中尺度渦控制懸浮體的分布
——以帕里西維拉海盆區(qū)為例*

高 微 王珍巖 張凱南 張洪格 要 津

(1. 中國(guó)科學(xué)院海洋研究所 青島 266071; 2. 中國(guó)科學(xué)院海洋地質(zhì)與環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 青島 266071;3. 中國(guó)科學(xué)院大學(xué) 北京 100049)

懸浮體通常是指在海水中呈懸浮狀態(tài)、粒徑大于0.45μm顆粒物質(zhì)的總稱(秦蘊(yùn)珊等, 1989; Turner et al,2002)。懸浮體的成分主要包括由浮游生物、有機(jī)包膜、有機(jī)物和無(wú)機(jī)物的絮凝體等組成的有機(jī)組分, 和由礦物碎屑顆粒、硅質(zhì)生物骨骼等組成的無(wú)機(jī)組分這兩部分(Bishop et al, 1980; 楊作升等, 1992; 張銘漢,2000)。而在大洋海水中, 以浮游生物為主的生源物質(zhì)是懸浮體的主要物質(zhì)成分(Cho et al, 1990; 何起祥,2006)。它作為海洋生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分, 是全球碳循環(huán)研究的重要環(huán)節(jié), 其分布特征與物質(zhì)來(lái)源、海流、潮汐、波浪等因素密切相關(guān), 是目前國(guó)際上現(xiàn)代海洋沉積過(guò)程研究的熱點(diǎn)之一(張銘漢, 2000; 龐重光,2010)。

中尺度渦(Mesoscale Eddy)是海洋中廣泛存在的一種水文現(xiàn)象, 其空間尺度一般數(shù)十至數(shù)百 km, 活動(dòng)時(shí)間數(shù)天至上百天(孫湘平等, 1997; Martin, 2003)。中尺度渦攜帶物質(zhì)一邊旋轉(zhuǎn)一邊運(yùn)動(dòng), 按渦旋的旋轉(zhuǎn)方向可以將中尺度渦分為氣旋渦(Cyclonic Eddy)和反氣旋渦(Anticyclonic Eddy)兩種。氣旋渦中心水體垂直向上運(yùn)動(dòng), 渦內(nèi)水溫較低, 又稱冷渦; 反氣旋渦中心水體垂直向下運(yùn)動(dòng), 渦內(nèi)水溫較高, 又稱暖渦。在北半球, 冷渦呈逆時(shí)針旋轉(zhuǎn), 暖渦呈順時(shí)針旋轉(zhuǎn)。中尺度渦可以通過(guò)影響周圍海水的物理、化學(xué)以及生物環(huán)境, 改變所在海區(qū)的物質(zhì)、能量輸送以及生物、化學(xué)過(guò)程, 它對(duì)海水中溫、鹽、懸浮顆粒等的運(yùn)輸作用勢(shì)必會(huì)對(duì)大洋現(xiàn)代沉積過(guò)程產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響(龐重光等, 2001; Qiu et al, 2005; Almazán-Becerril et al,2012)。

西北太平洋的中尺度渦活動(dòng)頻繁, 近幾十年來(lái)關(guān)于該海區(qū)中尺度渦活動(dòng)的研究受到了國(guó)內(nèi)外廣泛關(guān)注(Qiu, 1999; Roemmich et al, 2001; Liu et al, 2012;Yang et al, 2013; Hu et al, 2015)。Aoki等(1996)通過(guò)分析 Geosat測(cè)高資料和輻射計(jì)海面溫度數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn),北太平洋副熱帶逆流區(qū)具有很強(qiáng)的平均渦動(dòng)能, 后來(lái)在 Stammer(1998)和 Qiu(1999)的研究中則證明斜壓不穩(wěn)定是導(dǎo)致上述現(xiàn)象的主要原因。此外,Roemmich等(2001)和Liu等(2005)對(duì)西北太平洋的中尺度渦進(jìn)行統(tǒng)計(jì)后發(fā)現(xiàn), 該海域的中尺度渦大多以10cm/s左右的速度向西傳播, 傳播過(guò)程中呈正圓形的中尺度渦其實(shí)很少。

