李志成 魏 皓 張海彥 趙化德 鄭 楠 宋貴生

渤海夏季底層氧虧損分布的年際差異分析*

李志成1魏 皓1張海彥1①趙化德2鄭 楠2宋貴生1

(1. 天津大學(xué)海洋科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 天津 300072; 2. 國(guó)家海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)中心 大連 116023)

通過2014年和2019年觀測(cè)資料分析了渤海夏季底層水體氧虧損空間分布的年際差異, 同時(shí)首次揭示了黃河口東側(cè)萊州灣口區(qū)域的氧虧損現(xiàn)象, 并利用三維物理生態(tài)耦合模式ROMS-CoSiNE探究了氧虧損分布年際差異的影響因素。2014年秦皇島外氧虧損區(qū)(以溶解氧(dissolved oxygen, DO)飽和度小于70%為統(tǒng)計(jì)范圍)主要向東擴(kuò)展, 而2019年則向東南向擴(kuò)展; 2014年黃河口外氧虧損區(qū)主要位于淺灘西南側(cè)的深水洼地, 而2019年則從淺灘西側(cè)洼地延伸至黃河口外及萊州灣口區(qū)域。通過估算躍層存在期間底層水體的氧收支, 得到垂向擴(kuò)散和生物耗氧分別是底層DO濃度變化的主要源和匯。2014年和2019年秦皇島外氧虧損空間分布的年際差異, 與垂向擴(kuò)散的差異有關(guān), 垂向擴(kuò)散較弱的區(qū)域DO降低速率及降低量較大, 氧虧損較強(qiáng)。2019年萊州灣口區(qū)域氧虧損與垂向擴(kuò)散及躍層持續(xù)時(shí)間有關(guān), 較強(qiáng)的黃河徑流與南風(fēng), 有利于沖淡水的擴(kuò)散, 使得萊州灣口區(qū)域的躍層強(qiáng)度較大, 垂向擴(kuò)散較弱, DO降低速率較大, 躍層持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng), 氧虧損強(qiáng)于2014年。此外, 2014年秦皇島外區(qū)域和黃河口外洼地區(qū)域DO較低也主要是由2014年躍層持續(xù)較長(zhǎng)導(dǎo)致, 表明躍層持續(xù)時(shí)間是影響氧虧損年際差異的重要因素。本文中氧虧損年際差異的分析結(jié)果, 可為將來(lái)渤海底層DO季節(jié)預(yù)測(cè)提供參考, 具有一定的指導(dǎo)意義。

氧虧損; 年際差異; 躍層持續(xù)時(shí)間; 黃河徑流; 渤海

海水中的溶解氧(dissolved oxygen, DO)是表征水體理化指標(biāo)的重要參數(shù)及水環(huán)境健康的重要指標(biāo)。低DO環(huán)境可引起生物窒息及死亡、改變生物多樣性, 對(duì)海洋漁業(yè)有不利影響; 改變海水中氮元素的循環(huán)過程, 加重全球變暖 (Naqvi, 2001; Bishop, 2006; Vaquer-Sunyer, 2008)。目前, 海洋脫氧加重, 低氧(DO<62.5 μmol/L)已成為全球范圍內(nèi)的環(huán)境問題, 在世界上許多河口以及沿岸海域存在(Breitburg, 2018), 如墨西哥灣(Turner, 2005)、波羅的海(Meier, 2011)和長(zhǎng)島灣(Welsh, 1991)等。在我國(guó)近海, 長(zhǎng)江口外海低氧(Chen, 2007; Wang, 2009)和珠江口低氧(Yin, 2004; Zhang, 2010)也受到廣泛關(guān)注。近年來(lái), 自翟惟東等(2012)首次報(bào)道渤海夏季底層存在DO濃度小于4 mg/L(125 μmol/L)的水體之后, 渤海的氧虧損現(xiàn)象開始得到廣泛關(guān)注(江濤等, 2016; 張華等, 2016; Zhao, 2017; Wei, 2019; Zhai, 2019; Song, 2020)。渤海作為我國(guó)的半封閉淺海(圖1), 是重要的漁業(yè)場(chǎng)所(李顯森等, 2008)。因此, 理解和認(rèn)識(shí)氧虧損的分布及影響因素對(duì)渤海漁業(yè)管理、環(huán)境保護(hù)、海洋牧場(chǎng)建設(shè)、環(huán)境監(jiān)測(cè)有重要意義。

根據(jù)以往研究, 渤海夏季氧虧損主要發(fā)生在中部淺灘西北部和西南部的洼地區(qū)域, 最低濃度可至66 μmol/L, 接近低氧水平(Zhai, 2019)。雖然不同年份的DO濃度存在差異, 但總體上存在兩個(gè)氧虧損熱點(diǎn)區(qū), 分別為淺灘西北側(cè)的深水區(qū)(秦皇島外海域), 以及淺灘西南側(cè)的深水區(qū)(黃河口外海域) (Zhao, 2017; Wei, 2019; Zhai, 2019)。最近, 本文通過2019年渤海夏季觀測(cè)資料發(fā)現(xiàn), 臨近黃河口及萊州灣口區(qū)域存在小于125 μmol/L的低DO水體。而這種現(xiàn)象尚未在以往年份(2006、2011、2012、2014、2015年)中觀測(cè)到(張華等, 2016; Wei, 2019; Zhai, 2019), 這表明渤海氧虧損的空間分布存在顯著的年際差異。

