劉 洋,鮑獻(xiàn)文,吳德星
(中國(guó)海洋大學(xué)海洋環(huán)境學(xué)院物理海洋實(shí)驗(yàn)室,山東青島266100)
溶解氧(DO)通常是指通過(guò)大氣交換或經(jīng)生物、化學(xué)反應(yīng)溶解于海水中的氧氣。它是海洋生命活動(dòng)不可缺少的重要物質(zhì),也是衡量海水環(huán)境質(zhì)量的標(biāo)準(zhǔn)之一[1]。傳統(tǒng)的物理海洋研究過(guò)程將溫度、鹽度視為常用參量,水團(tuán)分析也主要建立在對(duì)溫、鹽特性劃分的基礎(chǔ)上[2-4],作為生化要素之一的溶解氧因其測(cè)量手段和數(shù)據(jù)量的限制而較少出現(xiàn)于其中。但由于溶解氧含量的高低能夠直接影響海洋生物的生長(zhǎng)發(fā)育,尤其是它與真光層內(nèi)的初級(jí)生產(chǎn)力關(guān)系密切,所以在生物地球化學(xué)研究中,溶解氧含量的變化受到了充分地關(guān)注,但也只局限于海水表層范圍內(nèi)[5-6]。
南海作為北太平洋最大的邊緣海,平均水深可達(dá)1 200 m,中央西南-東北走向的菱形深水海盆面積約占整個(gè)南??偯娣e的一半。特殊的地理位置和復(fù)雜的地形條件使得南海兼具深海大洋和陸架淺海的水文特征。在絕大部分海域,其垂向水團(tuán)結(jié)構(gòu)較為穩(wěn)定。基于溫、鹽參量,前人已經(jīng)作過(guò)大量的垂向水團(tuán)分析工作[7-15],但對(duì)于表層以下水體中較為保守的溶解氧垂向分布與水團(tuán)對(duì)應(yīng)關(guān)系仍知之甚少。有鑒于此,本文收集、整理了多年的溶解氧觀測(cè)資料并進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,研究其垂直結(jié)構(gòu)及季節(jié)變化規(guī)律,試圖將溶解氧變量引進(jìn)水團(tuán)分析中。
圖1 南海溶解氧數(shù)據(jù)時(shí)間分布統(tǒng)計(jì)圖Fig.1 Statistic result fo r the tempo ral distribution of the DO data in the SCS
本文使用的實(shí)測(cè)資料來(lái)自World Ocean Database 2005(WOD05)數(shù)據(jù)集中標(biāo)準(zhǔn)層數(shù)據(jù)。覆蓋空間105°E~125°E,0°N~25°N,包括南海、蘇祿海、蘇拉威西海以及呂宋海峽以東的北太平洋部分海區(qū)。統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示,各月份的觀測(cè)資料數(shù)量相近,站位分布均勻,空間覆蓋情況較好,因此資料總體上應(yīng)該能夠客觀地反映出南海水體中溶解氧要素的氣候態(tài)時(shí)空變化特征。數(shù)據(jù)的具體時(shí)空分布情況如圖1和圖2所示。
圖2 南海溶解氧數(shù)據(jù)空間分布統(tǒng)計(jì)圖Fig.2 Statistic result for the spatial distribution of the DO data in the SCS
實(shí)測(cè)資料因來(lái)源廣泛、時(shí)間跨度較大,會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)質(zhì)量和格式的差異,所以在具體應(yīng)用前作者對(duì)其進(jìn)行了必要的質(zhì)量控制。