大沽河口底層海水溶解氧濃度分析?

李兆欽， 李 欣， 孫利元， 劉子洲， 顧艷鎮(zhèn) ，翟方國, 李培良

(1.中國海洋大學(xué)海洋與大氣學(xué)院,山東 青島 266100; 2.山東省濰坊市海洋環(huán)境監(jiān)測中心站,山東 濰坊 261000; 3.山東省水生生物資源養(yǎng)護管理中心,山東 煙臺 264000; 4.浙江大學(xué)海洋學(xué)院,浙江 舟山 316021)

海水中的溶解氧(Dissolved Oxygen，DO)是反映海洋生物生長狀況和海水質(zhì)量的重要指標(biāo)，也是衡量海氣相互作用、初級生產(chǎn)力等過程的重要標(biāo)志物，其變化受物理、生物和化學(xué)等過程的共同作用[1-2]。國家水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)(GB3097—1997)中定義海水二類水體標(biāo)準(zhǔn)為5 mg/L，小于5 mg/L則屬于三類及以下的水體，三類及以下的海水不適于海水養(yǎng)殖、海洋浴場等海水與人體直接接觸的海水娛樂區(qū)，因此了解海水中的溶解氧含量非常重要。

大沽河是青島的“母親河”，是匯入膠州灣的主要河流，所以水質(zhì)問題直接影響到膠州灣的水環(huán)境。前人對大沽河口的研究多集中在入?？谌芙庥袡C物和污染物的變化特征，對于河口海水溶解氧濃度的研究很少，而且沒有直接對大沽河口海水溶解氧濃度時空變化的研究。婁安剛等[3]通過數(shù)值模式對大沽河口的水質(zhì)進行了預(yù)測，表明入?？谛∶娣e范圍內(nèi)存在水質(zhì)達不到二類水體的現(xiàn)象，鄰近海域的水質(zhì)能夠達到二類水質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)。孟春霞等[4]用綜合評價法對大沽河2000—2005年水污染狀況進行了評估，表明青島段大沽河口水質(zhì)總體呈好轉(zhuǎn)趨勢。韓彬等[5]根據(jù)2006年6月和2007年6月兩次調(diào)查數(shù)據(jù)應(yīng)用單因子污染指數(shù)和富營養(yǎng)化指數(shù)對大沽河口水質(zhì)進行了分析和評價，對于海水溶解氧濃度只給出了觀測值，并沒有對其時空變化規(guī)律和影響因素進行討論，也沒有根據(jù)溶解氧濃度對水質(zhì)進行評價。降雨能夠?qū)е潞涌跔I養(yǎng)鹽濃度的升高及初級生產(chǎn)力的上升,對河口生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生一定的影響[6-7]。岳玲莉等[8]對大沽河口污染物的多時間尺度變化特征進行了分析，表明大沽河口污染物與降雨有著密切關(guān)系。

前人對膠州灣以及大沽河口海水溶解氧濃度研究不完善，本文基于大沽河口有纜實時在線觀測系統(tǒng)于2016年11月6日—2017年6月20日期間所獲高分辨率的海水底層溫度、鹽度、溶解氧濃度和壓力數(shù)據(jù)，對大沽河口底層海水溶解氧濃度的多時間尺度變化特征進行了研究，分析了大沽河口水質(zhì)情況，并結(jié)合鹽度、溫度以及風(fēng)速數(shù)據(jù)對影響大沽河口海水溶解氧濃度變化的因素進行了討論，為研究海水溶解氧濃度的變化提供參考。

1 數(shù)據(jù)和方法

1.1 數(shù)據(jù)