氧虧損空間分布的年際差異, 在多個(gè)近海低氧區(qū)普遍存在。在長(zhǎng)江口附近, 低氧區(qū)范圍會(huì)受到長(zhǎng)江沖淡水、黑潮次表層水的擴(kuò)展路徑的影響(Luo, 2017)。周鋒等(2009a)利用數(shù)值模式實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)風(fēng)場(chǎng)的年際變化是導(dǎo)致2006年夏季長(zhǎng)江沖淡水較1999年同期顯著偏北的原因, 從而可能是促使2006年夏季長(zhǎng)江口低氧區(qū)位置顯著偏北的動(dòng)力機(jī)制。在墨西哥灣北部, 風(fēng)場(chǎng)引起的近岸上升流, 導(dǎo)致的淡水跨陸架輸運(yùn),會(huì)影響低氧空間分布(Feng, 2014)。在切薩皮克灣, 風(fēng)場(chǎng)的年際變化引起水體混合的變化, 控制了低氧的范圍(Scully, 2016)。這些研究表明, 物理過程是影響低氧范圍年際差異的重要因素。目前, 渤海夏季氧虧損空間分布的年際差異還缺乏研究, 年際差異的影響因素尚不清楚。本文將依據(jù)2019年及以往觀測(cè)中體現(xiàn)兩個(gè)氧虧損熱點(diǎn)區(qū)的典型年份2014年的觀測(cè)資料, 分析渤海夏季氧虧損年際差異, 并利用三維物理生態(tài)耦合模型探究年際差異的影響因素和控制過程。

1 數(shù)據(jù)和模型

1.1 觀測(cè)數(shù)據(jù)

本文所使用的觀測(cè)數(shù)據(jù)包括2014年和2019年的兩次渤海大面觀測(cè)。2014年觀測(cè)的時(shí)間為8月16—21日, 調(diào)查站位48個(gè), 溫度、鹽度和DO數(shù)據(jù)由SBE-19-plus CTD (Sea-Bird Electronic Inc., Bellevue, WA, USA)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定。此外, 還對(duì)采集的水樣進(jìn)行Winkler滴定獲取DO濃度, 以對(duì)CTD獲取的DO數(shù)據(jù)進(jìn)行校正。相關(guān)數(shù)據(jù)已經(jīng)發(fā)表在Zhao(2017), 更多數(shù)據(jù)處理過程詳見Zhao(2017)。

2019年觀測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)自于國(guó)家自然科學(xué)基金委渤黃海共享航次渤海段, 共計(jì)調(diào)查站位31個(gè), 采樣時(shí)間為7月29日—8月3日。溫度、鹽度和DO由SBE-25-plus CTD現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定, 經(jīng)過過濾、校正、分層平均處理后形成1 m分層數(shù)據(jù)。其中, CTD獲取的DO數(shù)據(jù)同樣以Winkler滴定獲取的DO數(shù)據(jù)進(jìn)行校正。

1.2 物理生態(tài)耦合模型

本研究使用的模型為三維物理生態(tài)耦合模型, 物理模型采用ROMS (Regional Ocean ModelingSystem, Shchepetkin, 2005; Xiu, 2010)。模擬區(qū)域包含渤海、黃海及部分東海區(qū)域, 模型水平分辨率2.2—4 km(渤海海區(qū)加密), 垂向采用坐標(biāo), 分為30層, 并在表底進(jìn)行加密。溫鹽初始場(chǎng)來(lái)自WOA13 (World Ocean Atlas), 初始流速和水位為零。溫鹽、流、水位開邊界來(lái)自于HYCOM (hybrid coordinate ocean model)數(shù)據(jù), 邊界處潮汐從OTPS (OSU tidal prediction software)中提取, 包含M2、S2、N2、K2、K1、O1、P1和Q1, 共8個(gè)分潮。大氣強(qiáng)迫(風(fēng)應(yīng)力、短波輻射、凈熱通量和淡水通量)來(lái)自于ECMWF (European centre for medium-range weather forecasts, https://www.ecmwf.int/)。模式中包含遼河、灤河、海河、黃河、鴨綠江、漢江、淮河、長(zhǎng)江和錢塘江, 河流流量數(shù)據(jù)來(lái)源于中國(guó)河流泥沙公報(bào), 其中鴨綠江和漢江為氣候態(tài)數(shù)據(jù), 河流營(yíng)養(yǎng)鹽數(shù)據(jù)來(lái)自于谷文艷等(2017)的觀測(cè)結(jié)果。該物理模型配置已在渤海夏季潮汐鋒研究中得到應(yīng)用(張廣躍等, 2020)。

生態(tài)模型為CoSiNE (carbon, silicate and nitrogen ecosystem, Chai, 2002)。包含四種營(yíng)養(yǎng)鹽(硅酸鹽、硝酸鹽、磷酸鹽、銨鹽)、兩種浮游植物(硅藻和甲藻)、兩種浮游動(dòng)物、兩種碎屑(含氮碎屑和含硅碎屑)、DO、總無(wú)機(jī)碳(total inorganic carbon, TIC)和總堿度(total alkalinity, TALK)。除物理的平流輸運(yùn)和擴(kuò)散過程外, 水體中DO涉及的生態(tài)過程包括浮游植物凈產(chǎn)氧、浮游動(dòng)物呼吸、有機(jī)物礦化、硝化作用在海氣界面處存在海洋與大氣的DO交換, DO交換通量將直接影響表層水體中的DO濃度。開邊界來(lái)自CMEMS(copernicus marine environment monitoring service)。硝酸鹽、磷酸鹽、硅酸鹽、溶解氧的初始場(chǎng)來(lái)自WOA13一月的氣候態(tài)數(shù)據(jù), 其余生態(tài)變量來(lái)自CMEMS數(shù)據(jù)庫(kù)。模型起算時(shí)間2006年1月1日, 本文主要分析2014年和2019年的模擬結(jié)果。