在此過(guò)程中需兼顧溫、鹽和溶解氧參量各自的特點(diǎn),具體處理步驟包括:剔除無(wú)法確定觀測(cè)位置和時(shí)間的站點(diǎn)數(shù)據(jù);以ETOPO5地形資料為參考,剔除超出研究區(qū)域范圍和觀測(cè)位置明顯有誤的站點(diǎn)數(shù)據(jù)(如觀測(cè)水深遠(yuǎn)超出實(shí)際地形水深);剔除標(biāo)準(zhǔn)層次少于3層的站點(diǎn)數(shù)據(jù)以及溫、鹽、溶解氧值缺失過(guò)半的站點(diǎn)數(shù)據(jù);統(tǒng)一各參量的單位,對(duì)溶解氧數(shù)據(jù),統(tǒng)一使用μmol/L單位;按季節(jié)(時(shí)間)、5(°)×5(°)水平地理網(wǎng)格(空間)劃分?jǐn)?shù)據(jù)塊,利用各季節(jié)各網(wǎng)格內(nèi)的數(shù)據(jù)資料得到的溫-鹽點(diǎn)聚圖、深度與溶解氧含量點(diǎn)聚圖,結(jié)合西北太平洋和南海海域2條多年平均T-S曲線,通過(guò)主觀視覺(jué)檢驗(yàn),判斷舍棄同季節(jié)、同地理范圍內(nèi)發(fā)生明顯偏離的站點(diǎn)數(shù)據(jù)[16-17],剔除明顯不符合南海及北太平洋水體特征的數(shù)據(jù)。
圖3是研究海區(qū)內(nèi)各季節(jié)溶解氧含量(DO)與深度(D)的分區(qū)點(diǎn)聚圖。深度采用變比例尺坐標(biāo),比起正常深度坐標(biāo)和對(duì)數(shù)坐標(biāo),其優(yōu)勢(shì)在于不過(guò)分放大上層水體溶解氧結(jié)構(gòu),又能適當(dāng)壓縮處于深層、性質(zhì)穩(wěn)定、量值變化較小的溶解氧結(jié)構(gòu),突顯特征明確且與水團(tuán)結(jié)構(gòu)關(guān)系密切的水層。
分區(qū)點(diǎn)聚圖中,溶解氧含量具有明顯的分層現(xiàn)象。不同的深水區(qū)域,基本上以500~1 000 m間的深度為分界線,分界線上部水體在表層溶解氧含量較高、隨水深增加其量值不斷遞減、直至極小值出現(xiàn);分界線以下的溶解氧含量則在深水層次上比極小值稍有增加,而后維持量值幾乎不變,延伸至底層。
圖4所示的溶解氧含量有著與溫鹽關(guān)系曲線類似的垂直分布結(jié)構(gòu)。在呂宋海峽東部、南海北部及中部等水深較大的海區(qū),溶解氧于一定深度處出現(xiàn)了極小值。極小值基本不存在季節(jié)性差異,其出現(xiàn)的深度主要集中在700~1 200 m之間,平均深度約為860 m,已經(jīng)遠(yuǎn)離中層水的典型核心深度(500 m),處于中層水與深層水的界面附近,相應(yīng)深度處溶解氧含量平均為83.5μmol/L。具體結(jié)果如表1所示。
圖4 溶解氧垂直剖面Fig.4 The p rofiles of DO
楊嘉東[18]在分析1983—1985年南海中部海區(qū)的4個(gè)航次觀測(cè)資料時(shí)提到了該現(xiàn)象,并推測(cè)控制著溶解氧極小值終年穩(wěn)定存在的因素是有機(jī)物氧化對(duì)氧的消耗、表層氧含量由湍流擴(kuò)散而向深層運(yùn)送、密度躍層的終年存在以及來(lái)自太平洋的水體對(duì)深層氧的補(bǔ)充等。而本文認(rèn)為對(duì)于南海,唯一的深水交換通道是呂宋海峽,南海內(nèi)部溶解氧垂直結(jié)構(gòu)表現(xiàn)的特征與來(lái)自呂宋海峽東面的北太平洋中、深層水有關(guān)。
各種生化消耗與北太平洋中、深層水對(duì)溶解氧的補(bǔ)充達(dá)到了準(zhǔn)平衡狀態(tài),最終維持該極小值的穩(wěn)定存在,但卻不能解釋在極小值之后,溶解氧含量又開始緩慢增加的事實(shí)。圖4顯示出南海區(qū)域內(nèi)溶解氧極小值的深度比起呂宋外海黑潮區(qū)域發(fā)生了較大的變化,深度提升了約160 m。因南海內(nèi)部并不生成溶解氧含量相對(duì)較高的水團(tuán),所以這種現(xiàn)象的發(fā)生應(yīng)與呂宋海峽東西兩側(cè)的水交換有關(guān)。在水交換過(guò)程中進(jìn)入南海的北太平洋中、深層水,經(jīng)混合、變性,細(xì)微結(jié)構(gòu)發(fā)生變化。溶解氧極小值所在深度明顯變淺,表明北太平洋中、深層水于南海內(nèi)部存在顯著的抬升過(guò)程,水團(tuán)性質(zhì)有所改變。