2016年11月在大沽河口布放了一套生態(tài)環(huán)境實時在線觀測系統(tǒng)，坐標(biāo)為36°11′44.15″N，120°7′0.57″E，具體位置如圖1所示。觀測數(shù)據(jù)主要包括海水溫度、電導(dǎo)率、溶解氧濃度和壓力數(shù)據(jù)。溫度、電導(dǎo)率和溶解氧等三個參數(shù)由加拿大AML公司的TD 296多參數(shù)水質(zhì)傳感器觀測得到，觀測間隔為1 min，溫度的初始精度為為±0.1℃,分辨率為0.01℃；電導(dǎo)率的初始精度為±0.000 3 S/m,分辨率為0.000 01 S/m；壓強精度為全量程的0.1%，分辨率為0.002%；溶解氧濃度量程為200%飽和度，測量精度為±5%飽和度，分辨率為0.4%飽和度，溶解氧探頭型號是Oxygen Optode 4531。壓力數(shù)據(jù)由聲學(xué)波浪剖面流速儀(Acoustic wave and current meter，AWAC)觀測得到，時間間隔為1 h。本文選取2016年11月6日—2017年6月20日數(shù)據(jù)，除去缺測天數(shù)，有效數(shù)據(jù)長度共計224 d。

(黑色星號表示觀測點位置。Black asterisk represents the location of the observation point.)

圖1 大沽河口周圍地形圖
Fig.1 Topography around the Dagu River Estuary

為了探討影響大沽河口海水溶解氧濃度時間變化的因素，本文采用了歐洲中期天氣預(yù)報中心(European Centre for Medium-Range Weather Forecasts; ECMWF)提供的Interim再分析資料(ERA-I)[9]。本文主要使用的是海面10 m風(fēng)場數(shù)據(jù)，空間分辨率為0.125°×0.125°，時間間隔為6 h，時間范圍為2016年11月1日—2017年6月30日。利用再分析資料通過雙線性插值得到觀測系統(tǒng)布放處海面風(fēng)的時間序列。

1.2 溶解氧相關(guān)參數(shù)計算

海水飽和溶解氧濃度(DOS, 單位為mg/L)是指當(dāng)水體與大氣中氧交換達到平衡時水中溶解氧的濃度。海水中飽和溶解氧濃度的大小會隨著水體的溫度、壓強和鹽度的變化而變化[10]。本文采用Garcia and Gordon[11]改進過的飽和溶解氧計算公式：

(1)

式中：C0表示氧在海水中的飽和濃度，單位為mL/L；S表示實測海水鹽度；TS表示溫度轉(zhuǎn)換系數(shù)。

Ts=ln[(298.15-T)/(273.15+T)]。

(2)

式中：T表示實測海水溫度(Temperature)，單位(℃)；A、B、C為經(jīng)驗常數(shù)，其數(shù)值分別為：

A0=2.008 56;A1=3.224 00;A2=3.990 63;

A3=4.802 99;A4=0.978 188;A5=1.710 69;

B0=-6.240 97×10-3;B1=-6.934 98×10-3;

B2=-6.903 58×10-3;B3=-4.291 55×10-3;

C=-3.116 8×10-7。

接下來對飽和溶解氧進行單位換算得到DOsat(mg/L)，公式如下：

DOsat=1.423·C0。

(3)

下面根據(jù)USGS (United States Geological Survey)NO. 81.11對DOsat進行壓力訂正，訂正公式如下：

DOS=DOsat·co_factor。

(4)

其中co_factor為訂正系數(shù)，需要用到水深H，公式如下：

co_factor=
(0.000 000 5·H2-0.011 8·H+99.979)/100。

(5)

海水溶解氧飽和度(Saturation percentage,p)計算公式如下：

p=DO/DOS×100%。

(6)

p不僅可以為人們預(yù)測低氧的發(fā)生提供幫助，而且對于水產(chǎn)養(yǎng)殖有重要的參考價值。p過低時海水易發(fā)生低氧現(xiàn)象，魚類和海洋生物會主動回避氧飽和度低的水域[12]。

表觀耗氧量(Apparent oxygen utilization,AOU)計算公式如下：

AOU=DOS-DO。

(7)

