煙臺(tái)-威海北部海洋牧場底層溶解氧濃度的季節(jié)變化研究*

樊思琦 劉子洲 翟方國 顧艷鎮(zhèn)

煙臺(tái)-威海北部海洋牧場底層溶解氧濃度的季節(jié)變化研究*

樊思琦1劉子洲1①翟方國1顧艷鎮(zhèn)2

(1. 中國海洋大學(xué) 海洋與大氣學(xué)院 山東青島 266100; 2. 浙江大學(xué) 海洋學(xué)院 浙江舟山 316021)

基于2021年4～12月山東半島煙臺(tái)-威海北部海洋牧場區(qū)域4處連續(xù)觀測站的長期觀測數(shù)據(jù), 研究了該海域底層溶解氧(dissolved oxygen, DO)濃度的季節(jié)變化特征, 并探討了物理機(jī)制。該海域底層DO從春季到夏季逐漸降低, 而從夏季到秋季逐漸升高, 主要受溫度控制; 各觀測站DO均在8月達(dá)到最低值, 受垂向?qū)咏Y(jié)增強(qiáng)和底層生物化學(xué)耗氧增多的共同影響。底層DO濃度在東西方向差異較小, 而在南北方向上差異明顯; 在春季和秋季DO濃度南高北低, 是由于層結(jié)較弱, 海水垂向混合向底層提供DO, 且南邊水深更淺, DO更容易達(dá)到飽和或過飽和狀態(tài), 而水深更深處DO仍處于不飽和狀態(tài); 夏季DO濃度南邊大于北邊是季節(jié)性層結(jié)強(qiáng)度的空間差異所致, 同時(shí)南邊底層DO濃度下降更快, 使其南北差異在夏季有所減小。在11月中旬, 近岸3個(gè)觀測站底層DO快速增多, 可能是由于此前的大風(fēng)過程引起浮游植物繁殖, 晴朗天氣促進(jìn)其光合作用使海水中DO增多, 之后海水層結(jié)消失, 海水充分垂向混合使豐富的DO到達(dá)底層。

海洋牧場; 溶解氧濃度; 季節(jié)性海水層結(jié); 生化過程

山東半島位于中國北部, 毗鄰渤海和黃海, 海域廣闊, 具有豐富的海洋資源, 海洋漁業(yè)位于全國前列, 但長期過度捕撈、環(huán)境污染及產(chǎn)卵場破壞等導(dǎo)致近幾年漁業(yè)資源急速衰退、海洋荒漠化問題嚴(yán)重。為此, 山東省高度重視并積極開展海洋生態(tài)修復(fù)工作, 于2005年開始全省海洋牧場的建設(shè), 于2014年進(jìn)一步提出“藍(lán)黃兩區(qū)”及“海上糧倉”發(fā)展計(jì)劃, 大力開展海洋牧場建設(shè), 將海洋牧場打造成“海上糧倉”核心區(qū)(翟方國等, 2020)。但是隨著海洋牧場的大力建設(shè)發(fā)展, 海洋生態(tài)災(zāi)害造成的生態(tài)和經(jīng)濟(jì)損失也日益突出。目前, 山東半島周邊海域海洋生態(tài)環(huán)境安全保障已成為亟須解決的問題。

海水中的溶解氧(dissolved oxygen, DO)是重要的海洋環(huán)境參數(shù), 與海洋動(dòng)植物生長以及海洋漁業(yè)發(fā)展密切相關(guān), 故厘清海水DO的時(shí)空變化規(guī)律及其物理-生態(tài)機(jī)制至關(guān)重要。關(guān)于黃海海水DO季節(jié)尺度的時(shí)空變化研究已有不少成果, 由于復(fù)雜的海洋動(dòng)力、生態(tài)環(huán)境和人類活動(dòng)的影響, 我國黃海海域海水DO存在顯著的季節(jié)變化特征, 并且不同季節(jié)DO濃度變化的主導(dǎo)因素不盡相同(宋國棟等, 2007; 辛明等, 2013; 石強(qiáng), 2016; 劉春利等, 2017)。這些研究主要集中在水深較大、離岸較遠(yuǎn)的區(qū)域。近年來也有些研究者利用山東省海洋牧場觀測網(wǎng)的觀測數(shù)據(jù), 對部分海洋牧場海水DO的時(shí)空變化特征和影響機(jī)制進(jìn)行了研究。劉禹鋮等(2019)在天鵝湖海洋牧場研究得到2016年7～10月底層海水DO濃度呈先下降后上升的變化趨勢, 還指出近岸DO濃度受到潮流輸運(yùn)過程的影響, 漲潮時(shí)海水DO濃度升高, 而落潮時(shí)降低。李兆欽等(2019)闡明了劉公島海洋牧場底層海水DO濃度以季節(jié)變化為主, 其主要因素是海水溫度; 夏季海水層結(jié)使DO濃度降低, 而大風(fēng)過程會(huì)打破溫躍層為海底提供氧氣, 王心怡等(2020)對西港海洋牧場底層海水DO的研究也有類似結(jié)論。孫利元等(2021)指出夏季煙臺(tái)-威海北部近海DO濃度垂向分布最小值形成的必要條件是密度層結(jié)抑制垂向湍流擴(kuò)散, 而生物地球化學(xué)耗氧是控制其形成和空間分布的重要過程。Zhai等(2021)研究了山東半島東北部海水養(yǎng)殖區(qū)夏季底層DO濃度年際變化及其物理機(jī)制, 得到在年際時(shí)間尺度上, 海水層結(jié)強(qiáng)度和底層DO濃度呈現(xiàn)同步變化, 并與由偏南季風(fēng)驅(qū)動(dòng)的底層向岸平流有關(guān)。雖然近幾年海洋牧場DO的研究有所增加, 但只是針對單點(diǎn)觀測, 無法對同時(shí)刻DO濃度空間差異進(jìn)行探究。

