜强教授、张海龙副教授和何宜军教授,以及江苏海洋大学环宇讲师。
气候变化正在导致海洋的变化,理解海洋生态环境系统在当前和未来如何响应是广泛关注和研究的科学问题。本研究利用海水颜色这一海洋生物地球化学状态的“指纹”特征,基于CIE-XYZ 1931色彩系统分析了跨越25年(1998-2022年)的全球卫星长时序卫星影像集,系统揭示了21世纪初以来全球海洋水体颜色的长期变化趋势、异常波动特征及其与气候强迫的关联,为海洋和气候监测提供了新视角。卫星结果显示,全球36%的海水正在发生变化(p< 0.1):其中25%的区域(原呈蓝色色调)向绿/浅蓝偏移,这种“绿化”趋势在南半球和高纬度海域更为显著;而11%的区域水体颜色则变得更蓝,呈现“蓝化”趋势,主要集中于低纬度海域。极端海表温度异常事件导致了“显著”的海洋水色波动,但绝大多数(占总数的94%)波动相对较弱。研究通过因果分析量化证实了气候强迫(特别是ENSO事件)对赤道海洋水色动态的重要驱动作用,并明确指出低纬度海域是响应气候变化的“核心变化区”之一,揭示了气候强迫对海洋水体影响的纬度分异模式。此外,对于因果信号较弱的区域,气候强迫不足以充分解释水色的时空演变特征,需要更多关注海洋中小尺度物理过程等因素的影响,同时在沿海水域还需要关注复杂环境特征与人为驱动因素的综合效应。本研究揭示的“绿化/蓝化”分异格局及低纬度核心响应区,为理解海洋生态系统如何响应和反馈气候变化提供了新的证据和见解。
本研究通过水色参数阐明了21世纪以来全球海洋动态变化趋势,分析了海温和气候强迫与全球海洋水色动态之间的联系,为认识当前全球气候变化对海洋水体的潜在影响提供了重要依据。该成果得到了国家自然科学基金项目(42476173,42176179,42176181和42106176)的资助。

图1过去25年全球海洋水体颜色的时间序列变化特征。(a)基于全球长时序数据,采用Theil-Sen中值法和Mann-Kendall检验计算的色度角(α*)总体趋势空间分布(黑色等值线包围的区域,p< 0.1)。(b)每3°纬度带内,α*呈上升/下降趋势的像元比例随纬度的变化。(c)全球海洋水体颜色异常波动特征。(d)α*波动的平均纬度分布特征。

图2 1998年至2022年全球海洋水色与海表温度(SST)时间序列分量之间的相关性(r)和因果关系(NIF,τ)。展示了水色与SST的异常分量之间的相关性和NIF信号分布。图中的颜色区域表示p值小于0.1的像元。

图3全球海洋水色异常与气候强迫的关联特征。基于1998年至2022年全球色度角时间序列异常分量与三个典型气候指数(MEI、DMI、AMO)计算得到的相关系数(r)及归一化信息流(τ)空间分布。图中颜色区域表示通过显著性水平检验(p< 0.1)的像元空间分布。
发表论文:
Li, Z.,Sun, D.,Wang, S., Huan, Y., Zhang, H., & He, Y. (2025). Satellites reveal hotspots of ocean changes in the early 21st century. Science Advances, 11, eads0307.https://doi.org/10.1126/sciadv.ads0307

作者介绍:
孙德勇,南京信息工程大学,教授,博士生导师,江苏省工程中心副主任/海洋遥感研究所所长,国家科技专家组在库专家,江苏省海洋学会会员。主要从事海洋水色遥感、水生态环境遥感、水体光学特征机理等方面的研究。主持国家自然科学基金面上项目4项、国家自然科学基金青年项目1项、国家重点研发计划项目课题子课题1项、省部级项目4项、以及其它企事业委托项目10余项。在Science Advances、Global Change Biology、Water Research、Remote Sensing of Environment、IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing、Limnology and Oceanography等国际主流学术期刊上,发表和录用SCI(E)检索论文90余篇,授权国家发明专利6项。曾获国家海洋科学技术奖特等奖、中国遥感优秀成果奖一等奖、江苏省科学技术一等奖、上海海洋科学技术二等奖、江苏省海洋学会科学技术奖一等奖、江苏省“六大人才高峰”高层次人才、江苏高校“青蓝工程”中青年学术带头人、自然资源部高层次青年科技创新人才等奖励或称号。