呂雯瑾 孫 群 王思佳 李伯志

夏季黃東海硝酸鹽垂向擴(kuò)散通量的分析*

呂雯瑾1孫 群1①王思佳1李伯志2

(1. 天津科技大學(xué)海洋與環(huán)境學(xué)院 天津 300457; 2. 青島諾泰克測量設(shè)備有限公司 青島 266071)

湍流擴(kuò)散過程導(dǎo)致的硝酸鹽垂向輸運(yùn)對海水表層的浮游植物生長和初級生產(chǎn)力的大小有著重要影響。本文基于2018年夏季黃、東海水文環(huán)境、硝酸鹽濃度和湍動能耗散率的同步、原位數(shù)據(jù), 分析了海域溫度、鹽度和硝酸鹽的空間分布特征, 結(jié)果表明營養(yǎng)鹽含量豐富的黃海冷水團(tuán)、長江沖淡水、東海北部底層混合水與黑潮次表層水是影響研究海域硝酸鹽分布的主要水團(tuán)。利用垂向湍擴(kuò)散硝酸鹽通量公式, 計(jì)算了三個選定斷面上的硝酸鹽垂向擴(kuò)散通量, 其高值區(qū)與湍流擴(kuò)散系數(shù)的高值區(qū)的位置基本一致。針對存在明顯硝酸鹽躍層的站位, 計(jì)算得到跨硝酸鹽躍層的垂向通量ND的范圍在-9.78—36.60mmol/(m2·d)之間, 在黃海冷水團(tuán)區(qū), 夏季溫躍層限制了該區(qū)營養(yǎng)鹽向近表層的湍流垂向擴(kuò)散; 東海北部底層混合水區(qū), 湍流垂向擴(kuò)散向上層補(bǔ)充了大量硝酸鹽, 促進(jìn)了躍層之上浮游植物的生長; 黑潮次表層水影響海區(qū), 夏季中層水體混合較弱, 跨躍層的垂向通量也普遍偏低。開展硝酸鹽垂向擴(kuò)散通量的計(jì)算與分析, 對進(jìn)一步明確營養(yǎng)鹽的輸運(yùn)機(jī)制有著重要研究意義。

硝酸鹽; 湍流擴(kuò)散; 垂向擴(kuò)散通量; 新生產(chǎn)力; 黃東海

硝酸鹽是海洋中浮游植物可利用的主要氮形態(tài), 它的循環(huán)與補(bǔ)充對于初級生產(chǎn)有著重要作用。海洋中真光層內(nèi)的浮游植物大量消耗硝酸鹽, 而真光層之下, 分解作用產(chǎn)生的銨鹽被氧化, 底層硝酸鹽的濃度得以增加, 使硝酸鹽的垂向分布表現(xiàn)為底層高表層低(Tyrrell, 1999; 沈國英等, 2010)。夏季, 溫躍層限制了水體的垂向混合, 加劇了硝酸鹽表底之間的濃度差異。然而, 在初級生產(chǎn)力水平較高的海域, 湍流垂向擴(kuò)散導(dǎo)致的跨硝酸鹽躍層的輸運(yùn)對夏季浮游植物的大量增殖有著重要意義。

已有研究表明影響硝酸鹽垂向輸運(yùn)的物理過程, 包括對流混合、卷挾作用、上升流與湍流擴(kuò)散等(Williams, 2000; Martin, 2010), 其中湍流擴(kuò)散作為一種小尺度物理過程, 所帶來的硝酸鹽的垂向輸運(yùn)在夏季上層海洋的初級生產(chǎn)中扮演著不可或缺的角色, 在全球范圍內(nèi), 硝酸鹽垂向擴(kuò)散通量的量級在10-4—102mmol/(m2·d)之間(Bourgault, 2011; Kaneko, 2013)。海洋中動力環(huán)境的變化影響著通量量級的大小, 近岸的上升流區(qū)與鋒區(qū)伴隨著強(qiáng)湍耗散的發(fā)生、地形的變化會帶來非慣性內(nèi)波的破碎、潮流與風(fēng)增強(qiáng)了水體的混合程度, 這些受強(qiáng)動力過程影響的海域, 硝酸鹽垂向擴(kuò)散通量的量級明顯偏高于其他海域, 對初級生產(chǎn)力的貢獻(xiàn)率在10%—50%之間(Schafstall, 2010; Kaneko, 2013; Doubell, 2018; Tanaka, 2019)。

黃東海作為西北太平洋的邊緣海, 初級生產(chǎn)活躍(郝鏘, 2010), 硝酸鹽來源多樣(Zhang, 2006)。黃東海硝酸鹽的分布特征已有大量研究(Su, 1998;王保棟, 2003;葉然等, 2015), 總體表現(xiàn)為近岸高遠(yuǎn)岸低, 層化季節(jié)的遠(yuǎn)岸海域表層低底層高。黃海中部底層在層化作用下形成的冷水團(tuán)是黃海天然的“氮庫”(王保棟, 2000; 米鐵柱等, 2012); 營養(yǎng)鹽含量豐富的長江沖淡水與黑潮次表層水分別在表層和底層改變東海硝酸鹽的垂向分布(宋金明等, 2017; 許靈靜, 2019)。圍繞硝酸鹽垂向輸運(yùn), 已有研究發(fā)現(xiàn)在黃海中部, 夏季基于湍流卷挾的硝酸鹽的貫躍層輸運(yùn)為0.21mmol/(m2·d), 強(qiáng)躍層的限制使硝酸鹽的貫躍層輸運(yùn)量明顯低于春秋兩季(魏皓等, 2002); 在黃海冷水團(tuán)邊緣的鋒區(qū), 基于上升流的溶解無機(jī)氮垂向通量為(1.4±0.9)mmol/(m2·d), 對該海域浮游植物的生長起到重要支撐作用(Wei, 2016); 在東海陸架邊緣, 受強(qiáng)混合的影響, 黑潮鋒區(qū)夏季跨躍層的硝酸鹽垂向擴(kuò)散通量為0.45mmol/(m2·d), 約占該海域夏季初級生產(chǎn)所需氮營養(yǎng)鹽的10.80% (Liu, 2013)。

