南黃海西部日照至連云港海域的春季溫躍層和化學(xué)躍層

秦亞超，高飛，蘇大鵬，朱曉青，謝柳娟

1.自然資源部天然氣水合物重點實驗室，中國地質(zhì)調(diào)查局青島海洋地質(zhì)研究所，青島 266071 2.海洋國家實驗室海洋礦產(chǎn)資源評價與探測技術(shù)功能實驗室，青島 266071

黃海水團可分為沿岸水、中部冷水團和兩者之間的混合水。沿岸水分布于黃海沿岸兩側(cè)，由于受大陸地表徑流的影響，沿岸水混濁，透明度低，鹽度通常低于31 psu[1]，其分布范圍夏季大而冬季小，但厚度則夏季淺而冬季深。黃海冷水團是一個季節(jié)性冷水團，其下層水具有低溫、高鹽的特征，盤踞在黃海中部50m以深的水域[2]。冷水團在夏季尤為強盛，其邊緣存在封閉型的溫度強鋒區(qū)，底層水鹽度通常大于32 psu[3]。沿岸水與中部冷水團之間的混合水多呈過渡性質(zhì)。

黃海的季節(jié)性變化顯著，常出現(xiàn)季節(jié)性躍層，躍層生消過程明顯[4]。夏半年水體常具有明顯的三層結(jié)構(gòu)，即上混合層、中溫躍層和下均勻?qū)覽5]。除蘇北近岸及黃海西南海域外，黃海溫躍層普遍形成于4月，但強度較弱，通常為0.10～0.20 ℃/m，上界深度為5～10m，厚度約為10m；8月，黃海溫躍層強度普遍在0.30 ℃/m以上，上界深度為5～20m，厚度為10～20m。陸架淺海區(qū)季節(jié)性溫躍層的形成，不僅受制于海面熱通量的日內(nèi)變化[5-6]，還與多種動力因素（風、波浪和潮流的混合效應(yīng)）[5～11]或熱力因素（如蒸發(fā)增鹽或降溫增密）所導(dǎo)致的水體垂向混合強度以及不同性狀水團之間的水平對流作用有關(guān)。由于海水密度由溫度和鹽度控制，因此，溫躍層通常與密度躍層同時出現(xiàn)。

海洋水體通常具有不均一性，在垂直于等密度面的方向上，每個水層的化學(xué)性質(zhì)都會有所差異，出現(xiàn)DO、pH和營養(yǎng)鹽等要素的化學(xué)分層現(xiàn)象。該現(xiàn)象常見于一些生物活動旺盛的季節(jié)或海區(qū)，比如珊瑚礁海域[12]、海草繁茂海域[13]。在北美加利福尼亞近岸的海帶叢林，生態(tài)系統(tǒng)的光合作用使得水體DO和pH出現(xiàn)半日或全日的周期性變化；在水深7m處，pH為8.07；至水深17m處，pH可降低至7.87[14]。在美國東北陸架海域，借助于水下潛航器搭載的pH傳感器，也可探測到垂向上pH值的變化[15]。

南黃海西部日照至連云港海域，是一個大型的開闊海灣（圖1），水深在30m以內(nèi)，由蘇北沿岸水控制[4,16]。由于周邊多為小型河流，地表徑流量低[17]，沿岸水受大陸徑流的影響弱，水體鹽度偏高，且較為穩(wěn)定。春夏之交，是南黃海冬季混合水向夏季分層水轉(zhuǎn)變的時期，也是南黃海溫躍層形成的初始階段。溫躍層穩(wěn)定性差，具有明顯的日內(nèi)短周期特征。潮流對水文參數(shù)的影響可能表現(xiàn)得更為突出。日照至連云港海域水體穩(wěn)定，無明顯徑流干擾，這些有利條件也使得本區(qū)成為研究潮流作用對水體水文參數(shù)影響的理想海域。

本研究通過溫鹽深和海流同步定點調(diào)查，了解春季末（5月）日照至連云港海域的溫度、鹽度、濁度、pH和DO等水文參數(shù)及其垂直結(jié)構(gòu)，分析溫躍層和化學(xué)躍層的日內(nèi)變化和生消過程，探討潮流對躍層及水文參數(shù)變化的影響。