基于此, 本研究利用2021年4～12月煙臺(tái)-威海北部海域4個(gè)海洋牧場觀測站的同步、連續(xù)觀測資料, 進(jìn)行多點(diǎn)聯(lián)合研究, 探究該海域海水DO在季節(jié)尺度上的時(shí)間變化和空間分布特征, 揭示其物理機(jī)制, 進(jìn)一步系統(tǒng)完善對該海域海水DO濃度的時(shí)空變化特征及其影響機(jī)制的研究。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 數(shù)據(jù)

本研究采用的數(shù)據(jù)主要是2021年4～12月煙臺(tái)-威海北部4個(gè)海洋牧場海床基連續(xù)觀測站的同步觀測資料, 還利用2021年3月、4月、6月、7月、8月和9月共14次大面調(diào)查獲取的海水pH觀測數(shù)據(jù)以及衛(wèi)星觀測資料、ERA5再分析資料進(jìn)行輔助分析。

連續(xù)觀測資料取自東宇南部、東宇北部、瑜泰和瑜泰北部海洋牧場在線觀測系統(tǒng), 包含了水深、DO濃度、溫度、鹽度和葉綠素濃度數(shù)據(jù), 均為系統(tǒng)搭載的溫鹽深儀(conductivity temperature depth, CTD)獲得的底層觀測結(jié)果。各連續(xù)觀測站位置分布如圖1所示: 東宇南部最靠近岸邊, 東宇北部與瑜泰基本呈緯向分布, 瑜泰與瑜泰北部大體呈經(jīng)向分布, 瑜泰北部位于最北邊。時(shí)間范圍、經(jīng)度、緯度和平均觀測水深如表1所示, 結(jié)合站位分布情況(圖1)可知, 東宇南部離岸最近, 觀測水深最淺; 瑜泰北部離岸最遠(yuǎn), 觀測水深最深, 平均超過20 m; 東宇北部和瑜泰平均觀測水深較接近。

圖2展示了2021年威海東北部大面調(diào)查斷面分布情況, 各月經(jīng)向斷面站點(diǎn)分布較為一致, 沿?cái)嗝娣较蛩钭兓淮? 基本保持在20 m左右; 3、4、6月緯向斷面站點(diǎn)分布較為一致, 而7、8、9月站點(diǎn)分布與之差別較大, 其中7月和9月各有兩次大面調(diào)查。大面調(diào)查采用日本亞力克公司生產(chǎn)的多參數(shù)水質(zhì)儀(型號: AAQ171), 觀測頻率為4 Hz。

表1 2021年煙臺(tái)-威海北部海洋牧場觀測站位信息

Tab.1 Information of marine pasture observation stations in north Yantai-Weihai in 2021

圖2 2021年威海東北部大面調(diào)查斷面分布圖

注: a、b為經(jīng)向斷面; c、d為緯向斷面

衛(wèi)星觀測資料使用的是MURSST (Multi-sensor Ultra-high Resolution SST), 用以分析連續(xù)觀測站夏季的層結(jié)情況。其為由多個(gè)衛(wèi)星的海表溫度(sea surface temperature, SST)二級數(shù)據(jù)產(chǎn)品合并而成的4級高分辨率日均海表面溫度數(shù)據(jù)集, 以空間分辨率0.01°×0.01°覆蓋全球海洋, 跨度從2002年至今, 數(shù)據(jù)原始來源為NASA/JPL Physical Oceanography Distributed Active Archire Cinter (PO DAAC), 以Zarr格式提供。

