山东半岛位于中国北部, 毗邻渤海和黄海, 海域广阔, 具有丰富的海洋资源, 海洋渔业位于全国前列, 但长期过度捕捞、环境污染及产卵场破坏等导致近几年渔业资源急速衰退、海洋荒漠化问题严重。为此, 山东省高度重视并积极开展海洋生态修复工作, 于2005年开始全省海洋牧场的建设, 于2014年进一步提出“蓝黄两区”及“海上粮仓”发展计划, 大力开展海洋牧场建设, 将海洋牧场打造成“海上粮仓”核心区(翟方国等, 2020)。但是随着海洋牧场的大力建设发展, 海洋生态灾害造成的生态和经济损失也日益突出。目前, 山东半岛周边海域海洋生态环境安全保障已成为亟须解决的问题。

海水中的溶解氧(dissolved oxygen, DO)是重要的海洋环境参数, 与海洋动植物生长以及海洋渔业发展密切相关, 故厘清海水DO的时空变化规律及其物理-生态机制至关重要。关于黄海海水DO季节尺度的时空变化研究已有不少成果, 由于复杂的海洋动力、生态环境和人类活动的影响, 我国黄海海域海水DO存在显著的季节变化特征, 并且不同季节DO浓度变化的主导因素不尽相同(宋国栋等, 2007; 辛明等, 2013; 石强, 2016; 刘春利等, 2017)。这些研究主要集中在水深较大、离岸较远的区域。近年来也有些研究者利用山东省海洋牧场观测网的观测数据, 对部分海洋牧场海水DO的时空变化特征和影响机制进行了研究。刘禹铖等(2019)在天鹅湖海洋牧场研究得到2016年7~10月底层海水DO浓度呈先下降后上升的变化趋势, 还指出近岸DO浓度受到潮流输运过程的影响, 涨潮时海水DO浓度升高, 而落潮时降低。李兆钦等(2019)阐明了刘公岛海洋牧场底层海水DO浓度以季节变化为主, 其主要因素是海水温度; 夏季海水层结使DO浓度降低, 而大风过程会打破温跃层为海底提供氧气, 王心怡等(2020)对西港海洋牧场底层海水DO的研究也有类似结论。孙利元等(2021)指出夏季烟台-威海北部近海DO浓度垂向分布最小值形成的必要条件是密度层结抑制垂向湍流扩散, 而生物地球化学耗氧是控制其形成和空间分布的重要过程。Zhai等(2021)研究了山东半岛东北部海水养殖区夏季底层DO浓度年际变化及其物理机制, 得到在年际时间尺度上, 海水层结强度和底层DO浓度呈现同步变化, 并与由偏南季风驱动的底层向岸平流有关。虽然近几年海洋牧场DO的研究有所增加, 但只是针对单点观测, 无法对同时刻DO浓度空间差异进行探究。

基于此, 本研究利用2021年4~12月烟台-威海北部海域4个海洋牧场观测站的同步、连续观测资料, 进行多点联合研究, 探究该海域海水DO在季节尺度上的时间变化和空间分布特征, 揭示其物理机制, 进一步系统完善对该海域海水DO浓度的时空变化特征及其影响机制的研究。

1 数据与方法 1.1 数据

本研究采用的数据主要是2021年4~12月烟台-威海北部4个海洋牧场海床基连续观测站的同步观测资料, 还利用2021年3月、4月、6月、7月、8月和9月共14次大面调查获取的海水pH观测数据以及卫星观测资料、ERA5再分析资料进行辅助分析。

连续观测资料取自东宇南部、东宇北部、瑜泰和瑜泰北部海洋牧场在线观测系统, 包含了水深、DO浓度、温度、盐度和叶绿素浓度数据, 均为系统搭载的温盐深仪(conductivity temperature depth, CTD)获得的底层观测结果。各连续观测站位置分布如图 1所示: 东宇南部最靠近岸边, 东宇北部与瑜泰基本呈纬向分布, 瑜泰与瑜泰北部大体呈经向分布, 瑜泰北部位于最北边。时间范围、经度、纬度和平均观测水深如表 1所示, 结合站位分布情况(图 1)可知, 东宇南部离岸最近, 观测水深最浅; 瑜泰北部离岸最远, 观测水深最深, 平均超过20 m; 东宇北部和瑜泰平均观测水深较接近。

