夏季煙臺(tái)—威海北部近海溶解氧濃度垂向分布的最小值

孫利元, 劉子洲, 丁金強(qiáng), 翟方國(guó), 顧艷鎮(zhèn)

夏季煙臺(tái)—威海北部近海溶解氧濃度垂向分布的最小值

孫利元1, 劉子洲2, 丁金強(qiáng)1, 翟方國(guó)2, 顧艷鎮(zhèn)2

(1. 山東省漁業(yè)發(fā)展和資源養(yǎng)護(hù)總站, 山東 煙臺(tái) 264003; 2. 中國(guó)海洋大學(xué) 海洋與大氣學(xué)院, 山東 青島 266100)

基于2020年夏季的大面航次觀測(cè)數(shù)據(jù), 分析了煙臺(tái)—威海北部海洋牧場(chǎng)及鄰近海域海水溶解氧濃度垂向分布最小值(氧最小值層)的空間分布特征, 并探討了影響因素。從6月至8月, 海水溶解氧濃度不斷減小, 垂向結(jié)構(gòu)亦存在顯著變化。海水溶解氧濃度垂向分布的最小值主要集中于7月的近岸海域, 最小值大致從外海向近岸方向減小, 其距離海底高度及與底層溶解氧濃度之差的絕對(duì)值均于雙島灣鄰近海域?yàn)樽畲?。海水溶解氧濃度垂向分布的最小值位于最?qiáng)密度層結(jié)以下。但是海水溶解氧濃度垂向分布最小值的強(qiáng)度向北減小, 而密度層結(jié)向北增大, 兩者的空間分布基本相反, 說明密度層結(jié)抑制垂向湍流擴(kuò)散可極大減少深層海水溶解氧的來源, 是海水溶解氧濃度垂向分布最小值形成的必要條件, 但不是主導(dǎo)因素。在海水溶解氧濃度垂向分布的最小值層, 表觀耗氧量存在垂向分布的最大值, 大部分站點(diǎn)的pH存在垂向分布的最小值, 說明局地增強(qiáng)、持續(xù)的生物地球化學(xué)耗氧是控制海水溶解氧濃度垂向分布最小值形成和空間分布的一個(gè)重要過程。研究結(jié)果表明氧最小值層是夏季煙臺(tái)—威海北部近岸海水溶解氧垂向結(jié)構(gòu)的典型特征之一。

煙臺(tái)—威海北部近海; 海水溶解氧濃度; 垂向分布的最小值; 表觀耗氧量; pH

隨著世界人口對(duì)水產(chǎn)品需求的不斷增長(zhǎng)和海洋主要天然漁場(chǎng)的衰退甚至消失[1], 越來越多的沿海國(guó)家開始將海洋牧場(chǎng)作為漁業(yè)資源增殖和海洋生態(tài)環(huán)境修復(fù)與保護(hù)的重要手段[2-4]。近年來, 我國(guó)海洋牧場(chǎng)發(fā)展迅速[5-6], 尤其是在山東省近海海域[7]。山東近海海洋牧場(chǎng)無論是發(fā)展速度還是總體數(shù)量均位于全國(guó)前列[7]。隨著近海海洋牧場(chǎng)數(shù)量的不斷增多、面積的不斷擴(kuò)大, 認(rèn)識(shí)海洋牧場(chǎng)及周邊海域生態(tài)環(huán)境的時(shí)空變化規(guī)律及其影響因素已成為海洋牧場(chǎng)高質(zhì)量發(fā)展的重要保障之一。