為了探討天氣過程對DO濃度的影響, 本文采用了歐洲中期天氣預(yù)報(bào)中心(European Centre for Medium- Range Weather Forecasts, ECMWF)提供的ERA5再分析數(shù)據(jù)集, 主要使用的變量是海面10 m高度風(fēng)和海面2 m高度空氣溫度, 空間分辨率為0.25°×0.25°, 時(shí)間間隔為1 h, 時(shí)間范圍為2021年4月1日至12月20日, 通過線性插值得到研究海域的海面風(fēng)和海面氣溫, 天平均處理得到時(shí)間序列。

1.2 方法

對于連續(xù)觀測資料, 溫度、鹽度、DO濃度和葉綠素濃度數(shù)據(jù)進(jìn)行天平均處理。對于大面觀測的海水pH資料, 選取多參數(shù)水質(zhì)儀下放過程的觀測數(shù)據(jù), 每0.5 m水深取一層, 與站點(diǎn)緯度或經(jīng)度形成二維網(wǎng)格, 對數(shù)據(jù)進(jìn)行插值, 以形成網(wǎng)格數(shù)據(jù)。

為了探討水文生化過程對DO濃度分布的影響, 計(jì)算了飽和溶解氧濃度、溶解氧飽和度和表觀耗氧量。借鑒李兆欽等(2019)計(jì)算DO相關(guān)參數(shù)的方法, 其中, 飽和溶解氧濃度的計(jì)算采用Garcia等(1992)改進(jìn)過的公式, 溶解氧飽和度為觀測溶解氧濃度與飽和溶解氧濃度之比, 表觀耗氧量為飽和溶解氧濃度與觀測溶解氧濃度之差, 其可以很好地表征生物地球化學(xué)過程消耗的DO。

2 結(jié)果

2.1 溶解氧濃度

表2為4個(gè)連續(xù)觀測站各季節(jié)的DO濃度平均值, 從量值上展示出各季節(jié)的DO濃度差異。按照北半球氣象學(xué)劃分, 計(jì)算得到DO濃度春季最高, 秋季大于夏季。由于東宇南部、東宇北部以及瑜泰北部缺少冬季觀測數(shù)據(jù), 并且瑜泰冬季數(shù)據(jù)質(zhì)量較差, 本文不對冬季DO濃度的特征進(jìn)行分析和比較。圖3展示了4個(gè)連續(xù)觀測站的DO濃度時(shí)間序列, 發(fā)現(xiàn)研究海域未出現(xiàn)低氧現(xiàn)象[DO濃度<2 mg/L (Diaz, 2001; 李道季等, 2002)], 并表現(xiàn)出顯著的隨季節(jié)變化特征, 即從春季到夏季逐漸降低, 從夏季到秋季逐漸升高, 各觀測站海水DO濃度均在8月20日左右達(dá)到最低值, 而在11月中下旬達(dá)到最高值。

圖4a對比展示了4個(gè)海洋牧場連續(xù)觀測站底層DO濃度的差異, 結(jié)合各觀測站位置來看, 瑜泰北部位于最北端, 總體上各月DO濃度均小于其余3個(gè)觀測站, 但其8月份與東宇北部DO濃度值相近, 推測與二者水深都較深有關(guān); 東宇南部位于最南端, 除9月中旬至10月上旬外DO濃度是各站中最大的, 可能是由于該站最靠近岸邊且水深最淺; 而9月中旬至10月上旬, 東宇南部、東宇北部和瑜泰DO濃度差距不大。由圖1已知東宇北部與瑜泰基本呈緯向分布, 瑜泰與瑜泰北部大體呈經(jīng)向分布, 為了更直觀地分析DO濃度緯向、經(jīng)向分布特征, 圖4b和圖4c分別展示了瑜泰和東宇北部、瑜泰和瑜泰北部的DO濃度差, 可以看出, 僅8月中下旬和11月下旬瑜泰DO濃度略高于東宇北部, 其余月份DO濃度東西方向差異不大; 瑜泰DO濃度基本上在各月均大于瑜泰北部, 即底層DO濃度南大北小。綜上, 在研究海域, 海水底層DO濃度在夏、秋季節(jié)緯向差異整體不大, 瑜泰DO濃度在夏季以及11月下旬略高于東宇北部; 而在春、夏和秋季, 經(jīng)向上DO濃度均南高北低, 并且春季和秋季差異更大, 在夏季差異有所減小。特別的是東宇南部、東宇北部和瑜泰DO濃度在11月中旬出現(xiàn)快速升高的現(xiàn)象(圖4a黑圈處)。