目前對典型海域硝酸鹽垂向擴(kuò)散通量的研究, 在研究方法上多基于TurboMAP、VMP或MSS所搭載的剪切探頭所測得的高頻湍流觀測數(shù)據(jù), 結(jié)合營養(yǎng)鹽自動分析儀對海水樣品進(jìn)行的硝酸鹽濃度低頻測定結(jié)果, 影響了通量計(jì)算結(jié)果的精確度。針對黃東海海域, 關(guān)于硝酸鹽垂向通量的研究對湍流過程關(guān)注較少, 且集中于黃海中部與東海邊緣海域等有限區(qū)域, 缺少對區(qū)域內(nèi)硝酸鹽垂向輸運(yùn)量的整體討論。本文利用垂向微尺度剖面儀(Vertical Microstructure Profilers, VMP-200)和水下紫外分光硝酸鹽分析儀(Submersible Ultraviolet Nitrate Analyzer, SUNA-V2)的湍動能耗散率與硝酸鹽濃度的同步、原位觀測數(shù)據(jù), 采用參數(shù)化方法計(jì)算了硝酸鹽垂向擴(kuò)散通量, 在此基礎(chǔ)上討論了黃東海的水文動力環(huán)境對通量變化的影響, 并對跨硝酸鹽躍層的垂向通量所帶來的新生產(chǎn)力進(jìn)行了估算, 為深入闡釋黃東海的營養(yǎng)鹽輸運(yùn)關(guān)鍵過程與浮游植物的生長規(guī)律提供了科學(xué)參考。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 研究海域

搭載航次為2018年6月25日至7月19日由東方紅2號執(zhí)行的夏季航次, 本航次完成了黃東海海域50個站位的基本水文要素、硝酸鹽濃度、湍動能耗散率的剖面觀測。為研究受黃海冷水團(tuán)、長江沖淡水、黑潮次表層水影響區(qū)域中垂向硝酸鹽通量的特征, 選擇了三條典型斷面, 分別是C、F、W斷面(圖1)。C斷面包括C1、C2、C3、C4站, 位于34°N, 從蘇北淺灘向黃海中部擴(kuò)展; F斷面沿31.5°N從長江口向東延伸至外海, 包括P1、F1、F2、F3、F4和F5站; W斷面包括W1、W2、W3、W4站, 從浙閩沿岸向東南至東海陸架100m水深處。

1.2 數(shù)據(jù)與處理

溫度、鹽度使用RBR maestro多參數(shù)剖面儀觀測, 配備傳感器可同步觀測調(diào)查站位的溫度、電導(dǎo)率、壓力、葉綠素等物理生物參數(shù), 其中溫度精度0.002°C, 電導(dǎo)率精度0.003mS/cm, 采樣頻率為6Hz。

圖1 研究海域的采樣站位(黑色圓點(diǎn))與斷面(紅色實(shí)線)位置圖

硝酸鹽濃度(N)數(shù)據(jù)采用SUNA-V2進(jìn)行觀測, 采樣頻率為1Hz, 精確度為±2μmol/L。航次開始前對SUNA-V2進(jìn)行了校準(zhǔn), 校準(zhǔn)方法為使用去離子純凈水作為待測溶液, 儀器預(yù)熱后測量校準(zhǔn)曲線, 校準(zhǔn)以測量去離子純凈水所得硝酸鹽量值在±2μmol/L范圍內(nèi)為準(zhǔn)。

對上述溫度、鹽度和N數(shù)據(jù)預(yù)處理, 剔除上4m層感溫階段數(shù)據(jù), 選取下行觀測值, 進(jìn)行逆壓訂正和去除尖峰, 并對數(shù)據(jù)做1m平均, 得到所有采樣站位上溫度、鹽度與N的垂向空間分辨率為1m的剖面數(shù)據(jù)。

在儀器觀測的同時, 每個站位使用船載采水器(Sea-Bird water sampler)按標(biāo)準(zhǔn)層采取水樣, 并在躍層處加密, 海水樣品采集后立即用Nalgene過濾器和0.2μm孔徑的聚碳酸酯膜現(xiàn)場過濾, 過濾后水樣立即裝入處理好的聚乙烯樣品瓶中, 并于-20°C冷凍保存。航次結(jié)束后, 在實(shí)驗(yàn)室中使用QuAAtro營養(yǎng)鹽自動分析儀采用連續(xù)流動分析方法對N進(jìn)行測定, 檢出限為0.05μmol/L, 測定誤差小于3%。該實(shí)驗(yàn)室測定的N與SUNA-V2觀測值進(jìn)行對比, 并對后者進(jìn)行校準(zhǔn)。通過對比分析(圖2), 兩者相關(guān)系數(shù)為0.96 (置信水平99.9%, 置信區(qū)間為0.95—0.97), 表明SUNA-V2的觀測結(jié)果與實(shí)驗(yàn)室測定結(jié)果吻合度高, 并利用回歸關(guān)系對所有SUNA-V2結(jié)果進(jìn)行了訂正。

