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

(1.中國(guó)海洋大學(xué)海洋與大氣學(xué)院,山東 青島 266100; 2.山東省濰坊市海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)中心站,山東 濰坊 261000; 3.山東省水生生物資源養(yǎng)護(hù)管理中心,山東 煙臺(tái) 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(zhǎng)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(jí)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(guó)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(chǎng)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(duì)大沽河口的研究多集中在入海口溶解有機(jī)物和污染物的變化特征，對(duì)于河口海水溶解氧濃度的研究很少，而且沒有直接對(duì)大沽河口海水溶解氧濃度時(shí)空變化的研究。婁安剛等[3]通過數(shù)值模式對(duì)大沽河口的水質(zhì)進(jìn)行了預(yù)測(cè)，表明入?？谛∶娣e范圍內(nèi)存在水質(zhì)達(dá)不到二類水體的現(xiàn)象，鄰近海域的水質(zhì)能夠達(dá)到二類水質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)。孟春霞等[4]用綜合評(píng)價(jià)法對(duì)大沽河2000—2005年水污染狀況進(jìn)行了評(píng)估，表明青島段大沽河口水質(zhì)總體呈好轉(zhuǎn)趨勢(shì)。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(yíng)養(yǎng)化指數(shù)對(duì)大沽河口水質(zhì)進(jìn)行了分析和評(píng)價(jià)，對(duì)于海水溶解氧濃度只給出了觀測(cè)值，并沒有對(duì)其時(shí)空變化規(guī)律和影響因素進(jìn)行討論，也沒有根據(jù)溶解氧濃度對(duì)水質(zhì)進(jìn)行評(píng)價(jià)。降雨能夠?qū)е潞涌跔I(yíng)養(yǎng)鹽濃度的升高及初級(jí)生產(chǎn)力的上升,對(duì)河口生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生一定的影響[6-7]。岳玲莉等[8]對(duì)大沽河口污染物的多時(shí)間尺度變化特征進(jìn)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(duì)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(shí)時(shí)在線觀測(cè)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(duì)大沽河口底層海水溶解氧濃度的多時(shí)間尺度變化特征進(jìn)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(duì)影響大沽河口海水溶解氧濃度變化的因素進(jìn)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(shí)時(shí)在線觀測(cè)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(cè)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(gè)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(cè)得到，觀測(cè)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(qiáng)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(cè)量精度為±5%飽和度，分辨率為0.4%飽和度，溶解氧探頭型號(hào)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(cè)得到，時(shí)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(cè)天數(shù)，有效數(shù)據(jù)長(zhǎng)度共計(jì)224 d。

(黑色星號(hào)表示觀測(cè)點(diǎn)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(shí)間變化的因素，本文采用了歐洲中期天氣預(yù)報(bào)中心(European Centre for Medium-Range Weather Forecasts; ECMWF)提供的Interim再分析資料(ERA-I)[9]。本文主要使用的是海面10 m風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)，空間分辨率為0.125°×0.125°，時(shí)間間隔為6 h，時(shí)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(cè)系統(tǒng)布放處海面風(fēng)的時(shí)間序列。

1.2 溶解氧相關(guān)參數(shù)計(jì)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(dá)到平衡時(shí)水中溶解氧的濃度。海水中飽和溶解氧濃度的大小會(huì)隨著水體的溫度、壓強(qiáng)和鹽度的變化而變化[10]。本文采用Garcia and Gordon[11]改進(jìn)過的飽和溶解氧計(jì)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(shí)測(cè)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(shí)測(cè)海水溫度(Temperature)，單位(℃)；A、B、C為經(jīng)驗(yàn)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(duì)飽和溶解氧進(jìn)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(duì)DOsat進(jìn)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(jì)算公式如下：

p=DO/DOS×100%。

(6)

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

表觀耗氧量(Apparent oxygen utilization,AOU)計(jì)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(shí)，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(jī)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(shí)間變化特征

2.1 總體特征

大沽河口底層海水DO在觀測(cè)期間的時(shí)間序列如下圖2所示。從圖2的小時(shí)平均時(shí)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(gè)觀測(cè)期間DO的變化范圍，約為5.68～13.36 mg/L。整個(gè)時(shí)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(shí)平均和日平均時(shí)間序列。The straight line and dashed line represents hourly average and daily average respectively.)