AOU用來描述生物耗氧過程：當(dāng)AOU<0時，表示海水中的溶解氧處于過飽和狀態(tài)；AOU>0表示海水中的溶解氧處于不飽和狀態(tài)。底層AOU的變化可以反映有機物的分解耗氧情況以及呼吸作用耗氧情況[13]，AOU越大，耗氧越多。

2 時間變化特征

2.1 總體特征

大沽河口底層海水DO在觀測期間的時間序列如下圖2所示。從圖2的小時平均時間序列來看，DO存在較大幅度的高頻變化，本文取日平均值來表征整個觀測期間DO的變化范圍，約為5.68～13.36 mg/L。整個時間段的平均值、方差和標(biāo)準(zhǔn)差分別為9.71、4.95、2.23 mg/L。

(直線和虛線分別代表小時平均和日平均時間序列。The straight line and dashed line represents hourly average and daily average respectively.)

圖2 觀測期間DO(mg/L)時間序列
Fig.2 Time series of the DO(mg/L) during the observation period

通過圖2可以看出觀測期間DO呈現(xiàn)出多時間尺度的變化特征，包含高頻的日變化以及低頻的月變化和季節(jié)變化，整體來看季節(jié)變化規(guī)律明顯，觀測起始和結(jié)束階段的高頻日變化特征顯著，觀測期間出現(xiàn)了雙極大值峰的特點。DO從2016年11月6—30日波動上升，并于11月30日出現(xiàn)最高值13.36 mg/L，2016年11月30日—2017年1月8日波動下降，2017年1月8日—25日波動上升，并于1月25日出現(xiàn)極大值13.27 mg/L，此后DO呈波動下降的趨勢，其中最低值出現(xiàn)在2017年5月29日，約為5.68 mg/L。

2.2 逐月變化與季節(jié)變化特征

圖3給出了觀測期間DO的月平均和季節(jié)平均時間序列。其中2016年秋季只利用了11月的數(shù)據(jù)，2017年夏季只利用了6月份的數(shù)據(jù)，所以圖3(b)中未給出秋季和夏季的平均值，夏季和秋季柱狀圖的高度分別只代表2016年11月和2017年6月的月平均值。

通過圖3可以看出，DO存在月時間尺度和季節(jié)時間尺度的變化。對于月平均變化而言，DO從2016年11月—2017年1月逐漸升高，從2017年1—6月逐漸降低。觀測期間月平均值于1月最高、約為11.86 mg/L，于6月最低、約為6.17 mg/L。觀測期間大于年平均值的有2016年11月—2017年3月共5個月，其余月份小于年平均值。劉春利等[14]研究結(jié)果表明，黃海區(qū)域平均的表層海水溶解氧濃度3月份最高，8月份最低。本文研究結(jié)果與其略有不同，說明膠州灣內(nèi)部大沽河口與廣闊的外海區(qū)域的海水溶解氧濃度存在差異，最高值和最低值明顯超前于外海兩個月。從季節(jié)變化來看，大沽河口底層海水DO秋季至冬季逐漸升高，冬季至夏季逐漸降低，其中冬季明顯要高于春季。結(jié)合圖3(a)中2016年12月和2017年1—2月平均值大且相互之間差異較小，這三個月份屬于冬季，說明冬季溶解氧含量較高且季節(jié)內(nèi)差別不大，相較于其他季節(jié)來說存在較大差異。

(圖3(a)中黑色線代表年平均值。The black line represents the average of DO in Fig 3(a).)

