南海溶解氧垂直结构的季节变化分析*

刘 洋,鲍献文,吴德星

(中国海洋大学海洋环境学院物理海洋实验室,山东青岛266100)

溶解氧(DO)通常是指通过大气交换或经生物、化学反应溶解于海水中的氧气。它是海洋生命活动不可缺少的重要物质,也是衡量海水环境质量的标准之一[1]。传统的物理海洋研究过程将温度、盐度视为常用参量,水团分析也主要建立在对温、盐特性划分的基础上[2-4],作为生化要素之一的溶解氧因其测量手段和数据量的限制而较少出现于其中。但由于溶解氧含量的高低能够直接影响海洋生物的生长发育,尤其是它与真光层内的初级生产力关系密切,所以在生物地球化学研究中,溶解氧含量的变化受到了充分地关注,但也只局限于海水表层范围内[5-6]。

南海作为北太平洋最大的边缘海,平均水深可达1 200 m,中央西南-东北走向的菱形深水海盆面积约占整个南海总面积的一半。特殊的地理位置和复杂的地形条件使得南海兼具深海大洋和陆架浅海的水文特征。在绝大部分海域,其垂向水团结构较为稳定。基于温、盐参量,前人已经作过大量的垂向水团分析工作[7-15],但对于表层以下水体中较为保守的溶解氧垂向分布与水团对应关系仍知之甚少。有鉴于此,本文收集、整理了多年的溶解氧观测资料并进行统计分析,研究其垂直结构及季节变化规律,试图将溶解氧变量引进水团分析中。

图1 南海溶解氧数据时间分布统计图Fig.1 Statistic result fo r the tempo ral distribution of the DO data in the SCS

1 数据介绍及处理

1.1 数据介绍

本文使用的实测资料来自World Ocean Database 2005(WOD05)数据集中标准层数据。覆盖空间105°E～125°E,0°N～25°N,包括南海、苏禄海、苏拉威西海以及吕宋海峡以东的北太平洋部分海区。统计结果显示,各月份的观测资料数量相近,站位分布均匀,空间覆盖情况较好,因此资料总体上应该能够客观地反映出南海水体中溶解氧要素的气候态时空变化特征。数据的具体时空分布情况如图1和图2所示。

图2 南海溶解氧数据空间分布统计图Fig.2 Statistic result for the spatial distribution of the DO data in the SCS

1.2 数据处理

实测资料因来源广泛、时间跨度较大,会导致数据质量和格式的差异,所以在具体应用前作者对其进行了必要的质量控制。在此过程中需兼顾温、盐和溶解氧参量各自的特点,具体处理步骤包括:剔除无法确定观测位置和时间的站点数据;以ETOPO5地形资料为参考,剔除超出研究区域范围和观测位置明显有误的站点数据(如观测水深远超出实际地形水深);剔除标准层次少于3层的站点数据以及温、盐、溶解氧值缺失过半的站点数据;统一各参量的单位,对溶解氧数据,统一使用μmol/L单位;按季节(时间)、5(°)×5(°)水平地理网格(空间)划分数据块,利用各季节各网格内的数据资料得到的温-盐点聚图、深度与溶解氧含量点聚图,结合西北太平洋和南海海域2条多年平均T-S曲线,通过主观视觉检验,判断舍弃同季节、同地理范围内发生明显偏离的站点数据[16-17],剔除明显不符合南海及北太平洋水体特征的数据。

2 溶解氧的垂向极值现象及其季节变化

图3是研究海区内各季节溶解氧含量(DO)与深度(D)的分区点聚图。深度采用变比例尺坐标,比起正常深度坐标和对数坐标,其优势在于不过分放大上层水体溶解氧结构,又能适当压缩处于深层、性质稳定、量值变化较小的溶解氧结构,突显特征明确且与水团结构关系密切的水层。