圖2 觀測(cè)期間DO(mg/L)時(shí)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(cè)期間DO呈現(xiàn)出多時(shí)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(cè)起始和結(jié)束階段的高頻日變化特征顯著，觀測(cè)期間出現(xiàn)了雙極大值峰的特點(diǎn)。DO從2016年11月6—30日波動(dòng)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(dòng)下降，2017年1月8日—25日波動(dòng)上升，并于1月25日出現(xiàn)極大值13.27 mg/L，此后DO呈波動(dòng)下降的趨勢(shì)，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(cè)期間DO的月平均和季節(jié)平均時(shí)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(shí)間尺度和季節(jié)時(shí)間尺度的變化。對(duì)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(cè)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(cè)期間大于年平均值的有2016年11月—2017年3月共5個(gè)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(gè)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(gè)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(shí)平均的海水溶解氧數(shù)據(jù)，計(jì)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(shì)并不相同、其極大值對(duì)應(yīng)不同時(shí)刻。

圖4 各月平均的DO逐時(shí)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(shí)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(dòng)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(dòng)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(duì)DO影響的相互耦合過程中產(chǎn)生了較為劇烈的波動(dòng)情況。

2.4 變化幅度特征

本文利用天平均和小時(shí)平均的海水溶解氧濃度分別計(jì)算了其月標(biāo)準(zhǔn)差和日標(biāo)準(zhǔn)差時(shí)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(qiáng)度和小時(shí)變化強(qiáng)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(cè)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(shí)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(cè)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(cè)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(qiáng)。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(shí)間尺度變化特征，亦于2016年11月份時(shí)最強(qiáng)，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(duì)底層海水溶解氧的飽和度和耗氧情況進(jìn)行分析，本文將觀測(cè)期間的DO、DOS、飽和百分比、AOU以及AOU月平均值的時(shí)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(cè)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(shí)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(shí)測(cè)溶解氧濃度有較長(zhǎng)一段時(shí)間處于飽和溶解氧濃度之上，說明此時(shí)海水處于過飽和或近飽和的狀態(tài)，對(duì)應(yīng)時(shí)間段內(nèi)AOU的值在較多時(shí)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(shí)間內(nèi)浮游植物生命活動(dòng)較弱，因此是因?yàn)楹饨粨Q充分導(dǎo)致過飽和現(xiàn)象的發(fā)生。2017年3月30日之后，實(shí)測(cè)溶解氧濃度與飽和溶解氧濃度的差距逐漸變大，對(duì)應(yīng)AOU的量值不斷增大，說明水體進(jìn)入到了氧消耗階段，這與海洋生物生命活動(dòng)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(gè)觀測(cè)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(cè)期間的溶解氧過飽和狀態(tài)強(qiáng)度雖大，但是持續(xù)作用的時(shí)間不長(zhǎng)。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(jī)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?yàn)閿?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(duì)溶解氧濃度的影響方面進(jìn)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(duì)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(shí)間序列以及鹽度和DO的散點(diǎn)圖做出如下圖7所示。

((b)中直線表示趨勢(shì)線。The straight line(b) represents the trend line.)圖7 觀測(cè)期間的DO(mg/L)、鹽度、時(shí)間序列(a)以及鹽度、DO(mg/L)散點(diǎn)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(jì)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(duì)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(diǎn)分布在鹽度-DO趨勢(shì)線的兩側(cè)，但是與趨勢(shì)線偏離較大，呈現(xiàn)不規(guī)則分布，所以可以肯定鹽度對(duì)DO有一定的控制作用，但是影響不大，經(jīng)過計(jì)算，鹽度在11.58～30.70的變化范圍之內(nèi)，對(duì)溶解氧濃度的變化產(chǎn)生了13.10%的貢獻(xiàn)。