表2 各連續(xù)觀測站春季、夏季、秋季平均溶解氧(dissolved oxygen, DO)濃度

Tab.2 Mean DO concentration in spring, summer and autumn at each continuous observation station

注: 藍(lán)色虛線標(biāo)明DO濃度最低值, 紅色虛線標(biāo)明DO濃度最高值, 虛線所在日期為極值出現(xiàn)的日期

圖4 各連續(xù)觀測站溶解氧(dissolved oxygen, DO)濃度對比(a), 東西向(b)和南北向(c)各月日平均DO濃度差異

注: a中黑色橢圓標(biāo)記的是東宇南部、東宇北部和瑜泰DO濃度明顯升高的現(xiàn)象

2.2 飽和溶解氧、溶解氧飽和度和表觀耗氧量

圖5a為溫鹽調(diào)控下的飽和溶解氧濃度, 在4個(gè)連續(xù)觀測站其均表現(xiàn)出和觀測DO濃度一致的季節(jié)變化趨勢, 從春季到夏季逐漸降低繼而到秋季逐漸升高; 飽和溶解氧濃度的空間差異并不顯著, 僅東宇南部飽和溶解氧濃度在7、8月略低于其他觀測站, 而在10、11月略高, 以及瑜泰北部飽和溶解氧濃度在7月略高于瑜泰。將溶解氧飽和度和表觀耗氧量(apparent oxygence utilization, AOU)結(jié)合分析(圖5b、5c), 從春季到夏季溶解氧飽和度減小, 最小可至50%, AOU逐漸增大。除東宇南部外, 夏季AOU>0, 8月中旬DO不飽和程度以及AOU達(dá)到最大, 夏季到秋季AOU逐漸減小為負(fù)值, DO積累達(dá)到飽和或過飽和。瑜泰北部各月AOU>0, DO被消耗始終處于不飽和狀態(tài), 而東宇南部則基本與之相反。可以發(fā)現(xiàn), 在各季節(jié)底層DO不飽和程度以及其消耗總是北邊大于南邊, 且春、秋季節(jié)差異比夏季更大, 而溶解氧飽和度和AOU在緯向上相近, 這與底層DO濃度空間分布特征相對應(yīng)。

圖5 各連續(xù)觀測站飽和溶解氧(a)、溶解氧飽和度(b)和表觀耗氧量(c)時(shí)間序列圖

3 討論

3.1 溫鹽物理調(diào)控

已有許多研究得出海水溫度和鹽度對DO濃度有一定影響(Younjoo, 2008; Wei, 2019)。由圖6a可看出, 各連續(xù)觀測站海水溫度均具有顯著的季節(jié)變化特征, 從春季到夏季逐漸升高, 從夏季到秋季逐漸降低。春季和秋季, 各觀測站之間海水溫度差異不大; 夏季東宇南部溫度最高, 瑜泰北部溫度最低, 東宇北部和瑜泰溫度相近, 即海水溫度南部大于北部, 而東西向差異較小。已知溫度越高, 氧的溶解度越小, 結(jié)合底層DO的時(shí)空分布特征, 推測其隨季節(jié)變化的特征可能受到海水溫度季節(jié)變化的影響, 而其空間分布差異也許與溫度的物理調(diào)控沒有直接關(guān)系。如圖6b所示, 各連續(xù)觀測站海水鹽度沒有明顯的季節(jié)變化特征, 故其對DO濃度季節(jié)變化的影響還需進(jìn)一步分析。圖7對比了分別由實(shí)際溫鹽、實(shí)際鹽度和平均溫度以及實(shí)際溫度和平均鹽度計(jì)算得到的飽和溶解氧濃度, 發(fā)現(xiàn)海水溫度是底層DO濃度有上述季節(jié)變化的主要影響因素, 而鹽度對DO濃度季節(jié)變化以及空間差異的影響可以忽略不計(jì)。

圖6 各連續(xù)觀測站日平均溫度(a)和日平均鹽度(b)時(shí)間序列圖

上文分析得到, 連續(xù)觀測的底層DO濃度以及海水溫度具有顯著季節(jié)變化特征, 并且圖8展示出DO濃度和海水溫度隨時(shí)間有相反的變化趨勢, 即春季到夏季溫度升高時(shí), DO濃度下降, 夏季到秋季溫度降低時(shí), DO濃度逐漸升高。計(jì)算兩者同期相關(guān)系數(shù)(表3), 得到4個(gè)海洋牧場連續(xù)觀測站的DO濃度和海水溫度同期相關(guān)系數(shù)均在-0.85左右, 即兩者有明顯負(fù)相關(guān)關(guān)系, 進(jìn)一步說明了DO濃度的季節(jié)變化趨勢主要由海水溫度進(jìn)行物理調(diào)控。