2.3 日變化特征

不同季節(jié)海水溶解氧濃度日變化的主導(dǎo)因素并不相同[15]，本文利用小時平均的海水溶解氧數(shù)據(jù)，計算得到各月平均的日變化曲線，如下圖4所示。通過圖4可以看出，不同月份中海水溶解氧濃度的日變化趨勢并不相同、其極大值對應(yīng)不同時刻。

圖4 各月平均的DO逐時日變化Fig.4 The monthly mean daily time series of the DO

根據(jù)DO日變化曲線的形態(tài)，本文將不同月份的逐時日變化分為兩類：第一類為2016年11月—2017年3月，DO日變化呈現(xiàn)出較為明顯的日周期或者半日周期變化；第二類為2017年4—6月，DO日變化曲線較為曲折。第一種類型出現(xiàn)在秋末至初春，期間浮游植物的生命活動非常弱，無法通過光合作用產(chǎn)生氧氣，因而DO受到混合的影響，這種混合與海表面風(fēng)和潮汐都有關(guān)系。第二種類型發(fā)生期間，浮游植物的生命活動開始逐漸活躍，白天通過光合作用產(chǎn)生氧氣，DO出現(xiàn)上升的情況，晚上海洋生物通過呼吸作用消耗氧氣，在與混合作用對DO影響的相互耦合過程中產(chǎn)生了較為劇烈的波動情況。

2.4 變化幅度特征

本文利用天平均和小時平均的海水溶解氧濃度分別計算了其月標(biāo)準(zhǔn)差和日標(biāo)準(zhǔn)差時間序列如下圖5所示。海水溶解氧濃度的月標(biāo)準(zhǔn)差和日標(biāo)準(zhǔn)差可分別反映其日變化強度和小時變化強度。

(圖5(b)中灰色線表示日標(biāo)準(zhǔn)差的月平均值。The gray line represents the monthly average of the daily standard deviation in Fig5(b).)

通過圖5(a)可以看出觀測期間海水溶解氧濃度的月標(biāo)準(zhǔn)差的變化規(guī)律為2016年11月—2017年5月下降，2017年5—6月上升。其中月標(biāo)準(zhǔn)差11月最大，為0.83 mg/L，2017年5月最小，為0.21 mg/L。結(jié)合海水溶解氧濃度的時間序列，本文發(fā)現(xiàn)海水溶解氧濃度在11月份存在明顯的躍升情況，所以11月份海水溶解氧的月標(biāo)準(zhǔn)差最大。

通過圖5(b)可以看出觀測期間大沽河口海水溶解氧濃度的日變化也呈現(xiàn)出與月變化較為相似的規(guī)律，2016年11月份最大，為0.76 mg/L，2017年2月最小，為0.15 mg/L。說明觀測期間，溶解氧濃度的日標(biāo)準(zhǔn)差和月標(biāo)準(zhǔn)差均于2016年11月份最強。此外，海水溶解氧濃度的日標(biāo)準(zhǔn)差變化還存在顯著的天氣時間尺度變化特征，亦于2016年11月份時最強，最高值約為1.94 mg/L，出現(xiàn)在2016年11月28日。

2.5 海水溶解氧飽和度分析

為了對底層海水溶解氧的飽和度和耗氧情況進行分析，本文將觀測期間的DO、DOS、飽和百分比、AOU以及AOU月平均值的時間序列分別給出，如下圖6所示。

((b)和(c)中從左至右的四種顏色分別表示秋季、冬季、春季和夏季; (b)中紅色線表示飽和百分比為100%; (c)和(d)中紅色線表示平均值。The four color from left to right represents Autumn, Winter, Spring and Summer respectively in (b) and (c); Red line in (b) represents p is 100%; Red line in (c) and (d) represents the average of AOU.)