1 數(shù)據(jù)與方法

2016年5月8日至24日，利用“向陽紅07”考察船，在日照至連云港海域進行了溫鹽深和海流定點測量，共布設(shè)站位5個（圖1），每個站位連續(xù)觀測25 h，站位信息詳見表1。溫鹽深測量采用美國SBE公司生產(chǎn)的SBE19 plus CTD水質(zhì)剖面儀，通過電動絞車懸掛入水，感溫1～3 min，從海面勻速降至海底，下放速度控制在1 m·s?1以內(nèi)，隨后再提升至海面。每個整點測量一次，水文采樣頻率為4～5 Hz，主要觀測參數(shù)包括溫度、鹽度、濁度、DO和pH等，以儀器下降階段獲取的數(shù)據(jù)為正式測量值。溫度測量的準確度為± 0.02 ℃，分辨率為0.005 ℃。鹽度的準確度為± 0.02 psu，分辨率為0.005 psu。

海流測量采用美國Teledyne RD Instruments公司生產(chǎn)的Workhorse Sentinel 300 kHz聲學(xué)多普勒流速剖面儀（ADCP），觀測深度為3～40m，固定安裝在船右舷中間位置，換能器固定吃水1 m，觀測層厚1 m，共分40層，除儀器本身盲區(qū)之外，所觀測第一層的海流數(shù)據(jù)為海面以下2.72 m處，觀測頻率為1 Hz，每10分鐘得到一個平均海流數(shù)據(jù)。當流速＜100cm·s?1時，流速測量的準確度為± 5cm·s?1，流向的準確度為± 5°。調(diào)查期間，天氣及海況良好，輕浪。該海域的海流以潮流占絕對優(yōu)勢，因此，本文ADCP數(shù)據(jù)均按照潮流來處理。

2 結(jié)果與討論

2.1 溫度、鹽度和濁度剖面特征

溫度垂向剖面的日內(nèi)變化顯示，W2、W3、W4和W5站位，水體分層現(xiàn)象最為明顯，從上向下可依次劃分為上部混合層、溫躍層和下部均勻?qū)樱▓D2）；W1站位層化現(xiàn)象不明顯。水體分層一般出現(xiàn)于下午約16時，延續(xù)至次日上午9時甚至10時左右，溫躍層厚度為2～4m，層位水深為4～7m至7～10m之間波動，躍層強度最大可達0.80 ℃/m（如W5站位5月23日10時曲線所示）。從上午約9時至下午約16時，由于太陽輻射作用及熱量的向下傳導(dǎo)，上混合層消失，溫躍層可擴張至海面。

圖1 南黃海西部日照至連云港海域水文觀測站位分布Fig.1 Map of the study area showing the locations of 5 hydrological stations off the Rizhao–Lianyungang coast,western South Yellow Sea

表1 觀測站位信息一覽表Table 1 The detailed information from the observation stations off the Rizhao-Lianyungang coast,western South Yellow Sea

鹽度的垂向變化僅見于上混合層和溫躍層，下部深層水鹽度垂向變化非常小（圖3）。變化幅度最大的層位主要集中于表層和溫躍層。表層海水受波浪和潮流影響很大，在潮流驅(qū)動下，外海高鹽度水團與近岸低鹽度水團之間的水平對流所引起的混合過程，使得鹽度出現(xiàn)明顯波動。在溫躍層附近，由于相鄰水層溫度、鹽度的差異，其混合過程常出現(xiàn)鹽指現(xiàn)象[18]。當溫度梯度較小、躍層較厚時，常出現(xiàn)一簇指狀的鹽度峰（或谷）值，比如，W3站位5月17日17時和23時的剖面（圖3c）；而當溫度梯度大、躍層厚度薄時，常出現(xiàn)單一的鹽度峰（或谷）值，比如，W4站位5月18日19時和19日0時剖面（圖3d）、W5站位5月23日10時和16時剖面（圖3e）。

圖2 南黃海西部日照至連云港海域水柱溫度典型剖面的日內(nèi)變化每個站位從25個時間序列中選擇7個具有代表性的剖面進行展示。Fig.2 The intraday evolution of representative profiles of water column temperature off the Rizhao-Lianyungang coast,western South Yellow Sea7 typical profiles out of 25-hour time series are presented at each station.

