西港海洋牧場(chǎng)底層海水溶解氧濃度時(shí)變特征

王心怡, 劉子洲, 顧艷鎮(zhèn), 翟方國(guó), 孫利元, 宋洪芳, 李子牛, 王兆宇,賈乃東, 曲俐儒

(1. 中國(guó)海洋大學(xué) 海洋與大氣學(xué)院, 山東 青島 266100; 2. 山東省水生生物資源養(yǎng)護(hù)管理中心, 山東 煙臺(tái)264000; 3. 遼寧省營(yíng)口市海洋環(huán)境預(yù)報(bào)站, 遼寧 營(yíng)口 115007; 4. 海洋環(huán)境預(yù)報(bào)與防災(zāi)減災(zāi)中心, 遼寧 沈陽(yáng)110014)

海水中溶解氧濃度(dissolved oxygen concentration, DOC)是反映海水環(huán)境質(zhì)量和生物生長(zhǎng)狀況的重要指標(biāo), 也是研究海洋中各種物理、生物和化學(xué)過(guò)程的重要參數(shù)[1-2]。在海洋環(huán)境中, 當(dāng)水體中溶解氧濃度處于2.0 mg/L 至6.0 mg/L 之間時(shí), 則認(rèn)為水體開始出現(xiàn)慢性缺氧現(xiàn)象; 當(dāng)濃度降至2.0 mg/L 以下時(shí), 則認(rèn)為水體出現(xiàn)急性缺氧或“無(wú)氧”狀況[3]。低氧現(xiàn)象會(huì)對(duì)水體生命產(chǎn)生十分不利的影響: 例如生長(zhǎng)速度放慢、生存壓力上升、生殖能力受損、甚至導(dǎo)致死亡[4-8]。Schmidtko 等[9]的研究指出, 自1960 至今的50 多年間全球大洋中溶解氧濃度下降了2%,同時(shí)海洋中低氧水體的體積增長(zhǎng)了4 倍, 低氧水體的擴(kuò)張意味著很多魚類和無(wú)脊椎物種的棲息地已經(jīng)消失。海水溶解氧濃度的變化及其影響因素已成為國(guó)內(nèi)外科學(xué)家研究的重要內(nèi)容[2,10-18]。

低氧現(xiàn)象主要可分為自然形成和人為形成兩種情況[1]。自然形成的低氧現(xiàn)象多發(fā)于夏季, 因季節(jié)性溫躍層阻礙了溶解氧的垂向輸運(yùn), 生物呼吸作用和有機(jī)物分解作用持續(xù)耗氧, 致使底層溶解氧含量降低[19-20]。人為形成的低氧區(qū)主要是因海洋污染物增多引起海水富營(yíng)養(yǎng)化, 浮游植物激增, 植物死亡后在海底分解消耗大量氧氣, 從而促使了低氧區(qū)的形成, 這是近年來(lái)低氧現(xiàn)象頻發(fā)的主要原因[21-22]。除此之外,全球變暖與低氧現(xiàn)象也有一定的關(guān)系, Sarmiento 等[23]提出全球變暖導(dǎo)致世界大洋中溶解氧濃度減小。一方面是氧氣在較溫暖的水中溶解度降低, 另一方面是全球變暖導(dǎo)致上層海洋分層, 阻礙了表層向海洋內(nèi)部的氧氣供應(yīng)[23-26], 即為全球變暖引起海洋“脫氧”。

我國(guó)海洋學(xué)家對(duì)海水溶解氧濃度的時(shí)空分布特征及其影響機(jī)制進(jìn)行了廣泛的調(diào)查研究和數(shù)值模擬研究, 特別是在低氧海域集中的珠江口、長(zhǎng)江口以及渤海海域。Yin 等[19]基于觀測(cè)數(shù)據(jù)分析表明珠江口海域海水溶解氧濃度在1990 年至2000 年間主要表現(xiàn)為季節(jié)變化, 最小值發(fā)生在夏季, 而年際變化并不明顯。該海域在夏季時(shí)亦可能存在顯著低氧現(xiàn)象[27-28]。李道季等[29]基于觀測(cè)數(shù)據(jù)指出長(zhǎng)江河口外海域存在顯著的低氧現(xiàn)象, 并初步探討了其形成機(jī)制。隨后,該低氧現(xiàn)象的時(shí)空分布特征及其影響機(jī)制得到更多學(xué)者的關(guān)注和研究[14,30-34]。在黃海海域, 顧宏堪[10]研究表明海水溶解氧濃度在垂向上存在極大值現(xiàn)象;宋國(guó)棟等[13]指出黃海外海海水溶解氧濃度的分布主要受溫度和鹽度的影響, 而近岸海水溶解氧濃度的分布則主要受溫度的控制, 與鹽度無(wú)關(guān); 辛明等[35]分析了黃海海水溶解氧濃度的平面分布特征, 表明各季節(jié)海水溶解氧濃度的水平和垂向分布不盡相同, 春季溶解氧含量最高, 秋季含量最低; 劉春利等[18]結(jié)合1960 至1997 年的黃海表層溶解氧數(shù)據(jù), 研究了不同時(shí)期海水溶解氧的時(shí)空變化規(guī)律, 結(jié)果表明表層海水溶解氧濃度的月均值變化特征為3 月份最高, 8 月份最低, 季節(jié)性特征為春季>冬季>夏季>秋季; 李瀟等[36]利用15 年的溶解氧等數(shù)據(jù)分析了天津近岸海域海水溶解氧的分布以及影響因素, 表明溶解氧含量與海水溫度、鹽度和pH 值都存在相關(guān)關(guān)系。

