基于Bio-Argo浮標數據研究孟加拉灣中部海域溶解氧分布

徐華兵, 楊豐成, 梁穎欣, 劉宇鵬, 付東洋, *

基于Bio-Argo浮標數據研究孟加拉灣中部海域溶解氧分布

徐華兵1, 楊豐成1, 梁穎欣1, 劉宇鵬2, 付東洋1, *

1. 廣東海洋大學電子與信息工程學院, 廣東 湛江 524088 2. 中國科學院南海海洋研究所熱帶海洋環境國家重點實驗室, 廣東 廣州 510301

溶解氧的分布影響著海洋生物的生存, 以孟加拉灣低氧區為研究對象, 利用2013—2017年該海域Bio-Argo浮標數據和衛星遙感數據, 分析孟加拉灣海域海洋上層(0—200 m)溶解氧的垂直分布特征, 探討孟加拉灣海表溶解氧和氧躍層時空變化及其成因。結果表明, 由于大量徑流和降雨的輸入, 孟加拉灣海表形成顯著的鹽度成層, 導致該海域溶解氧濃度在約40 m處開始顯著降低, 并在200 m以內降至20 μmol·kg–1以下。海表溶解氧濃度與海表溫度呈負相關(=–0.75)。氧躍層深度(DO50 μmol·kg–1)與23℃等溫線和海表面高度異常呈正相關, 相關系數分別為0.93和0.81。孟加拉灣中部低氧區海表溫度是影響海表溶解氧變化的主要因素之一, 氧躍層的變化則與海洋中尺度渦密切相關。

Bio-Argo浮標; 溶解氧; 低氧區; 孟加拉灣; 海表面高度異常

0 前言

溶解氧是海洋生命活動不可缺少的物質, 其含量是維持海洋生態系統平衡的重要因素之一[1-2]。當水體的溶解氧濃度低于60—120 μmol·kg–1時, 將嚴重威脅大部分大型海洋動物的生存, 甚至導致缺氧死亡[3]。海洋缺氧嚴重影響海洋生態系統, 最直觀體現為大量海洋生物死亡、生物多樣性顯著降低、漁業生產受阻等, 進而帶來直接或間接的經濟損失。

海洋分布著四個顯著的低氧區, 分別是北印度洋的阿拉伯海和孟加拉灣, 熱帶赤道東北太平洋(0—25 °N)和東南太平洋[4]。世界大洋低氧區體積接近15×106km3, 其中孟加拉灣和阿拉伯海約占全球低氧區體積的21%, 約合3.13×106km3。同時孟加拉灣和阿拉伯海產生的海洋沉積物約占全球低氧區產生的海洋沉積物的59%[5]。作為四大低氧區之一, 孟加拉灣低氧嚴重影響該海域的生態環境和漁業資源。

孟加拉灣是世界最大的海灣, 也是世界上唯一一個總面積超過200萬 km2的海灣。孟加拉灣西臨印度半島, 東臨中南半島, 北臨緬甸和孟加拉國, 南與印度洋本體相交于斯里蘭卡至蘇門達臘島一線。目前針對孟加拉灣低氧區已有較多研究。MADHU et al[6]的觀測結果表明, 夏季孟加拉灣海域水下100—150 m范圍內的溶解氧濃度小于20 μmol·kg–1, 屬于低氧范疇。SARDESSAI et al[7]的觀測結果表明, 西南季風期間孟加拉灣最低溶解氧(≤10 mμmol·L–1)的分布從20 °N約80 m水平延伸至11 °N水下約120 m。SARMA et al[8]發現夏季風期間孟加拉灣西北沿海的氧濃度低于檢測限。

然而, 目前關于孟加拉灣海域溶解氧分布的研究主要基于航次觀測, 所獲數據時空離散性強。航次觀測數據采樣點少, 周期短, 無法得到孟加拉灣海域溶解氧季節性和年際變化的特征, 即難以實現大范圍的連續時空尺度的海洋低氧變化監測。近幾年大量投放的裝載溶解氧傳感器的新型Bio-Argo浮標為孟加拉灣低氧研究提供了第一手資料。2021年9月, 全球共有426個Bio-Argo分布在各個海域, 孟加拉灣海域現有3個Bio-Argo在運行(https://www. ocean-ops.org//)。Bio-Argo數據被廣泛應用于研究海洋中尺度渦和熱帶氣旋對海洋上層溶解氧和葉綠素的影響[9-14]。