然而, 由于中尺度渦活動(dòng)的時(shí)空尺度較大, 其生消和移動(dòng)過(guò)程在時(shí)間和空間上都有很強(qiáng)的隨機(jī)性,使得一般很難有機(jī)會(huì)對(duì)其整體水文特征進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查驗(yàn)證。2003年12月至2004年1月間, 我們?cè)谖魈窖笈晾镂骶S拉海盆區(qū)(Parece Vela Basin)開展調(diào)查工作, 所獲得的大面站水文調(diào)查數(shù)據(jù)顯示該海域上層水體中存在明顯的冷、暖渦活動(dòng)過(guò)程(高微等,2015)。調(diào)查海域80m以淺主要為高溫低鹽的表層水,這部分水體主要受往東南方向流動(dòng)的副熱帶逆流(Subtropical Countercurrent, STCC)的影響; 而80m以深水體則受向西流動(dòng)的北赤道流(North Equatorial Current, NEC)控制(高微等, 2015)。

本文根據(jù)“科學(xué)一號(hào)”考察船對(duì)研究海區(qū)上層水體(本文指 200m以淺水體)進(jìn)行的懸浮體沉積環(huán)境調(diào)查獲得的懸浮體質(zhì)量濃度資料, 分析了該海域上層水體的懸浮體分布特征, 進(jìn)而探討了中尺度渦活動(dòng)對(duì)懸浮體分布的控制作用。

1 研究區(qū)域

帕里西維拉海盆(Parece Vela Basin)位于西北太平洋, 是全世界最大的兩個(gè)弧后盆地之一, 它近南北走向, 北接四國(guó)海盆, 南邊為帕勞海溝和雅浦海嶺等復(fù)雜的島弧、海溝、斷裂帶系統(tǒng)。本文研究海區(qū)位于帕里西維拉海盆西北部(見(jiàn)圖 1, 黑色虛線矩形框內(nèi)為本文研究區(qū)域), 平均水深約為 4800m, 最大水深超過(guò) 6000m(見(jiàn)圖 2)。帕里西維拉海盆區(qū)上層水體屬于遠(yuǎn)離大陸的大洋水體, 其懸浮體組分及分布特征主要受到生物因素及影響生物活動(dòng)的溫度、鹽度、光照等環(huán)境要素的影響。由于研究區(qū)域中尺度渦活動(dòng)十分活躍, 調(diào)查期間水體懸浮體的分布必然會(huì)受到中尺度渦的影響。

研究區(qū)西北角緊鄰沖之鳥礁(20°25′N, 136°05′E),該島礁是位于九州-帕勞海脊上的一組珊瑚環(huán)礁。退潮時(shí)東西長(zhǎng)4.5km, 南北長(zhǎng)1.7km。漲潮時(shí), 只有兩塊礁石露出水面, 面積分別為1.6m2和6.4m2。研究海區(qū)遠(yuǎn)東坐落著十幾個(gè)大大小小的島嶼, 大致位于 15°—21°N, 144°—148°E 之間, 南北呈一弧形, 長(zhǎng)約 720km。這些島嶼統(tǒng)稱為北馬里亞納群島(Northern Mariana Islands), 面積約477km2(圖1中★所示位置)。

圖1 研究區(qū)地理位置概況(改自靳寧等, 2007)Fig.1 The study area (modified from Jin et al, 2007)

2 調(diào)查方法

調(diào)查期間, 帕里西維拉海盆區(qū)北部海域沿東西方向共設(shè)置7個(gè)斷面、90個(gè)觀測(cè)站位, 各相鄰調(diào)查站位間距約為30km(圖2)。

使用美國(guó)SBE9/11 plus型溫鹽深儀(CTD)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)水文觀測(cè)和海水取樣, 取樣深度均超過(guò) 200m?，F(xiàn)場(chǎng)測(cè)量數(shù)據(jù)包括各站位水層的溫度(°C)、鹽度等參數(shù)在內(nèi)的連續(xù)剖面數(shù)據(jù)。

海水樣品取上甲板后, 用預(yù)先稱重的 Waterman混合纖維素酯濾膜(孔徑 0.45μm, 直徑 47mm)在船載實(shí)驗(yàn)室中對(duì)其進(jìn)行過(guò)濾, 最后用蒸餾水濾洗以除去過(guò)濾物中的殘留鹽分。其中20%的站位使用雙膜抽濾,校正膜的測(cè)量結(jié)果用來(lái)對(duì)過(guò)濾過(guò)程中濾膜的溶蝕率進(jìn)行校正。過(guò)濾后的濾膜低溫冷凍保存, 帶回陸地實(shí)驗(yàn)室烘干稱重, 最終獲得懸浮體質(zhì)量濃度(SPM, 單位mg/L)數(shù)據(jù)。