線性擬合求得DO濃度和海水溫度在升高以及降低階段的變化速率(表3), 對比可得: 溫度升高(下降)得越快, DO濃度下降(升高)得越快, 反之越慢, 再次印證了DO濃度對溫度季節(jié)變化的響應(yīng)。

3.2 層結(jié)

已知4個(gè)海洋牧場連續(xù)觀測站的DO濃度均在夏季降低并且達(dá)到最低值, 但如果只有海水溫度的物理調(diào)控, 并不能使夏季DO濃度降低到觀測結(jié)果所顯示的程度(圖7)。有研究者得出, 對于在夏季經(jīng)常出現(xiàn)的沿海底層海水低氧現(xiàn)象, 層結(jié)被認(rèn)為是限制DO物理供應(yīng)的主要因素, 因?yàn)閷咏Y(jié)阻礙了底層水與富氧表層水的交換(Diaz, 2001; Fennel, 2019), 并且在該海域夏季確有季節(jié)性溫躍層存在(李兆欽等, 2019;劉禹鋮等, 2019; 王心怡等, 2020; Zhai, 2021), 故4個(gè)連續(xù)觀測站DO濃度在夏季降低, 而且在8月20日左右達(dá)到最低值, 很可能是海水季節(jié)性層結(jié)所致。對于4個(gè)連續(xù)觀測站, 用海表與海底的溫差來作為海水層結(jié)強(qiáng)度的指標(biāo), 海表溫度使用的是MURSST數(shù)據(jù)。

表3 各連續(xù)觀測站溶解氧(dissolved oxygen, DO)濃度和海水溫度同期相關(guān)系數(shù)以及升高、下降速率

Tab.3 Correlation coefficients of DO concentration and seawater temperature, and the rates of increase and decrease in DO concentration and temperature at each continuous observation station

分析圖9可知, 在4月和5月, 以及從8月20日左右至12月, 表底溫差在0附近波動(dòng), 層結(jié)較弱; 而在6、7月至8月上、中旬表底溫差較大, 即海水溫度層結(jié)較強(qiáng), 說明4個(gè)連續(xù)觀測站夏季DO濃度降低并至最小值, 是季節(jié)性層結(jié)阻礙了表底海水交換所致。此外, 東宇南部、東宇西部和瑜泰在11月份表底溫差減小為0時(shí), 對應(yīng)AOU也明顯減小, 說明此時(shí)海水充分垂向混合, 表層豐沛的DO可以到達(dá)底層, 使得底層海水AOU減小, DO濃度升高達(dá)到過飽和狀態(tài)。另外, 表底溫差最大值即層結(jié)最強(qiáng)出現(xiàn)在7月下旬(7月20日之后), 而AOU最大值(DO濃度最小值)出現(xiàn)在8月20日左右(藍(lán)色虛線標(biāo)明), 也就是層結(jié)轉(zhuǎn)弱的時(shí)候, 即二者有近一個(gè)月的時(shí)間差。

在夏季, 瑜泰北部DO濃度小于瑜泰, 而瑜泰DO濃度又略高于東宇北部, 并且東宇南部DO濃度最大。圖10展示了各連續(xù)觀測站夏季層結(jié)強(qiáng)度的空間差異: 瑜泰北部海水層結(jié)強(qiáng)度從6月下旬至8月中旬一直明顯強(qiáng)于瑜泰; 東宇北部海水層結(jié)強(qiáng)度雖然在7月份弱于瑜泰北部, 但整體強(qiáng)于瑜泰; 東宇南部層結(jié)最弱, 即在經(jīng)向上, 北邊季節(jié)性層結(jié)要比南邊更強(qiáng), 而在緯向上層結(jié)強(qiáng)度差異較小。綜上, 海水層結(jié)強(qiáng)度的空間分布差異導(dǎo)致了研究海域夏季底層DO濃度在經(jīng)向上南邊大于北邊, 而在緯向上東邊略大于西邊。

3.3 生化過程

生化過程也是造成DO濃度季節(jié)差異的一個(gè)重要因素。Wang等(2018)研究得出DO與浮游植物總量呈負(fù)相關(guān), 并證明了初級生產(chǎn)力對DO的影響。春季到夏季透光層內(nèi)浮游植物的繁殖、有機(jī)質(zhì)沉積及其耗氧分解為夏季底部低氧的形成提供了條件(Wei, 2019)。