本文利用Bio-Argo浮標提供的溶解氧數據、溫鹽數據和衛星遙感數據, 揭示孟加拉灣中部海域海表溶解氧和氧躍層的分布特征, 探討海表溶解氧和氧躍層變化的成因, 并嘗試利用溫度和海表面高度異常估算溶解氧和氧躍層的時空分布。

1 材料和方法

1.1 數據來源

Bio-Argo浮標(www.argodatamgt.org/)觀測資料提供了孟加拉灣中部低氧海域上層溶解氧的數據。本文選擇孟加拉灣中部海域Bio-Argo浮標(5903712)觀測到的溶解氧, 其觀測時間涵蓋2013年1月至2017年4月(2017年4月后溶解氧傳感器未提供數據), 共217組溶解氧數據, 其觀測站位如圖1。此外, 本文另選取Bio-Argo浮標(2902114)的相關結果作為對比(未展示相關結果圖), 增加結論的說服力, 其觀測周期為2013年11月至2016年2月。Bio-Argo浮標同時測量溶解氧, 溫度和鹽度的垂直剖面, 從～5到2000 m, 時間間隔為7天。本研究選取深度為～5至200 m的Bio-Argo垂直剖面。該Bio-Argo浮標配備溶解氧傳感器(Aanderaa Optode 4330), 校準精度約5%(或8 μM)。傳感器在0%和120%飽和度之間校準[15]。Bio-Argo數據有兩個級別的質量控制: 第一級是一組實時的自動檢查, 第二級是延遲模式質量控制系統[16-17]。衛星遙感的海表面高度異常(SLA)數據由www.aviso.oceanobs.com提供, 空間分辨率為25×25 km。南海溶解氧數據由廈門大學投放在南海的Bio-Argo提供, 網址: http://odc.xmu.edu.cn/ BioArgo/Default.aspx.

1.2 數據處理與分析

本研究選擇Bio-Argo質量控制為1(good)的數據, 將上層0—200 m的數據進行線性插值至1 m分辨率, 然后取海洋上層10 m內的溶解氧濃度的均值作為海表溶解氧(SSDO), 海洋上層10 m的溫度和鹽度均值作為海表溫度(SST)和海表鹽度(SSS)。取DO=50 μmol·kg–1所在深度作為低氧區氧躍層的深度[18]。采用Matlab2020b對海洋上層0—200 m溫度、鹽度、密度和溶解氧變化圖進行繪制。采用OriginPro 9.1對相關性圖進行繪制, 計算相關系數, 并用SPSS軟件進行顯著性值的計算。運用統計學中的最小二乘法線性回歸法建立一元線性回歸擬合方程。

圖1 2013—2017年Bio-Argo的觀測站位

Figure 1 The positions of Bio-Argo from 2013-2017

2 結果與分析

2.1 海洋上層0—200 m溶解氧垂直日變化

圖2描述了2013—2017年間孟加拉灣中部海域海洋上層0—200 m的溶解氧、鹽度、溫度和密度的日變化。從圖中可以看出孟加拉灣表層水體的溶解氧濃度約200 μmol·kg–1, 幾乎飽和(圖2a)。孟加拉灣0—200 m的溶解氧垂直分布和南海中部海域溶解氧的垂向分布有顯著差別(圖3): 孟加拉灣低氧區的氧躍層較淺, 溶解氧在0—200 m變化顯著, 其溶解氧在約40 m開始顯著降低, 200 m以內降至20 μmol·kg–1以下, 甚至接近0 μmol·kg–1。而南海作為非低氧區海域, 其海洋上層0—200 m保持在高溶解氧濃度(>150 μmol·kg–1, 并存在一個溶解氧的最大層。在非低氧區, 浮游植物在透光層的強光合作用下產生較高的含氧量, 并在次表層形成溶解氧最大值層。因此, 低氧區的孟加拉灣和非低氧區的南海其上層的溶解氧分布存在著顯著差別。