分区点聚图中,溶解氧含量具有明显的分层现象。不同的深水区域,基本上以500～1 000 m间的深度为分界线,分界线上部水体在表层溶解氧含量较高、随水深增加其量值不断递减、直至极小值出现;分界线以下的溶解氧含量则在深水层次上比极小值稍有增加,而后维持量值几乎不变,延伸至底层。

2.1 溶解氧极小值

图4所示的溶解氧含量有着与温盐关系曲线类似的垂直分布结构。在吕宋海峡东部、南海北部及中部等水深较大的海区,溶解氧于一定深度处出现了极小值。极小值基本不存在季节性差异,其出现的深度主要集中在700～1 200 m之间,平均深度约为860 m,已经远离中层水的典型核心深度(500 m),处于中层水与深层水的界面附近,相应深度处溶解氧含量平均为83.5μmol/L。具体结果如表1所示。

图4 溶解氧垂直剖面Fig.4 The p rofiles of DO

杨嘉东[18]在分析1983—1985年南海中部海区的4个航次观测资料时提到了该现象,并推测控制着溶解氧极小值终年稳定存在的因素是有机物氧化对氧的消耗、表层氧含量由湍流扩散而向深层运送、密度跃层的终年存在以及来自太平洋的水体对深层氧的补充等。而本文认为对于南海,唯一的深水交换通道是吕宋海峡,南海内部溶解氧垂直结构表现的特征与来自吕宋海峡东面的北太平洋中、深层水有关。

各种生化消耗与北太平洋中、深层水对溶解氧的补充达到了准平衡状态,最终维持该极小值的稳定存在,但却不能解释在极小值之后,溶解氧含量又开始缓慢增加的事实。图4显示出南海区域内溶解氧极小值的深度比起吕宋外海黑潮区域发生了较大的变化,深度提升了约160 m。因南海内部并不生成溶解氧含量相对较高的水团,所以这种现象的发生应与吕宋海峡东西两侧的水交换有关。在水交换过程中进入南海的北太平洋中、深层水,经混合、变性,细微结构发生变化。溶解氧极小值所在深度明显变浅,表明北太平洋中、深层水于南海内部存在显著的抬升过程,水团性质有所改变。

表1 南海溶解氧垂向极小值的季节变化Table 1 Seasonal variation of the vertical minimum for DO in the SCS

2.2 溶解氧极大值

由前面的点聚图可知,某些海区的25～30℃、上100 m水体范围内,存在溶解氧含量自表层向下先增加至极大值再减小的趋势,只是这种递增的特征远不如极小值现象那样清晰。为使现象更为显著,考虑到温度与深度的基本单调关系,将纵坐标改成位温(θ),横坐标保持不变,以突出溶解氧在上100 m层内的垂直变化,得到位温与溶解氧含量的点聚图(见图5)。

表2 南海溶解氧垂向极大值的季节变化Table 2 Seasonal variation of the vertical maximum fo r DO in the SCS

极大值现象在南海次表层以上水体(>20℃)中基本上终年存在,其出现的深度可辅助判断次表层水团上界。刁焕祥等[19]曾利用1959—1960年逐月观测资料研究南海17°N以北海域上层溶解氧分布,发现南海北部除冬季外,其他季节均出现了极大值现象。本文的研究结果表明,极大值现象在春、夏2季明显;秋、冬2季较弱。在秋、冬季,除南海中部个别区域,其余大部分海域水体垂向混合相当充分,少有春、夏季清晰的极大值情况出现。不同季节溶解氧极大值变化特征列于表2。

相比表1,表2显示出溶解氧极大值比极小值有着更为显著的季节变化特征:

(1)极大值的大小季节变化明显 冬、春2季溶解氧的极大值高于夏、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,溶解氧的溶解度与温度成反比,所以海水温度也是造成冬、春值大和夏、秋值小的原因之一;另外,在冬季季风的作用下,黑潮区域高溶解氧含量的水体大量进入南海,加之冬季季风强烈的垂向混合作用,使得冬季上层水体中溶解氧含量极大值现象并不明显,但整个水层却保持着数值较大的状态。