圖2 硝酸鹽濃度(單位: μmol/L)的SUNA-V2數(shù)據(jù)與實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)的比較

根據(jù)Osborn(1980)的湍能量耗散法, 可通過觀測湍動能耗散率得到湍流擴(kuò)散系數(shù)K, 計(jì)算公式為:

其中, Γ=0.2為混合效率,2為浮力頻率,為湍動能耗散率。

湍動能耗散率由垂向微尺度剖面儀VMP-200觀測數(shù)據(jù)計(jì)算得到, 根據(jù)Taylor凍結(jié)定理將觀測的脈動流速轉(zhuǎn)化為垂向流速剪切, 通過局地標(biāo)準(zhǔn)差的方法去除流速剪切數(shù)據(jù)奇異值, 并對實(shí)測剪切譜與Nasmyth譜進(jìn)行迭代擬合確定積分區(qū)間, 通過積分剪切譜得到垂向分辨率為1m的剖面(Moum, 1995; Gregg, 1999)。為避免船只停泊產(chǎn)生湍流對數(shù)據(jù)的影響, 剔除上10m層內(nèi)的數(shù)據(jù)。浮力頻率2可由觀測的溫、鹽數(shù)據(jù)計(jì)算密度分布, 進(jìn)而計(jì)算得到。

1.3 計(jì)算方法

根據(jù)Martin等(2010), 硝酸鹽垂向擴(kuò)散通量N的計(jì)算公式為:

根據(jù)硝酸鹽垂向分布及其梯度分布, 本文定義硝酸鹽躍層為硝酸鹽濃度梯度超過0.3mmol/m4的水層(Hales, 2009)?？缦跛猁}躍層的垂向擴(kuò)散通量ND可表示為:

其中,N1和N2分別硝酸鹽躍層上、下界處的硝酸鹽濃度,1和2分別為硝酸鹽躍層上、下界所在的深度。

為了避免高頻采樣導(dǎo)致的躍層上下邊界處數(shù)據(jù)劇烈變化引起的計(jì)算誤差, 上、下界的N取值采用躍層上界之上及下界之下厚度為5m水層中的N平均值代替邊界值(Randelhoff, 2016)。

對于ND的計(jì)算結(jié)果, 根據(jù)Redfield比值(C︰N=106︰16)將該部分以氮計(jì)的跨硝酸鹽躍層通量轉(zhuǎn)化為以碳計(jì)的新生產(chǎn)力, 在估算該部分新生產(chǎn)力的過程中, 部分海域表層的N極低, 因此假設(shè)跨躍層的正向硝酸鹽供應(yīng)被上層的浮游植物瞬間消耗殆盡。

2 結(jié)果與討論

2.1 黃東海溫度、鹽度和硝酸鹽的分布特征

2.1.1 水平分布 黃、東海夏季近表層(4m層)和底層觀測的海水溫度、鹽度和硝酸鹽的水平分布結(jié)果如圖3所示。

夏季, 近表層和底層溫度都呈現(xiàn)南高北低的分布。近表層, 海水溫度范圍在20—28°C之間, 南北溫差為8°C。黃海西南部溫度偏低, 且在蘇北淺灘外側(cè)C2站附近存在一閉合的冷水中心。受到向北發(fā)展的臺灣暖流影響, 長江口外以南的東海近表層海水溫度均高于26°C (圖3a)。

底層溫度范圍在8—26°C之間, 南北溫差高達(dá)18°C (圖3d)。黃海中部水溫低于10°C, 為典型的黃海冷水團(tuán)區(qū), 而蘇北淺灘為水溫高于20°C的高溫水區(qū)。沿蘇北淺灘外側(cè)向黃海中部的過渡海域, 等溫線密集, 溫度梯度大, 以C2站為中心, 利用其周圍相鄰四個站位的溫度觀測數(shù)據(jù), 得到C2站位跨等溫線方向的溫度梯度為0.10°C/km, 可知以C2為中心, 蘇北淺灘外側(cè)沿西北-東南向密集分布的等溫線區(qū)存在潮汐鋒(周鋒等, 2008; 程雪麗等, 2017)。東海中部陸架, 海水溫度在20—24°C之間, 東北部為溫度低于16°C的冷水區(qū)。近閩浙沿岸海域, 底層海水溫度高于22°C, 應(yīng)為淺水區(qū)的閩浙沿岸水。由該海區(qū)向外陸架方向, 出現(xiàn)一低溫水區(qū), 溫度低于20°C, 且該低溫水向北發(fā)展到長江口外(P2站位處)。根據(jù)底層鹽度分布(圖3e), 該海區(qū)鹽度高于34, 這主要是由于黑潮次表層水從底層向東海陸架入侵, 在該海區(qū)形成的低溫高鹽水。