圖2b為2013—2017年孟加拉灣海洋上層0—200 m的鹽度分布。海表0—40 m深度存在低鹽海水, 從而導致海洋上層顯著的鹽度成層, 抑制了上層水體與空氣中氧氣的交換。從圖2a中溶解氧的氧躍層變化(DO50 μmol·kg–1)可以發現, 2013—2015年間的10月份左右氧躍層的深度均明顯變淺(<60 m)。2016年6月—2017年4月孟加拉灣海洋上層的溶解氧濃度相比2013—2015年整體偏高。海洋上層溫鹽的垂直變化也呈相似變化趨勢。2013—2015年間海水23 ℃等溫線在每年的10月左右較淺, 溫度在約40—60 m顯著降低(圖2c), 同時10月左右鹽度在40—60 m附近顯著增加。而在2016年6月—2017年4月孟加拉灣上層存在大量低鹽海水, 上層100 m的水溫整體增加, 鹽度降低。上層水體密度顯著減小(圖2d), 同時氧躍層深度加深到100 m附近(圖2a)。該現象可能與該區域原有的強反氣旋渦內產生的下降流導致表層高溫、低鹽、高溶解氧的水體向下輸送相關。

圖2 2013年至2017年孟加拉灣中部海域0—200 m (a)溶解氧、(b)鹽度、(c)溫度和(d)位勢密度日變化垂直分布

Figure 2 Vertical distribution of (a) dissolved oxygen, (b) salinity, (c) temperature and (d) potential density in the upper 200 m in the central Bay of Bengal from 2013 to 2017

圖3 南海和孟加拉灣中部海域上層0—200 m溶解氧分布示意圖

Figure 3 The schematic diagram of the DO distribution in the upper 200 m in the central South China Sea and central Bay of Bengal

2.2 海表溶解氧變化

孟加拉灣海域海表10 m的平均溶解氧濃度和溫度日變化如圖4所示。海表溶解氧濃度變化范圍在193.18—214.59 μmol·kg–1, 平均值為202 ± 4.56 μmol·kg–1。海表溶解氧濃度呈現顯著的季節變化, 2—3月最高, 6—8月最低。海表溫度的變化則與海表含氧量的變化相反。Bio-Argo資料顯示, 觀測海域海表溫度變化范圍在25.5—31.24 ℃, 平均溫度為(28.61 ± 1.19) ℃, 海表溫度6月最高, 2—3月最低。水體的溶解氧濃度隨著溫度的緩慢增加而逐漸減少。基于Bio-Argo(5903712)數據分析發現, 海表溶解氧濃度和海表溫度呈顯著的負相關:= –2.88+284.37(=–0.75,<0.001, 圖5), 此外Bio-Argo(2902114)數據顯示兩者的相關系數為–0.81。而海面風場、SLA、混合層深度與海表溶解氧濃度的相關性(<0.5, 此部分結果未展示)均明顯弱于海表溫度與海表溶解氧的相關性。

2.3 氧躍層變化

2013—2017年氧躍層深度變化范圍在31.95—118.7 m, 平均氧躍層深度為(73.57 ± 15.96) m(圖6)。氧躍層深度沒有明顯的季節性差異, 無明顯的規律可循。2013—2017年, 23 ℃等溫線的變化范圍處于51—127.1 m, 平均深度為90.47 ± 15.87 m。2013—2017年, Bio-Argo(5903712)氧躍層的變化和23 ℃等溫線的變化具有較好的一致性, 兩者呈顯著正相關, 相關系數為0.93(<0.00.1), Bio-Argo (2902114)結果顯示兩者相關系數為0.87。氧躍層深度(DO50 μmol·kg–1)=23 ℃等溫線深度×0.93- 10.58(圖7a)。