图 2展示了2021年威海东北部大面调查断面分布情况, 各月经向断面站点分布较为一致, 沿断面方向水深变化不大, 基本保持在20 m左右; 3、4、6月纬向断面站点分布较为一致, 而7、8、9月站点分布与之差别较大, 其中7月和9月各有两次大面调查。大面调查采用日本亚力克公司生产的多参数水质仪(型号: AAQ171), 观测频率为4 Hz。

卫星观测资料使用的是MURSST (Multi-sensor Ultra-high Resolution SST), 用以分析连续观测站夏季的层结情况。其为由多个卫星的海表温度(sea surface temperature, SST)二级数据产品合并而成的4级高分辨率日均海表面温度数据集, 以空间分辨率0.01°×0.01°覆盖全球海洋, 跨度从2002年至今, 数据原始来源为NASA/JPL Physical Oceanography Distributed Active Archire Cinter (PO DAAC), 以Zarr格式提供。

为了探讨天气过程对DO浓度的影响, 本文采用了欧洲中期天气预报中心(European Centre for Medium-Range Weather Forecasts, ECMWF)提供的ERA5再分析数据集, 主要使用的变量是海面10 m高度风和海面2 m高度空气温度, 空间分辨率为0.25°×0.25°, 时间间隔为1 h, 时间范围为2021年4月1日至12月20日, 通过线性插值得到研究海域的海面风和海面气温, 天平均处理得到时间序列。

1.2 方法

对于连续观测资料, 温度、盐度、DO浓度和叶绿素浓度数据进行天平均处理。对于大面观测的海水pH资料, 选取多参数水质仪下放过程的观测数据, 每0.5 m水深取一层, 与站点纬度或经度形成二维网格, 对数据进行插值, 以形成网格数据。

为了探讨水文生化过程对DO浓度分布的影响, 计算了饱和溶解氧浓度、溶解氧饱和度和表观耗氧量。借鉴李兆钦等(2019)计算DO相关参数的方法, 其中, 饱和溶解氧浓度的计算采用Garcia等(1992)改进过的公式, 溶解氧饱和度为观测溶解氧浓度与饱和溶解氧浓度之比, 表观耗氧量为饱和溶解氧浓度与观测溶解氧浓度之差, 其可以很好地表征生物地球化学过程消耗的DO。

2 结果 2.1 溶解氧浓度

表 2为4个连续观测站各季节的DO浓度平均值, 从量值上展示出各季节的DO浓度差异。按照北半球气象学划分, 计算得到DO浓度春季最高, 秋季大于夏季。由于东宇南部、东宇北部以及瑜泰北部缺少冬季观测数据, 并且瑜泰冬季数据质量较差, 本文不对冬季DO浓度的特征进行分析和比较。图 3展示了4个连续观测站的DO浓度时间序列, 发现研究海域未出现低氧现象[DO浓度 < 2 mg/L (Diaz, 2001; 李道季等, 2002)], 并表现出显著的随季节变化特征, 即从春季到夏季逐渐降低, 从夏季到秋季逐渐升高, 各观测站海水DO浓度均在8月20日左右达到最低值, 而在11月中下旬达到最高值。

图 4a对比展示了4个海洋牧场连续观测站底层DO浓度的差异, 结合各观测站位置来看, 瑜泰北部位于最北端, 总体上各月DO浓度均小于其余3个观测站, 但其8月份与东宇北部DO浓度值相近, 推测与二者水深都较深有关; 东宇南部位于最南端, 除9月中旬至10月上旬外DO浓度是各站中最大的, 可能是由于该站最靠近岸边且水深最浅; 而9月中旬至10月上旬, 东宇南部、东宇北部和瑜泰DO浓度差距不大。由图 1已知东宇北部与瑜泰基本呈纬向分布, 瑜泰与瑜泰北部大体呈经向分布, 为了更直观地分析DO浓度纬向、经向分布特征, 图 4b和图 4c分别展示了瑜泰和东宇北部、瑜泰和瑜泰北部的DO浓度差, 可以看出, 仅8月中下旬和11月下旬瑜泰DO浓度略高于东宇北部, 其余月份DO浓度东西方向差异不大; 瑜泰DO浓度基本上在各月均大于瑜泰北部, 即底层DO浓度南大北小。综上, 在研究海域, 海水底层DO浓度在夏、秋季节纬向差异整体不大, 瑜泰DO浓度在夏季以及11月下旬略高于东宇北部; 而在春、夏和秋季, 经向上DO浓度均南高北低, 并且春季和秋季差异更大, 在夏季差异有所减小。特别的是东宇南部、东宇北部和瑜泰DO浓度在11月中旬出现快速升高的现象(图 4a黑圈处)。