1.3 觀測(cè)的年際差異及模型驗(yàn)證

2014年觀測(cè)的底層溫度在三個(gè)海灣(遼東灣、渤海灣和萊州灣)和中部淺灘較高, 可在24oC以上(圖2a)。淺灘周圍深水區(qū)域溫度較低, 可在20oC以下, 在底層形成溫度鋒。黃河口外、遼東灣頂及秦皇島外鹽度較低, 渤海中部鹽度較高, 但低于31(圖2b)。DO濃度較低的區(qū)域主要在淺灘西北側(cè)、西南側(cè)的深水區(qū)域, 其中在秦皇島外和黃河口DO濃度值最低約80 μmol/L, 飽和度約30% (圖2c)。

圖1 模型區(qū)域和渤海水深分布

注: 藍(lán)點(diǎn)分別表示秦皇島(QHD)和黃河口(HRE); 紅框、藍(lán)框和洋紅色框分別表示秦皇島外海(QHD)、黃河口附近洼地(HRE-d)和黃河口東側(cè)萊州灣口(HRE-s)區(qū)域范圍

相比于2014年, 2019年的觀測(cè)范圍較小, 主要在渤海中部區(qū)域。2019年觀測(cè)的底層溫度變化范圍為16.82—24.59 oC, 同樣呈現(xiàn)出淺灘溫度高、周圍洼地溫度低的分布, 但總體溫度低于2014年, 這可能與2019年觀測(cè)時(shí)間較早有一定關(guān)系(圖2d)。2019年表層鹽度變化范圍為26.09—31.88, 比2014年范圍更大。2019年萊州灣口(38°N)鹽度最低約為26, 而對(duì)應(yīng)的2014年鹽度29(圖2e)。這表明2019年黃河流入的淡水?dāng)U展范圍較大, 同時(shí)沖淡水的覆蓋形成的鹽躍層也會(huì)有利于底層冷水的維持。2019年底層DO總體上在中部淺灘及其東側(cè)濃度較高, 淺灘北側(cè)和南側(cè)濃度較低, 平均值為152±36 μmol/L, 飽和度平均值65%±15%(圖2f)。雖然觀測(cè)范圍有限, 但依然能分辨秦皇島及黃河口外兩個(gè)氧虧損熱點(diǎn)區(qū), 其中兩個(gè)區(qū)域DO濃度最低值分別為88.86和96.05 μmol/L, 略高于2014年。在黃河口外, 2014年低DO區(qū)域主要在淺灘西南側(cè)的洼地, 而2019年低DO區(qū)域則從淺灘西側(cè)洼地延伸至萊州灣口, 且離黃河入?？谖恢幂^近。2019年秦皇島外近岸海域缺少觀測(cè), 但相比于2014年氧虧損區(qū)域向淺灘方向擴(kuò)展范圍更大。這表明, 雖然這2年均觀測(cè)到秦皇島及黃河口兩個(gè)氧虧損區(qū), 但空間分布有明顯差異。

2014和2019年溫度、鹽度、溶解氧的模擬結(jié)果分布與觀測(cè)較為一致(圖2g—l)。這2年底層溫度的模擬結(jié)果均呈現(xiàn)淺灘與近岸溫度高、洼地溫度低的特征?？傮w上, 溫度模擬值與觀測(cè)值的相關(guān)系數(shù)()分別為0.95和0.65, 均方根誤差(RMSE)分別1.32和0.88oC。表層鹽度均體現(xiàn)了河口附近受徑流影響而鹽度較低的特征, 但秦皇島外模擬的灤河徑流影響范圍比觀測(cè)偏小。相比2014年, 2019年黃河沖淡水向東北方向擴(kuò)展范圍更大, 萊州灣口鹽度較低。但渤海中部鹽度要比2014年高?？傮w上表層鹽度的相關(guān)性分別為0.80和0.74, RMSE分別為0.97和0.62。模型再現(xiàn)了秦皇島和黃河口附近兩個(gè)氧虧損中心, 并且模擬出了2019年萊州灣口DO濃度較低, 以及秦皇島外氧虧損向東南方向擴(kuò)展的特征。模擬2年底層溶解氧的相關(guān)性分別為0.92和0.58, RMSE分別為25.62和25.93 μmol/L?？偟膩?lái)說(shuō), 本文的物理生態(tài)耦合模型較好的模擬了渤海溫度、鹽度和DO的空間分布特征, 并抓住了DO分布的年際差異, 因此該模型可用來(lái)探究渤海氧動(dòng)力過程及其年際差異。