圖9 各連續(xù)觀測站日平均表底溫差和表觀耗氧量(apparent oxygence utilization, AOU)時(shí)間序列

注: 藍(lán)色虛線標(biāo)明AOU最大值

圖10 各連續(xù)觀測站日平均表底溫差對比圖

在東宇南部、東宇北部和瑜泰, DO濃度在11月中旬顯著升高(圖4a黑圈處), 但是海水溫度并沒有明顯降低(圖6a), 又發(fā)現(xiàn)11月中旬在這3個(gè)連續(xù)觀測站葉綠素濃度有快速升高的現(xiàn)象(圖11), 故考慮可能是生化過程對DO濃度的變化有一定影響。由于瑜泰北部缺少葉綠素?cái)?shù)據(jù), 在此不對該觀測站做分析。由圖11可知, 葉綠素濃度并無顯著季節(jié)變化, 說明其不是導(dǎo)致DO季節(jié)變化趨勢的主要因素; 整體上東宇北部葉綠素濃度最小, 瑜泰最大; 東宇南部葉綠素和AOU有較明顯的負(fù)相關(guān)關(guān)系, 在10～11月二者的相關(guān)系數(shù)為-0.87, 但東宇北部和瑜泰二者關(guān)系并不顯著, 然而11月中旬近岸3個(gè)觀測站都出現(xiàn)了葉綠素顯著升高同時(shí)AOU顯著減小的現(xiàn)象。

查閱《2021年中國海洋災(zāi)害公報(bào)》(2022), 發(fā)現(xiàn)煙威近岸海域的主要赤潮過程發(fā)生在11月27日至12月16日, 故11月中旬研究海域葉綠素顯著升高并非由于發(fā)生赤潮; 近岸3個(gè)站位間水深差異較大, 卻都存在上述葉綠素和AOU快速變化的現(xiàn)象。綜合上述兩點(diǎn), 考慮上述現(xiàn)象可能是極端的天氣過程增強(qiáng)了海水垂向混合所致。ERA5數(shù)據(jù)顯示, 研究海域在2021年11月10日左右確實(shí)發(fā)生了持續(xù)4 d風(fēng)速大于8 m/s的大風(fēng)天氣, 風(fēng)向東南(圖12)。根據(jù)上文分析已知, 在11月中上旬, 3個(gè)觀測站的表底溫差減小至0和葉綠素濃度顯著增大、AOU顯著減小的時(shí)間一致(圖9、圖11), 與風(fēng)速時(shí)間序列對比發(fā)現(xiàn), 三者均滯后于大風(fēng)過程3～4 d。11月上旬大風(fēng)過后的幾天內(nèi)氣溫并未驟降反而略有升高(圖12b), 故查閱歷史天氣, 發(fā)現(xiàn)該時(shí)間內(nèi)多為晴朗天氣。綜上推測, 可能是大風(fēng)引起海底有機(jī)物懸浮、海水中營養(yǎng)鹽增多, 浮游植物得以大量繁殖, 加之天氣晴朗陽光充足促進(jìn)其光合作用的進(jìn)行, 使上層海水中葉綠素和DO濃度增加, 之后表底溫差降至0, 海水層結(jié)消失, 海水充分垂向混合, 豐富的DO和葉綠素隨之到達(dá)底層, 導(dǎo)致葉綠素顯著增多、AOU顯著減小, 同時(shí)底層DO濃度快速升高的現(xiàn)象(圖4a黑圈處)。

圖11 各海洋牧場連續(xù)觀測站日平均葉綠素和表觀耗氧量(apparent oxygence utilization, AOU)時(shí)間序列

圖12 2021年4～12月10 m風(fēng)矢量(a)和10 m風(fēng)速、2 m氣溫(b)時(shí)間序列

根據(jù)上文分析得出, 底層DO濃度在夏季達(dá)到最小值, AOU達(dá)到最大值, 除了夏季海水層結(jié)阻礙DO物理供應(yīng)外是否也有生化過程在起作用, 還需要分析該海域海水pH時(shí)空分布情況來做進(jìn)一步探究。由于連續(xù)觀測資料缺少pH數(shù)據(jù), 本研究使用在該海域大面觀測得到的pH數(shù)據(jù)進(jìn)行補(bǔ)充。圖13、圖14展示了經(jīng)、緯向斷面海水pH分布情況, 發(fā)現(xiàn)該海域未出現(xiàn)酸化現(xiàn)象(pH在8.35～8.65)。從各月觀測斷面海水pH可看出, pH從春季到夏季減小, 8月份最小, 8月到9月增大, 并且pH有明顯隨深度減小的趨勢, 說明夏季底層生化作用比其他季節(jié)更活躍, 同時(shí)耗氧也更多。結(jié)合底層DO濃度和AOU季節(jié)分布特征, 夏季DO濃度最低可能不僅是由于層結(jié)阻礙底層DO物理供應(yīng), 還存在夏季海底生物化學(xué)耗氧過程更活躍的因素。