圖3 南黃海西部日照至連云港海域水柱鹽度典型剖面的日內(nèi)變化Fig.3 The intraday evolution of typical profiles of water column salinity off the Rizhao-Lianyungang coast,western South Yellow Sea

雖然水體上層溫度、鹽度等日內(nèi)變化明顯，但躍層之下這些指標垂直分布呈均勻狀態(tài)（圖2，圖3），表明深層水非常穩(wěn)定，這里以水深20m的日內(nèi)平均值代表其溫鹽狀況。W1站位平均水溫12.67 ℃，W2站位（水深8 m處）17.00 ℃，W3站位13.32 ℃，W4站位12.96 ℃，W5站位15.26 ℃。除W2站位之外，隨著時間序列的延長，溫度總體呈上升趨勢。在站位緯度相近的情況下，反映了5月8日至24日這段觀測期內(nèi)海面熱輸入的日益增強。W1站位平均鹽度31.10 psu，W2站位（水深8 m處）30.70 psu，W3站位31.29 psu，W4站位31.58 psu，W5站位30.83 psu。除了W2和W5站位由于距離海岸較近、鹽度偏低之外，顯示深層水體鹽度穩(wěn)定。

水體濁度向下呈緩慢增加的趨勢，接近海底濁度明顯升高。以水深20m的濁度日內(nèi)平均值統(tǒng)計，W1站位7.6 NTU，W2站位（水深8 m處）32.2 NTU，W3站位3.2 NTU，W4站位2.8 NTU，W5站位5.4 NTU，近岸水體濁度明顯上升。部分剖面顯示躍層附近也存在明顯的濁度梯度，表明相鄰水層之間存在性質(zhì)差異。

2.2 DO和pH剖面特征

DO垂向剖面一般具有雙層結(jié)構(gòu)，上部為富氧水，下部為低氧深層水。兩者之間的界面有時可出現(xiàn)較高的DO梯度，指示存在躍層；有時則呈振蕩降低的趨勢，顯示躍層不明顯（圖4）。以W1站位為例，在5月8日9時、13時和19時，DO躍層出現(xiàn)于水深12～14m處。在躍層之上，白天DO濃度波動顯著，但都保持在較高濃度水平；夜晚DO濃度明顯降低。通常，氧的穿透深度隨水深增加而逐漸降低，然而，W1站位的氧濃度峰值很少出現(xiàn)于表層（0～2 m）而是常見于次表層（2～14m），最高可達約20mg·L?1。在躍層之下，氧濃度通常保持在約4mg·L?1，向下呈緩慢降低的趨勢。在W1站位水溫13 °C和鹽度31 psu條件下，DO飽和度為8.68 mg·L?1[19]。白天次表層水廣泛的DO過飽和現(xiàn)象，可能主要與藻類等浮游植物的光合作用有關(guān)。

圖4 南黃海西部日照至連云港海域W1站位水柱DO典型剖面的日內(nèi)變化紅色虛線代表DO飽和線。Fig.4 The intraday evolution of typical profiles of water column DO at site W1 off the Rizhao-Lianyungang coast,western South Yellow SeaDotted red lines represent the DO saturation at 13 °C and 31 psu.

pH躍層表現(xiàn)為垂向分布上的快速跳變，它有兩種相反的模式，即向下正跳變和向下負跳變。前者出現(xiàn)于5月8日8時和5月9日0時、2時，后者出現(xiàn)于5月8日13時，強度可達0.03～0.04個pH單位（圖5）。以W1站位為例，pH躍層出現(xiàn)于水深10～14m處。pH躍層的存在表明，在下部深層水與上部溫躍層之間存在弱的化學(xué)界面，這有助于維持深層水的低氧狀態(tài)。