前人研究極大推進(jìn)了人們對(duì)我國(guó)近海海水溶解氧濃度時(shí)間變化和空間分布的認(rèn)識(shí), 但是這些研究大多是利用船基大面調(diào)查資料或者數(shù)值模擬結(jié)果,而基于定點(diǎn)的長(zhǎng)時(shí)間觀測(cè)資料的研究并不多。孟鑫等[37]利用威海小石島海洋牧場(chǎng)和榮成西霞口海洋牧場(chǎng)的連續(xù)觀測(cè)網(wǎng)數(shù)據(jù)對(duì)牧場(chǎng)海底環(huán)境進(jìn)行了不同時(shí)間尺度的分析, 并利用自由水域假設(shè)建立了海洋牧場(chǎng)溶解氧生態(tài)模型, 計(jì)算并分析了牧場(chǎng)生態(tài)系統(tǒng)的新陳代謝參數(shù); 李兆欽等[38]利用威海劉公島海洋牧場(chǎng)長(zhǎng)期連續(xù)觀測(cè)數(shù)據(jù), 分析了該牧場(chǎng)海水溶解氧濃度的時(shí)間變化特征及其影響因素, 并探討了低氧災(zāi)害發(fā)生的可能性。為了加強(qiáng)我們對(duì)近海海水溶解氧濃度的時(shí)間變化特征的認(rèn)識(shí)和了解, 保障海洋牧場(chǎng)海域的生態(tài)安全, 山東省海洋牧場(chǎng)觀測(cè)網(wǎng)建設(shè)項(xiàng)目于2016 年在威海市西港海洋牧場(chǎng)布放了一套海洋生態(tài)環(huán)境海底有纜在線觀測(cè)系統(tǒng)。本文主要利用該系統(tǒng)獲得的長(zhǎng)期連續(xù)觀測(cè)數(shù)據(jù), 研究了該牧場(chǎng)底層海水溶解氧濃度的時(shí)間變化特征, 并結(jié)合底層海水溫度、鹽度、海面風(fēng)速、海表面溫度等數(shù)據(jù)資料探討了海水溶解氧濃度的影響因素。

1 數(shù)據(jù)和方法

1.1 數(shù)據(jù)

威海市西港游釣型海洋牧場(chǎng)位于威海市小石島周邊海域, 海域面積51 公頃, 位置如圖1 所示, 其中水深數(shù)據(jù)來(lái)自GEBCO_2014(The General Bathymetric Chart of the Oceans), 空間分辨率為1/120°。海洋牧場(chǎng)海洋生態(tài)環(huán)境海底有纜在線觀測(cè)系統(tǒng)布放于2016 年6 月,布放位置經(jīng)緯度坐標(biāo)為121°59′59.31″E, 37°30′56.63″N,離岸距離約0.8 km, 平均水深為4.62 m, 其海底觀測(cè)平臺(tái)集成安裝了TRDI CTD-NH 溫鹽深儀和SBE43式溶解氧傳感器, 以實(shí)時(shí)獲取底層海水溫度、鹽度、深度、溶解氧濃度等水動(dòng)力環(huán)境參數(shù)和水質(zhì)參數(shù), 數(shù)據(jù)采樣間隔為1 分鐘。因?yàn)閮x器維護(hù)等原因, 觀測(cè)數(shù)據(jù)存在不定時(shí)的缺測(cè), 故本文選取2016 年6 月2 日至10 月22 日這一數(shù)據(jù)連續(xù)性較好的時(shí)間段進(jìn)行研究, 觀測(cè)時(shí)長(zhǎng)共計(jì)143 天。本文首先對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行質(zhì)量控制,然后將數(shù)據(jù)平均為1 小時(shí)間隔的時(shí)間序列。

圖 1 山東半島周邊海域水深分布Fig. 1 The bathymetric around Shandong Peninsula

為了輔助探討觀測(cè)海水溶解氧濃度時(shí)間變化的影響機(jī)制, 本文還利用了海表面10 m 風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)和海表面溫度數(shù)據(jù)。海表面10 m 風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)來(lái)自歐洲中期天氣預(yù)報(bào)中心(European Centre for Medium-Range Weather Forecasts, ECMWF)提供的Interim 再分析資料[39], 空間分辨率為0.125°×0.125°, 時(shí)間間隔為6 小時(shí)。海表面溫度數(shù)據(jù)來(lái)自于全球范圍的高分辨率海溫產(chǎn)品GHRSST[40], 空間分辨率為0.05°×0.05°, 時(shí)間間隔為1 天。