2013—2017年, Bio-Argo所經過低氧海域的SLA和氧躍層深度之間存在較好的一致性(圖8)。SLA變化范圍處于–0.11—0.31 m, 平均SLA為0.09 ± 0.08 m。Bio-Argo(5903712)SLA和氧躍層深度呈顯著正相關(圖7b,=0.81,<0.001), 氧躍層深度= 156.7+60.14。此外, Bio-Argo(2902114)SLA和氧躍層深度也呈顯著正相關, 兩者相關系數為0.71。圖9描述了2014年12月和2015年1月Bio-Argo觀測時間內的 SLA分布圖, 其中2014年12月14日、19日和24日Bio-Argo位于氣旋渦內, 其SLA分別為–6.67 cm、–7.67 cm和–6.27 cm。而2015年1月8日、13日和24日Bio-Argo位于反氣旋渦內, SLA分別為5.57 cm、11.1 cm和15.28 cm。氣旋渦影響下的氧躍層平均深度為(62.2±10.5) m, 顯著低于反氣旋渦影響下的氧躍層平均深度(94.7±9.8) m (<0.05)。

圖4 2013至2017年孟加拉灣海表溶解氧和海表溫度變化曲線

Figure 4 Change curve of sea surface temperature and dissolved oxygen in the Bay of Bengal from 2013 to 2017

3 討論

低氧區形成的主要原因是由于海域的高初級生產力或者海洋上層弱的通風[19]。其中孟加拉灣低氧區的形成則主要由于后者。這是因為徑流向孟加拉灣輸入了大量淡水, 同時大量降雨導致孟加拉灣表層鹽度進一步降低, 形成了顯著的鹽度分層[20]。該過程使得上層水體變得更穩定, 通風減少, 顯著抑制了表層含氧高的水體進入次表層, 形成孟加拉灣次表層低氧區。由于海氣界面海水與大氣氧氣的充分接觸, 孟加拉灣海域表層溶解氧基本上處于飽和狀態。海表溫度的高低決定了海水氧的溶解度, 溫度升高, 海表水體氧的溶解度降低, 溶解氧濃度降低[21]。龍愛民等[22]研究也發現, 南海北部表層海水的溶解氧與溫度呈完全相反的分布趨勢, 兩者相關性為–0.61。因此, 孟加拉灣海表溫度的變化是影響海表溶解氧濃度的重要因素之一。

圖5 2013至2017年孟加拉灣海表溶解氧和海表溫度相關性

Figure 5 The correlation between sea surface temperature and dissolved oxygen in the Bay of Bengal from 2013 to 2017

圖6 2013至2017年孟加拉灣氧躍層深度和等溫線(23 ℃)深度變化曲線

Figure 6 Change curve of oxycline depth and isotherm (23 ℃) in the Bay of Bengal from 2013 to 2017

圖7 2013至2017年孟加拉灣氧躍層深度和(a)23 ℃等溫線深度、(b)海表面高度異常(SLA)相關性圖

Figure 7 The correlation between oxycline depth and (a) isotherm (23 ℃), (b) SLA in the Bay of Bengal from 2013 to 2017

圖8 2013至2017年孟加拉灣氧躍層深度和海表面高度異常(SLA)深度變化曲線

Figure 8 Change curve of oxycline depth and SLA in the Bay of Bengal from 2013 to 2017

Figure 9 The distribution of SLA during the period of Bio-Argo observation from December 2014 to January 2015

孟加拉海域存在大量的中尺度渦, 對次表層溶解氧分布有顯著影響。研究發現, 反氣旋渦能將富含氧的表層海水輸送到次表層, 緩解孟加拉灣低氧區的低氧狀況, 反氣旋渦引起的下降流將加深氧躍層深度[11]。相反, 在氣旋渦影響的區域溶解氧含量較低, 氣旋渦產生的上升流, 將次表層低溫低氧水帶到上表層, 導致氧躍層深度變淺[10]。孟加拉灣次表層的溶解氧濃度變化主要取決于水體的垂直運動。PRAKASH et al[18]發現氧躍層和溫躍層之間存在顯著的相關性, 孟加拉灣海域水體的物理過程對氧躍層深度的影響比生物過程更重要。PRAKASH et al[18]在阿拉伯海和孟加拉灣的研究發現類似的結果, SLA和氧躍層深度的相關性高達0.83和0.79, 其擬合公式與本研究相近: 氧躍層深度=(1.68±0.07)×+(74.0 ± 0.75) (注: 其單位為cm, 本文單位為m)。因此, 海洋中尺度渦是影響孟加拉灣低氧區氧躍層變化的主要因素之一。

