基于聲學方法的南黃海浮游動物垂直遷移季節(jié)變化研究

李勞鈺, 王輝武, 呂連港

(1. 國家海洋局 第一海洋研究所 海洋與氣候研究中心, 山東 青島 266061; 2. 國家海洋局 第一海洋研究所海洋環(huán)境與數(shù)值模擬重點實驗室, 山東 青島266061)

基于聲學方法的南黃海浮游動物垂直遷移季節(jié)變化研究

李勞鈺1, 王輝武1, 呂連港2

(1. 國家海洋局 第一海洋研究所 海洋與氣候研究中心, 山東 青島 266061; 2. 國家海洋局 第一海洋研究所海洋環(huán)境與數(shù)值模擬重點實驗室, 山東 青島266061)

為研究南黃海浮游動物垂直遷移的季節(jié)變化, 分析了2006年至2007年4個季節(jié)布放潛標中聲學測流儀的觀測數(shù)據(jù)。結果是: 聲學測流儀測量的后向散射強度呈現(xiàn)顯著的日變化特征, 這是由浮游動物垂直遷移造成的; 在 4個季節(jié)中都出現(xiàn)這一凌晨向下、黃昏向上的垂直遷移, 但是垂直遷移發(fā)生的時間有季節(jié)變化。利用南黃海輻射通量的直接觀測數(shù)據(jù), 討論了垂直遷移發(fā)生時間與光照的關系,結果表明垂直遷移的季節(jié)變化主要受光照的影響。這對于研究浮游動物垂直遷移機制有一定意義。

浮游動物垂直遷移; 后向散射強度; 季節(jié)變化; 日變化; 南黃海

聲學多普勒測流儀(ADCP, ADP)通過測量水中聲散射體的多普勒頻移實現(xiàn)海流的測量。對這類儀器而言, 海水中的聲散射體主要是浮游動物, 還包括懸浮沉積物等。于是除測流外, ADCP和ADP還被用于測量浮游動物的豐度和生物量[1-4], 以及監(jiān)測懸浮物[5]。既然聲學多普勒測流儀測量的后向散射強度可以轉換成等效的浮游動物生物量, 那么就可以利用該類儀器研究與物理海洋環(huán)境有關的浮游動物分布特征, 例如大西洋灣流彎曲[6]、冷暖渦[7-8]、鋒面[9]、北太平洋中層水[10]等物理海洋環(huán)境對生物分布的影響。在南極半島西部陸架海區(qū)的聲學測流儀觀測表明, 地轉流可能引起浮游動物的輸運[11]。

ADCP和ADP測量的后向散射強度數(shù)據(jù)具有顯著的日變化, 同步的生物采樣證明ADCP和ADP測量的后向散射強度(Sv)數(shù)據(jù)的日變化是由浮游動物垂直遷移造成的[4,9,12-13]。雖然浮游動物垂直遷移會受到其他環(huán)境因子的影響(如溶解氧[14]、溫度[15]), 但是浮游動物的晝夜垂直遷移主要與光照的日變化有關[12-13,16-20]。光照的日變化存在季節(jié)變化, 于是一些學者利用長時間的聲學測流儀觀測研究了浮游動物晝夜垂直遷移的季節(jié)變化[4,8,17,20]。

黃海水文狀況的季節(jié)變異明顯, 夏季黃海冷水團是中國近海重要的水文現(xiàn)象之一, 溫度的垂直分布呈現(xiàn)顯著的三層結構, 而冬季黃海重要的水文現(xiàn)象是黃海暖流。黃海冷水團是中華哲水蚤夏季聚集的水體[21], 黃海冷水團上的強躍層是浮游動物垂直遷移的屏障[15]。以上使用的都是傳統(tǒng)的生物采集方法, 海上采集和實驗室處理的工作量很大, 且數(shù)據(jù)的時空分辨率不高[22]。用聲學方法研究浮游動物垂直遷移不但提高了數(shù)據(jù)收集分析的效率, 而且應用這種非侵入方法避免了浮游動物對取樣儀器的逃避反應。呂連港等[23]利用2005年和2006年夏季南黃海的聲學觀測計算了浮游動物垂直遷移的速度, 散射體在夜間呈現(xiàn)以躍層為界上下兩組的分布特征, 該分布特征佐證了黃海冷水團上的強躍層是浮游動物垂直遷移的屏障。

本文利用南黃海 4個季節(jié)的潛標聲學數(shù)據(jù)研究浮游動物晝夜垂直遷移的季節(jié)變化。結合現(xiàn)場觀測的海表短波輻射數(shù)據(jù), 分析了垂直遷移發(fā)生時間的季節(jié)變化與光照的關系。這對于研究浮游動物垂直遷移機制有一定意義。

1 觀測地點及數(shù)據(jù)說明

2006年至2007年在南黃海進行了4個航次(季節(jié))的多學科綜合海洋調查。在物理海洋的調查內(nèi)容中包括4個季節(jié)的潛標觀測和3個季節(jié)的海表輻射通量觀測[24]。本文利用其中3個站位(圖1)潛標上的聲學測流儀數(shù)據(jù)(觀測儀器和時間列于表1)分析浮游動物晝夜垂直遷移的季節(jié)變化。聲學測流儀數(shù)據(jù)的垂直分層都是2 m, 時間間隔皆為10 min。