1.2 海水溶解氧濃度相關(guān)參數(shù)計(jì)算

海水飽和溶解氧濃度是指當(dāng)水體與大氣的氧氣交換達(dá)到平衡時(shí)海水溶解氧的濃度。本文基于Garcia等[41]得出的公式計(jì)算海水飽和溶解氧濃度DOCsat,具體計(jì)算過(guò)程如下:

其中, Cd′o表示海水飽和溶解氧濃度, 單位為微摩爾每升(μmol/L); S 表示實(shí)測(cè)海水鹽度; TS=ln[(298.15–t)·(273.15+t)–1]表示溫度轉(zhuǎn)換系數(shù), t 表示實(shí)測(cè)海水溫度, 單位為攝氏度(℃); A、B、C 為經(jīng)驗(yàn)常數(shù), 其數(shù)值分別為:

根據(jù)下式可將 Cd′o轉(zhuǎn)化為單位為mg/L 的飽和溶解氧濃度Cdo。

隨后根據(jù)USGS(United States Geological Survey)No.81.11 對(duì)計(jì)算得到的海水飽和溶解氧濃度進(jìn)行壓強(qiáng)訂正。訂正公式如下:

其中h 為測(cè)量地點(diǎn)海拔高度, 此處取負(fù)的水深值。

海水溶解氧飽和度(saturation percentage, p)表示實(shí)測(cè)海水溶解氧濃度與飽和濃度的比值, 計(jì)算公式如下:

2 時(shí)間變化特征

2.1 總體特征

圖2 給出了觀測(cè)期間, 威海市西港海洋牧場(chǎng)底層海水溶解氧濃度的小時(shí)平均時(shí)間序列。整個(gè)觀測(cè)時(shí)間段內(nèi), 海水溶解氧濃度的變化范圍為 2.99～11.43 mg/L, 最小值2.99 mg/L發(fā)生在7月15日8時(shí), 最大值11.43 mg/L 發(fā)生在7 月31 日13 時(shí), 平均值約為6.65 mg/L, 方差為1.20 mg2/L2, 標(biāo)準(zhǔn)差為1.09 mg/L。

圖2 2016 年6 月2 日—10 月22 日威海市西港海洋牧場(chǎng)底層海水溶解氧濃度小時(shí)平均時(shí)間序列Fig. 2 Time series of hourly-mean observed dissolved oxygen concentration (DOC) in the Xigang marine ranch of Weihai City for the period of June 2 to October 22, 2016

圖3 海洋牧場(chǎng)底層海水日平均溶解氧濃度(a)和飽和度(b)時(shí)間序列Fig. 3 Time series of daily-mean observed DOC (a) and its saturation percentage (b)

2.2 日際變化和月變化

圖3a 展示了海水實(shí)測(cè)溶解氧濃度DOC 和飽和溶解氧濃度DOCsat的日平均時(shí)間序列。從圖中可以看出, 日平均實(shí)測(cè)海水溶解氧濃度在6 月至8 月基本呈減小趨勢(shì), 于8 月21 日降至最小值4.46 mg/L, 平均減小速率約為0.06 mg/(L·d), 之后基本呈單調(diào)增加趨勢(shì), 平均增大速率約為0.04 mg/(L·d)。同時(shí), 從6 月到8 月, 實(shí)測(cè)海水溶解氧濃度也呈現(xiàn)出季節(jié)內(nèi)時(shí)間尺度的變化, 分別在6 月20 日、7 月16 日、8 月21 日出現(xiàn)月中極小值。相比于實(shí)測(cè)的海水溶解氧濃度, 飽和溶解氧濃度的變化并不明顯, 同樣經(jīng)歷先減小后緩慢上升的變化趨勢(shì)。在除6 月外的大部分時(shí)間內(nèi), 計(jì)算的飽和溶解氧濃度均大于實(shí)測(cè)海水溶解氧濃度, 其平均值為7.37 mg/L, 最大值為8.06 mg/L, 出現(xiàn)在6 月5 日, 最小值為6.89 mg/L, 出現(xiàn)在7 月18 日。8 月中旬之后, 飽和溶解氧濃度與實(shí)測(cè)溶解氧濃度的時(shí)間變化差異較大, 而在此之前, 兩者存在基本相同的數(shù)值和變化趨勢(shì)。需要指出的是, 在6 月份的部分日子里, 底層海水溶解氧存在過(guò)飽和現(xiàn)象, 實(shí)測(cè)溶解氧濃度與飽和溶解氧濃度的差最大可達(dá)1.14 mg/L。

