夏季黄东海硝酸盐垂向扩散通量的分析*

吕雯瑾 孙 群 王思佳 李伯志

夏季黄东海硝酸盐垂向扩散通量的分析*

吕雯瑾1孙 群1①王思佳1李伯志2

(1. 天津科技大学海洋与环境学院 天津 300457; 2. 青岛诺泰克测量设备有限公司 青岛 266071)

湍流扩散过程导致的硝酸盐垂向输运对海水表层的浮游植物生长和初级生产力的大小有着重要影响。本文基于2018年夏季黄、东海水文环境、硝酸盐浓度和湍动能耗散率的同步、原位数据, 分析了海域温度、盐度和硝酸盐的空间分布特征, 结果表明营养盐含量丰富的黄海冷水团、长江冲淡水、东海北部底层混合水与黑潮次表层水是影响研究海域硝酸盐分布的主要水团。利用垂向湍扩散硝酸盐通量公式, 计算了三个选定断面上的硝酸盐垂向扩散通量, 其高值区与湍流扩散系数的高值区的位置基本一致。针对存在明显硝酸盐跃层的站位, 计算得到跨硝酸盐跃层的垂向通量ND的范围在-9.78—36.60mmol/(m2·d)之间, 在黄海冷水团区, 夏季温跃层限制了该区营养盐向近表层的湍流垂向扩散; 东海北部底层混合水区, 湍流垂向扩散向上层补充了大量硝酸盐, 促进了跃层之上浮游植物的生长; 黑潮次表层水影响海区, 夏季中层水体混合较弱, 跨跃层的垂向通量也普遍偏低。开展硝酸盐垂向扩散通量的计算与分析, 对进一步明确营养盐的输运机制有着重要研究意义。

硝酸盐; 湍流扩散; 垂向扩散通量; 新生产力; 黄东海

硝酸盐是海洋中浮游植物可利用的主要氮形态, 它的循环与补充对于初级生产有着重要作用。海洋中真光层内的浮游植物大量消耗硝酸盐, 而真光层之下, 分解作用产生的铵盐被氧化, 底层硝酸盐的浓度得以增加, 使硝酸盐的垂向分布表现为底层高表层低(Tyrrell, 1999; 沈国英等, 2010)。夏季, 温跃层限制了水体的垂向混合, 加剧了硝酸盐表底之间的浓度差异。然而, 在初级生产力水平较高的海域, 湍流垂向扩散导致的跨硝酸盐跃层的输运对夏季浮游植物的大量增殖有着重要意义。

已有研究表明影响硝酸盐垂向输运的物理过程, 包括对流混合、卷挟作用、上升流与湍流扩散等(Williams, 2000; Martin, 2010), 其中湍流扩散作为一种小尺度物理过程, 所带来的硝酸盐的垂向输运在夏季上层海洋的初级生产中扮演着不可或缺的角色, 在全球范围内, 硝酸盐垂向扩散通量的量级在10-4—102mmol/(m2·d)之间(Bourgault, 2011; Kaneko, 2013)。海洋中动力环境的变化影响着通量量级的大小, 近岸的上升流区与锋区伴随着强湍耗散的发生、地形的变化会带来非惯性内波的破碎、潮流与风增强了水体的混合程度, 这些受强动力过程影响的海域, 硝酸盐垂向扩散通量的量级明显偏高于其他海域, 对初级生产力的贡献率在10%—50%之间(Schafstall, 2010; Kaneko, 2013; Doubell, 2018; Tanaka, 2019)。

黄东海作为西北太平洋的边缘海, 初级生产活跃(郝锵, 2010), 硝酸盐来源多样(Zhang, 2006)。黄东海硝酸盐的分布特征已有大量研究(Su, 1998;王保栋, 2003;叶然等, 2015), 总体表现为近岸高远岸低, 层化季节的远岸海域表层低底层高。黄海中部底层在层化作用下形成的冷水团是黄海天然的“氮库”(王保栋, 2000; 米铁柱等, 2012); 营养盐含量丰富的长江冲淡水与黑潮次表层水分别在表层和底层改变东海硝酸盐的垂向分布(宋金明等, 2017; 许灵静, 2019)。围绕硝酸盐垂向输运, 已有研究发现在黄海中部, 夏季基于湍流卷挟的硝酸盐的贯跃层输运为0.21mmol/(m2·d), 强跃层的限制使硝酸盐的贯跃层输运量明显低于春秋两季(魏皓等, 2002); 在黄海冷水团边缘的锋区, 基于上升流的溶解无机氮垂向通量为(1.4±0.9)mmol/(m2·d), 对该海域浮游植物的生长起到重要支撑作用(Wei, 2016); 在东海陆架边缘, 受强混合的影响, 黑潮锋区夏季跨跃层的硝酸盐垂向扩散通量为0.45mmol/(m2·d), 约占该海域夏季初级生产所需氮营养盐的10.80% (Liu, 2013)。