圖6 觀測期間的DO(mg/L)、DOS(mg/L)、p (b)、日平均AOU (c, mg/L) 和月平均AOU (d, mg/L) 時間序列
Fig.6 Time series of the DO(mg/L), DOS(mg/L), p (b), daily AOU (c, mg/L) and monthly AOU (d, mg/L) during the observation period

通過圖6可以看出2016年11月8日—2017年3月20日大沽河口海水的實測溶解氧濃度有較長一段時間處于飽和溶解氧濃度之上，說明此時海水處于過飽和或近飽和的狀態(tài)，對應(yīng)時間段內(nèi)AOU的值在較多時間內(nèi)處于負(fù)值，海水處于富氧的狀態(tài)。通過之前分析過飽和一般有兩種情況：一是海氣交換十分充分；二是浮游植物光合作用產(chǎn)生大量的氧氣。這段時間內(nèi)浮游植物生命活動較弱，因此是因為海氣交換充分導(dǎo)致過飽和現(xiàn)象的發(fā)生。2017年3月30日之后，實測溶解氧濃度與飽和溶解氧濃度的差距逐漸變大，對應(yīng)AOU的量值不斷增大，說明水體進入到了氧消耗階段，這與海洋生物生命活動消耗溶解氧有關(guān)。

通過圖6(c)可以看出，總體上AOU是大于0的，整個觀測期間AOU的平均值為0.40 mg/L，變化范圍為-5.80～3.50 mg/L。說明觀測期間的溶解氧過飽和狀態(tài)強度雖大，但是持續(xù)作用的時間不長。通過圖6(d)可以看到，AOU月平均值小于0的月份有2016年11—12月和2017年3月，其余月份AOU的月平均值都大于0，且2017年4—6月份AOU的值要大很多，說明在4—6月份大沽河口海底溶解氧的消耗較大。

3 影響機制探討

山東近岸海水中溶解氧濃度受到溫度、鹽度、海表面風(fēng)、沿岸流和離岸流等的影響[16]。因為數(shù)據(jù)有限，本文接下來將從海水鹽度、溫度、海表面風(fēng)、潮汐作用等對溶解氧濃度的影響方面進行分析。

3.1 海水鹽度

前人研究表明，相同溫度下氧氣在標(biāo)準(zhǔn)海水中的飽和溶解度要比在淡水中的溶解度低20%左右，說明鹽度對溶解氧濃度有一定的影響。為了研究大沽河口海水鹽度與DO的關(guān)系，將鹽度和DO的時間序列以及鹽度和DO的散點圖做出如下圖7所示。

((b)中直線表示趨勢線。The straight line(b) represents the trend line.)圖7 觀測期間的DO(mg/L)、鹽度、時間序列(a)以及鹽度、DO(mg/L)散點圖(b)Fig.7 Time series of DO(mg/L), salinity in (a)and scatter diagram of salinity, DO(mg/L) in (b)

從圖7(a)可以看出，海水鹽度和DO的變化呈現(xiàn)出一定的負(fù)相關(guān)關(guān)系，計算得到鹽度與DO的相關(guān)系數(shù)為-0.51，說明大沽河口鹽度對DO有一定的影響，鹽度越高，DO越低。通過圖7(b)可以看到，DO的散點分布在鹽度-DO趨勢線的兩側(cè)，但是與趨勢線偏離較大，呈現(xiàn)不規(guī)則分布，所以可以肯定鹽度對DO有一定的控制作用，但是影響不大，經(jīng)過計算，鹽度在11.58～30.70的變化范圍之內(nèi)，對溶解氧濃度的變化產(chǎn)生了13.10%的貢獻。

3.2 海水溫度

海水中氣體的溶解度與溫度存在一定的負(fù)相關(guān)關(guān)系，氧氣在水中的溶解情況也是如此，隨著溫度的升高，氧氣在海水的溶解度會降低，所以山東近海海洋表面溶解氧的季節(jié)性變化與溫度的季節(jié)性循環(huán)有關(guān)[17]。為了研究底層海水溫度與DO的關(guān)系，本文將溫度和DO的時間序列以及溫度和DO散點圖分別做出(見圖8)。