圖14 pH緯向斷面分布圖

4 結(jié)論

本文基于2021年4～12月山東半島煙臺(tái)-威海北部海洋牧場區(qū)域4處連續(xù)觀測站的長期、同步觀測數(shù)據(jù), 分析了該海域底層DO的季節(jié)變化特征, 并探討了影響DO濃度的物理機(jī)制。在時(shí)間上, 4個(gè)連續(xù)觀測站的DO濃度均表現(xiàn)出明顯的季節(jié)變化特征, 即從春季到夏季逐漸降低, 從夏季到秋季逐漸升高, 這種季節(jié)變化趨勢主要由溫度進(jìn)行物理調(diào)控; 各觀測站底層DO濃度均在夏季降低, 并且在8月20日左右達(dá)到最低值, 海水層結(jié)限制DO垂向物理供應(yīng)是主要因素, 其阻礙了底層水與上層富氧水的交換, 并且夏季海底生化作用更活躍, 消耗DO增多。在空間上, 夏季位于最南邊的東宇南部DO濃度最大, 并且DO濃度在南北方向上瑜泰>瑜泰北部, 東西方向上瑜泰>東宇北部, 這是海水層結(jié)強(qiáng)度的空間差異所致, 層結(jié)強(qiáng)度越大底層DO濃度越低; 在春季和秋季, DO濃度緯向差異整體不大, 而在經(jīng)向上DO濃度北邊顯著小于南邊, 這是由于在春、秋季海水層結(jié)很弱, 底層DO通過海水垂向混合得以補(bǔ)充, 并且水深更淺的瑜泰DO更容易到達(dá)海底而呈飽和或過飽和狀態(tài), 而水深更深的瑜泰北部底層DO仍處于不飽和狀態(tài); 春、秋季DO濃度南北差異比夏季更大, 是因?yàn)橄募緦咏Y(jié)阻礙作用, 各觀測站處的底層DO均不易得到物理供應(yīng)而處于不飽和狀態(tài), 并且南邊DO降低更快, 故南北差異減小。近岸3個(gè)觀測站底層DO濃度在11月中旬快速升高, 葉綠素濃度也顯著增加, 推測該現(xiàn)象可能是海水垂向混合的結(jié)果, 即持續(xù)大風(fēng)天氣引起浮游生物大量繁殖, 加之天氣晴朗促進(jìn)其光合作用的進(jìn)行, 上層海水中葉綠素和DO濃度增加, 之后海水層結(jié)消失, 海水充分垂向混合, 最終導(dǎo)致底層葉綠素顯著增多, 同時(shí)DO濃度快速升高。本研究使用長期的連續(xù)觀測數(shù)據(jù), 首次對煙臺(tái)-威海北部海域4個(gè)海洋牧場觀測站進(jìn)行了多點(diǎn)聯(lián)合研究, 進(jìn)一步補(bǔ)充和完善了該海域海水DO濃度季節(jié)尺度的時(shí)空變化特征及影響機(jī)制的研究理論。

王心怡, 劉子洲, 顧艷鎮(zhèn), 等, 2020. 西港海洋牧場底層海水溶解氧濃度時(shí)變特征[J]. 海洋科學(xué), 44(9): 9-20.

石強(qiáng), 2016. 黃海溶解氧含量場季節(jié)循環(huán)時(shí)空模態(tài)與機(jī)制[J]. 應(yīng)用海洋學(xué)學(xué)報(bào), 35(1): 1-14.

自然資源部海洋預(yù)警監(jiān)測司, 2022. 2021年中國海洋災(zāi)害公報(bào)[R/OL]. (2022-04-08)[2023-01-20]. http://gi.mnr.gov.cn/ 202205/t20220507_2735508.html.

劉春利, 葛長字, 張玉娟, 等, 2017. 黃海表層溶解氧時(shí)空分布特征[J]. 海洋環(huán)境科學(xué), 36(2): 255-260.

劉禹鋮, 劉子洲, 顧艷鎮(zhèn), 等, 2019. 威海市天鵝湖海洋牧場底層海水溶解氧濃度時(shí)間變化特征[J]. 海洋科學(xué), 43(9): 41-53.

孫利元, 劉子洲, 丁金強(qiáng), 等, 2021. 夏季煙臺(tái)-威海北部近海溶解氧濃度垂向分布的最小值[J]. 海洋科學(xué), 45(11): 20-29.