2.2 饱和溶解氧、溶解氧饱和度和表观耗氧量

图 5a为温盐调控下的饱和溶解氧浓度, 在4个连续观测站其均表现出和观测DO浓度一致的季节变化趋势, 从春季到夏季逐渐降低继而到秋季逐渐升高; 饱和溶解氧浓度的空间差异并不显著, 仅东宇南部饱和溶解氧浓度在7、8月略低于其他观测站, 而在10、11月略高, 以及瑜泰北部饱和溶解氧浓度在7月略高于瑜泰。将溶解氧饱和度和表观耗氧量(apparent oxygence utilization, AOU)结合分析(图 5b、5c), 从春季到夏季溶解氧饱和度减小, 最小可至50%, AOU逐渐增大。除东宇南部外, 夏季AOU > 0, 8月中旬DO不饱和程度以及AOU达到最大, 夏季到秋季AOU逐渐减小为负值, DO积累达到饱和或过饱和。瑜泰北部各月AOU > 0, DO被消耗始终处于不饱和状态, 而东宇南部则基本与之相反。可以发现, 在各季节底层DO不饱和程度以及其消耗总是北边大于南边, 且春、秋季节差异比夏季更大, 而溶解氧饱和度和AOU在纬向上相近, 这与底层DO浓度空间分布特征相对应。

3 讨论 3.1 温盐物理调控

已有许多研究得出海水温度和盐度对DO浓度有一定影响(Younjoo et al, 2008; Wei et al, 2019)。由图 6a可看出, 各连续观测站海水温度均具有显著的季节变化特征, 从春季到夏季逐渐升高, 从夏季到秋季逐渐降低。春季和秋季, 各观测站之间海水温度差异不大; 夏季东宇南部温度最高, 瑜泰北部温度最低, 东宇北部和瑜泰温度相近, 即海水温度南部大于北部, 而东西向差异较小。已知温度越高, 氧的溶解度越小, 结合底层DO的时空分布特征, 推测其随季节变化的特征可能受到海水温度季节变化的影响, 而其空间分布差异也许与温度的物理调控没有直接关系。如图 6b所示, 各连续观测站海水盐度没有明显的季节变化特征, 故其对DO浓度季节变化的影响还需进一步分析。图 7对比了分别由实际温盐、实际盐度和平均温度以及实际温度和平均盐度计算得到的饱和溶解氧浓度, 发现海水温度是底层DO浓度有上述季节变化的主要影响因素, 而盐度对DO浓度季节变化以及空间差异的影响可以忽略不计。

上文分析得到, 连续观测的底层DO浓度以及海水温度具有显著季节变化特征, 并且图 8展示出DO浓度和海水温度随时间有相反的变化趋势, 即春季到夏季温度升高时, DO浓度下降, 夏季到秋季温度降低时, DO浓度逐渐升高。计算两者同期相关系数(表 3), 得到4个海洋牧场连续观测站的DO浓度和海水温度同期相关系数均在−0.85左右, 即两者有明显负相关关系, 进一步说明了DO浓度的季节变化趋势主要由海水温度进行物理调控。

线性拟合求得DO浓度和海水温度在升高以及降低阶段的变化速率(表 3), 对比可得: 温度升高(下降)得越快, DO浓度下降(升高)得越快, 反之越慢, 再次印证了DO浓度对温度季节变化的响应。