與溫度剖面進行對比顯示，DO躍層和pH躍層的深度均位于溫躍層之下，表明兩者的形成并不受溫躍層控制。有時DO躍層和pH躍層同步出現(xiàn)在同一深度，比如在5月8日13時，但也有時兩者并不同步，比如在5月8日9時和19時（圖6）。上層水柱DO濃度的變化和pH躍層模式的日內(nèi)轉(zhuǎn)換，與大潮期間潮流驅(qū)動下水層之間水平對流的差異密切相關(guān)（詳見下文分析）。

2.3 潮流特征

潮位變化曲線表明，本區(qū)為規(guī)則半日潮（圖7）。在W1站位，觀測期為陰歷初二、初三，處于大潮期間，最高潮位2.21 m，最低潮位–2.26 m，潮差4.47m。在W2站位，觀測期為陰歷初四、初五，處于中潮期間，最高潮位2.16 m，最低潮位–2.49 m，潮差4.65 m。在W3站位，觀測期為陰歷十一、十二，處于小潮期間，最高潮位1.37m，最低潮位–1.07m，潮差2.44m。在W4站位，觀測期為陰歷十二、十三，處于中潮期間，最高潮位1.34m，最低潮位–1.42 m，潮差2.76 m。在W5站位，觀測期為陰歷十七、十八，處于大潮期間，最高潮位2.01 m，最低潮位–1.92 m，潮差3.93 m。以上觀測數(shù)據(jù)顯示，近岸潮差明顯大于離岸潮差。近岸站位W2、W5，落潮歷時明顯長于漲潮歷時，其比值分別為1.21、1.34。離岸站位W1，落潮歷時明顯小于漲潮歷時，其比值為0.86。離岸站位W3、W4，漲潮和落潮階段歷時相差不大。

圖5 南黃海西部日照至連云港海域W1站位水柱pH典型剖面的日內(nèi)變化Fig.5 The intraday evolution of representative profiles of water column pH at site W1 off the Rizhao-Lianyungang coast,western South Yellow Sea

圖6 南黃海西部日照至連云港海域W1站位代表性剖面的DO和pH對比Fig.6 Comparison of representative profiles of DO and pH at site W1 off the Rizhao-Lianyungang coast,western South Yellow Sea

以海面以下3.72 m處（第2層）ADCP數(shù)據(jù)為例，展示5個觀測站位的潮流流速和流向的25小時變化曲線（圖7）。潮流屬規(guī)則半日潮流，以旋轉(zhuǎn)流為主，在0～360°范圍內(nèi)呈逆時針旋轉(zhuǎn)。漲潮流期間，潮流的方向從北向南旋轉(zhuǎn)；落潮流期間，潮流的方向從南向北旋轉(zhuǎn)。漲潮流多為西或西北向，落潮流多為東或東南向。水柱中潮流流速的分布多呈向下緩慢降低的趨勢（圖8a），潮流流向的垂直變化較?。▓D8b）。觀測期間最大潮流流速約為100cm·s?1，最低流速約為10cm·s?1。

圖7 南黃海西部日照至連云港海域的潮位變化和潮流流速、流向變化的25小時時間序列Fig.725-hour time series of tidal level changes and tidal current changes in velocity and direction off the Rizhao-Lianyungang coast,western South Yellow Sea

2.4 潮流對水體躍層和水文參數(shù)的影響

黃海上部混合層和溫躍層主要由波浪及潮流的混合作用形成和維系[9]。在黃海西部近岸海域，水體表面邊界層的深度和垂向混合強度主要受往復(fù)流和旋轉(zhuǎn)流所控制[20]。大潮期間，潮流流速快，波浪和潮流的混合攪拌作用較強，表面邊界層的深度加大，上部混合層擴張，溫躍層向下遷移（比如W5站位（圖2e）），同時躍層強度也會明顯減弱（比如W1站位（圖2a））。在小潮期間，波浪和潮流的混合攪拌作用較弱，表面邊界層的深度減小，溫躍層向上遷移（比如W2、W3站位（圖2b、2c）），伴隨著躍層強度的增加。