煙臺(tái)—威海北部(圖1)是山東省海洋牧場(chǎng)分布最為密集的區(qū)域之一, 該海域生態(tài)環(huán)境的一個(gè)顯著特點(diǎn)是在夏季底層海水溶解氧濃度偏低, 個(gè)別年份甚至出現(xiàn)低氧[7-8]。低氧是指海水溶解氧濃度低于2.0 mg/L的狀態(tài)[9]。因?yàn)楹Ｋ芙庋鯘舛容^低, 低氧會(huì)導(dǎo)致生活在底層且活動(dòng)能力較弱的海洋生物大量死亡, 嚴(yán)重破壞海洋生態(tài)系統(tǒng), 從而引起海洋災(zāi)害[10]。煙臺(tái)—威海北部是山東省重要的貝、藻生態(tài)園區(qū), 其中主要經(jīng)濟(jì)品種行動(dòng)能力弱, 對(duì)海水溶解氧濃度的變化較為敏感。歷史上, 前人專門針對(duì)該海域海水溶解氧濃度時(shí)空變化特征及影響機(jī)制的研究較少。Zhang等[8]和Yang等[11]分別展示了2016年和2017年夏季海水溶解氧濃度的空間分布, 但并未分析影響機(jī)制。

為了更好地認(rèn)識(shí)煙臺(tái)—威海北部近海水文-生態(tài)環(huán)境要素的變化動(dòng)態(tài), 理解夏季底層海水溶解氧虧損的時(shí)空分布及影響機(jī)理, 我們于2020年6月、7月和8月對(duì)該海域的水文、生態(tài)環(huán)境要素進(jìn)行了大面航次觀測(cè)。觀測(cè)發(fā)現(xiàn), 該海域海水溶解氧濃度垂向剖面中的最小值發(fā)生的深度存在顯著空間差異。在外海海域, 海水溶解氧濃度的最小值均發(fā)生在海洋表層或者底層。但是在近岸海域, 海水溶解氧濃度的垂向分布存在氧最小值層, 即溶解氧濃度最小值并非出現(xiàn)在表層或者底層, 而是出現(xiàn)在表層和底層之間的水體層, 與以往觀測(cè)不同[8]。本研究將基于2020年夏季的大面觀測(cè)數(shù)據(jù), 分析該海域海水溶解氧濃度垂向分布最小值(氧最小值層)的變化特征, 并探討可能影響因素。

1 數(shù)據(jù)及方法

1.1 觀測(cè)數(shù)據(jù)

在2020年夏季, 我們搭乘威海市瑜泰海洋牧場(chǎng)的工作船只分別于6月13號(hào)、7月15號(hào)和16號(hào)、8月17號(hào)和18號(hào)對(duì)煙臺(tái)—威海北部近海的水文、生態(tài)環(huán)境要素進(jìn)行了大面觀測(cè), 觀測(cè)站點(diǎn)分布如圖1所示。其中, 6月航次僅包含雙島灣外海的經(jīng)向斷面, 而7月和8月航次則包含了雙島灣外海的經(jīng)向斷面和雙島灣西側(cè)的沿岸斷面和金山港外海的經(jīng)向斷面。本文中, 雙島灣外海的經(jīng)向斷面稱為東斷面, 雙島灣西側(cè)的沿岸斷面與金山港外海的經(jīng)向斷面相連并統(tǒng)稱為西斷面。所有航次均使用日本亞力克公司生產(chǎn)的多參數(shù)水質(zhì)儀(型號(hào): AAQ171)對(duì)海水溫度、電導(dǎo)率、壓強(qiáng)、溶解氧濃度、pH和葉綠素(以下簡(jiǎn)稱葉綠素)濃度等的垂向剖面進(jìn)行觀測(cè), 儀器采樣頻率為4 Hz。本文中, 葉綠素和海水溶解氧濃度為質(zhì)量濃度。觀測(cè)深度和鹽度由儀器自帶軟件根據(jù)觀測(cè)的壓強(qiáng)、電導(dǎo)率、溫度等計(jì)算得到。

圖1 2020年夏季煙臺(tái)—威海北部航次觀測(cè)站位分布圖

1.2 方法

本文根據(jù)Garcia等[12]得到的公式、利用觀測(cè)資料計(jì)算了海水的飽和溶解氧濃度和表觀耗氧量(apparent oxygen utilization, AOU)。表觀耗氧量等于飽和溶解氧濃度與實(shí)測(cè)海水溶解氧濃度之差, 量化了生物地球化學(xué)過程耗氧導(dǎo)致的海水溶解氧濃度的變化[13]。