(2)极大值出现的深度也随季节而变 春、夏季极大值出现的深度要明显深于秋、冬季,其中夏季最深,超过50 m,冬季最浅,小于10 m。对比前人的结果[20-22],春、夏、秋3季的结果基本一致,但林洪瑛等[20-21]给出了冬季南沙海域溶解氧极大值高频率地出现在20～30 m的结论,与本文所研究的整个南海海域的平均值不太一致,应该是与数据来源和研究区域有关,因为林洪瑛等的结果是基于对南沙群岛附近海域综合考察数据进行分析,而本文的结果则是基于南海内部资料的全场平均。

溶解氧极大值出现的深度在夏季达到最深,导致该现象发生的原因可能来自2个方面:水温和生物活动。由于夏季的近表层温度是4个季节中最高,而气体溶解度与温度有负相关关系,导致近表层水体中溶解氧含量降低;加之夏季的真光层中生物活动频繁,溶解氧消耗过快而未能得到及时补充;2个因素同时作用使得极大值出现的深度加深。冬季则与夏季条件截然相反。

3 溶解氧垂直结构的地域分布特征

鉴于海水中的氧含量会受到水温、生物活动等因素的影响,南海的溶解氧随深度变化必然呈现出显著的季节性和地域性特点。北太平洋海区、南海北部、南部以及沿岸都有着不同的D-DO分布趋势:

(1)浅水区与深水区 南海陆架区水深较浅,溶解氧的垂向分布也较为均匀。西北部陆架和南部巽他大陆架虽同为浅水海域,但因水温差异而导致了溶解氧含量的不同。北部湾及广东沿岸,溶解氧含量随水温降低、水深加深有所增加,变化范围在180～250μmol/L之间;南部上层水温变化较小,常年保持较为稳定的高温状态,溶解氧含量总体上要小于北部,变化范围是

130～210μmol/L。但是在深水区,溶解氧开始出现明显的极大值、极小值结构;极大值在南海中部特别明显,而极小值在南海中部、吕宋岛以东的黑潮区、苏禄海附近分布形态差异较大。

(2)吕宋海峡附近 吕宋海峡附近形成了有别于南海其他区域的溶解氧分布结构:无论D-DO还是θ-DO点聚图都能清楚地展现出上层溶解氧均匀、混合层较厚,可以达到200～300 m,其间水体的溶解氧数值垂向变化不大,从混合层顶至底,仅有约43μmol/L的变化量。此后,溶解氧出现跃变,随水深增加而迅速减小,衰减至极小值,再往下,溶解氧含量又呈现缓慢增加的特征。

(3)中南半岛东部 位于中南半岛东部外海(105°E～110°E,5°N～10°N)的分区点聚图表明,秋、冬季节,该区域上层的溶解氧值范围较春、夏季大,冬季最为明显,100 m以上的海水溶解氧含量分化成两团量值相差较大的水体。这种情况在其他海区并没有出现。结合该海区冬季次表层环流状况,推测有可能是冬季该处出现的上升流将较深层低溶解氧的水体带入表层所致,但相应的温度剖面却未能体现出相似的结构,其合理性有待进一步验证。

(4)苏禄海附近 南海东南部的苏禄海水域,溶解氧垂向分布集中形成两条曲线,其中1条曲线表明,部分水体的溶解氧含量在衰减至极小值后,没有再随水深略有增加,而是保持着数值几乎不变的态势向下延伸。另外,在(115°E～125°E,5°N～15°N)海域中,极小值出现的深度是200 m左右,这种极小值出现的层次已经由南海内部全场平均值860 m所对应的中层水下部上升到了次表层下部。更为特殊的是靠近民都洛区域(120°E～125°E,10°N～15°N),终年存在2种性质截然不同的水体,其中1种的垂直分布不再是简单的反“S”型,而是出现了2个极小值,并且与(115°E～120°E,10°N～15°N)内的靠近苏禄海的南海水体极为类似。作者认为:通过民都洛水道,南海与苏禄海之间必然存在水交换过程。