通過圖8可以看出，海水溫度與DO呈現(xiàn)出相反的變化趨勢，季節(jié)性信號非常明顯，整個觀測時間段內(nèi)的溫度振幅達到25.86 ℃，說明大沽河口的海底溫度季節(jié)性差異較大。2016年11—2017年1月底太陽輻射逐漸減弱，海水溫度隨之波動降低，并于1月24日達到最小值0.02 ℃，2017年1月底—6月底太陽輻射逐漸增強，海水溫度隨之波動升高，并于6月22日達到最大值25.88 ℃。整個觀測期間海水溫度的平均值為10.96 ℃。溫度和DO的相關(guān)系數(shù)為-0.96，高于95%置信水平，對比溫度和DO的散點圖可以看到二者近乎負(fù)的線性相關(guān)，本文用最小二乘法擬合得到二者之間的關(guān)系式如下所示：

DOT=-0.303 5·T+12.977。

(8)

((b)中直線表示趨勢線。The straight line represents the trend line in (b).)圖8 觀測期間的DO(mg/L)、T(℃)、時間序列(a)以及T(℃)、DO(mg/L)散點圖(b)Fig.8 Time series of DO(mg/L), T(℃) in (a)and scatter diagram of T(℃), DO(mg/L) in (b)

圖8(a)中紅色線是利用關(guān)系是式(8)擬合的海水溶解氧濃度結(jié)果DOT。從圖中可以看出，DOT與觀測的DO不論量值還是時間變化均基本一致，通過圖8(b)也可以看出，實測溶解氧濃度較為均勻地分布在擬合溶解氧濃度的兩側(cè)，其同期相關(guān)系數(shù)為0.96、高于95%置信水平，說明海水溫度對海水溶解氧濃度的變化具有主導(dǎo)作用。溫度越高，DO越低，反之，DO越高。但是觀測期間溫度在5～15 ℃之間時，部分海水?dāng)M合溶解氧濃度與實測值偏離較大，實測溶解氧濃度比擬合溶解氧濃度大得多，結(jié)合圖8(a)中擬合溶解氧濃度和實測溶解氧濃度的時間序列，本文發(fā)現(xiàn)擬合不佳的時間段對應(yīng)于2016年11月8日—2017年3月20日，說明這個階段海水溶解氧濃度還受到除溫度之外的因素的影響，這些因素就是下文要討論的海表面風(fēng)的作用。

3.3 風(fēng)致混合

大風(fēng)能夠驅(qū)動海水混合，當(dāng)風(fēng)速超過8 m/s的強風(fēng)經(jīng)常發(fā)生時，通過風(fēng)應(yīng)力引起的海水混合與潮汐作用引起的海水混合相互協(xié)調(diào)，從而導(dǎo)致垂向混合會加強[18-19]。為了研究風(fēng)混合對DO的影響，本文定義一個參量：溶解氧濃度差(DOD)，是由實測溶解氧濃度減去利用溫度擬合的溶解氧濃度所得，公式如下：

DOD=DO-DOT。

(9)

當(dāng)DOD>0時，說明實測溶解氧濃度大于該溫度下預(yù)期的溶解氧濃度，當(dāng)DOD<0時，實測溶解氧濃度小于該溫度下預(yù)期的溶解氧濃度。DOD和風(fēng)速的時間序列如圖9所示。

通過圖9(a)可以看出，DOD在2016年11月8—12月15日之間數(shù)值較大且基本是大于0的，說明這段時間實測溶解氧濃度要遠(yuǎn)高于擬合溶解氧濃度，溶解氧濃度的補充大于消耗。根據(jù)前文提到，溶解氧的來源主要有海氣交換和浮游植物的光合作用產(chǎn)生，此段時間屬于秋末和冬初，浮游植物的光合作用幾乎可以忽略不計，溶解氧應(yīng)該是通過海氣相互作用進行補充。通過對比該時間段內(nèi)的風(fēng)速發(fā)現(xiàn)，海表面風(fēng)速總體較強，大風(fēng)過程存在較多，經(jīng)計算這段時間之內(nèi)海表面平均風(fēng)速5.00 m/s，超過8 m/s的時間段超過10.00%，說明海表面風(fēng)較強，在水深較淺的大沽河口能夠引起強烈的垂向混合，從而為海底提供溶解氧，秋末和冬初海水溫度要大于氣溫，海水混合會造成海底溫度的下降，這也提高了氧的溶解度，會增加水體中溶解氧的含量，所以溶解氧濃度較高。2016年12月25—2017年6月20日，海表面風(fēng)速總體較弱，大風(fēng)天氣明顯偏少，經(jīng)計算海表面平均風(fēng)速4.10 m/s，超過8 m/s的時間段僅為4.00%，說明海表面風(fēng)較弱，水體垂向混合不強，溶解氧濃度無法通過海水混合進行補充，所以這段時間之內(nèi)溶解氧濃度主要受溫度的控制，擬合的溶解氧濃度和實測溶解氧濃度基本保持一致。