2 觀測(cè)結(jié)果

2.1 海水溶解氧濃度的典型垂向剖面

觀測(cè)結(jié)果顯示, 從6月至8月海水溶解氧濃度不斷減小, 其垂向結(jié)構(gòu)亦存在顯著變化。圖2展示了威海北部近海(37°34′N, 121°57′E)海水溶解氧濃度垂向剖面的時(shí)間變化。6月, 所有站點(diǎn)處海水溶解氧濃度的垂向結(jié)構(gòu)基本一致, 如圖2中紅色線所示, 在表層和底層之間存在濃度最大值, 而在表層或底層出現(xiàn)最小值。海水溶解氧濃度在最大值之上存在較為顯著的躍層。關(guān)于溶解氧濃度垂向分布中的最大值, 前人在黃海海域已有較多觀測(cè), 并認(rèn)為是夏季海水溶解氧濃度垂向結(jié)構(gòu)中一個(gè)較為常見的現(xiàn)象[14-17]。7月, 部分站點(diǎn)海水溶解氧濃度存在氧最小值層, 即溶解氧濃度最小值并非出現(xiàn)在表層或者底層, 而是出現(xiàn)在表層和底層之間的水體層, 如圖2中綠色線所示。在該站點(diǎn), 海水溶解氧濃度最小值約為6.4 mg/L, 其深度約為11.7 m, 距離海底高度約為10.0 m。在8月份,海水溶解氧濃度的分層現(xiàn)象更為明顯, 如圖2中藍(lán)色線所示。海水溶解氧濃度在深層隨深度增大而迅速減小, 并于底層達(dá)到最小值。根據(jù)上述分析可以看出, 觀測(cè)期間海水溶解氧濃度僅在7月份存在氧最小值層。

2.2 海水溶解氧濃度垂向分布最小值的空間分布

圖3展示了2020年7月海水溶解氧濃度沿東斷面和西斷面的空間分布。沿東斷面, 海水溶解氧濃度約為5.29～8.54 mg/L; 而沿西斷面, 海水溶解氧濃度約為4.81～9.04 mg/L。在兩個(gè)斷面的表層, 海水溶解氧濃度大致從外海向近岸區(qū)域減小, 與以往觀測(cè)一致[8]。而在兩個(gè)斷面的底層, 海水溶解氧濃度的空間分布較為復(fù)雜, 于外海和37°35′N處存在極大值。底層海水溶解氧濃度的空間分布與以往觀測(cè)稍有不同, 可能存在年際等不同時(shí)間尺度的變化[18]。海水溶解氧濃度垂向結(jié)構(gòu)的最顯著特征是在外海區(qū)域存在氧最大值層, 而在近岸區(qū)域存在氧最小值層。觀測(cè)期間海水溶解氧濃度的最大值和最小值亦均出現(xiàn)在表層和底層之間的深度層, 其中最大值出現(xiàn)在西斷面外海站位約6 m深度處, 最小值出現(xiàn)在離岸最近站位約12 m深度處。

圖2 2020年夏季威海北部近海觀測(cè)站點(diǎn)(37°34′N, 121°57′E)海水溶解氧濃度垂向剖面的時(shí)間變化

沿東、西兩斷面, 海水溶解氧濃度垂向分布最小值的空間變化稍有不同。在東斷面, 海水溶解氧濃度垂向分布的最小值在空間上較為集中, 存在于37°37′N以南的近岸站位。而在西斷面, 海水溶解氧濃度垂向分布的最小值在空間上較為分散, 存在于近岸的4個(gè)站位、37°35′N附近的3個(gè)站位和外海的1個(gè)站位。圖3(c)和圖3(d)分別比較了海水溶解氧濃度垂向分布最小值及其與底層海水溶解氧濃度之差沿東斷面和西斷面的空間變化。在夏季, 由于密度層結(jié)和生物地球化學(xué)耗氧等過程的影響, 深層海水溶解氧濃度一般隨深度增大而減小, 如圖2所示。因此, 可以使用底層海水溶解氧濃度減去海水溶解氧濃度最小值的差表征氧最小值層的強(qiáng)度。在東斷面, 海水溶解氧濃度垂向分布的最小值大致向近岸方向單調(diào)減小, 而其強(qiáng)度大致向近岸增大, 強(qiáng)度最大值(0.91 mg/L)出現(xiàn)在從岸邊至外海第2個(gè)觀測(cè)站點(diǎn)。在西斷面, 海水溶解氧濃度垂向分布最小值在37°37′N以南亦向近岸方向減小, 其強(qiáng)度的空間變化較為復(fù)雜, 強(qiáng)度最大值(0.47 mg/L)出現(xiàn)在37°34′N附近。