2 氧虧損年際差異

2.1 溶解氧的時(shí)間變化

圖3給出了2014年和2019年渤海氧虧損區(qū)域(底層DO飽和度小于70%的區(qū)域)的底層平均DO、飽和度和水柱最大浮力頻率(2, 表征水體層化強(qiáng)度)在3—8月的演變過程。DO飽和度在2014年和2019年的3—5月變化一致, 且DO處于過飽和狀態(tài), 最大約106%(圖3a)。DO在6月初開始出現(xiàn)不飽和, 之后飽和度快速降低。2014年DO飽和度在6—8月期間呈現(xiàn)不斷降低的趨勢(shì), 在8月為65%左右。而2019年DO飽和度在8月中旬突然升高了25%左右, 導(dǎo)致8月中下旬的飽和度值明顯高于2014年。DO濃度在2014年和2019年3月相近, 約為350 μmol/L, 之后不斷降低, 直到7月底出現(xiàn)明顯的差異(圖3b)。7月底至8月初, 2019年DO濃度略低于2014年。而到了8月中旬, 2019年DO突然升高, 與DO飽和度出現(xiàn)相同的變化, 而2014年仍保持在較低水平。

圖2 觀測(cè)(a—f)和模擬(g—l)的2014年和2019年底層溫度、表層鹽度和底層溶解氧(DO)

2014年和2019年的2從3月至5月一直保持在較低水平(2<<10-3s-2), 水體垂直混合較強(qiáng)(圖3c)。這2年2都是從6月開始增大, 7月中旬達(dá)到峰值, 表明水體層化達(dá)到最強(qiáng), 但2019年2的峰值(1.2×10-2s-2)比2014年(7.0×10-3s-2)更大。在7月中下旬和8月上旬, 2019年2一直都大于2014年, 表明2019年層化更強(qiáng)。但在8月11日左右, 2019年的2突然降低, 層化減弱, 而2014年較為穩(wěn)定。這是由于在2019年8月11日有超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)“利奇馬”經(jīng)過渤海(http://agora.ex.nii.ac.jp/digital-typhoon/summary/wnp/s/201909.html.en), 大風(fēng)引起的強(qiáng)垂向混合導(dǎo)致2突然降低。強(qiáng)水體混合也會(huì)使得底層水體的DO得到補(bǔ)充, 使得底層DO濃度和飽和度在2019年8月11日之后明顯升高。臺(tái)風(fēng)過程對(duì)夏季底層水體氧虧損有明顯的破壞作用, 臺(tái)風(fēng)過后水體層化的建立情況會(huì)影響氧虧損的恢復(fù)過程(Ni, 2014)。為了排除臺(tái)風(fēng)過程對(duì)年際差異的影響, 并且考慮這2年在同一時(shí)期的差異, 本研究首先對(duì)比了這2年的溫度、鹽度、溶解氧在8月10日的空間分布, 并對(duì)這2年的統(tǒng)計(jì)分析截止到至8月10日。

圖3 渤海氧虧損區(qū)域(渤海溶解氧飽和度小于70%)的底層平均溶解氧飽和度(a)、溶解氧DO(b)和水柱最大浮力頻率N2(c)的時(shí)間序列

2.2 氧虧損的時(shí)空分布差異

2014年和2019年8月10日的溫度、鹽度、DO與觀測(cè)期間的模擬結(jié)果, 在數(shù)值上存在一定差異, 但分布特征一致。2014年和2019年平均底層溫度分別為23.07±1.09 oC和22.76±1.23 oC。2019年萊州灣口附近溫度較低的特征依然存在(圖4a—4c)。2019年低鹽水向黃河口以東方向的擴(kuò)展范圍更大, 萊州灣附近鹽度較低, 但渤海中部鹽度高于2014年(圖4d—4f), 這也與觀測(cè)期間的現(xiàn)象一致。2019年萊州灣口DO濃度依然低于2014年, 即黃河口外氧虧損區(qū)可向南覆蓋到萊州灣口(圖4g—4i)。秦皇島外氧虧損區(qū)在2014年主要向東延伸, 而2019年主要向東南延伸, 同樣與觀測(cè)期間的認(rèn)識(shí)一致。此外, 結(jié)合DO飽和度分布, 更能清楚看到秦皇島和黃河口外的氧虧損特征(圖4j—4l)。這表明2014年和2019年在8月10日的分布差異, 可以代表觀測(cè)期間內(nèi)的分布差異, 因此下文中分別對(duì)這2年統(tǒng)計(jì)至8月10日的分析是合理可行的。

為探究渤海氧虧損的發(fā)生區(qū)域和頻率, 本文統(tǒng)計(jì)了8月10日之前DO飽和度小于70%氧虧損區(qū)域的開始時(shí)間和持續(xù)時(shí)間(圖5)。2014年和2019年發(fā)生氧虧損的區(qū)域都主要為淺灘北側(cè)、西側(cè)和南側(cè)的洼地, 且在秦皇島和黃河口外區(qū)域均呈現(xiàn)出兩個(gè)核心區(qū)域, 表現(xiàn)為氧虧損開始時(shí)間早、結(jié)束時(shí)間晚及持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)。但這2年氧虧損的空間分布及持續(xù)時(shí)間, 存在一定的差異。秦皇島外氧虧損區(qū)在2014年主要分布在秦皇島東側(cè), 而在2019年主要分布在東南側(cè), 黃河口外氧虧損區(qū)在2014年主要分布在淺灘西南側(cè)洼地, 而在2019年可覆蓋萊州灣口附近。這些特征與8月10日的分布基本一致, 表現(xiàn)了氧虧損不斷發(fā)展和加劇的過程。2014年的DO飽和度小于70%的氧虧損區(qū)域在秦皇島和黃河口外形成時(shí)間最早分別在6月底和7月初, 而2019年的形成時(shí)間最早在7月初, 晚于2014年。在持續(xù)時(shí)間上, 2014年QHD區(qū)域的持續(xù)時(shí)間最大可達(dá)48 d。相比之下, 2019年持續(xù)時(shí)間最長(zhǎng)約39 d左右, 短于2014年。除黃河口東側(cè)的萊州灣口和淺灘西側(cè)部分區(qū)域外, 2019年的持續(xù)時(shí)間要短于2014年。