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(huì)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(shí)間序列以及溫度和DO散點(diǎn)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(shì)，季節(jié)性信號(hào)非常明顯，整個(gè)觀測(cè)時(shí)間段內(nèi)的溫度振幅達(dá)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(yáng)輻射逐漸減弱，海水溫度隨之波動(dòng)降低，并于1月24日達(dá)到最小值0.02 ℃，2017年1月底—6月底太陽(yáng)輻射逐漸增強(qiáng)，海水溫度隨之波動(dòng)升高，并于6月22日達(dá)到最大值25.88 ℃。整個(gè)觀測(cè)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(duì)比溫度和DO的散點(diǎn)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(shì)線。The straight line represents the trend line in (b).)圖8 觀測(cè)期間的DO(mg/L)、T(℃)、時(shí)間序列(a)以及T(℃)、DO(mg/L)散點(diǎn)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(cè)的DO不論量值還是時(shí)間變化均基本一致，通過圖8(b)也可以看出，實(shí)測(cè)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(duì)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(cè)期間溫度在5～15 ℃之間時(shí)，部分海水?dāng)M合溶解氧濃度與實(shí)測(cè)值偏離較大，實(shí)測(cè)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(shí)測(cè)溶解氧濃度的時(shí)間序列，本文發(fā)現(xiàn)擬合不佳的時(shí)間段對(duì)應(yīng)于2016年11月8日—2017年3月20日，說明這個(gè)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(dòng)海水混合，當(dāng)風(fēng)速超過8 m/s的強(qiáng)風(fēng)經(jīng)常發(fā)生時(shí)，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(huì)加強(qiáng)[18-19]。為了研究風(fēng)混合對(duì)DO的影響，本文定義一個(gè)參量：溶解氧濃度差(DOD)，是由實(shí)測(cè)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(shí)，說明實(shí)測(cè)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(shí)，實(shí)測(cè)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(shí)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(shí)間實(shí)測(cè)溶解氧濃度要遠(yuǎn)高于擬合溶解氧濃度，溶解氧濃度的補(bǔ)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(shí)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(jì)，溶解氧應(yīng)該是通過海氣相互作用進(jìn)行補(bǔ)充。通過對(duì)比該時(shí)間段內(nèi)的風(fēng)速發(fā)現(xiàn)，海表面風(fēng)速總體較強(qiáng)，大風(fēng)過程存在較多，經(jīng)計(jì)算這段時(shí)間之內(nèi)海表面平均風(fēng)速5.00 m/s，超過8 m/s的時(shí)間段超過10.00%，說明海表面風(fēng)較強(qiáng)，在水深較淺的大沽河口能夠引起強(qiáng)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(huì)造成海底溫度的下降，這也提高了氧的溶解度，會(huì)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(jì)算海表面平均風(fēng)速4.10 m/s，超過8 m/s的時(shí)間段僅為4.00%，說明海表面風(fēng)較弱，水體垂向混合不強(qiáng)，溶解氧濃度無法通過海水混合進(jìn)行補(bǔ)充，所以這段時(shí)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(shí)測(cè)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(shí)間步長(zhǎng)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(shì)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(duì)海水溶解氧的日變化和水位的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。圖10(b)為利用各個(gè)月份的水位異常時(shí)間序列計(jì)算得到的功率譜，可以看出各個(gè)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(dòng)，但是不強(qiáng)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(jìn)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(shí)測(cè)水位和回報(bào)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(gè)月都存在兩個(gè)大潮過程和兩個(gè)小潮過程，回報(bào)水位與實(shí)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(jìn)一步計(jì)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(shí)平均的海水溶解氧濃度時(shí)間序列計(jì)算得到的功率譜。通過圖10(a)可以看出，有2個(gè)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(duì)溶解氧濃度的確有影響，但是通過噪音信號(hào)以及功率譜值來看，這種半日周期的值不強(qiáng)，所以潮汐作用對(duì)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(diǎn)代表風(fēng)速小于8 m/s, 紅色點(diǎn)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(shí)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(shí)時(shí)在線觀測(cè)系統(tǒng)所獲數(shù)據(jù)，研究了底層海水溶解氧的時(shí)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(duì)海水溶解氧濃度的影響因素進(jìn)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(shí)間尺度變化特征，觀測(cè)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(duì)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(gè)時(shí)間段內(nèi)，浮游植物的生命活動(dòng)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(jìn)行光合作用，海水溶解氧濃度白天呈現(xiàn)出上升的趨勢(shì)。

(2)觀測(cè)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(cè)期間，溶解氧濃度的小時(shí)變化強(qiáng)度和日變化強(qiáng)度均于2016年11月份最強(qiáng)。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(shí)間尺度變化，亦于2016年11月份時(shí)最強(qiáng)，最高值約為1.94 mg/L，出現(xiàn)在2016年11月28日。觀測(cè)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(duì)較大，說明水體進(jìn)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(dá)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(duì)海水溶解氧濃度的貢獻(xiàn)率達(dá)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(huì)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(duì)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(yùn)動(dòng)，從而對(duì)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(cè)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(shì)仍然需要進(jìn)一步的觀測(cè)，研究表明夏季海水溶解氧濃度呈下降趨勢(shì)，加上徑流增大可能攜帶大量污染物，有可能會(huì)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。