圖3 2020年7月海水溶解氧濃度觀測(cè)

注: a和b中, 黑色三角形表示觀測(cè)站點(diǎn), 紅色星號(hào)標(biāo)注海水溶解氧濃度垂向分布的最小值

總體而言, 在2020年7月觀測(cè)期間, 海水溶解氧濃度垂向分布的最小值主要集中于近岸海域, 且最小值從外海向近岸方向減小。底層海水溶解氧濃度與溶解氧濃度最小值的差于雙島灣鄰近海域最大。

3 影響因素分析與討論

海水溶解氧濃度的空間分布和時(shí)間變化受各種海洋動(dòng)力過程和生物地球化學(xué)過程的共同影響[13, 19]。動(dòng)力因素和過程主要包括海水層結(jié)、垂向湍流擴(kuò)散、潮流或者海流引起的平流輸運(yùn)等, 生物地球化學(xué)過程則主要包括浮游植物等光合作用生成氧氣、魚類等呼吸作用消耗氧氣、有機(jī)物分解消耗氧氣等[19]。對(duì)于海水溶解氧濃度在不同區(qū)域、不同時(shí)間尺度上的變化, 主要影響因素和過程亦不相同。下面將基于觀測(cè)資料分析討論海水溶解氧濃度垂向分布最小值形成和空間變化的影響因素。

3.1 各觀測(cè)要素的垂向結(jié)構(gòu)

首先以位于威海北部近海(37°34′N, 121°57′E)的觀測(cè)站點(diǎn)為例, 分析2020年夏季各觀測(cè)要素垂向結(jié)構(gòu)的時(shí)間變化。如圖4(a)和(b)所示, 海水溫度和鹽度呈現(xiàn)相反的時(shí)間變化和垂向結(jié)構(gòu)。從6月至8月, 溫度升高、鹽度降低; 從表層至底層, 溫度減小、鹽度增大。溫度和鹽度的垂向結(jié)構(gòu)存在較為顯著的躍層, 均于7月最強(qiáng), 最大值和最小值均出現(xiàn)在表層或者底層。受溫度和鹽度的影響, 海水密度從6月至8月隨時(shí)間減小、從表層至底層隨深度增大, 垂向結(jié)構(gòu)存在較為顯著的密度躍層, 并于7月最強(qiáng)[圖4(c)]。溫度和鹽度可以影響海水的飽和溶解氧濃度。根據(jù)觀測(cè)資料計(jì)算表明, 海水密度和飽和溶解氧濃度的時(shí)空變化主要由溫度控制[18]。受溫度的影響, 海水飽和溶解氧濃度從6月至8月隨時(shí)間減小、從表層至底層隨深度增大, 最小值出現(xiàn)在表層, 與7月溶解氧濃度的垂向分布不一致。

相比于溫度和鹽度, 葉綠素濃度的垂向結(jié)構(gòu)存在顯著的時(shí)間變化, 在6月隨深度增大, 而在7月和8月則在水體內(nèi)部存在最大值層[圖4(d)]。在7月的觀測(cè)中, 葉綠素濃度垂向分布最大值的深度和溶解氧濃度垂向分布最小值的深度較為接近。