海面的潮流和波浪可以使表層海水發(fā)生垂直混合，進而產(chǎn)生上混合層，另一方面，在潮流驅(qū)動下，水團還會出現(xiàn)水平對流現(xiàn)象。由于水柱中潮流流速多呈向下降低的趨勢（圖8a），隨著時間的積累，從上向下，不同水層之間的水平位移會越來越大。相對而言，相鄰水層之間的垂向分子擴散及其所產(chǎn)生的混合作用是很慢的，因此，實際觀測到的水文指標的垂向分布，比如，pH躍層的存在，以及pH躍層之上pH值隨深度緩慢升高或降低的現(xiàn)象（圖5，圖6），可能主要反映了水平方向上相鄰區(qū)域之間中下部水體化學(xué)性質(zhì)的突變性（比如pH躍層）或漸變性差異。

圖8 南黃海西部日照至連云港海域W1站位潮流流速、流向的垂直分布a.潮流流速剖面，b.潮流流向剖面。Fig.8 The vertical distributions of velocity and direction of tidal currents at site W1 off the Rizhao-Lianyungang coast,western South Yellow Seaa.velocity profiles,b.direction profiles.

雖然深層水垂直結(jié)構(gòu)均勻，但其溫度、鹽度和pH的25小時時間序列曲線也存在著周期性波動（圖9）。W2和W5站位水溫的周期性變化最為明顯；在W4站位，水溫除了呈周期性波動之外，還明顯疊加了線性升溫的趨勢，指示臨近暖水的水平流入（圖9d）。海水鹽度的周期性波動最為典型，其變化趨勢與溫度曲線呈反相分布，即溫度較高時，鹽度較低；而溫度較低時，鹽度較高。將潮位25小時變化曲線與溫鹽曲線進行對比，可以發(fā)現(xiàn)它們的周期變化具有同步性。這表明，在天氣和海況良好的情況下，深層水溫度和鹽度的變化主要是潮流驅(qū)動下水體水平運動的結(jié)果。該認識與Meng等[20]的數(shù)值分析結(jié)果相一致。此外，在潮流驅(qū)動下，深層水的pH也可能存在一定的周期性波動。

3 結(jié)論

（1）南黃海西部日照至連云港海域，春季末（5月）廣泛存在日內(nèi)生消的季節(jié)性溫躍層和化學(xué)躍層。溫躍層厚度為2～4m，層位水深為4～7m至7～10m，躍層強度最大可達0.80 ℃/m。在溫躍層附近，由于上下層水體溫度、鹽度的差異，其混合過程常出現(xiàn)鹽指現(xiàn)象。躍層之下的深層水溫度、鹽度垂直分布均勻，站位之間的水溫差異主要反映了隨著夏季的臨近海面熱輸入的日益增強。

圖9 南黃海西部日照至連云港海域深層水的溫度、鹽度和pH變化與潮位變化的25小時時間序列對比Fig.925-hour time series comparison of deep water changes in temperature,salinity and pH with the tidal level changes off the Rizhao-Lianyungang coast,western South Yellow Sea

（2）DO垂向剖面一般具有雙層結(jié)構(gòu)，上部為富氧水，下部為低氧水，兩者之間的界面可出現(xiàn)較高的DO梯度。白天水體次表層廣泛的DO過飽和現(xiàn)象，可能主要與藻類等浮游植物的光合作用有關(guān)。pH躍層表現(xiàn)為垂向上的快速跳變，包括向下的正跳變和負跳變，強度最大值可達0.03～0.04個pH單位。DO躍層和pH躍層均位于溫躍層之下，水深為10～14m，兩者的形成在時間上和深度上具有一定的同步性，且不受溫躍層控制。

（3）在天氣和海況良好的條件下，潮流是影響水體溫度、鹽度、DO和pH等水文參數(shù)變化的重要因素，也是影響溫躍層穩(wěn)定性的主要原因，主要表現(xiàn)為垂直方向上的混合作用和水平方向上的對流作用。小潮期間，溫躍層穩(wěn)定，強度較大，持續(xù)時間也較長。大潮期間，溫躍層穩(wěn)定性差，強度明顯減弱。這表明，潮流的增強對溫躍層有明顯的抑制和破壞作用。深層水的溫度、鹽度等參數(shù)存在日內(nèi)周期性變化，與潮位變化同步，是潮流驅(qū)動下水體水平對流的結(jié)果。