4 溶解氧的垂直分布与θ-S曲线

溶解氧的垂直结构与水团垂向分布有着密切的联系。在水体的成层结构中,溶解氧的分布随水团性质变化而改变[23]。图6展示了南海内部季节平均的位温-溶解氧含量曲线与位温-盐度曲线,以期利用两者的对应关系来探讨溶解氧垂直分布与水团结构的联系。

图6 南海θ-Sθ,-DO平均曲线Fig.6 Seasonalmean curves forθ-S、θ-DO

整体来看,溶解氧的垂直结构具有与θ-S关系曲线类似的反“S”形态,只是在上层水体中溶解氧含量由低到高至极大值的趋势在秋、冬季表现较弱。

溶解氧含量存在着季节性变化特征,特别是在17～30℃的水层内,其变化范围通常在150～220μmol·L-1之间;而冬季时的含量为4季中最高的,全场平均的极大值超过204μmol·L-1,秋季次之,春、夏最小;但不论季节如何变化,溶解氧的极大值能够较为稳定地对应着温盐曲线中的次表层水体上界,即位密值为22.5～23.5的水层。

4个季节的θ-DO曲线都表明,在溶解氧极大值的下方,存在溶解氧变化较为缓慢的稳定阶段,该阶段跨越25.0等位密线,水温在14.5～18.0℃间,所处深度为125～250 m。此现象在冬、春季较为明显。在约100 m厚的水层中,溶解氧含量的变化量仅为10μmol·L-1。与θ-S曲线对照,可发现溶解氧变化缓慢的过程与盐度极大值部分有着良好的对应关系,又因盐度极大值通常代表着具有高盐特征的次表层水团的核心部分,所以可以证明溶解氧含量在次表层核心处也有着较为特殊的性质,利用该性质可追踪南海次表层水团,并将其作为水团核心位置的辅助判断标准。在这个稳定阶段之后,溶解氧和温盐曲线显示出同步衰减的趋势。

显示的盐度极小值与溶解氧含量极小值几乎不存在季节性变化,两者分别出现在7.5和4.8℃附近,其对应深度约为550和860 m,盐度极小值约为34.42,溶解氧极小值约为84μmol·L-1。虽然溶解氧含量的极小值与盐度极小值深度并不重合,但作为中层和深层水团交界处水体所独有的表现特征,溶解氧既可以成为该层次的水团分析指标,同时也有利于解决探寻水团来源等问题。

5 结论

(1)溶解氧在垂直方向呈反“S”结构:随着深度增加,量值先增大至极大值,然后递减至极小值,再缓慢增加或维持大小不变。

(2)溶解氧垂向极大值所在的深度有明显的季节变化:夏季最深,超过50 m,冬季最浅,小于10 m。极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)溶解氧极小值所在深度无明显的季节变化,平均深度在860 m附近,平均含量约为84μmol·L-1。南海内部的溶解氧极小值特征与吕宋海峡东面的北太平洋中、深层水进入南海后抬升有关,其的影响范围可以达到整个南海陆架以外深水区。巴拉望岛东、西两侧的苏禄海和南海,溶解氧垂直结构有某种相似,表明该海区确实存在水交换。

(4)溶解氧的极大值能够指示南海次表层水团的上界;它垂向衰减最慢的深度是125～250 m,正对应次表层水团的高盐核心,可作为追踪次表层水团特征的指标。

致谢:本文所用温、盐、溶解氧数据均来自World Ocean Database 2005的http://www.nodc.noaa.gov/OC5/WOD05/p r_wod05.htm l数据集,水深地形数据ETOPO5来自于http://www.ngdc.noaa.gov/mgg/fliers/93mgg01.htm l。

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