時(shí)間變化方面, 表觀耗氧量與觀測(cè)溶解氧濃度和飽和溶解氧濃度呈完全相反的趨勢(shì)。從6月至8月, 表觀耗氧量隨時(shí)間增大, 且在底層增大速度最快。在6月, 表觀耗氧量約為0, 隨深度增大略有增加。而在8月, 整層水體的表觀耗氧量均大于0, 且隨深度增大而顯著增加, 最大可達(dá)3.20 mg/L。該結(jié)果說明從6月開始, 生物地球化學(xué)耗氧過程對(duì)觀測(cè)海域深層海水溶解氧濃度變化的影響顯著增強(qiáng)。在7月, 表觀耗氧量的垂向結(jié)構(gòu)與觀測(cè)溶解氧濃度的垂向結(jié)構(gòu)相反, 在深度約11.7 m處存在垂向分布的最大值(1.37 mg/L)。

海水pH呈現(xiàn)與海水溶解氧濃度相似的時(shí)間變化和垂向結(jié)構(gòu), 從6月至8月隨時(shí)間減小、且減小速度在底層最大。在6月, pH約為8.47～8.48, 垂向變化較小。在8月, 表層pH減小至8.41, 而底層pH減小至8.18。深層海水pH的減小間接說明生物地球化學(xué)耗氧過程對(duì)深層海水溶解氧濃度的變化具有重要影響。在7月, pH的垂向結(jié)構(gòu)與溶解氧濃度的垂向結(jié)構(gòu)類似, 在深度約12.3 m處存在最小值(8.34)。

上述分析說明, 觀測(cè)站點(diǎn)處海水密度層結(jié)和生物地球化學(xué)耗氧過程對(duì)海水溶解氧濃度垂向分布最小值的形成有重要影響。下面將繼續(xù)結(jié)合7月各要素的斷面分布探討海水溶解氧濃度垂向分布最小值形成和空間變化的影響因素。

3.2 影響要素的斷面分布

圖5(a)和(b)展示了2020年7月浮力頻率平方沿東、西斷面的分布。沿東斷面從近岸向外海方向, 密度躍層加深、強(qiáng)度增大。而沿西斷面從近岸向外海方向, 密度躍層先加深后變淺、強(qiáng)度先增大后減小。海水溶解氧濃度垂向分布的最小值均出現(xiàn)在浮力頻率平方最大值、即最強(qiáng)密度層結(jié)以下。這說明夏季密度層結(jié)抑制溶解氧的垂向湍流擴(kuò)散是影響海水溶解氧濃度垂向分布最小值形成的重要因素。但是在近岸海域, 密度層結(jié)從外海向近岸方向減弱, 與海水溶解氧濃度垂向分布最小值的空間變化基本相反, 與后者強(qiáng)度的空間變化亦無顯著相關(guān)關(guān)系(圖3)。因此, 密度層結(jié)抑制垂向湍流擴(kuò)散可極大減少深層海水溶解氧的來源, 是海水溶解氧濃度垂向分布最小值發(fā)生的必要條件, 但不是主導(dǎo)因素。

圖4 2020年夏季煙臺(tái)—威海北部近海觀測(cè)站點(diǎn)(37°34′N, 121°57′E)各觀測(cè)要素垂向剖面的時(shí)間變化

圖5(c)和(d)展示了2020年7月葉綠素濃度沿東、西斷面的空間分布。水平上, 海水葉綠素濃度大致從近岸向外海減小, 與衛(wèi)星觀測(cè)結(jié)果一致[20]。垂向上, 各站點(diǎn)處葉綠素濃度的垂向結(jié)構(gòu)均存在最大值層, 與夏季黃海其他海域的觀測(cè)結(jié)果一致[17, 21-22]。海水溶解氧濃度垂向分布最小值的深度基本位于葉綠素濃度垂向分布最大值的深度之下, 且兩者較為接近。海水葉綠素濃度越高, 浮游植物光合作用生成的氧氣就越多, 可導(dǎo)致海水溶解氧濃度越高。因此, 觀測(cè)結(jié)果表明海水溶解氧濃度垂向分布最小值的形成和空間變化并不是由浮游植物等光合作用生成氧氣過程的減弱引起的, 與葉綠素濃度的時(shí)空變化無關(guān)。