圖3 黃、東海上表層(4m)和底層的溫度(°C)、鹽度和硝酸鹽濃度(μmol/L)的水平分布

受陸源徑流與外海水影響, 表層和底層的鹽度分布特征不同。近表層(4m層)鹽度明顯分為三個區(qū)(圖3b), 一是南黃海中西部鹽度偏低海域, 約為31—32; 二是長江口外海及東北方向低鹽的長江沖淡水, 中心鹽度低于26, 且沖淡水邊緣存在強(qiáng)鹽度鋒; 三是東海中陸架鹽度較高的臺灣暖流水和外海黑潮表層水, 絕大部分海域鹽度高于33。底層鹽度則以J斷面為分界線, 分成南北兩部分(圖3b), 北部是南黃海的低鹽水, 鹽度約為32, 南部為長江口外海以南的高鹽水, 鹽度均高于33。

硝酸鹽的水平分布與黃、東海的水團(tuán)分布較為一致。在近表層,N分布仍可分為三個區(qū)(圖3c)。由于夏季浮游植物對硝酸鹽大量消耗和寡營養(yǎng)鹽的外海表層水的影響, 黃海和東海大部分海域近表層的N較低, 普遍低于2μmol/L。受長江沖淡水的影響, 在長江口東北方向存在超過8μmol/L的N高值區(qū)。

底層的N分布較復(fù)雜。在黃海,N明顯分為近岸低值區(qū)和黃海冷水團(tuán)海域的高值區(qū)(高于5μmol/L) (圖3f)。冬季混合均勻狀態(tài)的冷水在黃海海槽中的滯留以及表層浮游植物死亡沉降后的分解是夏季黃海冷水團(tuán)區(qū)域N偏高的主要原因(王保棟, 1999; 孫湘平, 2008)。蘇北淺灘(D3站位)和東海外陸架(F6站位)存在兩處N高值區(qū), 中心濃度均超過11μmol/L, 而在兩海區(qū)中間的東海陸架上有一閉合的N低值區(qū), 中心值低于5μmol/L, 位于P4站位。該低值中心以南海域N增高, 尤其在近岸側(cè),N達(dá)到11μmol/L。富營養(yǎng)鹽的黑潮次表層水入侵是夏季東海陸架這一海區(qū)重要的硝酸鹽來源(Chen, 1999; Wang, 2016; 左九龍, 2018)。

2.1.2 垂向分布 對溫度、鹽度、硝酸鹽水平分布的分析結(jié)果表明, 在2018年夏季航次調(diào)查期間, 從北向南不同海區(qū)的水文特點(diǎn)各不相同, 存在的主要水團(tuán)為占據(jù)黃海中部底層的黃海冷水團(tuán)、在近上表層從長江口外側(cè)向東北方向擴(kuò)展的長江沖淡水以及影響東海陸架底層的黑潮次表層水?？紤]黃、東海海域不同水團(tuán)對于硝酸鹽分布的影響以及觀測資料的完整性, 本文選取了跨蘇北沿岸水與黃海冷水團(tuán)的34°N的C斷面、沿31.5°N從長江口外側(cè)向東延伸至外海的F斷面、從閩浙沿岸向東南至東海陸架100m水深處的W斷面, 分析并討論了沿三個斷面的溫度、鹽度、硝酸鹽的垂向分布特征。

在C斷面上(圖4a, 4d, 4g), 122°E以西的近岸, 20—22°C等溫線與32等鹽線呈縱向分布, 且溫度、鹽度與N表底值差異較小, 這主要是由于潮致混合使得海水垂向混合均勻所引起。122°—122.5°E之間, 是近岸混合均勻區(qū)與遠(yuǎn)岸層化區(qū)之間的過渡海域, 即潮汐鋒鋒區(qū)(周鋒等, 2008)。在C2站位, 底層海水明顯上涌, 等溫線上凸, 存在明顯的鋒區(qū)冷水上翻的現(xiàn)象, 于海底陸坡處形成一上升流, 在上表層形成一冷水中心, 海水溫度較周圍低2°C。122.5°E以東的黃海中部, 深度在10—20m之間的等溫線密集, 層化明顯, 存在顯著的溫躍層, 其強(qiáng)度為0.52°C/m。30m以深為水溫小于10°C的黃海冷水團(tuán), 冷水團(tuán)區(qū)的鹽度較高, 約為33;N較高, 均高于5μmol/L, 底層的N高值區(qū)與上表層低于1μmol/L的低值區(qū)在深度30—40m之間存在較大的濃度梯度。

圖4 C、F、W斷面上溫度(°C)、鹽度和硝酸鹽濃度(μmol/L)的垂向分布

F斷面受長江沖淡水和黑潮次表層水的共同影響, 其溫、鹽和N垂向分布大體可分為三個區(qū)域(如圖4b, 4e, 4f)。近岸區(qū)(F1站位以西), 近表層溫度較高, 躍層位于10m水深, 躍層之下混合較強(qiáng), 溫度均勻分布。但該區(qū)上層受長江沖淡水的影響, 鹽度小于30, P1站位處N最高達(dá)到27μmol/L; 下層為由黑潮次表層水沿海底低谷帶來的高鹽水(圖4e), 且在F1站位34等鹽度線向上明顯隆起, 形成上升流, 將20m深度處的高鹽水向上輸運(yùn)至5m深度處, 且由于上表層低鹽長江沖淡水的存在, 在該區(qū)形成較強(qiáng)的鹽度鋒。同時, 高鹽水與沖淡水的混合所生成的羽狀鋒和上升流, 有效地阻擋了沖淡水向東擴(kuò)展(朱建榮等, 2003)。