從圖3b 可以看出, 日平均海水溶解氧飽和度的變化與實(shí)測(cè)溶解氧濃度的變化具有很好的一致性,兩者相關(guān)系數(shù)為0.97, 高于95%置信水平。觀測(cè)期間海水溶解氧飽和度的平均值約為91.10%, 最大值為115.48%, 出現(xiàn)在6 月29 日, 最小值為64.28%, 出現(xiàn)在8 月21 日。

圖4 進(jìn)一步計(jì)算了海水溶解氧濃度觀測(cè)值、飽和值和飽和度的月平均時(shí)間序列和相應(yīng)的月標(biāo)準(zhǔn)差,其中每月的月標(biāo)準(zhǔn)差為該月內(nèi)日平均時(shí)間序列的標(biāo)準(zhǔn)差。從6 月至10 月, 海水溶解氧濃度的觀測(cè)值和飽和值均呈現(xiàn)先下降后上升的變化趨勢(shì), 實(shí)測(cè)海水溶解氧濃度的月平均值分別為7.91 mg/L、6.91 mg/L、5.79 mg/L、6.21 mg/L 和6.42 mg/L, 而飽和溶解氧濃度的月平均值分別為7.70 mg/L、7.44 mg/L、7.05 mg/L、7.18 mg/L 和7.54 mg/L。但是在夏季從6 月至8 月, 實(shí)測(cè)海水溶解氧濃度減小的速率要大于飽和溶解氧濃度減小的速率, 而從8 月至10 月, 兩者增大的速率基本一致。和海水溶解氧濃度月平均值的變化不同,實(shí)測(cè)和飽和海水溶解氧濃度的月標(biāo)準(zhǔn)差呈現(xiàn)不同的變化趨勢(shì)。從6 月至10 月, 前者分別約為0.48 mg/L、0.49 mg/L、0.70 mg/L、0.25 mg/L 和0.40 mg/L, 總體呈現(xiàn)先增大后減小的變化特征, 最大值出現(xiàn)在8 月份, 即日際變化在8 月份最強(qiáng), 與海水溶解氧濃度月平均值的變化相反。而后者則分別約為0.21 mg/L、0.16 mg/L、0.12 mg/L、0.08 mg/L 和0.11 mg/L, 總體呈現(xiàn)先減小后增大的變化特征, 最大值出現(xiàn)在6 月。

圖4 海洋牧場(chǎng)底層海水月平均溶解氧濃度(a)和飽和度(b)時(shí)間序列Fig. 4 Time series of monthly-mean DOC with standard deviations (a) and its saturation percentage (b)

海水溶解氧飽和度的月平均值與其濃度的月平均值的變化基本一致, 隨時(shí)間先減小后增大, 從6 月到10 月分別約為102.8%、92.9%、82.2%、86.5%和85.2%。

2.3 周日變化

利用小時(shí)平均的實(shí)測(cè)海水溶解氧數(shù)據(jù), 計(jì)算得到各月平均的周日變化曲線, 如圖5 所示。從圖中可以看出, 觀測(cè)期間各月均在凌晨4—6 時(shí)達(dá)到全天最小值, 而極大值發(fā)生的時(shí)刻有所不同。6 月白天海水溶解氧濃度持續(xù)上升, 至下午16 時(shí)達(dá)到全天最大值; 7 月和8 月從日出開始溶解氧濃度上升迅速, 10 時(shí)至下午17 時(shí)在極大值附近波動(dòng), 總體呈緩慢上升趨勢(shì), 分別于下午17 時(shí)和16 時(shí)達(dá)到最大值; 9 月和10 月最大值出現(xiàn)在正午10—12 時(shí)左右。各月海水溶解氧濃度周日變化最大值與最小值發(fā)生時(shí)刻統(tǒng)計(jì)如表1 所示。

表1 各月平均周日變化中海水溶解氧濃度最大值與最小值的發(fā)生時(shí)刻Tab. 1 The occurred time of maximum and minimum DOC in each month

3 影響機(jī)制探討

3.1 海水溫度

前人研究表明海水溫度是海水飽和溶解氧濃度至關(guān)重要的影響因素[41]。如圖6a 中的藍(lán)色線所示,海洋牧場(chǎng)底層海水溫度從6 月至8 月顯著上升, 并于8 月18 日達(dá)到最大值(約為27.0℃), 隨后在秋季呈波動(dòng)下降趨勢(shì), 平均值約為22.3℃。對(duì)比海洋底層海水溶解氧濃度和溫度時(shí)間序列可以看出, 兩者在整個(gè)觀測(cè)期間存在相反的變化趨勢(shì), 相關(guān)系數(shù)約為–0.78,高于95%置信水平, 這說(shuō)明溫度越高, 海水溶解氧濃度越低[17,41]。本文利用整個(gè)觀測(cè)時(shí)間段內(nèi)底層海水溶解氧濃度和海水溫度(T), 基于最小二乘法得到二者之間的線性關(guān)系如下:

圖6a 中紅線為根據(jù)海水溫度利用上述公式擬合得到的溶解氧濃度DOCT時(shí)間序列。DOCT與DOC 具有相似的時(shí)間變化特征, 二者相關(guān)系數(shù)為0.78, 高于95%置信水平, 進(jìn)一步證明在日際及較長(zhǎng)時(shí)間尺度上海水溶解氧濃度可能主要受溫度影響, 溫度高時(shí), 溶解氧濃度降低[18,41]。這是因?yàn)闇囟仁呛Ｋ芙庋跞芙舛鹊淖钪饕绊懸蛩? 且兩者呈反比關(guān)系[41]。圖6b 表示實(shí)測(cè)溶解氧濃度減去擬合溶解氧濃度的差值,大于0 的區(qū)域表示實(shí)測(cè)溶解氧濃度高于擬合值, 小于0 的區(qū)域表示實(shí)測(cè)溶解氧濃度低于擬合結(jié)果。從圖中可以看出, 兩者之間的差別呈現(xiàn)出顯著的天氣-季節(jié)內(nèi)時(shí)間尺度的變化, 尤其是在6 月下旬、7 月中旬、8 月中下旬和10 月等4 個(gè)時(shí)期內(nèi)比較大。這說(shuō)明在天氣等較短的時(shí)間尺度上, 底層海水溶解氧濃度還同時(shí)受其他因素的影響。

圖5 底層海水溶解氧濃度各月平均的周日變化Fig. 5 The monthly-mean diurnal variations of DOC

圖6 底層海水溫度、溶解氧濃度與溫度擬合溶解氧濃度時(shí)間序列(a); 實(shí)測(cè)溶解氧濃度與溫度擬合溶解氧濃度的差(b)Fig. 6 Time series of daily-mean bottom temperature, DOC, DOCT (a) and the difference between DOC and DOCT (b)

圖7 比較了底層海水溫度和溶解氧濃度的月平均周日變化, 以探究前者對(duì)后者的可能影響。從6 月到10 月, 利用相關(guān)性分析計(jì)算得到二者相關(guān)系數(shù)分別為0.85, –0.04, –0.47, 0.93 和0.85。在6 月、9 月和10 月, 底層海水溶解氧濃度的周日變化與海水溫度的變化基本一致, 而在7 月, 兩者并無(wú)任何相關(guān)性, 這和海水溫度與海水溶解氧溶解度呈顯著反比關(guān)系的事實(shí)不符[41],因此說(shuō)明這4 個(gè)月中前者并不受后者直接控制。在8 月, 兩者呈現(xiàn)一定的負(fù)相關(guān)關(guān)系, 說(shuō)明底層海水溫度對(duì)海水溶解氧濃度的變化可能具有一定影響。值得指出的是, 在日變化上, 溶解氧濃度與海水溫度之間的關(guān)系與它們?cè)谌针H及月變化上的關(guān)系不同。這是因?yàn)楹Ｋ芙庋鯘舛鹊娜兆兓赡苤饕苌镞^(guò)程、垂向擴(kuò)散、潮汐潮流等生物和動(dòng)力過(guò)程的日變化的影響。

圖7 底層海水溶解氧濃度與溫度各月平均的周日變化Fig. 7 The monthly-mean diurnal variations of DOC (black lines) and bottom temperature (blue lines)

圖8 觀測(cè)期間海表與海底溫度(a); 海水溫度梯度TG(b);底層實(shí)測(cè)溶解氧濃度(c)Fig. 8 Time series of daily-mean SST and T (a), TG (b), DOC with cyan line refers to the declined trend during 2016.7.1—2016.8.16 (c)

3.2 海洋層結(jié)

海洋表層由于海氣交換充分, 水體溶解氧含量普遍較高, 可通過(guò)垂向混合擴(kuò)散至海水底層, 但由太陽(yáng)輻射增強(qiáng)產(chǎn)生的溫躍層會(huì)阻礙這一垂向擴(kuò)散過(guò)程。由于海洋牧場(chǎng)觀測(cè)系統(tǒng)只能提供錨定點(diǎn)的底層水溫?cái)?shù)據(jù), 缺乏剖面資料, 本文利用GHRSST 海表面溫度數(shù)據(jù)SST 結(jié)合底層觀測(cè)溫度T 和水深H 計(jì)算得到水體平均溫度梯度TG, 用以指示海水層結(jié)強(qiáng)度,計(jì)算公式如下:

TG 大于0 表示海表溫度高于海底溫度, 數(shù)值越大表示溫度層結(jié)越明顯。

圖8 比較了觀測(cè)期間海表面溫度、底層海水溫度、水體平均溫度梯度和底層海水溶解氧濃度。從圖8a 可以看出, 海表溫度與海底溫度的變化趨勢(shì)基本一致, 夏季升高, 入秋后降低, 兩者相關(guān)系數(shù)約為0.85, 高于95%置信水平。在7 月之前和8 月中旬以后, 兩者大小基本一致, 表明海水垂向混合較為均勻。而從7 月至8 月中旬, 海表溫度基本上均大于海底溫度, 說(shuō)明海洋存在季節(jié)性溫躍層。同時(shí)海底溫度的最大值滯后于海表溫度的最大值, 這是因?yàn)橄募咎?yáng)輻射是海水溫度增加的主要原因, 表層海水直接吸收太陽(yáng)輻射增溫, 而底層海水通過(guò)垂向熱擴(kuò)散等過(guò)程接收來(lái)自上層的熱量, 由此出現(xiàn)滯后現(xiàn)象。從圖8b 可以看出, TG 于7 月至8 月中旬均為正值。當(dāng)海洋中出現(xiàn)溫度躍層時(shí), 水體垂向混合將會(huì)減弱, 從而可能導(dǎo)致底層海水溶解氧濃度隨時(shí)間減小。在7 月至8 月中旬期間, 海水溶解氧濃度總體上呈下降趨勢(shì), 但是因?yàn)榇藭r(shí)溫度隨時(shí)間亦不斷增大(圖8a), 說(shuō)明該時(shí)間段內(nèi)底層海水溶解氧濃度受海水溫度和海洋層結(jié)的共同影響, 但是無(wú)法定量評(píng)估兩者的具體貢獻(xiàn)。該時(shí)間內(nèi)去除線性變化趨勢(shì)的海水溶解氧濃度日平均時(shí)間序列和TG 日平均時(shí)間序列之間的同期相關(guān)系數(shù)約為0.20, 說(shuō)明天氣時(shí)間尺度上兩者呈弱的正相關(guān)關(guān)系, 即前者并不受后者抑制垂向混合擴(kuò)散過(guò)程的直接影響。這是因?yàn)楫?dāng)海洋層結(jié)強(qiáng)(弱)時(shí), 海洋中的垂向擴(kuò)散過(guò)程將會(huì)受到抑制(加強(qiáng)), 從而導(dǎo)致海水溶解氧的垂向擴(kuò)散變?nèi)?變強(qiáng))[14]。

3.3 風(fēng)致混合

大風(fēng)能夠驅(qū)動(dòng)海水的混合, 當(dāng)超過(guò)8 m/s 風(fēng)速的強(qiáng)風(fēng)經(jīng)常發(fā)生時(shí), 在海表面能量輸入和潮致混合作用下垂向混合會(huì)加強(qiáng)[42]。垂向混合的加強(qiáng)可增強(qiáng)海水溶解氧的垂向擴(kuò)散, 從而增強(qiáng)底層海水溶解氧濃度。圖9 展示了風(fēng)速與實(shí)測(cè)溶解氧濃度的日平均時(shí)間序列,其中風(fēng)速大于8 m/s 的大風(fēng)過(guò)程標(biāo)記為紅色。

總體上, 風(fēng)速并未呈現(xiàn)顯著的季節(jié)變化。海底實(shí)測(cè)溶解氧濃度與風(fēng)速的日平均序列相關(guān)系數(shù)從6 月到10 月分別為–0.23, –0.37, –0.18, 0.38, –0.09, 9 月出現(xiàn)明顯的正相關(guān), 說(shuō)明該月風(fēng)混合對(duì)于底層溶解氧濃度的升高存在一定貢獻(xiàn)。在8 月22 日后出現(xiàn)了極大值為11.90 m/s(8 月30 日)的大風(fēng)過(guò)程, 且此后的9、10 月份大風(fēng)頻發(fā), 在海表面能量輸入和潮致混合作用下, 溫度梯度較夏季減小直至消失, 對(duì)應(yīng)圖8b 中TG 值始終小于0, 說(shuō)明海底溫度不再低于海表溫度, 此時(shí)海洋混合十分充分。當(dāng)大風(fēng)過(guò)程發(fā)生時(shí), 海水底層溶解氧濃度均存在先升高后降低趨勢(shì)。底層海水溶解氧濃度的升高是因?yàn)榇箫L(fēng)過(guò)程引起海水垂向混合增強(qiáng), 從而導(dǎo)致海水溶解氧的垂向擴(kuò)散增強(qiáng)。而隨后海水溶解氧濃度的降低則可能存在兩個(gè)原因, 一個(gè)原因是風(fēng)速減弱導(dǎo)致海水溶解氧的垂向擴(kuò)散減弱, 另一個(gè)原因則可能與生物化學(xué)過(guò)程有關(guān)。大風(fēng)過(guò)程期間, 海水垂向混合增強(qiáng), 引起浮游植物大量繁殖。而浮游植物凋亡沉入海底后的分解過(guò)程則會(huì)消耗大量氧氣, 從而導(dǎo)致底層海水溶解氧濃度降低[43]。