3 年際差異的影響過程

水體層化可以抑制表層水體向底層水體中的氧氣補(bǔ)充, 是維持底層水體氧虧損的重要機(jī)制(Breitburg, 2018; Katja, 2018)。因此, 層化形成時(shí)間將會(huì)影響底層水體氧虧損的發(fā)展。為分析躍層存在情況下底層DO變化及影響因素, 本文將以躍層(2≥1.0×10-3s-2)形成時(shí)間為起始時(shí)間, 并統(tǒng)計(jì)至8月10日。考慮到躍層形成初期可能會(huì)存在不穩(wěn)定的情形, 本文將選取2值連續(xù)6天不小于1.0×10-3s-2的時(shí)間為起始時(shí)間。為探究2014年和2019年氧虧損的年際差異, 下文將分析這2年DO降低速率, 并進(jìn)一步通過氧收支估算分析生物及物理過程對(duì)DO變化的作用。此外, 為進(jìn)一步量化秦皇島和黃河口外氧虧損年際差異的影響因素, 本文根據(jù)底層DO濃度及飽和度分布, 選取了三個(gè)子區(qū)域, 分別為秦皇島(QHD)區(qū)域, 黃河口附近洼地(HRE-d)和黃河口東側(cè)萊州灣口(HRE-s, 圖1)。

圖4 2014和2019年8月10日的底層溫度及2年之差(a—c), 表層鹽度及2年之差(d—f), 底層溶解氧及2年之差(g—i)和飽和度及2年之差(j—l)

3.1 溶解氧濃度降低速率

底層DO濃度的平均降低速率在躍層存在期間具有明顯的空間差異, 在秦皇島及黃河口外的氧虧損區(qū)域較高, 與DO飽和度小于70%的氧虧損區(qū)域基本對(duì)應(yīng)(圖6a, b)。秦皇島氧虧損區(qū)DO降低速率在2014年和2019年分別為2.10 μmol/(Ld)和2.05 μmol/(Ld), 這與Zhai等(2019)基于2011年6月和8月觀測(cè)數(shù)據(jù)估算的2.00—2.80 μmol/(Ld)以及Song等(2020)根據(jù)2017和2018年觀測(cè)得到的2.18 μmol/(Ld)基本一致。對(duì)于黃河口處氧虧損區(qū), 這2年的平均降低速率分別為1.82 μmol/(Ld)和1.83 μmol/(Ld) , 略低于秦皇島外區(qū)域。躍層存在期間DO降低量的空間分布與降低速率的空間分布基本一致, DO降低速率較高的區(qū)域?qū)?yīng)的DO降低量也較高(圖6d—f)。但DO降低量年際差異的最大值在黃河口附近, 而不是降低速率差異最大值區(qū)域(淺灘西北部), 這表明DO降低量與躍層持續(xù)時(shí)間有很大關(guān)系。

圖5 2014年和2019年底層溶解氧飽和度降低至70%的起始時(shí)間(a, b)及2年的差值(c)、持續(xù)時(shí)間(d, e)及2年的差值(f)

注: 圖c中的深紅色和深藍(lán)色包含的范圍分別表示2019年和2014年的區(qū)域; c中時(shí)間間隔表示2019年的起始日期減去2014年的起始日期, ＞0表示2019年比2014年的起始日期晚; f中的時(shí)間間隔表示2019年的持續(xù)時(shí)間減去2014年的持續(xù)時(shí)間, ＞0表示2019年的持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)

圖6 2014年和2019年躍層存在期間DO降低速率以及差值(a—c), DO降低量以及差值(d—f)

3.2 氧收支估算

本文分別對(duì)2014年和2019年躍層區(qū)域的底層水體進(jìn)行了氧收支估算, 統(tǒng)計(jì)時(shí)間為躍層起始時(shí)間至當(dāng)年的8月10日。DO的源匯項(xiàng)包括物理平流項(xiàng)、擴(kuò)散項(xiàng)和生物作用(biological oxygen consumption, BOC), 其中, 生物作用包括浮游植物凈產(chǎn)氧、浮游動(dòng)物呼吸、有機(jī)碎屑分解耗氧、硝化作用。

文中通過計(jì)算了三個(gè)子區(qū)域的氧收支得出, 生物耗氧和垂向擴(kuò)散分別是控制DO濃度變化的重要匯和源, 平流輸運(yùn)的作用則相對(duì)較小(表1)。之后結(jié)合生物耗氧和垂向擴(kuò)散及其相關(guān)要素的空間分布及三個(gè)子區(qū)域的環(huán)境特征, 探究物理及生物過程對(duì)底層DO分布的影響。

表1 2014年和2019年氧虧損區(qū)域溶解氧源和匯的組分分析

Tab.1 Component analysis of dissolved oxygen in source and sink areas in 2014 and 2019