表1 南海溶解氧垂向極小值的季節(jié)變化Table 1 Seasonal variation of the vertical minimum for DO in the SCS
由前面的點(diǎn)聚圖可知,某些海區(qū)的25~30℃、上100 m水體范圍內(nèi),存在溶解氧含量自表層向下先增加至極大值再減小的趨勢(shì),只是這種遞增的特征遠(yuǎn)不如極小值現(xiàn)象那樣清晰。為使現(xiàn)象更為顯著,考慮到溫度與深度的基本單調(diào)關(guān)系,將縱坐標(biāo)改成位溫(θ),橫坐標(biāo)保持不變,以突出溶解氧在上100 m層內(nèi)的垂直變化,得到位溫與溶解氧含量的點(diǎn)聚圖(見圖5)。
表2 南海溶解氧垂向極大值的季節(jié)變化Table 2 Seasonal variation of the vertical maximum fo r DO in the SCS
極大值現(xiàn)象在南海次表層以上水體(>20℃)中基本上終年存在,其出現(xiàn)的深度可輔助判斷次表層水團(tuán)上界。刁煥祥等[19]曾利用1959—1960年逐月觀測(cè)資料研究南海17°N以北海域上層溶解氧分布,發(fā)現(xiàn)南海北部除冬季外,其他季節(jié)均出現(xiàn)了極大值現(xiàn)象。本文的研究結(jié)果表明,極大值現(xiàn)象在春、夏2季明顯;秋、冬2季較弱。在秋、冬季,除南海中部個(gè)別區(qū)域,其余大部分海域水體垂向混合相當(dāng)充分,少有春、夏季清晰的極大值情況出現(xiàn)。不同季節(jié)溶解氧極大值變化特征列于表2。
相比表1,表2顯示出溶解氧極大值比極小值有著更為顯著的季節(jié)變化特征:
(1)極大值的大小季節(jié)變化明顯 冬、春2季溶解氧的極大值高于夏、秋季,平均值以春季最高(207.4 μmol/L),冬季次之,秋季最小(197.3μmol/L)。究其原因,溶解氧的溶解度與溫度成反比,所以海水溫度也是造成冬、春值大和夏、秋值小的原因之一;另外,在冬季季風(fēng)的作用下,黑潮區(qū)域高溶解氧含量的水體大量進(jìn)入南海,加之冬季季風(fēng)強(qiáng)烈的垂向混合作用,使得冬季上層水體中溶解氧含量極大值現(xiàn)象并不明顯,但整個(gè)水層卻保持著數(shù)值較大的狀態(tài)。
(2)極大值出現(xiàn)的深度也隨季節(jié)而變 春、夏季極大值出現(xiàn)的深度要明顯深于秋、冬季,其中夏季最深,超過(guò)50 m,冬季最淺,小于10 m。對(duì)比前人的結(jié)果[20-22],春、夏、秋3季的結(jié)果基本一致,但林洪瑛等[20-21]給出了冬季南沙海域溶解氧極大值高頻率地出現(xiàn)在20~30 m的結(jié)論,與本文所研究的整個(gè)南海海域的平均值不太一致,應(yīng)該是與數(shù)據(jù)來(lái)源和研究區(qū)域有關(guān),因?yàn)榱趾殓鹊慕Y(jié)果是基于對(duì)南沙群島附近海域綜合考察數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,而本文的結(jié)果則是基于南海內(nèi)部資料的全場(chǎng)平均。
溶解氧極大值出現(xiàn)的深度在夏季達(dá)到最深,導(dǎo)致該現(xiàn)象發(fā)生的原因可能來(lái)自2個(gè)方面:水溫和生物活動(dòng)。由于夏季的近表層溫度是4個(gè)季節(jié)中最高,而氣體溶解度與溫度有負(fù)相關(guān)關(guān)系,導(dǎo)致近表層水體中溶解氧含量降低;加之夏季的真光層中生物活動(dòng)頻繁,溶解氧消耗過(guò)快而未能得到及時(shí)補(bǔ)充;2個(gè)因素同時(shí)作用使得極大值出現(xiàn)的深度加深。冬季則與夏季條件截然相反。