圖9 日平均底層海水溶解氧濃度(黑色)與海表面風(fēng)速(藍(lán)色)時(shí)間序列Fig. 9 Time series of daily-mean DOC and wind speed with strong winds in red

圖10 各月份底層海水溶解氧濃度功率譜(a); 水深異常功率譜(b); 水深異常觀測(cè)值與調(diào)和分析結(jié)果重構(gòu)的水深異常(c)Fig. 10 Monthly power spectrum of DOC (a) , depth anomaly (b) and the result of harmonic analysis (c)

3.4 潮汐作用

潮汐過(guò)程同樣影響底層海水溶解氧濃度。為了得到牧場(chǎng)區(qū)域的潮汐特征, 本文利用觀測(cè)的海水深度減去其平均值得到水深異常, 并進(jìn)行調(diào)和分析。從功率譜圖10a 和10b 可以看出, 底層海水溶解氧濃度功率譜與水深異常功率譜在高頻部分均存在兩個(gè)顯著峰值, 分別位于12 小時(shí)和24 小時(shí)附近。從譜峰能量來(lái)看, 海水溶解氧濃度在大部分月份中以全日周期變化為主, 而潮汐過(guò)程則以半日潮為主。

利用小時(shí)平均的水深異常時(shí)間序列進(jìn)行調(diào)和分析, 得到各主要分潮的調(diào)和常數(shù)如表2 所示。圖10c比較了實(shí)測(cè)的水深異常時(shí)間序列與利用調(diào)和分析結(jié)果重構(gòu)的水深異常時(shí)間序列。二者吻合一致, 方差解釋率為97.9%, 同期相關(guān)系數(shù)為0.99。根據(jù)潮汐調(diào)和分析結(jié)果計(jì)算潮汐特征值結(jié)果約為0.38,說(shuō)明威海西港海洋牧場(chǎng)的潮汐類型為正規(guī)半日潮,且以周期為12.42 小時(shí)的M2分潮為主, 與前人觀測(cè)結(jié)果一致。

表2 各主要分潮調(diào)和常數(shù)Tab. 2 The harmonic constants of influential tidal components

圖11 進(jìn)一步比較了五個(gè)月中月平均水深和底層溶解氧濃度的周日變化?？梢钥闯? 水深以半日周期變化為主, 而海水溶解氧濃度則基本以全日周期變化為主。相關(guān)性分析表明6 月到10 月, 兩者的相關(guān)系數(shù)分別為–0.18, –0.42, –0.30, 0.02 和0.12, 相關(guān)性均較弱。但值得指出的是, 各月中0 時(shí)至12 時(shí), 兩者變化趨勢(shì)基本一致, 即退潮時(shí)溶解氧濃度降低,而漲潮時(shí)溶解氧濃度升高, 意味著該時(shí)間段內(nèi)底層海水溶解氧濃度的小時(shí)變化可能受潮汐過(guò)程的影響,且近海海水溶解氧濃度很可能低于外海海水溶解氧濃度。蔡勵(lì)勛[44]在廈門海域亦觀測(cè)到類似現(xiàn)象, 他指出相較于外海水, 近岸海域底層有更多的無(wú)機(jī)物和有機(jī)物, 其氧化分解過(guò)程更強(qiáng), 氧消耗更大, 從而使得近海海水溶解氧濃度低于外海水。未來(lái)應(yīng)加強(qiáng)觀測(cè)以進(jìn)一步研究西港海洋牧場(chǎng)及周邊海域海水溶解氧濃度的空間分布特征。在12 時(shí)至次日0 時(shí)這一時(shí)間段, 海水溶解氧濃度變化與水深變化并無(wú)顯著關(guān)系, 具體影響機(jī)制還需要進(jìn)一步分析。

圖11 底層海水溶解氧濃度(黑)與水深(藍(lán))各月平均的周日變化Fig. 11 The monthly-mean diurnal variations of DOC (black lines) and depth (blue lines)

4 結(jié)論

本文利用威海市西港海洋牧場(chǎng)海底有纜實(shí)時(shí)在線觀測(cè)系統(tǒng)的長(zhǎng)期連續(xù)觀測(cè)數(shù)據(jù), 研究了底層海水溶解氧濃度的時(shí)間變化特征, 結(jié)合溫度、鹽度、水深以及風(fēng)速數(shù)據(jù)對(duì)海水溶解氧濃度的影響機(jī)制進(jìn)行了探討, 主要結(jié)論如下:

(1) 觀測(cè)期間底層海水溶解氧濃度整體呈現(xiàn)先減小后增大的變化趨勢(shì), 變化范圍為2.99～11.43 mg/L,最小值2.99 mg/L 發(fā)生在7 月15 日8 時(shí), 最大值11.43 mg/L 發(fā)生在7 月31 日13 時(shí), 平均值為6.65 mg/L,方差為1.20 mg2/L2, 標(biāo)準(zhǔn)差為1.09 mg/L。計(jì)算的海水飽和溶解氧濃度平均值為 7.37 mg/L, 最大值為8.06 mg/L, 出現(xiàn)在6 月5 日, 最小值為6.89 mg/L, 出現(xiàn)在7 月18 日。

(2) 日際及月變化分析表明, 日平均底層海水溶解氧濃度在6 月初的高值后逐漸降低, 8 月21 日降至最小值4.46 mg/L, 平均減小速率約為0.06 mg/(L·d), 之后基本呈單調(diào)增加趨勢(shì), 平均增大速率為0.04 mg/(L·d)。從6 月到8 月, 實(shí)測(cè)溶解氧濃度呈現(xiàn)出季節(jié)內(nèi)時(shí)間尺度的變化, 分別在6 月20 日、7 月16 日、8 月21 日出現(xiàn)月中極小值, 隨后對(duì)應(yīng)溶解氧濃度的緩慢回升和整體的下降趨勢(shì)。相比而言, 飽和溶解氧濃度的變化并不顯著, 6 月出現(xiàn)過(guò)飽和現(xiàn)象。

海水溫度是影響底層海水溶解氧濃度的主要因素, 二者呈現(xiàn)顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系。該海域于7 月至8月中旬出現(xiàn)明顯季節(jié)性溫躍層, 在此時(shí)間段內(nèi)海水溶解氧濃度總體上呈下降趨勢(shì), 但是因?yàn)榇藭r(shí)海水溫度隨時(shí)間亦不斷增大, 說(shuō)明該時(shí)間段內(nèi)底層海水溶解氧濃度受海水溫度和海洋層結(jié)的共同影響。該時(shí)間內(nèi)去除線性變化趨勢(shì)的海水溶解氧濃度日平均時(shí)間序列和躍層強(qiáng)度日平均時(shí)間序列之間的同期相關(guān)系數(shù)約為0.20, 說(shuō)明天氣時(shí)間尺度上兩者呈弱的正相關(guān)關(guān)系, 即前者并不受躍層抑制垂向混合擴(kuò)散過(guò)程的控制。

日平均風(fēng)速僅在9 月份與日平均海水溶解氧濃度呈弱的正相關(guān)關(guān)系, 說(shuō)明前者對(duì)后者影響較弱。但當(dāng)大風(fēng)過(guò)程發(fā)生時(shí), 海水底層溶解氧濃度存在先升高后降低的變化特征。底層海水溶解氧濃度的升高是因?yàn)榇箫L(fēng)過(guò)程引起海水垂向混合增強(qiáng), 從而導(dǎo)致海水溶解氧的垂向擴(kuò)散增強(qiáng)。而隨后海水溶解氧濃度的降低則可能存在兩個(gè)原因, 一方面是風(fēng)速減弱導(dǎo)致海水溶解氧的垂向擴(kuò)散減弱, 另一方面則可能與生物化學(xué)過(guò)程有關(guān)。

(3) 日變化上, 各月海水溶解氧濃度均以全日周期變化為主, 極小值均發(fā)生在凌晨, 而極大值發(fā)生的時(shí)刻有所不同。6 月最大值出現(xiàn)在下午4 時(shí); 7 月和8 月在10 時(shí)至下午5 時(shí)在極大值附近波動(dòng), 總體趨勢(shì)緩慢上升; 9 月和10 月在上午10—12 時(shí)出現(xiàn)日最大值后呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。與海水溫度月平均周日變化的比較說(shuō)明, 海水溶解氧濃度的日變化并不受溫度控制。各月0 時(shí)至12 時(shí), 海水溶解氧濃度與水深變化趨勢(shì)基本一致, 即退潮時(shí)溶解氧濃度降低, 而漲潮時(shí)溶解氧濃度升高, 意味著該時(shí)間段內(nèi)底層海水溶解氧濃度的小時(shí)變化可能受潮汐過(guò)程的影響,且近海海水溶解氧濃度很可能低于外海海水溶解氧濃度。而從12 時(shí)至次日0 時(shí), 海水溶解氧濃度變化與水深變化并無(wú)顯著關(guān)系, 具體影響機(jī)制還需要進(jìn)一步分析。

需要指出的是, 由于受到觀測(cè)條件和生態(tài)數(shù)據(jù)測(cè)量結(jié)果準(zhǔn)確性的制約, 本文并未考慮生態(tài)化學(xué)過(guò)程對(duì)海水溶解氧濃度變化的影響。將來(lái)擬進(jìn)一步加強(qiáng)物理海洋、海洋化學(xué)、海洋生態(tài)等學(xué)科方向的高分辨率觀測(cè)和數(shù)值模擬研究, 以準(zhǔn)確探明該海域海水溶解氧濃度時(shí)間變化的影響機(jī)制。