向東為外海過渡區(qū)域(F2站位至F4站位), 近表層溫度高于26°C, 溫躍層深度較近岸區(qū)要深, 約20m; 鹽度仍較低, 應(yīng)是沖淡水與黑潮表層水的混合水;N非常低, 小于3μmol/L。此外, 20m以深的等溫線和等鹽線垂向呈均勻分布, 導(dǎo)致躍層強(qiáng)度不大。最外側(cè)海域(F5站位), 最顯著的特點(diǎn)是底層存在一冷水區(qū), 15—25m層等溫線密集, 溫躍層強(qiáng)度最高達(dá)到0.8°C/m, 同時, 底層冷水區(qū)也是大于9μmol/L的N的高值區(qū)(圖4h), 與上表層低值區(qū)之間硝酸鹽濃度梯度大于0.3mmol/m4。蘇育嵩等(1989)指出該低溫中鹽高營養(yǎng)鹽底層水是冬季黃海沿岸水沿蘇北淺灘南下向東海輸送的低溫水與外海高鹽水混合變性所形成的, 冬季的黃海沿岸水離岸東移后, 春夏季在東海北部中部海區(qū)的底層依然保持低溫的性質(zhì)。該水團(tuán)溫度在9—12°C之間, 鹽度在32—34之間。此處, 我們稱其為東海北部底層混合水(郭東杰等, 2019)。

在W斷面上(圖4c, 4f, 4i), 近岸的W1站, 鹽度較低, 只有31,N高于7μmol/L, 夏季近岸低鹽度高營養(yǎng)鹽的特征可能與椒江的徑流輸入或沖淡水貼岸南下的分流有關(guān)(王保棟等, 2002)。在W2站及以東, 50m以淺水體, 溫度在26—29°C之間, 鹽度均大于34,N低于1μmol/L, 這種分布特征與高溫高鹽低營養(yǎng)鹽的黑潮表層水相一致。在底層, 溫度低于20°C、鹽度大于34.5, 這是黑潮次表層水的典型特征(Zhang, 2007)。60m以深存在大于7μmol/L的N高值區(qū), 與淺層低N之間, 存在大于0.3mmol/m4的硝酸鹽濃度梯度。

2.2 湍擴(kuò)散系數(shù)與硝酸鹽垂向擴(kuò)散通量

2.2.1 湍擴(kuò)散系數(shù)的分布特點(diǎn) 根據(jù)公式(1)計(jì)算得到黃、東海各觀測站位的湍擴(kuò)散系數(shù)K, 其變化范圍在10-7—10-2m2/s之間。受潮致混合影響, 蘇北淺灘近岸區(qū)湍流混合強(qiáng)烈,K大于3.16×10-6m2/s, 黃海冷水團(tuán)區(qū), 躍層之下的水體狀態(tài)穩(wěn)定,K偏低。在長江口外, 近河口位置的K表層低底層較高, 長江沖淡水邊緣受羽狀鋒的影響, 存在表層強(qiáng)混合區(qū),K大于3.16×10-4m2/s。

圖5給出三個斷面上湍流耗散率、浮力頻率2和湍擴(kuò)散系數(shù)K的分布。在C斷面上, 由近岸向遠(yuǎn)岸依次為垂向混合均勻的蘇北沿岸水區(qū)和層化顯著的黃海冷水團(tuán)區(qū),2的分布反映了這種分布特征, 近岸2偏小, 層化較弱; 黃海冷水團(tuán)上表層(約20m以淺)處較大, 大于10-3/s2, 較前者大了一個量級, 層化顯著(圖5d)。夏季該海域上層海水顯著增溫, 海水密度減小, 浮力頻率向上增加, 減弱了湍流垂向混合, 與下層冷水之間形成較強(qiáng)的密度躍層(王俊杰, 2018)。的高值區(qū)位于近岸、C2站底層及C2—C4站之間20m深度處的密躍層下緣(圖5a)。淺水區(qū)在潮致混合作用下,大于10-7W/kg; 由于底摩擦效應(yīng), 底邊界層中的大于10-8W/kg; 而密躍層下緣20m深度出現(xiàn)大于10-7W/kg的分布, 應(yīng)與此處斜壓流剪切效應(yīng)有關(guān)。K分布與基本一致(圖5g), 20m處K大于10-4m2/s的高值區(qū)受密度層化的限制, 表現(xiàn)為較薄的一層。

在F斷面上, 近岸區(qū)12m以淺2大于0.32×10-2/s2, 沖淡水帶來強(qiáng)密度層化; 在遠(yuǎn)岸的F4、F5站,2大于10-3/s2的強(qiáng)層化區(qū)位于10—23m之間, 水體分層主要受混合水的影響; 在過渡區(qū)域的F2、F3站, 強(qiáng)層化區(qū)位于20m水深以淺, 20m以深2小于10-4/s2, 混合均勻(圖5e)。從的垂向分布來看(圖5b), F2、F3站淺層, 受潮汐鋒的影響大于10-6W/kg; 在底層,大于10-7W/kg的高值受底摩擦的影響; 遠(yuǎn)岸的F5站,在22—28m的密躍層下緣大于10-6W/kg。K的高值區(qū)與ε的高值區(qū)基本一致(圖5h), 過渡區(qū)域的F2、F3站, 20m以深層化弱混合強(qiáng),K大于10-4m2/s; 在遠(yuǎn)岸的F5站, 密躍層下緣2小于10-3/s2, 層化偏弱,K大于10-4m2/s, 混合較強(qiáng)。