3.2 层结

已知4个海洋牧场连续观测站的DO浓度均在夏季降低并且达到最低值, 但如果只有海水温度的物理调控, 并不能使夏季DO浓度降低到观测结果所显示的程度(图 7)。有研究者得出, 对于在夏季经常出现的沿海底层海水低氧现象, 层结被认为是限制DO物理供应的主要因素, 因为层结阻碍了底层水与富氧表层水的交换(Diaz, 2001; Fennel et al, 2019), 并且在该海域夏季确有季节性温跃层存在(李兆钦等, 2019; 刘禹铖等, 2019; 王心怡等, 2020; Zhai et al, 2021), 故4个连续观测站DO浓度在夏季降低, 而且在8月20日左右达到最低值, 很可能是海水季节性层结所致。对于4个连续观测站, 用海表与海底的温差来作为海水层结强度的指标, 海表温度使用的是MURSST数据。

分析图 9可知, 在4月和5月, 以及从8月20日左右至12月, 表底温差在0附近波动, 层结较弱; 而在6、7月至8月上、中旬表底温差较大, 即海水温度层结较强, 说明4个连续观测站夏季DO浓度降低并至最小值, 是季节性层结阻碍了表底海水交换所致。此外, 东宇南部、东宇西部和瑜泰在11月份表底温差减小为0时, 对应AOU也明显减小, 说明此时海水充分垂向混合, 表层丰沛的DO可以到达底层, 使得底层海水AOU减小, DO浓度升高达到过饱和状态。另外, 表底温差最大值即层结最强出现在7月下旬(7月20日之后), 而AOU最大值(DO浓度最小值)出现在8月20日左右(蓝色虚线标明), 也就是层结转弱的时候, 即二者有近一个月的时间差。

在夏季, 瑜泰北部DO浓度小于瑜泰, 而瑜泰DO浓度又略高于东宇北部, 并且东宇南部DO浓度最大。图 10展示了各连续观测站夏季层结强度的空间差异: 瑜泰北部海水层结强度从6月下旬至8月中旬一直明显强于瑜泰; 东宇北部海水层结强度虽然在7月份弱于瑜泰北部, 但整体强于瑜泰; 东宇南部层结最弱, 即在经向上, 北边季节性层结要比南边更强, 而在纬向上层结强度差异较小。综上, 海水层结强度的空间分布差异导致了研究海域夏季底层DO浓度在经向上南边大于北边, 而在纬向上东边略大于西边。

3.3 生化过程

生化过程也是造成DO浓度季节差异的一个重要因素。Wang等(2018)研究得出DO与浮游植物总量呈负相关, 并证明了初级生产力对DO的影响。春季到夏季透光层内浮游植物的繁殖、有机质沉积及其耗氧分解为夏季底部低氧的形成提供了条件(Wei et al, 2019)。

在东宇南部、东宇北部和瑜泰, DO浓度在11月中旬显著升高(图 4a黑圈处), 但是海水温度并没有明显降低(图 6a), 又发现11月中旬在这3个连续观测站叶绿素浓度有快速升高的现象(图 11), 故考虑可能是生化过程对DO浓度的变化有一定影响。由于瑜泰北部缺少叶绿素数据, 在此不对该观测站做分析。由图 11可知, 叶绿素浓度并无显著季节变化, 说明其不是导致DO季节变化趋势的主要因素; 整体上东宇北部叶绿素浓度最小, 瑜泰最大; 东宇南部叶绿素和AOU有较明显的负相关关系, 在10~11月二者的相关系数为−0.87, 但东宇北部和瑜泰二者关系并不显著, 然而11月中旬近岸3个观测站都出现了叶绿素显著升高同时AOU显著减小的现象。