李兆欽, 李欣, 孫利元, 等, 2019. 劉公島海洋牧場底層海水溶解氧濃度的變化特征[J]. 海洋與湖沼, 50(1): 86-99.

李道季, 張經(jīng), 黃大吉, 等, 2002. 長江口外氧的虧損[J]. 中國科學(xué)(D輯), 32(8): 686-694.

辛明, 馬德毅, 王保棟, 等, 2013. 黃海溶解氧的平面分布特征及其季節(jié)變化[J]. 中國海洋大學(xué)學(xué)報(bào), 43(7): 56-60.

宋國棟, 石曉勇, 祝陳堅(jiān), 2007. 春季黃海溶解氧的平面分布特征及主要影響因素初探[J]. 海洋環(huán)境科學(xué), 26(6): 534-536.

翟方國, 顧艷鎮(zhèn), 李培良, 等, 2020. 山東省海洋牧場觀測網(wǎng)的建設(shè)與發(fā)展[J]. 海洋科學(xué), 44(12): 93-106.

Diaz R J, 2001. Overview of hypoxia around the world [J]. Journal of Environmental Quality, 30(2): 275-281.

Fennel K, Testa J M, 2019. Biogeochemical controls on coastal hypoxia [J]. Annual Review of Marine Science, 11: 105-130.

GARCIA H E, GORDON L I, 1992. Oxygen solubility in seawater: Better fitting equations [J]. Limnology and Oceanography, 37(6): 1307-1312.

Wang N, huang b Q, dong y T,, 2018. The evolution of deepwater dissolved oxygen in the northern South China Sea since 400 ka [J]. Palaeoworld, 27(2): 301-308.

Wei Q S, wang b D, yao q Z,, 2019. Spatiotemporal variations in the summer hypoxia in the Bohai Sea (China) and controlling mechanisms [J]. Marine Pollution Bulletin, 138: 125-134.

Younjoo J L, Lwiza K M M, 2008. Characteristics of bottom dissolved oxygen in Long Island Sound, New York [J]. Estuarine, Coastal and Shelf Science, 76(2): 187-200.

Zhai F G, liu z Z, li p L,, 2021. Physical controls of summer variations in bottom layer oxygen concentrations in the coastal hypoxic region off the northeastern Shandong Peninsula in the Yellow Sea [J]. Journal of Geophysical Research: Oceans, 126(5): e2021JC017299.

SEASONAL VARIATION OF DISSOLVED OXYGEN CONCENTRATION IN BOTTOM WATER OF MARINE RANCHES NORTH OF YANTAI-WEIHAI

FAN Si-Qi1, LIU Zi-Zhou1, ZHAI Fang-Guo1, GU Yan-Zhen2

(1. College of Oceanic and Atmospheric Sciences, Ocean University of China, Qingdao 266100, China; 2. College of Oceanic, Zhejiang University, Zhoushan 316021, China)

Based on the long-term observed data from four consecutive stations in marine ranch area north of Yantai and Weihai, Shandong Peninsula from April to December 2021, the dissolved oxygen (DO) concentration in the bottom was investigated, and the physical mechanism was discussed. The DO in the bottom water layer gradually decreased from spring to summer, and gradually increased from summer to autumn, which was mainly controlled by temperature. The DO at all the stations was the lowest in August, which was influenced by vertical stratification and the increase of underlying biochemical oxygen consumption. The DO concentration in the bottom water had a small difference in the east-west direction, but a significant difference in the north-south direction. In spring and autumn, the DO concentration was higher in the south and lower in the north, because the stratification was weak and the vertical mixing of seawater provided DO to the bottom. Moreover, the water depth in the south was shallower, thus DO was more likely to reach saturation, while DO in the deeper water depth remained in unsaturated state. In summer, caused by the spatial difference of seasonal stratification intensity, DO concentration in the south was higher than it in the north. Meanwhile, the DO concentration in the south decreased faster, which reduced the difference between the north and the south in summer. In mid-November, there was a rapid increase in DO at the three nearshore stations, which was possibly due to the phytoplankton bloom caused by previous strong wind process. And sunny weather promoted photosynthesis in phytoplankton, increasing DO in seawater.

marine ranch; bottom dissolved oxygen concentration; seasonal seawater stratification; biochemical processes

* 山東省自然科學(xué)基金項(xiàng)目, ZR2020MD059號; 國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目, 42176016號。樊思琦, 碩士研究生, E-mail: siqifan1001@163.com

劉子洲, 實(shí)驗(yàn)師, E-mail: lzz2013@ouc.edu.cn

2022-12-02,

2023-01-19

P717

10.11693/hyhz20221200317