W斷面上, W2站以東受黑潮的影響, 60m層之上為寡營養(yǎng)鹽高鹽的黑潮表層水、60m層之下主要為富營養(yǎng)鹽高鹽的黑潮次表層水。W1站的7—17m有2大于0.32×10-2/s2的強(qiáng)密度層化; W2站以東, 水體兩次分層, 上密躍層位于10—35m之間,2大于10-4/s2, 主要受熱量衰減與風(fēng)混合的共同作用; 下密躍層位于55—85m之間,2大于3.16×10-4m2/s, 主要是黑潮次表層水入侵所導(dǎo)致(圖5f)。在的垂向分布中(圖5c), 中層水體狀態(tài)穩(wěn)定,普遍低于10-8W/kg,的高值區(qū)位于表層、近岸和底層, 最高達(dá)到10-6W/kg。圖5i中K的垂向分布表明, 高值區(qū)位于近岸、表層與底層, W2站底層的K大于10-3m2/s。

圖5 C、F、W斷面上湍動能耗散率log10ε (單位: W/kg)(上)、浮力頻率log10N2 (單位: /s2)(中)和湍流擴(kuò)散系數(shù)log10Kρ (單位: m2/s)(下)的分布

2.2.2 硝酸鹽垂向擴(kuò)散通量 由公式(2)計(jì)算得到C、F、W斷面上硝酸鹽垂向擴(kuò)散通量N, 結(jié)果如圖6。

在C斷面上,N的高值區(qū)主要位于近岸淺水區(qū), 近岸的水體混合程度較強(qiáng), 硝酸鹽的垂向輸運(yùn)量也偏高, C1站13—17m層與C2站的17—20m層N大于1mmol/(m2·d)。N的高值區(qū)與K的高值區(qū)基本一致, 且與所在海域的強(qiáng)混合有關(guān)。

F斷面上水體的垂向交換最為活躍。近岸受沖淡水的影響, 硝酸鹽輸運(yùn)方向向下。在潮汐鋒影響下的F2站淺層,N大于5mmol/(m2·d)的高值與K的高值相一致; F3站淺層同樣存在強(qiáng)K, 但淺層硝酸鹽濃度梯度極小,N大于5mmol/(m2·d)的高值位于20—30m之間。遠(yuǎn)岸的F4與F5站, 在強(qiáng)湍擴(kuò)散與較大硝酸鹽濃度梯度的共同影響下, F4站38m層N大于10mmol/(m2·d)、F5站22—28m層N大于5mmol/(m2·d)。

在W斷面上, 近岸的15m淺層, 受沿岸沖淡水輸入的影響,N最大值為–5mmol/(m2·d); 近岸外的陸架表層和中層水體,N在-1—1mmol/(m2·d)之間, 硝酸鹽的垂向交換極弱;N高值區(qū)主要位于W2站60—75m的深層, 沿陸坡可以高達(dá)15mmol/(m2·d), 受黑潮次表層水的影響, 這一高值區(qū)的主要受底層K大于10-4m2/s的強(qiáng)混合的影響。

圖6 C、F、W斷面的硝酸鹽垂向擴(kuò)散通量FN[mmol/(m2·d)] (等值線為基于插值結(jié)果的FN)

硝酸鹽垂向擴(kuò)散通量N的大小受湍擴(kuò)散系數(shù)K與硝酸鹽濃度梯度的共同影響, 在圖6中,N的高值區(qū)與K的高值區(qū)基本一致, 這說明夏季黃東海海域, 相較于硝酸鹽濃度梯度的大小, 湍流混合的強(qiáng)度對N量級的影響更大。

2.3 跨硝酸鹽躍層的垂向擴(kuò)散通量分布及其帶來的新生產(chǎn)力估算

2.3.1 跨硝酸鹽躍層的垂向擴(kuò)散通量分布 在夏季航次的50個采樣站位中, 黃海沿岸、蘇北淺灘與閩浙沿岸的部分站位(如圖7灰點(diǎn)所示), 由于水深較淺, 潮致湍流混合較強(qiáng),N垂向混合均勻, 根據(jù)硝酸鹽躍層定義未出現(xiàn)硝酸鹽躍層。存在硝酸鹽躍層的觀測站位有35個, 由公式(3)分別計(jì)算了硝酸鹽躍層處的濃度梯度, 湍擴(kuò)散系數(shù)K的平均值與跨硝酸鹽躍層的垂向硝酸鹽通量ND。

跨硝酸鹽躍層的硝酸鹽濃度梯度在長江口附近受沖淡水影響以負(fù)值為主, 在沿沖淡水?dāng)U展方向的D2站, 濃度梯度較高, 達(dá)到-3.07mmol/m4, 存在向下的硝酸鹽交換, 表底之間的N差異極大(圖7a)。在黃海, B2站采樣期間受臺風(fēng)擾動的影響,N分布為表層略高于底層, 濃度梯度亦為負(fù)值; 黃海中部冷水區(qū)的硝酸鹽濃度梯度在0.79—1.24mmol/m4之間, B4、C3站偏高。在東海陸架, 硝酸鹽濃度梯度在0.4—0.8mmol/m4之間, 高值站位位于北部的F2、F4站與外海的E5、F7站。