3 結(jié)果

3.1 懸浮體質(zhì)量濃度統(tǒng)計(jì)特征

為探究研究區(qū)懸浮體在空間上的變化趨勢(shì), 在此特將研究區(qū)由西向東按經(jīng)度劃分為五個(gè)區(qū), 分別對(duì)應(yīng)經(jīng)度在 136°E 以西、136°—137°E、137°—138°E、138°—139°E及139°E以東。對(duì)以上五個(gè)海區(qū)在表層、50m層、100m層、150m層及200m層的SPM據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì), 計(jì)算出各區(qū)不同水層范圍內(nèi)的均值, 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表1。

圖2 研究區(qū)水深等值線及站位分布圖Fig.2 Water depth and sampling stations in the study area

表1 典型層位懸浮體質(zhì)量濃度(SPM: mg/L)統(tǒng)計(jì)結(jié)果Tab.1 The statistical results of the concentration of suspended particulate matter (SPM) (in mg/L)

從水平分布來(lái)看, 這五個(gè)區(qū)域水體SPM的整體平均值依次為 0.28、0.23、0.21、0.18, 和 0.16mg/L, 各層SPM在水平上均表現(xiàn)出由西向東逐漸降低的趨勢(shì)。

從垂向來(lái)看, 五個(gè)水層的SPM均值依次為0.19、0.20、0.22、0.21, 和0.21mg/L, 從表層至200m層的變化很小, SPM總體上分布較為均勻。

整體上, 研究區(qū)懸浮體質(zhì)量濃度表現(xiàn)出西高東低的分布特征, 研究區(qū)東部的懸浮體質(zhì)量濃度雖然較低, 但在 138°—139°E之間從表層到 200m層水體中的懸浮體質(zhì)量濃度卻存在逐漸增大的趨勢(shì)。

3.2 懸浮體質(zhì)量濃度水平分布特征

為了更好地分析 SPM 的水平分布特征, 我們繪制了研究區(qū)典型層位(表層、50m、100m、150m層和200m層)SPM水平分布圖, 如圖3所示。

研究區(qū)表層(如圖 3a所示)SPM 分布差異較： 在研究區(qū)西部表現(xiàn)出高值, 且136°—138°E之間水體的SPM由西南向東北逐漸減小, 最大值出現(xiàn)在0601站位(19°30′N, 135°38′E), 高達(dá) 0.58mg/L; 東部 SPM 較低, 普遍小于 0.20mg/L, 最小值出現(xiàn)在 0814站位(18°57′N, 139°15′E), 僅為 0.06mg/L。

研究區(qū)50m層SPM依然表現(xiàn)出西高東低的分布特征(見(jiàn)圖3b), 但其均值與表層相比有所增大。該層存在兩個(gè) SPM 高值區(qū), 它們均出現(xiàn)在研究區(qū)西部,但其位置與表層比較起來(lái)明顯向東發(fā)生偏移(137°E附近), 其中一個(gè)高值區(qū)的最大值出現(xiàn)在 0702站位(19°14′N, 135°54′E), SPM 值高達(dá) 0.60mg/L。另外一個(gè)高值區(qū)的中心位于 1104 站位(18°10′N, 136°31′E),SPM值為0.52mg/L。研究區(qū)東部SPM明顯低于西部,138.5°—139°E之間水體 SPM 值普遍低于 0.16mg/L,最小值出現(xiàn)在 1016 站位(18°25′N, 139°50′E), SPM 值僅為 0.07mg/L。該層136°—138°E范圍內(nèi)SPM由西南向東北逐漸減小的趨勢(shì)更加明顯。

研究區(qū)100m層 SPM水平分布圖如圖3c所示,與表層和50m層相比, 100m層SPM值整體上有所增加, 西部的 SPM 值依然高于東部。該層在 137°—138°E附近出現(xiàn)明顯的SPM高值中心, 且研究區(qū)西北部和136°—138°E之間水體SPM普遍高于其他區(qū)域,且該海區(qū)范圍西南部水體的 SPM 略高于東北部,SPM 最大值出現(xiàn)在 0701 站位(19°14′N, 135°38′E),SPM 值高達(dá) 0.65mg/L。東部 138.5°—139°E附近的SPM 較低, 最低值出現(xiàn)在 0715站位(19°14′N,139°30′E), SPM 值為 0.05mg/L。