鑒于海水中的氧含量會(huì)受到水溫、生物活動(dòng)等因素的影響,南海的溶解氧隨深度變化必然呈現(xiàn)出顯著的季節(jié)性和地域性特點(diǎn)。北太平洋海區(qū)、南海北部、南部以及沿岸都有著不同的D-DO分布趨勢(shì):
(1)淺水區(qū)與深水區(qū) 南海陸架區(qū)水深較淺,溶解氧的垂向分布也較為均勻。西北部陸架和南部巽他大陸架雖同為淺水海域,但因水溫差異而導(dǎo)致了溶解氧含量的不同。北部灣及廣東沿岸,溶解氧含量隨水溫降低、水深加深有所增加,變化范圍在180~250μmol/L之間;南部上層水溫變化較小,常年保持較為穩(wěn)定的高溫狀態(tài),溶解氧含量總體上要小于北部,變化范圍是
130~210μmol/L。但是在深水區(qū),溶解氧開始出現(xiàn)明顯的極大值、極小值結(jié)構(gòu);極大值在南海中部特別明顯,而極小值在南海中部、呂宋島以東的黑潮區(qū)、蘇祿海附近分布形態(tài)差異較大。
(2)呂宋海峽附近 呂宋海峽附近形成了有別于南海其他區(qū)域的溶解氧分布結(jié)構(gòu):無(wú)論D-DO還是θ-DO點(diǎn)聚圖都能清楚地展現(xiàn)出上層溶解氧均勻、混合層較厚,可以達(dá)到200~300 m,其間水體的溶解氧數(shù)值垂向變化不大,從混合層頂至底,僅有約43μmol/L的變化量。此后,溶解氧出現(xiàn)躍變,隨水深增加而迅速減小,衰減至極小值,再往下,溶解氧含量又呈現(xiàn)緩慢增加的特征。
(3)中南半島東部 位于中南半島東部外海(105°E~110°E,5°N~10°N)的分區(qū)點(diǎn)聚圖表明,秋、冬季節(jié),該區(qū)域上層的溶解氧值范圍較春、夏季大,冬季最為明顯,100 m以上的海水溶解氧含量分化成兩團(tuán)量值相差較大的水體。這種情況在其他海區(qū)并沒(méi)有出現(xiàn)。結(jié)合該海區(qū)冬季次表層環(huán)流狀況,推測(cè)有可能是冬季該處出現(xiàn)的上升流將較深層低溶解氧的水體帶入表層所致,但相應(yīng)的溫度剖面卻未能體現(xiàn)出相似的結(jié)構(gòu),其合理性有待進(jìn)一步驗(yàn)證。
(4)蘇祿海附近 南海東南部的蘇祿海水域,溶解氧垂向分布集中形成兩條曲線,其中1條曲線表明,部分水體的溶解氧含量在衰減至極小值后,沒(méi)有再隨水深略有增加,而是保持著數(shù)值幾乎不變的態(tài)勢(shì)向下延伸。另外,在(115°E~125°E,5°N~15°N)海域中,極小值出現(xiàn)的深度是200 m左右,這種極小值出現(xiàn)的層次已經(jīng)由南海內(nèi)部全場(chǎng)平均值860 m所對(duì)應(yīng)的中層水下部上升到了次表層下部。更為特殊的是靠近民都洛區(qū)域(120°E~125°E,10°N~15°N),終年存在2種性質(zhì)截然不同的水體,其中1種的垂直分布不再是簡(jiǎn)單的反“S”型,而是出現(xiàn)了2個(gè)極小值,并且與(115°E~120°E,10°N~15°N)內(nèi)的靠近蘇祿海的南海水體極為類似。作者認(rèn)為:通過(guò)民都洛水道,南海與蘇祿海之間必然存在水交換過(guò)程。
溶解氧的垂直結(jié)構(gòu)與水團(tuán)垂向分布有著密切的聯(lián)系。在水體的成層結(jié)構(gòu)中,溶解氧的分布隨水團(tuán)性質(zhì)變化而改變[23]。圖6展示了南海內(nèi)部季節(jié)平均的位溫-溶解氧含量曲線與位溫-鹽度曲線,以期利用兩者的對(duì)應(yīng)關(guān)系來(lái)探討溶解氧垂直分布與水團(tuán)結(jié)構(gòu)的聯(lián)系。
圖6 南海θ-Sθ,-DO平均曲線Fig.6 Seasonalmean curves forθ-S、θ-DO