整體上, 調(diào)查海域的ND在-9.78— 36.60mmol/(m2·d) (圖7c), 其大小與躍層處平均湍擴(kuò)散系數(shù)的強(qiáng)弱(圖7b)密切相關(guān)。長江口附近的D2、D3、P1站與蘇北淺灘外側(cè)的B2站, 跨躍層硝酸鹽輸運(yùn)方向向下, 在D2站受較大硝酸鹽濃度梯度與強(qiáng)湍流混合的共同影響, 通量高達(dá)-9.78mmol/(m2·d)。高于3.16×10-5m2/s2的K高值區(qū)主要位于東海北部, 在F2站受鋒面的作用, 躍層所在淺層擴(kuò)散偏強(qiáng), 為2.69×10-4m2/s2,ND高達(dá)20.26mmol/(m2·d); 在東海的W2站, 黑潮次表層水與黑潮表層水的交界在50—66m之間存在硝酸鹽躍層, 躍層所在位置受底摩擦的影響, 平均湍擴(kuò)散系數(shù)高達(dá)1.02×10-3m2/s2, 所帶來的ND為36.60mmol/(m2·d); 此外, 黃海中部A4站, 躍層處平均湍擴(kuò)散系數(shù)也偏高, 為3.63×10-5m2/s2,ND為4.02mmol/(m2·d)。

2.3.2 不同水團(tuán)處ND及其所帶來的新生產(chǎn)力 同一水團(tuán)具有相對均勻的理化特征, 溫度、鹽度與硝酸鹽濃度的分布也表現(xiàn)出相對的一致性。夏季, 影響黃東海海域硝酸鹽分布的主要水團(tuán)包括黃海冷水團(tuán)、長江沖淡水、東海北部底層混合水與黑潮次表層水。本文選取各水團(tuán)覆蓋的觀測站位, 對四個主要水團(tuán)處硝酸鹽躍層范圍及厚度,ND及由湍流擴(kuò)散產(chǎn)生的跨硝酸鹽躍層通量對上層海洋新生產(chǎn)力變化的估算, 結(jié)果如表1所示。

圖7 黃東?？缦跛猁}躍層的硝酸鹽濃度梯度(a, 單位: mmol/m4)、平均湍流擴(kuò)散系數(shù)(b, 單位: m2/s)與跨硝酸鹽躍層的垂向擴(kuò)散通量FND [c, 單位: mmol/(m2·d)]分布

注: 黃海和東海陸架取跨硝酸鹽躍層, 長江口取10m層至硝酸鹽躍層底部, 灰色三角形代表站位躍層所在位置缺少VMP數(shù)據(jù)

表1 四個主要水團(tuán)的ND及其帶來的新生產(chǎn)力

由表1可知, 東海北部底層混合水區(qū),ND為4.12mmol/(m2·d), 湍流擴(kuò)散所帶來的硝酸鹽跨躍層輸運(yùn)量明顯高于黃海冷水團(tuán)與黑潮次表層水區(qū)。在黑潮次表層水影響的區(qū)域,ND的標(biāo)準(zhǔn)差高達(dá)±9.08, 高低值之間相差3個量級, 在圖7c中, 黑潮次表層水影響區(qū)域的計(jì)算結(jié)果表明, 大部分站位的ND在0—0.5mmol/(m2·d)之間, 僅在E1、W2、P3站存在大于0.5mmol/(m2·d)的高值。高值區(qū)出現(xiàn)的原因與硝酸鹽躍層的位置有關(guān), 在近岸的E1站, 躍層位于4—19m之間, 受到表層風(fēng)強(qiáng)迫的影響湍流偏強(qiáng),ND偏高; 而在W2與P3站, 躍層位置明顯偏深, 在底摩擦的作用下ND也較高。在該海域的其他站位, 硝酸鹽躍層所在的陸架中部水體, 湍流混合極弱,ND表現(xiàn)為低于0.5mmol/(m2·d)?？紤]到黑潮次表層水影響海域標(biāo)準(zhǔn)差過大, 基于所有站位的平均值明顯偏高, 跨硝酸鹽躍層垂向通量總體偏小。

圖8比較了不同水團(tuán)處的硝酸鹽躍層所在位置, 密度層化的強(qiáng)弱, 垂向水體K的大小, 以及葉綠素濃度水平。硝酸鹽躍層所在的中層水體, 東海北部底層混合水NECSBMW的K明顯大于黃海冷水團(tuán)與黑潮次表層水,ND的平均值也高達(dá)4.12mmol/(m2·d), 該海域湍流擴(kuò)散導(dǎo)致的跨硝酸鹽躍層的垂向輸運(yùn)為上層海洋補(bǔ)充了大量營養(yǎng)鹽, 葉綠素的次表層高值區(qū)(Secondary ChlMaximum, SCM)出現(xiàn)在硝酸鹽躍層上部的17—35m水深之間, 對應(yīng)硝酸鹽躍層的上部, 平均葉綠素濃度的高值大于3mg/m3。在東海北部底層混合水區(qū), 湍流擴(kuò)散所帶來的硝酸鹽跨躍層輸運(yùn)對于躍層之上浮游植物的生長十分重要。