查阅《2021年中国海洋灾害公报》(2022), 发现烟威近岸海域的主要赤潮过程发生在11月27日至12月16日, 故11月中旬研究海域叶绿素显著升高并非由于发生赤潮; 近岸3个站位间水深差异较大, 却都存在上述叶绿素和AOU快速变化的现象。综合上述两点, 考虑上述现象可能是极端的天气过程增强了海水垂向混合所致。ERA5数据显示, 研究海域在2021年11月10日左右确实发生了持续4 d风速大于8 m/s的大风天气, 风向东南(图 12)。根据上文分析已知, 在11月中上旬, 3个观测站的表底温差减小至0和叶绿素浓度显著增大、AOU显著减小的时间一致(图 9、图 11), 与风速时间序列对比发现, 三者均滞后于大风过程3~4 d。11月上旬大风过后的几天内气温并未骤降反而略有升高(图 12b), 故查阅历史天气, 发现该时间内多为晴朗天气。综上推测, 可能是大风引起海底有机物悬浮、海水中营养盐增多, 浮游植物得以大量繁殖, 加之天气晴朗阳光充足促进其光合作用的进行, 使上层海水中叶绿素和DO浓度增加, 之后表底温差降至0, 海水层结消失, 海水充分垂向混合, 丰富的DO和叶绿素随之到达底层, 导致叶绿素显著增多、AOU显著减小, 同时底层DO浓度快速升高的现象(图 4a黑圈处)。

根据上文分析得出, 底层DO浓度在夏季达到最小值, AOU达到最大值, 除了夏季海水层结阻碍DO物理供应外是否也有生化过程在起作用, 还需要分析该海域海水pH时空分布情况来做进一步探究。由于连续观测资料缺少pH数据, 本研究使用在该海域大面观测得到的pH数据进行补充。图 13、图 14展示了经、纬向断面海水pH分布情况, 发现该海域未出现酸化现象(pH在8.35~8.65)。从各月观测断面海水pH可看出, pH从春季到夏季减小, 8月份最小, 8月到9月增大, 并且pH有明显随深度减小的趋势, 说明夏季底层生化作用比其他季节更活跃, 同时耗氧也更多。结合底层DO浓度和AOU季节分布特征, 夏季DO浓度最低可能不仅是由于层结阻碍底层DO物理供应, 还存在夏季海底生物化学耗氧过程更活跃的因素。

4 结论

本文基于2021年4~12月山东半岛烟台-威海北部海洋牧场区域4处连续观测站的长期、同步观测数据, 分析了该海域底层DO的季节变化特征, 并探讨了影响DO浓度的物理机制。在时间上, 4个连续观测站的DO浓度均表现出明显的季节变化特征, 即从春季到夏季逐渐降低, 从夏季到秋季逐渐升高, 这种季节变化趋势主要由温度进行物理调控; 各观测站底层DO浓度均在夏季降低, 并且在8月20日左右达到最低值, 海水层结限制DO垂向物理供应是主要因素, 其阻碍了底层水与上层富氧水的交换, 并且夏季海底生化作用更活跃, 消耗DO增多。在空间上, 夏季位于最南边的东宇南部DO浓度最大, 并且DO浓度在南北方向上瑜泰 > 瑜泰北部, 东西方向上瑜泰 > 东宇北部, 这是海水层结强度的空间差异所致, 层结强度越大底层DO浓度越低; 在春季和秋季, DO浓度纬向差异整体不大, 而在经向上DO浓度北边显著小于南边, 这是由于在春、秋季海水层结很弱, 底层DO通过海水垂向混合得以补充, 并且水深更浅的瑜泰DO更容易到达海底而呈饱和或过饱和状态, 而水深更深的瑜泰北部底层DO仍处于不饱和状态; 春、秋季DO浓度南北差异比夏季更大, 是因为夏季层结阻碍作用, 各观测站处的底层DO均不易得到物理供应而处于不饱和状态, 并且南边DO降低更快, 故南北差异减小。近岸3个观测站底层DO浓度在11月中旬快速升高, 叶绿素浓度也显著增加, 推测该现象可能是海水垂向混合的结果, 即持续大风天气引起浮游生物大量繁殖, 加之天气晴朗促进其光合作用的进行, 上层海水中叶绿素和DO浓度增加, 之后海水层结消失, 海水充分垂向混合, 最终导致底层叶绿素显著增多, 同时DO浓度快速升高。本研究使用长期的连续观测数据, 首次对烟台-威海北部海域4个海洋牧场观测站进行了多点联合研究, 进一步补充和完善了该海域海水DO浓度季节尺度的时空变化特征及影响机制的研究理论。