3.4 潮汐作用

AWAC能夠獲取海底的壓力數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)時間步長為1 h，經(jīng)過換算得到水深數(shù)據(jù)。前文中提到大沽河口溶解氧的日變化趨勢分為兩類，第一類是平滑的，海水溶解氧濃度受到海水混合的影響。大沽河口受潮汐作用的影響較大，因此本文對海水溶解氧的日變化和水位的數(shù)據(jù)進行分析。圖10(b)為利用各個月份的水位異常時間序列計算得到的功率譜，可以看出各個月份水位異常的功率譜呈現(xiàn)類似特征，均在12 h附近存在顯著峰值，24和6 h附近雖有波動，但是不強烈，說明水位變化存在顯著的半日周期。利用水位數(shù)據(jù)進行調(diào)和分析，得到各主要分潮的調(diào)和常數(shù)(信噪比大于10)如表1所示。實測水位和回報水位如圖10(c)所示，可以發(fā)現(xiàn)水深變化以潮汐過程為主，每個月都存在兩個大潮過程和兩個小潮過程，回報水位與實際水位相吻合，其同期相關(guān)系數(shù)約為0.99，方差解釋率為81.40%。根據(jù)調(diào)和分析結(jié)果，進一步計算得到潮汐特征值為0.36，說明大沽河口海域的潮汐類型屬于正規(guī)半日潮，且以周期為12.42 h的M2分潮為主。通過表1各分潮的振幅可以發(fā)現(xiàn)半日分潮M2所占比例最大。圖10(a)展示了不同月份利用小時平均的海水溶解氧濃度時間序列計算得到的功率譜。通過圖10(a)可以看出，有2個月的溶解氧功率譜存在較為明顯的半日周期特征，說明潮汐對溶解氧濃度的確有影響，但是通過噪音信號以及功率譜值來看，這種半日周期的值不強，所以潮汐作用對海水溶解氧濃度存在一定的影響，但是影響不大。

((a)中紅色部分代表DOD>0, 藍(lán)色線代表DOD<0; (b)中黑色線代表風(fēng)速等于8 m/s,藍(lán)色點代表風(fēng)速小于8 m/s, 紅色點代表風(fēng)速大于8 m/s。The red part represents DODis greater than 0 and the blue part represents DODis smaller than 0 in (a); Black line represents wind speed is 8 m/s in (b); Blue point represents wind speed is smaller than 8 m/s and the red point represents wind speed is greater than 8 m/s in (b).)

圖9 DOD(mg/L)、風(fēng)速(m/s)時間序列
Fig.9 Time series of DOD(mg/L) and wind speed(m/s)

圖10 各月份DO功率譜(a)、水位功率譜(b)和水位調(diào)和分析結(jié)果(c, 單位: m)Fig.10 Power spectrum analysis of the DO(a), elevation(b) in each month and the result of harmonic analysis(c, m)

表1 大沽河口主要分潮調(diào)和常數(shù)Table 1 Major tidal component harmonic constants of Dagu River Estuary