為了了解生物地球化學(xué)耗氧過程的影響, 本文首先分析了2020年7月觀測(cè)期間海水表觀耗氧量的空間分布。如圖5(e)和(f)所示, 在外海海域上層, 海水表觀耗氧量為負(fù)值, 說明海水溶解氧處于過飽和狀態(tài); 而在外海海域深層和近岸海域, 海水表觀耗氧量為正值, 說明生物地球化學(xué)耗氧過程強(qiáng)烈、海水溶解氧存在顯著虧損?？傮w而言, 海水表觀耗氧量的空間分布和溶解氧濃度的空間分布呈顯著負(fù)相關(guān), 兩者沿東、西斷面的空間相關(guān)系數(shù)分別為–0.92、–0.97。對(duì)應(yīng)于海水溶解氧濃度垂向分布的最小值, 表觀耗氧量垂向分布存在最大值。此外, 表觀耗氧量的最小值(–1.58 mg/L)和最大值(2.82 mg/L)分別出現(xiàn)在西斷面的外海觀測(cè)站位和離岸最近的觀測(cè)站位。根據(jù)表觀耗氧量的空間分布, 初步推測(cè)夏季近海深層生物地球化學(xué)耗氧過程的增強(qiáng)和持續(xù)是該海域深層海水溶解氧顯著虧損和溶解氧濃度垂向分布最小值形成的重要原因。

圖5 2020年7月海水浮力頻率平方、葉綠素濃度、表觀耗氧量和pH的空間分布

注: 黑色三角形為觀測(cè)站點(diǎn), 星號(hào)為海水溶解氧濃度垂向分布最小值的深度; e和f中, 黑色實(shí)線為表觀耗氧量為0的等值線

為了進(jìn)一步證實(shí)上述觀點(diǎn), 圖5(g)和(h)展示了海水pH沿東、西斷面的空間分布。深層海水的pH明顯小于上層海水的pH, 且在近岸海域向岸邊減小。海水表觀耗氧量的空間分布與pH的空間分布呈顯著負(fù)相關(guān), 兩者沿東、西斷面的空間相關(guān)系數(shù)分別為–0.96、–0.97。表觀耗氧量與pH空間分布的負(fù)相關(guān)關(guān)系在深層尤為顯著, 如圖6(a)和(b)所示。基于最小二乘法可得兩者之間的線性關(guān)系式: 東斷面為AOU= –18.5·pH+155.8, 西斷面為AOU= –17.4·pH+ 146.2, 其中AOU和pH分別為海水的表觀耗氧量和pH。

圖6 2020年7月密度躍層以下海水表觀耗氧量與pH的比較[(a)和(b)]; 溶解氧濃度垂向分布最小值對(duì)應(yīng)的pH及其與底層pH之差的空間變化[(c)和(d)]

圖6(c)和(d)比較了海水溶解氧濃度垂向分布最小值對(duì)應(yīng)的pH及其與底層海水pH之差沿東、西斷面的空間分布。利用底層海水pH減去海水溶解氧濃度最小值深度處的pH表征氧最小值層pH的強(qiáng)度?？梢钥闯? 在氧最小值層中, pH及其強(qiáng)度與溶解氧質(zhì)量濃度及其強(qiáng)度的空間分布基本一致。在海洋中, pH的變化主要受CO2含量的影響。海洋-大氣界面的氣體交換和海洋生物呼吸、有機(jī)物分解等過程是海洋CO2的主要來源[23]。在觀測(cè)期間, 研究海域存在顯著的密度層結(jié), 可同步抑制溶解氧和CO2的垂向湍流擴(kuò)散, 減弱海洋-大氣界面氣體交換對(duì)深層溶解氧和CO2含量的影響。因此對(duì)于深層水體而言, 表觀耗氧量與pH之間顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系進(jìn)一步證明局地生物呼吸和有機(jī)物分解等生物地球化學(xué)過程是影響海水溶解氧和CO2含量同步變化的重要過程。