注: Duration為區(qū)域平均的躍層持續(xù)時(shí)間; BOC為區(qū)域平均的生物耗氧速率; DIFF表示區(qū)域平均的擴(kuò)散造成DO的變化速率; ADV表示區(qū)域平均的平流輸運(yùn)造成DO變化速率; ΔDO表示DO的變化速率

3.3 年際差異的生物因素

圖7給出了躍層存在期間表層葉綠素、水體垂向總初級(jí)生產(chǎn)和生物耗氧的分布。2014年和2019年葉綠素高值區(qū)均分布在躍層區(qū)域的邊緣, 即潮汐鋒附近。黃河口附近區(qū)域的葉綠素濃度最高, 在5 μg/L以上。淺灘周圍洼地區(qū)域的葉綠素濃度較低。相比較而言, 除中部洼地外, 2014年的葉綠素濃度要高于2019年。據(jù)統(tǒng)計(jì), 2014年5月至8月發(fā)生以抑食金球藻為優(yōu)勢(shì)藻的褐潮, 持續(xù)時(shí)間約80 d, 面積高達(dá)2000 km2, 在6月還有以夜光藻和微小原甲藻為優(yōu)勢(shì)種的赤潮(姜德娟等, 2018)。依據(jù)國(guó)家海洋災(zāi)害公報(bào)(http://gi. mnr.gov.cn/202004/t20200430_2510979.html), 2014年赤潮事件高達(dá)11次, 而2019年渤海僅兩次赤潮事件, 總面積為0.28 km2。雖然沒有連續(xù)的葉綠素觀測(cè), 但2014年較多的赤潮事件與模擬的較高葉綠素濃度是一致的。2014年和2019年垂向積分的初級(jí)生產(chǎn)在躍層區(qū)域邊緣及淺灘附近均較高, 但最高值依然在黃河口外區(qū)域。這2年垂向積分初級(jí)生產(chǎn)的差異與表層葉綠素的差異一致, 除中部洼地區(qū)域外, 2014年的初級(jí)生產(chǎn)要高于2019年。

圖7 2014和2019年層化持續(xù)時(shí)間平均表層葉綠素(a, b)、垂向積分初級(jí)生產(chǎn)(d, e)和底層生物耗氧(g, h)及2年差異(c, f, i)

這2年的生物耗氧均在躍層區(qū)域邊緣及淺灘處較高, 最高約10 μmol/(Ld), 總體上與較高的葉綠素濃度和初級(jí)生產(chǎn)相對(duì)應(yīng), 中部洼地區(qū)域的生物耗氧較弱。這表明, 底層有機(jī)物主要來(lái)自局地的浮游植物, 這與以往渤海有機(jī)物主要是海源有機(jī)物的認(rèn)識(shí)一致(高立蒙等, 2016)。除淺灘南側(cè)洼地區(qū)域外, 2014年生物耗氧強(qiáng)于2019年。但這種分布特征與DO降低速率年際差異的分布特征不一致, 表現(xiàn)為2014年萊州灣口及淺灘西北側(cè)區(qū)域的DO降低速率要低于2019年, 說(shuō)明耗氧速率的年際差異受到生物和物理過程的共同影響。

在3個(gè)子區(qū)域中, 2014年QHD和HRE-d區(qū)域的平均生物耗氧和DO降低速率均高于2019年。而在HRE-s區(qū)域, 2014年生物耗氧比2019年高4.64 μmol/(Ld), 但DO降低速率確小于2019年。這表明, 物理過程對(duì)2014年HRE-s區(qū)域的底層水體有更多的DO補(bǔ)充, 進(jìn)而影響了DO降低速率。下面本文將探究垂向擴(kuò)散以及躍層強(qiáng)度和持續(xù)時(shí)間等物理過程, 對(duì)氧虧損的分布特征及年際差異的影響。

3.4 物理過程的影響

2014年和2019年DO垂向擴(kuò)散在躍層區(qū)域的邊緣及淺灘區(qū)域較強(qiáng), 與生物耗氧分布基本一致, 表明強(qiáng)耗氧區(qū)域得到更多來(lái)自上層水體補(bǔ)充的DO。從這2年垂向擴(kuò)散差異上看, 2014年在躍層邊緣及淺灘北側(cè)區(qū)域的垂向擴(kuò)散更強(qiáng)一些(圖8a—c)。結(jié)合生物耗氧、垂向擴(kuò)散與DO降低速率的年際差異分布可知, 2014年和2019年秦皇島外高DO降低速率的差異與垂向擴(kuò)散的大小有關(guān)。DO垂向擴(kuò)散受DO濃度梯度和擴(kuò)散系數(shù)控制, 底層生物耗氧可通過降低DO濃度及增強(qiáng)其垂向梯度而促進(jìn)DO垂向擴(kuò)散, 躍層強(qiáng)度則會(huì)通過改變擴(kuò)散系數(shù)而影響DO垂向擴(kuò)散。

圖8 2014和2019年躍層存在時(shí)期DO擴(kuò)散(a, b)及2年之差(c)、平均N2 (d, e)及2年之差(f)、層化持續(xù)時(shí)間(g, h)及2年之差(i)