4 結(jié)論

本文利用大沽河口海洋環(huán)境有纜實時在線觀測系統(tǒng)所獲數(shù)據(jù)，研究了底層海水溶解氧的時間變化特征和變化幅度特征；結(jié)合鹽度、溫度、水深以及風(fēng)速數(shù)據(jù)對海水溶解氧濃度的影響因素進行了討論，主要結(jié)論如下：

(1)大沽河口底層海水溶解氧濃度呈現(xiàn)出多時間尺度變化特征，觀測期間平均值為8.90 mg/L，日平均值變化范圍為5.04～13.29 mg/L。從月平均數(shù)據(jù)來看，海水溶解氧濃度從2016年11—2017年1月逐漸升高，2017年1—6月逐漸降低，1月最高，為11.86 mg/L，6月最低，為6.17 mg/L。對于季節(jié)變化而言，海水溶解氧濃度從秋季至冬季逐漸升高，冬季至夏季逐漸降低。在秋末至初春，這個時間段內(nèi)，浮游植物的生命活動非常弱，無法通過光合作用產(chǎn)生氧氣，因而海水溶解氧濃度日變化受到海表面風(fēng)和潮汐作用下海水混合的影響較大；春季和夏季初期，浮游植物開始進行光合作用，海水溶解氧濃度白天呈現(xiàn)出上升的趨勢。

(2)觀測期間海水溶解氧濃度的月標(biāo)準(zhǔn)差的變化規(guī)律為2016年11月—2017年5月下降，2017年5—6月上升。其中月標(biāo)準(zhǔn)差11月最大，為0.83 mg/L，2017年5月最小，為0.21 mg/L。海水溶解氧濃度的日標(biāo)準(zhǔn)差呈現(xiàn)出與月標(biāo)準(zhǔn)差相似的規(guī)律，2016年11月份最大，為0.76 mg/L，2017年2月最小，為0.15 mg/L。說明觀測期間，溶解氧濃度的小時變化強度和日變化強度均于2016年11月份最強。此外，海水溶解氧濃度的日標(biāo)準(zhǔn)差變化還存在顯著的天氣時間尺度變化，亦于2016年11月份時最強，最高值約為1.94 mg/L，出現(xiàn)在2016年11月28日。觀測期間大沽河口飽和度逐漸降低，AOU經(jīng)歷了由負(fù)到正逐漸升高的過程，在2017年4—6月份，AOU的值相對較大，說明水體進入到了氧消耗的階段。

(3)大沽河口水深較淺，層結(jié)作用不明顯，影響底層海水溶解氧濃度的主要因素是溫度，二者的相關(guān)系數(shù)達到-0.96，溫度越高，溶解氧濃度越低。由于大沽河口鹽度的變化范圍較大，鹽度變化對海水溶解氧濃度的貢獻率達到13.10%，二者相關(guān)系數(shù)為-0.51，鹽度越高，溶解氧濃度越低。海水溶解氧濃度的變化還受到大風(fēng)天氣的影響，在大風(fēng)天氣的影響下，溶解氧狀態(tài)充盈，海水溶解氧濃度會出現(xiàn)過飽和的現(xiàn)象，在風(fēng)力較弱的情況下，海水溶解氧濃度主要受溫度控制。潮汐對海水溶解氧濃度有一定的影響，大沽河口潮汐類型為正規(guī)半日潮，潮汐作用能夠引起海底水的混合運動，從而對溶解氧濃度產(chǎn)生影響。

(4)本次研究發(fā)現(xiàn)大沽河口在觀測期間不存在溶解氧濃度低于二類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的現(xiàn)象，說明大沽河口水體2016年秋冬季至2017年春季基本無污染，但是溶解氧濃度夏季的趨勢仍然需要進一步的觀測，研究表明夏季海水溶解氧濃度呈下降趨勢，加上徑流增大可能攜帶大量污染物，有可能會出現(xiàn)溶解氧含量低于二類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)甚至是三類標(biāo)準(zhǔn)的情況。