圖1 潛標觀測站位Fig. 1 Stations of mooring observation

表1 觀測儀器和數(shù)據(jù)時間Tab. 1 Observation instruments and data time used

2 方法

用Sontek 公司提供軟件導出ADP 3個波束的回聲強度, 計算回聲強度 3個波束的均值, 然后按照Sontek技術文件提供的方法[25]計算Sv。

用RD公司W(wǎng)inADCP軟件導出4個波束平均的回聲強度, 按照Deines所提供方法[26]計算Sv。

3 觀測結果

3.1 日變化

夏季航次S1站位ADP觀測的結果[23], 以及春、秋、冬季航次的觀測結果都呈現(xiàn)明顯的日變化特征。圖2是冬季航次S3站位ADCP測量的后向散射強度的深度-時間分布。底層水體(55 m以下)中Sv白天強夜間弱, 而其上水體(55 m以上)的Sv白天弱夜間強,呈現(xiàn)非常顯著的日變化特征。Sv的強弱表征聲散射體的多少, 因此Sv的日變化表明了散射體在水體中以 1天為周期的再分布特征, 即浮游動物的晝夜垂直遷移[4, 9, 12-13]。

3.2 日變化的季節(jié)變化

既然各站次的Sv數(shù)據(jù)都呈現(xiàn)明顯的日變化特征,把各站次的觀測數(shù)據(jù)處理成 1天的分布數(shù)據(jù), 以分析日變化的季節(jié)差異。具體的處理方法是把同一站次的觀測結果中每天相同時刻、深度的數(shù)據(jù)平均, 即得到每站次的平均日變化分布Sv(z, t),z是深度,t是1天中的不同時刻?？紤]測流儀的不同(表1), 對Sv(z,t)時間平均得到Sv(z), 然后定義后向散射強度平均日變化的擾動SvA:

4個季節(jié)SvA分布呈現(xiàn)共同點(圖3): 底層SvA白天強(正)夜間弱(負), 其上水體中的SvA白天弱夜間強。這意味著浮游動物在早晨由中上層水體遷移至底層水體, 在黃昏則由底層水體向中上層水體遷移。這種晝夜的垂直遷移在 4個季節(jié)都發(fā)生。不同點是遷移的發(fā)生時間不同, 圖3中冬季和春季的遷移時間明顯不同。同一季節(jié)不同站位的遷移時間沒有明顯差異。

3.3 垂直遷移的季節(jié)變化

為獲得垂直遷移發(fā)生時間的季節(jié)差異, 需要計算垂直遷移的具體時間。S1, S2和S3站位的水深不同, 所以首先把各站次SvA分布進行深度歸一化。海面的數(shù)據(jù)易受風浪干擾, 而海底的數(shù)據(jù)易受潮致懸浮物的干擾, 并且晝夜垂直遷移的浮游動物白天聚集在底層水體中, 夜間則遷移至中上部水體, 因此第二步驟是把歸一化深度0.2～0.6內(nèi)的SvA進行深度平均。最后把平均的SvA對時間求導, 得到1天內(nèi)的SvA時間變化。浮游動物晝夜垂直遷移造成后向散射強度平均日變化的擾動,SvA時間導數(shù)最大表征SvA由弱變強的最強變化, 導數(shù)最小(負值)表征SvA由強變?nèi)醯淖顝娮兓?SvA的日變化是由浮游動物晝夜垂直遷移造成的, 因此SvA時間導數(shù)最大值出現(xiàn)的時間就是浮游動物向上遷移的時間, 最小值出現(xiàn)的時間就是浮游動物向下遷移的時間?？紤] ADP[23]和ADCP測量數(shù)據(jù)差異導致導數(shù)幅度的差異, 為清楚顯示把站次的SvA導數(shù)幅度再歸一化。

圖4示出歸一化深度0.2～0.6內(nèi)的后向散射強度擾動SvA的時間導數(shù), 表2是各站次浮游動物垂直遷移的具體時間以及向上與向下遷移的時間差。夏季浮游動物向下(上)遷移的時間最早(晚), 冬季向下(上)遷移的時間最晚(早)。春季向下(上)遷移的時間比秋季早(晚)。白天浮游動物在底層水體聚集的時間由長至短分別是在夏、春、秋、冬季節(jié)。需要指出的是, 相同季節(jié)不同站位的遷移時間差異最大為10 min(秋季向下遷移時間), 考慮所用數(shù)據(jù)的時間間隔是 10 min, 所以認為相同季節(jié)不同站位的遷移時間基本一致。