在躍層存在期間, 這2年的平均躍層強(qiáng)度在淺灘周圍的深水洼地區(qū)域較強(qiáng), 在躍層區(qū)域邊緣及淺灘處較弱。此外, 不同于2014年, 2019年萊州灣口區(qū)域的躍層也較強(qiáng)。對(duì)照DO垂向擴(kuò)散和躍層強(qiáng)度分布可以看出, DO垂向擴(kuò)散較強(qiáng)的區(qū)域, 對(duì)應(yīng)的躍層強(qiáng)度相對(duì)較弱(圖8d—f)。在年際差異上, 2014年淺灘周圍區(qū)域的平均躍層強(qiáng)度大于2019年, 而黃河口附近區(qū)域的躍層強(qiáng)度則小于2019年。躍層強(qiáng)度可以影響DO擴(kuò)散速率, 而躍層持續(xù)時(shí)間則會(huì)影響DO的變化量。在躍層持續(xù)時(shí)間上, 2014年和2019年均在淺灘周圍洼地以及黃河口處的持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)。2019年萊州灣口附近的躍層持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)于2014年, 除此之外, 2019年躍層持續(xù)時(shí)間均短于2014年(圖8g—i)。

在3個(gè)子區(qū)域中, 2019年QHD和HRE-d海域的層化時(shí)間均略短于2014年10 d左右。2019年QHD海域躍層存在時(shí)期總消耗125.05 μmol/L, 2014年為151.20 μmol/L。而當(dāng)2019年躍層持續(xù)時(shí)間與2014年相等時(shí), 則多消耗22.55 μmol/L, 而當(dāng)DO降低速率與2014年相等時(shí), 多消耗3.05 μmol/ L, 遠(yuǎn)小于躍層持續(xù)時(shí)間造成的變化量。若2019年HRE-d海域躍層持續(xù)時(shí)間和2014年相等, 多消耗14.85 μmol/L; 若DO降低速率達(dá)到2014年大小, 則能多消耗2.88 μmol/L。雖然2014年在這兩個(gè)區(qū)域的DO降低速率大于2019年, 但DO降低量的差異, 則主要是由躍層持續(xù)時(shí)間造成的。在HRE-s海域區(qū)域, 2019年DO降低量明顯大于2014年, 也主要是由于2019年的躍層持續(xù)時(shí)間更長(zhǎng)。2019年和2014年躍層持續(xù)時(shí)間相等時(shí), 將少消耗48.30 μmol/L, 而當(dāng)DO降低速率和2014年一致時(shí), 將少消耗10.78 μmol/L。因而對(duì)于QHD、HRE-d和HRE-s海域, 躍層持續(xù)時(shí)間的長(zhǎng)短是控制DO降低量的主要因素。

淺灘周圍洼地存在的強(qiáng)層化, 主要是由于底層存在冷水, 與表層的高溫水體溫差較大形成溫躍層(吳德星等, 2004; 周鋒等, 2009b)。而萊州灣口的層化強(qiáng)度和持續(xù)時(shí)間與黃河沖淡水的擴(kuò)展有一定關(guān)系。以28等鹽線表示黃河沖淡水的范圍, 可知2014年黃河沖淡水的范圍較小, 基本在萊州灣以內(nèi)且較為穩(wěn)定, 而2019年7月和8月的沖淡水范圍分別向萊州灣以北及東北方向擴(kuò)展(圖9)。2019年黃河徑流量顯著大于2014年, 2019年7月份的徑流較氣候態(tài)高28億立方米, 而2014年同期徑流量則較氣候態(tài)低14億立方米(圖10a)。此外, 2019年夏季從7月1日開始基本為南風(fēng), 隨之羽流范圍逐漸擴(kuò)展開, 而2014年相對(duì)于2019年風(fēng)向略微多變(圖10b, c)。較高的徑流量及較強(qiáng)的南風(fēng)均有利于2019年黃河沖淡水向萊州灣以北及東北擴(kuò)展, 繼而引起萊州灣口躍層持續(xù)時(shí)間更長(zhǎng)及強(qiáng)度更大, 并進(jìn)一步維持了底層水體的氧虧損狀態(tài)(圖11)。

圖9 2014年(a)和2019年(b)不同日期鹽度28等值線的分布

圖10 黃河徑流量(a)以及黃河口附近海域在2014年(b)和2019年(c)的風(fēng)矢量時(shí)間序列

4 結(jié)論

本文通過2014年和2019年的觀測(cè)資料發(fā)現(xiàn)渤海夏季底層水體氧虧損空間分布存在年際差異, 同時(shí)首次揭示了黃河口東側(cè)萊州灣口區(qū)域的氧虧損現(xiàn)象, 并利用三維物理生態(tài)耦合模式ROMS-CoSiNE探究了氧虧損分布年際差異的影響因素。模型較好地模擬了2014年和2019年溫度、鹽度和DO的空間分布, 抓住了這2年氧虧損空間分布的年際差異, 并且模擬得到的DO降低速率與已有觀測(cè)一致。這2年均存在秦皇島和黃河口外兩個(gè)氧虧損熱點(diǎn)區(qū)域, 但發(fā)生位置存在差異。2014年秦皇島外氧虧損區(qū)(以DO飽和度小于70%為統(tǒng)計(jì)范圍)主要向東擴(kuò)展, 而2019年則向東南擴(kuò)展; 2014年黃河口外氧虧損區(qū)主要位于淺灘西南側(cè)的深水洼地, 而2019年則從淺灘西側(cè)洼地延伸至黃河口外及萊州灣口區(qū)域。