圖3 研究區(qū)典型層位懸浮體質(zhì)量濃度水平分布Fig.3 Horizontal distribution of suspended particulate matter in typical layers

150m層SPM水平分布圖(圖3d)顯示, 該層136°—138°E區(qū)域內(nèi)水體的SPM明顯高于其他區(qū)域, 普遍大于0.20mg/L, SPM最大值出現(xiàn)在1007站位(18°25′N,137°18′E), 其值為 0.51mg/L。另外, 研究區(qū)西北部SPM 值也較高, 普遍大于 0.24mg/L。138.5°—139°E范圍內(nèi)水體 SPM 明顯低于其他海域, 普遍小于0.16mg/L。

如圖3e所示, 研究區(qū)200m層的SPM整體上變化不大。西部仍為SPM高值區(qū), 最大值出現(xiàn)在1101站位(18°10′N, 135°37′E), SPM 值高達(dá) 0.83mg/L。136°—138°E區(qū)內(nèi)水體 SPM 表現(xiàn)出由西南向東北逐漸減小的趨勢(shì), 200m層138.5°—139°E之間仍為SPM低值區(qū), 水體 SPM 普遍低于 0.16mg/L, 最低值出現(xiàn)在0816 站位(18°56′N, 139°52′E), SPM 值為 0.04mg/L。研究區(qū)東部水體在150m層和200m層SPM仍為低值,但較表層、50m層和100m層已略有增大。

4 討論

4.1 物質(zhì)來(lái)源

研究區(qū)懸浮體可能有陸源沉積、生源沉積和風(fēng)塵沉積等來(lái)源。其中, 靳寧等(2007)和明潔等(2012)發(fā)現(xiàn)研究區(qū)表層沉積物中的蒙皂石主要由東部緊鄰馬里亞納海槽的火山物質(zhì)蝕變而來(lái), 而伊利石、綠泥石、高嶺石則主要來(lái)源于物理風(fēng)化作用強(qiáng)烈的陸地, 并很可能與亞洲風(fēng)塵有關(guān)。生源沉積主要由原地生長(zhǎng)的浮游生物殘骸等構(gòu)成。研究區(qū)懸浮體中的無(wú)機(jī)組分則主要為陸源礦物碎屑, 除由洋流攜帶以外, 來(lái)自周圍島嶼的物質(zhì)供應(yīng)也是一個(gè)重要來(lái)源。

本研究區(qū)位于西太平洋副熱帶逆流的南緣區(qū)(圖1)。副熱帶逆流作為一支東向流(管秉賢, 1987; Qiuet al, 2010; Zhanget al, 2014; 高微等, 2015), 在流經(jīng)沖之鳥礁海域后會(huì)侵蝕攜帶走部分無(wú)機(jī)礦物碎屑顆粒、有機(jī)生物顆粒以及富含營(yíng)養(yǎng)鹽的水體。受調(diào)查區(qū)中尺度渦活動(dòng)的影響, 這些顆粒物和營(yíng)養(yǎng)鹽會(huì)向渦旋區(qū)匯集, 為研究區(qū)的懸浮體分布提供物質(zhì)來(lái)源, 成為影響研究區(qū)SPM整體上呈現(xiàn)由西向東逐漸降低特征的重要因素。而在研究區(qū)附近海域向西流動(dòng)的北赤道流(管秉賢, 1987; 李鳳榮等, 2004; Zhanget al, 2014; 高微等, 2015), 在流經(jīng)北馬里亞納群島時(shí)也會(huì)帶來(lái)一些陸源碎屑顆粒和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì), 可能對(duì)研究區(qū)的 SPM 分布產(chǎn)生影響。