圖2 冬季S3站位觀測的后向散射強度Fig. 2 Volume backscattering strength at S3 in winter

圖3 SvA分布Fig. 3 Distribution of SvA

冬季兩個站位的時間導數(shù)在黃昏皆出現(xiàn)兩個峰值。第一個峰值所表示的SvA由負變正對應向上遷移開始(圖3)。向上遷移造成在歸一化深度0.2～0.6范圍內(nèi)較深的深度(如40 m)出現(xiàn)負SvA。隨后有向下的遷移,在該深度出現(xiàn)正SvA, 對應第二個峰值。第二峰值表示的是在總體向上遷移背景下的向下遷移, 這在其他季節(jié)的觀測中都可以看到(圖3), 只是冬季總體向上遷移背景下的向下遷移最為迅速, 于是出現(xiàn)明顯的第二峰值。因此遷移時間的判讀是根據(jù)第一峰值。

圖4 歸一化深度0.2～0.6內(nèi)的后向散射強度擾動的時間變化Fig. 4 Time variation of SvA averaged over normalized depth 0.2～0.6

表2 垂直遷移發(fā)生時間、時間差以及光照時間Tab. 2 The occurrence time of the vertical migration, the difference in migration time, and sunshine time

3.4 光照的季節(jié)變化

以前的研究認為這種晝夜遷移的季節(jié)差異與光照的季節(jié)變化有關[4,8,17,20], 但是這些研究沒有同步的光照觀測以直接證明。在南黃海的綜合調查中開展了 3個航次(季節(jié))的海表輻射通量觀測。利用30 min平均的輻射通量數(shù)據(jù)計算了各季節(jié)輻射分量的平均日變化以及各航次輻射的平均值, 以比較分析南黃海海表輻射通量的季節(jié)變化[24]。為與聲學測流儀數(shù)據(jù)10 min時間間隔匹配，本文采用10 min平均的海表向下短波輻射通量計算各季節(jié)的平均日變化(圖5)和光照時間(表2)。光照時間由長至短分別是在春、秋、冬季節(jié)。需要指出的是輻射觀測是船載觀測, 觀測點分布于南黃海的調查海區(qū), 而且觀測時間上與聲學測流儀數(shù)據(jù)也略有差異[24]。即使如此,浮游動物垂直遷移時間的季節(jié)差異與光照的季節(jié)差異一致(3個季節(jié)), 證明了光照的季節(jié)變化導致浮游動物垂直遷移的季節(jié)變化。

圖5 向下短波輻射通量的平均日變化Fig. 5 Mean diurnal cycles of downward shortwave radiation

4 結語

2006年至2007年在南黃海進行了4個航次多學科的綜合海洋調查。本文分析了 4個季節(jié)布放潛標中聲學測流儀的觀測數(shù)據(jù)。聲學測流儀觀測的Sv都呈現(xiàn)顯著的日變化特征, 底層Sv白天強夜間弱, 其上水體的Sv白天弱夜間強。這表明浮游動物在早晨由中上層水體遷移至底層水體, 黃昏則由底層水體向中上層水體遷移。這種晝夜的垂直遷移在 4個季節(jié)都發(fā)生。

為比較不同水深站位的垂直遷移時間, 采用深度歸一化處理各站次平均的SvA分布。結果表明: 夏季浮游動物向下(上)遷移的時間最早(晚), 冬季向下(上)遷移的時間最晚(早), 春季向下(上)遷移的時間比秋季早(晚); 同一季節(jié)不同站位的遷移時間一致;白天浮游動物在底層水體聚集的時間由長至短分別是在夏、春、秋、冬季節(jié)。結合短波輻射的觀測分析, 浮游動物垂直遷移發(fā)生時間的季節(jié)差異與光照的季節(jié)差異較為一致, 證明了光照的季節(jié)變化導致浮游動物垂直遷移的季節(jié)變化。

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Seasonal variation of the zooplankton vertical migration in the southern Yellow Sea described by acoustic method

LI Lao-yu1, WANG Hui-wu1, Lü Lian-gang2
(1. Center for Ocean and Climate Research, First Institute of Oceanography, State Oceanic Administration, Qingdao 266061, China; 2. Key Laboratory of Marine Science and Numerical Modeling, First Institute of Oceanography,State Oceanic Administration, Qingdao 266061, China)

Oct.,28,2011

zooplankton vertical migration; volume backscattering strength; seasonal variation; diel variation; the southern Yellow Sea

Data from acoustic current profiler deployed as mooring in four seasons are analyzed to study seasonal variation of the zooplankton vertical migration in the southern Yellow Sea. Volume backscattering strength measured with acoustic current profiler has dominant diel variation, which results from vertical migration of zooplankton.The vertical migration (downward at dawn and upward at dusk) occurs in all four seasons. However, the occurrence time of the vertical migration shows seasonal variation. The relationship between the migration occurrence time and the daylight is discussed based on the direct observation of radiative flux. It shows that the seasonal variation of the migration occurrence time is mainly affected by the daylight. All these are important for characterization of zooplankton vertical migration mechanism.

P736 文獻標識碼: A 文章編號: 1000-3096(2012)09-0096-06

2011-10-28;

2012-07-14

國家自然科學基金(40806015); 基本科研業(yè)務費專項資金項目(GY2009G17)

李勞鈺(1978-), 女, 廣西平南人, 研習員, 碩士, 主要從事海洋生態(tài)學研究, 電話: 0532-88960673, E-mail: lilaoyu@fio.org.cn

(本文編輯: 劉珊珊)