圖11 2019年HRE-s區(qū)域氧虧損示意圖

注: 紅框表示斷面位置; 藍(lán)線為沖淡水的范圍

為排除臺(tái)風(fēng)過程的影響, 并考慮到層化對(duì)氧虧損的作用, 本文對(duì)這2年8月10日之前躍層存在期間的底層水體進(jìn)行了氧收支估算, 得到垂向擴(kuò)散和生物耗氧是底層DO濃度變化的主要源和匯。2014年和2019年秦皇島外氧虧損空間分布的年際差異, 與垂向擴(kuò)散的差異有關(guān), 垂向擴(kuò)散較弱的區(qū)域DO降低速率及降低量較大, 氧虧損較強(qiáng)。2019年萊州灣口區(qū)域氧虧損與垂向擴(kuò)散及躍層持續(xù)時(shí)間有關(guān)。雖然2014年生物耗氧較強(qiáng), 但2019年較強(qiáng)的黃河徑流與南風(fēng), 有利于沖淡水的擴(kuò)散, 使得萊州灣口區(qū)域的躍層強(qiáng)度較大, 垂向擴(kuò)散較弱, DO降低速率較大, 且躍層持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng), 導(dǎo)致氧虧損強(qiáng)于2014年。此外, 2014年秦皇島外區(qū)域和黃河口外洼地區(qū)域的生物耗氧速率及DO降低速率均略大于2019年, 但DO降低量的差異主要是由2014年躍層持續(xù)較長(zhǎng)導(dǎo)致。因此, 躍層持續(xù)時(shí)間是導(dǎo)致2014和2019年渤海中部氧虧損差異的重要因素。

本文中氧虧損年際差異的分析, 可為將來(lái)渤海底層DO季節(jié)預(yù)測(cè)提供參考。由于缺乏觀測(cè)對(duì)比, 本文未對(duì)臺(tái)風(fēng)的影響進(jìn)行深入分析。將來(lái)需要長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)觀測(cè), 以探究臺(tái)風(fēng)或其他強(qiáng)風(fēng)過程對(duì)渤海氧虧損的影響, 這將對(duì)DO季節(jié)預(yù)測(cè)有重要意義。

致謝 本研究的數(shù)據(jù)及樣品采集得到國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)共享航次計(jì)劃項(xiàng)目(項(xiàng)目批準(zhǔn)號(hào): 41806018)的資助。該航次(航次編號(hào): NORC2019-01)由“北斗”號(hào)科考船實(shí)施, 同時(shí)對(duì)參與數(shù)據(jù)收集與處理工作的肖勁根、張永、張廣躍和鄭字佳等人, 在此一并致謝。

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THE INTERANNUAL DIFFERENCE IN SUMMER BOTTOM OXYGEN DEFICIENCY IN BOHAI SEA

LI Zhi-Cheng1, WEI Hao1, ZHANG Hai-Yan1, ZHAO Hua-De2, ZHENG Nan2, SONG Gui-Sheng1

(1. School of Marine Science and Technology, Tianjin University, Tianjin 300072, China; 2. National Marine Environmental Monitoring Center, Dalian 116023, China)

The interannual difference of the spatial distribution of oxygen deficiency (OD) in bottom water in summer in Bohai Sea was analyzed, the OD near the mouth of the Laizhou Bay to the east of the Huanghe (Yellow) River estuary was revealed for the first time based on the observation data of Year 2014 and 2019, and the controlling factors of the interannual difference was explored by implementing a three-dimensional physical-biological coupled model ROMS-CoSiNE. Results show that the OD area where dissolved oxygen (DO) saturation was below 70% off Qinhuangdao City expanded to the east in 2014 while to the southeast in 2019. The OD area outside the Huanghe River estuary located mainly in a deep water depression on the southwest side of the central bank in 2014, while it extended from the depression on the western side of the central bank to the area off the estuary and the Laizhou Bay mouth. The estimation of oxygen budget in the bottom water during the existence of pycnocline showed that vertical diffusion and biological oxygen consumption were the main source and sink, respectively. The interannual OD difference in spatial distribution off Qinhuangdao in 2014 and 2019 was related to the difference due to weak vertical diffusion, leading to considerable DO decrease in rate and amount, and finally the stronger OD. In 2019, the OD near the Laizhou Bay mouth was due to vertical diffusion and duration of pycnocline. Strong Huanghe River runoff and south wind promoted the extension of the diluted water, and resulted in stronger pycnocline, weaker vertical diffusion, larger DO reduction rate, longer pycnocline duration, and finally stronger OD than those in 2014. In addition, lower DO in the area off Qinhuangdao and the depression area off the Huanghe River estuary in 2014 was resulted mainly from the longer duration of pycnocline in the year, indicating that the duration of pycnocline was an important factor affecting the interannual difference of OD. This study provided a reference for seasonal prediction of bottom DO in Bohai Sea in the future.

oxygen deficit; interannual difference; pycnocline duration; Huanghe River runoff; Bohai Sea

* 國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃重點(diǎn)專項(xiàng), 2016YFC1401602號(hào); 國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目, 41806018號(hào)。李志成, 碩士研究生, E-mail: jsyc_lzc@tju.edu.cn

張海彥, 講師, E-mail: haiyan_zhang@tju.edu.cn

2020-08-02,

2020-09-17

P734

10.11693/hyhz20200800227