4.2 中尺度渦對(duì)懸浮體分布的控制作用

研究發(fā)現(xiàn), 調(diào)查期間研究海區(qū)冷、暖渦同時(shí)存在,且二者的影響深度均超過(guò) 200m。其中, 冷渦活動(dòng)區(qū)位于 136°—138°E, 沿北東-西南方向延伸, 其中心水體上涌; 而暖渦活動(dòng)區(qū)在 138°30′—139°E, 50m 以淺水體中表現(xiàn)并不明顯, 其中心水體下沉(高微等,2015)。我們根據(jù)各個(gè)水域的水文動(dòng)力環(huán)境差異, 可將研究區(qū)分成三個(gè)如圖 4所示的不同區(qū)域： 冷渦活動(dòng)區(qū)、暖渦活動(dòng)區(qū)、二者以外的過(guò)渡海區(qū)。

圖4 研究區(qū)冷、暖渦活動(dòng)區(qū)位置示意圖Fig.4 Cold and warm eddies and transition zone in the study area

大洋海水中, 懸浮體的主要成分是以浮游生物為主的生源物質(zhì)(Choet al, 1990; 何起祥, 2006)。冷、暖渦活動(dòng)引起中心水體的上涌和下沉使得海水中營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的分布發(fā)生改變, 這必然會(huì)影響浮游植物的分布(郭炳火等, 1997; 沈新強(qiáng)等, 2004; Liuet al,2013), 進(jìn)而使海水中懸浮體的分布發(fā)生變化。

SPM 的水平分布特征顯示(圖 3), 研究區(qū)各層136°—138°E(即冷渦活動(dòng)區(qū)內(nèi))的水體中的 SPM普遍高于周圍。而研究區(qū)東部 138°30′—139°E(即暖渦活動(dòng)區(qū)內(nèi))的水體, 尤其在 50m以深的層位中, SPM明顯低于周圍。這是因?yàn)槔錅u中心的上升流將深層的低溫富營(yíng)養(yǎng)鹽水體帶至上層, 使溫躍層的深度變淺, 導(dǎo)致上層水體中浮游生物暴發(fā), 最終導(dǎo)致海水中以生源物質(zhì)為主要組分的懸浮體含量顯著增大(Müller-Karger et al, 2000; D’Coroz et al, 2007; Hashihama et al, 2014; 王軍星等, 2016)。相反地, 暖渦中心存在的下降流將表層的高溫寡營(yíng)養(yǎng)鹽的水體帶至表層以下,使該處(與同一深度的其他位置相比)的浮游生物的生產(chǎn)力顯著降低, 造成暖渦活動(dòng)區(qū)內(nèi) SPM 與周圍水體相比偏低。

5 結(jié)論

通過(guò)對(duì)2003年冬季期間帕里西維拉海盆區(qū)上層水體的懸浮體質(zhì)量濃度分布特征以及利用衛(wèi)星遙感資料探測(cè)到的研究區(qū)中尺度渦活動(dòng)現(xiàn)象等進(jìn)行分析,獲得如下結(jié)論：

(1) 調(diào)查期間研究區(qū)懸浮體質(zhì)量濃度在水平分布上表現(xiàn)出西高東低的特征, 其在垂向上的差異相對(duì)較小。

(2) 西太平洋副熱帶逆流在流經(jīng)研究區(qū)海域后,會(huì)攜帶位于研究區(qū)西北部的沖之鳥礁的部分無(wú)機(jī)礦物碎屑、有機(jī)生物顆粒以及富含營(yíng)養(yǎng)鹽的水體, 成為研究區(qū)懸浮體分布的重要物質(zhì)來(lái)源, 這是研究區(qū)懸浮體質(zhì)量濃度整體上呈現(xiàn)西高東低分布特征的主要原因。

(3) 調(diào)查區(qū)的中尺度渦活動(dòng)對(duì)區(qū)內(nèi)懸浮體質(zhì)量濃度分布有明顯的控制作用： 冷渦活動(dòng)產(chǎn)生的上升流使得冷渦活動(dòng)區(qū)內(nèi)水體中的懸浮體質(zhì)量濃度顯著高于周圍水體, 而暖渦活動(dòng)所產(chǎn)生的下降流則使暖渦活動(dòng)區(qū)內(nèi)懸浮體質(zhì)量濃度明顯低于周圍水體。

致謝 感謝中國(guó)科學(xué)院海洋研究所“科學(xué)一號(hào)”考察船2003年冬季航次全體船員和考察隊(duì)員對(duì)海上采樣和觀測(cè)工作提供的幫助。

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