目前裝載溶解氧傳感器的Bio-Argo數量遠少于傳統的溫度、鹽度和深度傳感器Argo。根據國際Argo中心提供的數據, 2010-2020年間, 孟加拉灣海域Argo浮標觀測的溫、鹽數據約38070組, 而Bio- Argo浮標數據則只有約3178組, 不到前者的十分之一。從該角度而言, 孟加拉灣低氧區溶解氧的數據仍較為匱乏。基于本文構建的氧躍層深度分別與23 ℃等溫線深度和SLA之間的擬合公式(圖7), 利用Argo提供的溫度和遙感SLA數據來反演低氧區氧躍層深度的變化, 將有助于彌補Bio-Argo對孟加拉灣上層海洋溶解氧垂向分布的數據空缺, 促進對大時空尺度連續的低氧區次表層溶解氧變化的全面了解。

4 結論

本文利用2013—2017年孟加拉灣中部海域的Bio-Argo數據研究海洋上層0—200 m的溶解氧時空變化特征并分析其成因。結果顯示, 孟加拉灣中部海域存在低氧區, 溶解氧濃度在次表層顯著降低至低氧水平。低氧區海表溶解氧濃度與海表溫度呈顯著負相關, 表明海表溫度是影響低氧區海表溶解氧變化的關鍵因素之一。低氧區氧躍層深度與23 ℃等溫線深度和海表面高度異常呈顯著正相關, 表明海洋中尺度渦引起的水體垂向運動顯著影響氧躍層深度的變化。基于本文構建的Argo溫度和海表高度異常與氧躍層深度的擬合公式反演獲得的氧躍層變化, 將會為該海域的溶解氧變化的連續監測提供方法和數據支持。

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The distribution of dissolved oxygen in the central Bay of Bengal based on Bio-Argo observation

XU Huabing1, Yang Fengcheng1, LIANG Yingxin1, LIU Yupeng2, FU dongyang1,*

1. College of Electronic and Information Engineering, Guangdong Ocean University, Zhanjiang 524088, China 2. State Key Laboratory of Tropical Oceanography, South China Sea Institute of Oceanology, Chinese Academy of Sciences, Guangzhou 510301, China

The distribution of dissolved oxygen (DO) affects the survival of marine organisms. In order to explore the temporal and spatial variation of sea surface DO and oxycline in theOxygen Minimum Zone (OMZ) of Bay of Bengal (BoB), we investigated the vertical DO distribution from 0 to 200 m in the central BoB using Bio-Argo and remote sensing data from 2013 to 2017. The results showed that the salinity stratification caused by the input of a large amount of runoff and rainfall induced the significant change of the DO in the central BoB, and DO decreased significantly at ～ 40 m, and dropped to less than 20 μmol·kg–1within 200 m. The sea surface DO was negatively correlated with the sea surface temperature (=–0.75). The oxycline depth was significantly correlated with the 23℃ isotherm and sea level anomaly (=0.93 and 0.81). The surface DO concentration was mainly affected by the surface temperature, andthe oxycline depth was mainly controlled by the mesoscale eddies in the OMZ of the BoB.

Bio-Argo; dissolved oxygen; oxygen minimum zone; Bay of Bengal; sea level anomaly

10.14108/j.cnki.1008-8873.2024.01.009

P76

A

1008-8873(2024)01-074-07

2021-08-03;

2021-10-26

國家自然科學基金項目(42106148); 廣東海洋大學科研啟動經費資助項目(R20008); 熱帶海洋環境國家重點實驗室(中國科學院南海海洋研究所)開放課題(LTO2015)

徐華兵, (1990—), 男, 安徽安慶人, 博士, 主要從事海洋生態遙感, E-mail: xuhuabing1990@163.com

通信作者:付東洋(1969—), 男, 教授, 主要從事海洋水色遙感研究, E-mail: fdy163@163.com

徐華兵, 楊豐成, 梁穎欣, 等. 基于Bio-Argo浮標數據研究孟加拉灣中部海域溶解氧分布[J]. 生態科學, 2024, 43(1): 74–80.

XU Huabing, Yang Fengcheng, LIANG Yingxin, et al. The distribution of dissolved oxygen in the central Bay of Bengal based on Bio-Argo observation[J]. Ecological Science, 2024, 43(1): 74–80.