根據(jù)上述結(jié)果, 溶解氧濃度垂向分布最小值的形成機(jī)制可能為: 一方面, 觀測(cè)海域存在密度層結(jié), 可極大抑制溶解氧的垂向湍流擴(kuò)散, 從而減少密度躍層以下海水溶解氧的來源; 另一方面, 密度躍層以下水體中生物地球化學(xué)過程持續(xù)耗氧, 且耗氧過程在海底之上的水體層最強(qiáng), 從而形成溶解氧濃度垂向分布的最小值。

此外, 在部分海水溶解氧濃度存在最小值層的站位, pH垂向分布中的最小值出現(xiàn)在底層。這說明海水溶解氧濃度垂向分布最小值的形成還受其他過程或者因素的影響。在觀測(cè)海域, 底層海水溶解氧濃度和pH從外海向近岸方向減小。Zhai等[18]根據(jù)定點(diǎn)連續(xù)觀測(cè)數(shù)據(jù)指出, 該海域流場(chǎng)主要受海面風(fēng)的控制[24]。在夏季, 離岸南風(fēng)可引起底層向岸流。因此, 底層流的向岸平流輸運(yùn)也可能導(dǎo)致近岸海域海水溶解氧濃度的最小值出現(xiàn)在海底之上的水體層而非底層[18]。由于研究區(qū)域岸線復(fù)雜、缺少高分辨率的流場(chǎng)觀測(cè)數(shù)據(jù)或數(shù)值模擬結(jié)果, 本文無法量化底層流對(duì)海水溶解氧濃度最小值層的形成和時(shí)空變化的貢獻(xiàn), 未來還需要進(jìn)一步研究。

4 結(jié)論與展望

作為海洋生態(tài)環(huán)境的重要參數(shù), 海水溶解氧濃度的時(shí)空變化對(duì)海洋牧場(chǎng)的可持續(xù)健康發(fā)展極為重要?；?020年夏季的大面航次觀測(cè)數(shù)據(jù), 本文首次分析了煙臺(tái)—威海北部海洋牧場(chǎng)及鄰近海域海水溶解氧濃度垂向分布最小值(即氧最小值層)的空間變化特征, 并探討了影響因素。主要結(jié)論如下:

1) 從6月至8月, 觀測(cè)海域海水溶解氧濃度不斷減小, 垂向結(jié)構(gòu)亦存在顯著變化。海水溶解氧濃度垂向分布的最小值僅出現(xiàn)在7月。沿觀測(cè)斷面, 海水溶解氧濃度垂向分布的最小值主要出現(xiàn)在近岸海域, 最小值大致從外海向近岸方向減小, 其距離海底高度和與底層溶解氧濃度之差的絕對(duì)值均于雙島灣鄰近海域?yàn)樽畲蟆?/p>

2) 海水溶解氧濃度垂向分布的最小值位于最強(qiáng)密度層結(jié)以下, 但兩者的空間分布基本相反, 說明密度層結(jié)抑制垂向湍流擴(kuò)散可極大減少深層海水溶解氧的來源, 是海水溶解氧濃度垂向分布最小值形成的必要條件, 但不是主導(dǎo)因素。

3) 葉綠素濃度的垂向結(jié)構(gòu)在表層和底層之間存在最大值層, 其深度與海水溶解氧濃度最小值的深度相近, 表明葉綠素濃度的時(shí)空變化并不是海水溶解氧濃度垂向分布最小值的形成原因。

4) 從6月至8月, 密度層結(jié)以下海水表觀耗氧量為正值且顯著增大, pH顯著減小。在大部分站點(diǎn)處, 對(duì)應(yīng)于溶解氧濃度垂向分布的最小值, 表觀耗氧量存在垂向分布的最大值, pH存在垂向分布的最小值, 說明局地增強(qiáng)、持續(xù)的生物地球化學(xué)耗氧過程是控制海水溶解氧濃度垂向分布最小值形成和空間變化的一個(gè)重要過程。