黃海冷水團(tuán)區(qū)YSCWM與黑潮次表層水區(qū)KSSW,K的高值區(qū)均位于10m附近的淺層、和受底摩擦影響的深層。在黃海冷水團(tuán)區(qū),K的高值區(qū)與硝酸鹽躍層位置不重合, 因此平均ND偏低, SCM位于密躍層與硝酸鹽躍層之間, 平均葉綠素濃度的高值約為2mg/m3。在黑潮次表層水區(qū), 中層水體的2整體較高, 層化偏強(qiáng), 混合極弱,K普遍小于10-5m2/s。硝酸鹽躍層的位置差別較大, 躍層淺的E1站與躍層較深的W2站、P3站對應(yīng)表底的強(qiáng)混合區(qū),ND也較高, 其余站位的ND普遍偏低, 平均葉綠素濃度的高值為1.5mg/m3。

3 結(jié)論

本研究基于2018年夏季黃、東海現(xiàn)場調(diào)查數(shù)據(jù), 討論了黃、東海海域溫度、鹽度、硝酸鹽的水平分布和垂向分布特征, 發(fā)現(xiàn)營養(yǎng)鹽含量豐富的黃海冷水團(tuán)、長江沖淡水、東海北部底層混合水與黑潮次表層水是影響黃、東海硝酸鹽分布的主要水團(tuán)。計(jì)算了研究海域中C、F、W斷面上硝酸鹽垂向擴(kuò)散通量N,N的高值區(qū)與湍流擴(kuò)散系數(shù)的高值區(qū)的位置基本一致, 湍流的強(qiáng)度是垂向硝酸鹽通量量級的主要影響因素。

基于湍流擴(kuò)散, 跨硝酸鹽躍層的垂向擴(kuò)散通量ND的范圍在-9.78—36.60mmol/(m2·d)之間。針對研究海域主要水團(tuán), 選擇各水團(tuán)內(nèi)理化特征相對均一的位置, 計(jì)算了跨硝酸鹽躍層的平均硝酸鹽垂向擴(kuò)散通量ND。夏季長江口向下的輸運(yùn)量平均為-1.95mmol/(m2·d); 在黃海冷水團(tuán)區(qū)域, 平均ND為0.75mmol/(m2·d), 所帶來的新生產(chǎn)力估算為59.63mg C/(m2·d); 在東海北部底層混合水區(qū), 平均ND為4.12mmol/(m2·d), 所帶來的新生產(chǎn)力估算為327.54mg C/(m2·d), 湍流擴(kuò)散帶來的硝酸鹽跨躍層輸運(yùn)促進(jìn)了躍層之上浮游植物的生長; 在黑潮次表層水區(qū), 水深的變化范圍大, 硝酸鹽躍層的范圍在4—76m之間, 受表層風(fēng)強(qiáng)迫和底層底摩擦的影響混合較強(qiáng)的E1站、W2站與P3站,ND明顯偏高, 而在黑潮次表層水區(qū)的其他站位, 躍層所在的中層水體混合偏弱,ND整體偏小在0—0.5mmol/(m2·d)之間。

致謝 中國海洋大學(xué)的辛宇教授、鐘曉松同學(xué)提供了硝酸鹽濃度的實(shí)驗(yàn)室測定數(shù)據(jù)作為SUNA-V2的對比資料, “東方紅2號”調(diào)查船全體人員為調(diào)查工作提供了大量幫助和支持, 謹(jǐn)致謝忱。

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SUMMER VERTICAL TURBULENT NITRATE FLUX IN THE YELLOW SEA AND THE EAST CHINA SEA

LYU Wen-Jin1, SUN Qun1, WANG Si-Jia1, LI Bo-Zhi2

(1. College of Marine and Environmental Sciences, Tianjin University of Science and Technology, Tianjin 300457, China; 2. Qingdao NORTEK measuring equipment co. LTD, Qingdao 266071, China)

Nitrate vertical transport caused by turbulent diffusion has an important effect on phytoplankton growth and primary productivity of the upper ocean. Based on the synchronously in-situ observation dada of hydrologic feature, nitrate concentration, and the turbulent dissipation rate in summer 2018 in the Yellow Sea (YS) and the East China Sea (ECS), the distributions of temperature, salinity, and nitrate concentration were analyzed. Results show that the main water masses affecting the distribution were eutrophic Yellow Sea Cold Water Mass (YSCWM), the Changjiang Diluted Water (CDW), the Northern East China Sea Bottom Mixed Water (NECSBMW) and the Kuroshio Sub-Surface Water (KSSW). The vertical nitrate fluxes in three selected sections were calculated by using the vertical turbulent diffusion formula; the positions of large fluxes were consistent largely with the large turbulence diffusivity. In the presence of nitracline, the vertical turbulent nitrate flux (ND) across the nitraclineranged from-9.78 to 36.60mmol/(m2·d). In the area influenced by YSCWM, the summer thermocline restricted the vertical turbulent diffusion of nutrients to the surface layer. In the NECSBMW area, the vertical turbulent diffusion supplied a large amount of nitrate to the upper layer and promoted the growth of phytoplankton. In the KSSW area, the mixing of middle-layer water was weak, and theNDwas low. The calculation and analysis of the summer vertical turbulent nitrate flux is of great significance to further clarify the transport mechanism of nutrients.

nitrate; turbulence diffusivity; vertical turbulent nitrate flux; new production; the Yellow Sea and the East China Sea

* 國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目, 2016YFA0601301號; 國家自然科學(xué)基金, 41876018號; 天津市自然科學(xué)基金, 19JCZDJC40600號。呂雯瑾, 碩士研究生, E-mail: lvwenjin@foxmail.com

孫 群, 副研究員, E-mail: sunqun@tust.edu.cn

2020-01-23,

2020-06-11

P731.1

10.11693/hyhz20200100033