整體來(lái)看,溶解氧的垂直結(jié)構(gòu)具有與θ-S關(guān)系曲線類似的反“S”形態(tài),只是在上層水體中溶解氧含量由低到高至極大值的趨勢(shì)在秋、冬季表現(xiàn)較弱。
溶解氧含量存在著季節(jié)性變化特征,特別是在17~30℃的水層內(nèi),其變化范圍通常在150~220μmol·L-1之間;而冬季時(shí)的含量為4季中最高的,全場(chǎng)平均的極大值超過(guò)204μmol·L-1,秋季次之,春、夏最小;但不論季節(jié)如何變化,溶解氧的極大值能夠較為穩(wěn)定地對(duì)應(yīng)著溫鹽曲線中的次表層水體上界,即位密值為22.5~23.5的水層。
4個(gè)季節(jié)的θ-DO曲線都表明,在溶解氧極大值的下方,存在溶解氧變化較為緩慢的穩(wěn)定階段,該階段跨越25.0等位密線,水溫在14.5~18.0℃間,所處深度為125~250 m。此現(xiàn)象在冬、春季較為明顯。在約100 m厚的水層中,溶解氧含量的變化量?jī)H為10μmol·L-1。與θ-S曲線對(duì)照,可發(fā)現(xiàn)溶解氧變化緩慢的過(guò)程與鹽度極大值部分有著良好的對(duì)應(yīng)關(guān)系,又因鹽度極大值通常代表著具有高鹽特征的次表層水團(tuán)的核心部分,所以可以證明溶解氧含量在次表層核心處也有著較為特殊的性質(zhì),利用該性質(zhì)可追蹤南海次表層水團(tuán),并將其作為水團(tuán)核心位置的輔助判斷標(biāo)準(zhǔn)。在這個(gè)穩(wěn)定階段之后,溶解氧和溫鹽曲線顯示出同步衰減的趨勢(shì)。
顯示的鹽度極小值與溶解氧含量極小值幾乎不存在季節(jié)性變化,兩者分別出現(xiàn)在7.5和4.8℃附近,其對(duì)應(yīng)深度約為550和860 m,鹽度極小值約為34.42,溶解氧極小值約為84μmol·L-1。雖然溶解氧含量的極小值與鹽度極小值深度并不重合,但作為中層和深層水團(tuán)交界處水體所獨(dú)有的表現(xiàn)特征,溶解氧既可以成為該層次的水團(tuán)分析指標(biāo),同時(shí)也有利于解決探尋水團(tuán)來(lái)源等問(wèn)題。
(1)溶解氧在垂直方向呈反“S”結(jié)構(gòu):隨著深度增加,量值先增大至極大值,然后遞減至極小值,再緩慢增加或維持大小不變。
(2)溶解氧垂向極大值所在的深度有明顯的季節(jié)變化:夏季最深,超過(guò)50 m,冬季最淺,小于10 m。極大值的平均值以春季最高(207.4μmol·L-1),冬季次之,秋季最小(197.3μmol·L-1)。
(3)溶解氧極小值所在深度無(wú)明顯的季節(jié)變化,平均深度在860 m附近,平均含量約為84μmol·L-1。南海內(nèi)部的溶解氧極小值特征與呂宋海峽東面的北太平洋中、深層水進(jìn)入南海后抬升有關(guān),其的影響范圍可以達(dá)到整個(gè)南海陸架以外深水區(qū)。巴拉望島東、西兩側(cè)的蘇祿海和南海,溶解氧垂直結(jié)構(gòu)有某種相似,表明該海區(qū)確實(shí)存在水交換。
(4)溶解氧的極大值能夠指示南海次表層水團(tuán)的上界;它垂向衰減最慢的深度是125~250 m,正對(duì)應(yīng)次表層水團(tuán)的高鹽核心,可作為追蹤次表層水團(tuán)特征的指標(biāo)。
致謝:本文所用溫、鹽、溶解氧數(shù)據(jù)均來(lái)自World Ocean Database 2005的http://www.nodc.noaa.gov/OC5/WOD05/p r_wod05.htm l數(shù)據(jù)集,水深地形數(shù)據(jù)ETOPO5來(lái)自于http://www.ngdc.noaa.gov/mgg/fliers/93mgg01.htm l。
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