煙臺(tái)—威海北部近海海水溶解氧濃度的最小值層與大洋中常見的次表層氧最小值層(oxygen minimum zone)[25-26]在時(shí)空變化方面不同。大洋中的次表層氧最小值層存在于太平洋、大西洋和印度洋, 且常年存在。但是兩者在形成機(jī)制方面是類似的, 其中一個(gè)重要機(jī)制是在密度層結(jié)抑制溶解氧垂向擴(kuò)散的同時(shí), 生物地球化學(xué)過程持續(xù)耗氧導(dǎo)致溶解氧濃度不斷降低。未來工作將繼續(xù)結(jié)合高分辨率觀測(cè)或者水動(dòng)力-生物地球化學(xué)耦合數(shù)值模擬結(jié)果研究該海域生物地球化學(xué)耗氧過程的時(shí)空變化和影響機(jī)制, 同時(shí)利用溶解氧的收支方程探討水動(dòng)力導(dǎo)致的平流輸運(yùn)等不同過程對(duì)海水溶解氧濃度最小值層形成和時(shí)空變化的貢獻(xiàn)。

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Minima in vertical distributions of dissolved oxygen concentration in the northern coastal oceans of Yantai-Weihai

SUN Li-yuan1, LIU Zi-zhou2, DING Jin-qiang1, ZHAI Fang-guo2, GU Yan-zhen2

(1. Shandong Fisheries Development and Resources Conservation Center, Yantai 264003, China; 2. College of Oceanic and Atmospheric Sciences, Ocean University of China, Qingdao 266100, China)

The present study investigates the spatial distribution of minima of dissolved oxygen (DO) concentration in vertical distributions (oxygen minimum layer) and the influencing factors in the northern coastal oceans of Yantai-Weihai based on cruise observations recorded in 2020’s summer. From June to August, the DO concentration decreased, and its vertical distribution changed significantly. In July, DO concentration minima in the vertical distributions were observed primarily in nearshore regions and decreased shoreward; its height above the sea bottom and difference from the bottom layer DO concentration were the largest in Shuangdao Bay. Besides, DO concentration minima in the vertical distributions were located below the strongest density stratification. However, the strength of DO concentration minima decreased northward, and this was opposite to density stratification, which increased northward. This finding indicated that density stratification could significantly restrict oxygen from entering the bottom layer of water by inhibiting turbulence-induced vertical diffusion. Thus, it was necessary but not a dominant factor for the formation of the oxygen minimum layer. Apparent oxygen utilization had maxima and pH had minima in the DO minimum layers at most observation sites. This high degree of correlation suggested that locally enhanced and continuous biogeochemical oxygen consumption were important in controlling the formation and spatial distribution of the oxygen minimum layer. The present study indicated that the oxygen minimum layer is one of the prominent features in vertical distributions of DO in nearshore waters of northern Yantai-Weihai.

northern coastal oceans of Yantai-Weihai; dissolved oxygen concentration; minimum in vertical distribution; apparent oxygen utilization; pH

Apr. 12, 2021

P715

A

1000-3096(2021)11-0020-10

10.11759/hykx20210412002

2021-04-12;

2021-05-25

山東省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(ZR2020MD059); 國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(42176016); 浙江省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃(2020C03012); 廣東省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃(2020B1111030002); 三亞崖州灣科技城管理局重大科技項(xiàng)目(SKJC-KJ-2019KY03); 國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃(2019YFD0901305)

[Shandong Provincial Natural Science Foundation, No. ZR2020MD059; National Science Foundation of China, No. 42176016; Key Research and Development Project of Zhejiang Province, No. 2020C03012; Key Research and Development Project of Guangdong Province, No. 2020B1111030002; Major Science and Technology Project of Sanya YZBSTC, No. SKJC-KJ-2019KY03; National Key Research and Development Program of China, No. 2019YFD0901305]

孫利元(1980—), 男, 山東招遠(yuǎn)人, 高級(jí)工程師, 主要研究方向?yàn)楹Ｑ竽翀?chǎng)、漁業(yè)資源增殖, E-mail: heroland80@ 163.com; 翟方國(guó)(1983—),通信作者, 男, 山東濰坊人, 副教授, 主要從事海洋動(dòng)力、生態(tài)與氣候變化的研究, E-mail: gfzhai@ ouc.edu.cn

(本文編輯: 叢培秀)