目前对典型海域硝酸盐垂向扩散通量的研究, 在研究方法上多基于TurboMAP、VMP或MSS所搭载的剪切探头所测得的高频湍流观测数据, 结合营养盐自动分析仪对海水样品进行的硝酸盐浓度低频测定结果, 影响了通量计算结果的精确度。针对黄东海海域, 关于硝酸盐垂向通量的研究对湍流过程关注较少, 且集中于黄海中部与东海边缘海域等有限区域, 缺少对区域内硝酸盐垂向输运量的整体讨论。本文利用垂向微尺度剖面仪(Vertical Microstructure Profilers, VMP-200)和水下紫外分光硝酸盐分析仪(Submersible Ultraviolet Nitrate Analyzer, SUNA-V2)的湍动能耗散率与硝酸盐浓度的同步、原位观测数据, 采用参数化方法计算了硝酸盐垂向扩散通量, 在此基础上讨论了黄东海的水文动力环境对通量变化的影响, 并对跨硝酸盐跃层的垂向通量所带来的新生产力进行了估算, 为深入阐释黄东海的营养盐输运关键过程与浮游植物的生长规律提供了科学参考。

1 数据与方法

1.1 研究海域

搭载航次为2018年6月25日至7月19日由东方红2号执行的夏季航次, 本航次完成了黄东海海域50个站位的基本水文要素、硝酸盐浓度、湍动能耗散率的剖面观测。为研究受黄海冷水团、长江冲淡水、黑潮次表层水影响区域中垂向硝酸盐通量的特征, 选择了三条典型断面, 分别是C、F、W断面(图1)。C断面包括C1、C2、C3、C4站, 位于34°N, 从苏北浅滩向黄海中部扩展; F断面沿31.5°N从长江口向东延伸至外海, 包括P1、F1、F2、F3、F4和F5站; W断面包括W1、W2、W3、W4站, 从浙闽沿岸向东南至东海陆架100m水深处。

1.2 数据与处理

温度、盐度使用RBR maestro多参数剖面仪观测, 配备传感器可同步观测调查站位的温度、电导率、压力、叶绿素等物理生物参数, 其中温度精度0.002°C, 电导率精度0.003mS/cm, 采样频率为6Hz。

图1 研究海域的采样站位(黑色圆点)与断面(红色实线)位置图

硝酸盐浓度(N)数据采用SUNA-V2进行观测, 采样频率为1Hz, 精确度为±2μmol/L。航次开始前对SUNA-V2进行了校准, 校准方法为使用去离子纯净水作为待测溶液, 仪器预热后测量校准曲线, 校准以测量去离子纯净水所得硝酸盐量值在±2μmol/L范围内为准。

对上述温度、盐度和N数据预处理, 剔除上4m层感温阶段数据, 选取下行观测值, 进行逆压订正和去除尖峰, 并对数据做1m平均, 得到所有采样站位上温度、盐度与N的垂向空间分辨率为1m的剖面数据。

在仪器观测的同时, 每个站位使用船载采水器(Sea-Bird water sampler)按标准层采取水样, 并在跃层处加密, 海水样品采集后立即用Nalgene过滤器和0.2μm孔径的聚碳酸酯膜现场过滤, 过滤后水样立即装入处理好的聚乙烯样品瓶中, 并于-20°C冷冻保存。航次结束后, 在实验室中使用QuAAtro营养盐自动分析仪采用连续流动分析方法对N进行测定, 检出限为0.05μmol/L, 测定误差小于3%。该实验室测定的N与SUNA-V2观测值进行对比, 并对后者进行校准。通过对比分析(图2), 两者相关系数为0.96 (置信水平99.9%, 置信区间为0.95—0.97), 表明SUNA-V2的观测结果与实验室测定结果吻合度高, 并利用回归关系对所有SUNA-V2结果进行了订正。

图2 硝酸盐浓度(单位: μmol/L)的SUNA-V2数据与实验室数据的比较

根据Osborn(1980)的湍能量耗散法, 可通过观测湍动能耗散率得到湍流扩散系数K, 计算公式为:

其中, Γ=0.2为混合效率,2为浮力频率,为湍动能耗散率。

湍动能耗散率由垂向微尺度剖面仪VMP-200观测数据计算得到, 根据Taylor冻结定理将观测的脉动流速转化为垂向流速剪切, 通过局地标准差的方法去除流速剪切数据奇异值, 并对实测剪切谱与Nasmyth谱进行迭代拟合确定积分区间, 通过积分剪切谱得到垂向分辨率为1m的剖面(Moum, 1995; Gregg, 1999)。为避免船只停泊产生湍流对数据的影响, 剔除上10m层内的数据。浮力频率2可由观测的温、盐数据计算密度分布, 进而计算得到。

1.3 计算方法

根据Martin等(2010), 硝酸盐垂向扩散通量N的计算公式为:

根据硝酸盐垂向分布及其梯度分布, 本文定义硝酸盐跃层为硝酸盐浓度梯度超过0.3mmol/m4的水层(Hales, 2009)。跨硝酸盐跃层的垂向扩散通量ND可表示为:

其中,N1和N2分别硝酸盐跃层上、下界处的硝酸盐浓度,1和2分别为硝酸盐跃层上、下界所在的深度。

为了避免高频采样导致的跃层上下边界处数据剧烈变化引起的计算误差, 上、下界的N取值采用跃层上界之上及下界之下厚度为5m水层中的N平均值代替边界值(Randelhoff, 2016)。

对于ND的计算结果, 根据Redfield比值(C︰N=106︰16)将该部分以氮计的跨硝酸盐跃层通量转化为以碳计的新生产力, 在估算该部分新生产力的过程中, 部分海域表层的N极低, 因此假设跨跃层的正向硝酸盐供应被上层的浮游植物瞬间消耗殆尽。

2 结果与讨论

2.1 黄东海温度、盐度和硝酸盐的分布特征

2.1.1 水平分布 黄、东海夏季近表层(4m层)和底层观测的海水温度、盐度和硝酸盐的水平分布结果如图3所示。

夏季, 近表层和底层温度都呈现南高北低的分布。近表层, 海水温度范围在20—28°C之间, 南北温差为8°C。黄海西南部温度偏低, 且在苏北浅滩外侧C2站附近存在一闭合的冷水中心。受到向北发展的台湾暖流影响, 长江口外以南的东海近表层海水温度均高于26°C (图3a)。

底层温度范围在8—26°C之间, 南北温差高达18°C (图3d)。黄海中部水温低于10°C, 为典型的黄海冷水团区, 而苏北浅滩为水温高于20°C的高温水区。沿苏北浅滩外侧向黄海中部的过渡海域, 等温线密集, 温度梯度大, 以C2站为中心, 利用其周围相邻四个站位的温度观测数据, 得到C2站位跨等温线方向的温度梯度为0.10°C/km, 可知以C2为中心, 苏北浅滩外侧沿西北-东南向密集分布的等温线区存在潮汐锋(周锋等, 2008; 程雪丽等, 2017)。东海中部陆架, 海水温度在20—24°C之间, 东北部为温度低于16°C的冷水区。近闽浙沿岸海域, 底层海水温度高于22°C, 应为浅水区的闽浙沿岸水。由该海区向外陆架方向, 出现一低温水区, 温度低于20°C, 且该低温水向北发展到长江口外(P2站位处)。根据底层盐度分布(图3e), 该海区盐度高于34, 这主要是由于黑潮次表层水从底层向东海陆架入侵, 在该海区形成的低温高盐水。

图3 黄、东海上表层(4m)和底层的温度(°C)、盐度和硝酸盐浓度(μmol/L)的水平分布

受陆源径流与外海水影响, 表层和底层的盐度分布特征不同。近表层(4m层)盐度明显分为三个区(图3b), 一是南黄海中西部盐度偏低海域, 约为31—32; 二是长江口外海及东北方向低盐的长江冲淡水, 中心盐度低于26, 且冲淡水边缘存在强盐度锋; 三是东海中陆架盐度较高的台湾暖流水和外海黑潮表层水, 绝大部分海域盐度高于33。底层盐度则以J断面为分界线, 分成南北两部分(图3b), 北部是南黄海的低盐水, 盐度约为32, 南部为长江口外海以南的高盐水, 盐度均高于33。

硝酸盐的水平分布与黄、东海的水团分布较为一致。在近表层,N分布仍可分为三个区(图3c)。由于夏季浮游植物对硝酸盐大量消耗和寡营养盐的外海表层水的影响, 黄海和东海大部分海域近表层的N较低, 普遍低于2μmol/L。受长江冲淡水的影响, 在长江口东北方向存在超过8μmol/L的N高值区。

底层的N分布较复杂。在黄海,N明显分为近岸低值区和黄海冷水团海域的高值区(高于5μmol/L) (图3f)。冬季混合均匀状态的冷水在黄海海槽中的滞留以及表层浮游植物死亡沉降后的分解是夏季黄海冷水团区域N偏高的主要原因(王保栋, 1999; 孙湘平, 2008)。苏北浅滩(D3站位)和东海外陆架(F6站位)存在两处N高值区, 中心浓度均超过11μmol/L, 而在两海区中间的东海陆架上有一闭合的N低值区, 中心值低于5μmol/L, 位于P4站位。该低值中心以南海域N增高, 尤其在近岸侧,N达到11μmol/L。富营养盐的黑潮次表层水入侵是夏季东海陆架这一海区重要的硝酸盐来源(Chen, 1999; Wang, 2016; 左九龙, 2018)。

2.1.2 垂向分布 对温度、盐度、硝酸盐水平分布的分析结果表明, 在2018年夏季航次调查期间, 从北向南不同海区的水文特点各不相同, 存在的主要水团为占据黄海中部底层的黄海冷水团、在近上表层从长江口外侧向东北方向扩展的长江冲淡水以及影响东海陆架底层的黑潮次表层水。考虑黄、东海海域不同水团对于硝酸盐分布的影响以及观测资料的完整性, 本文选取了跨苏北沿岸水与黄海冷水团的34°N的C断面、沿31.5°N从长江口外侧向东延伸至外海的F断面、从闽浙沿岸向东南至东海陆架100m水深处的W断面, 分析并讨论了沿三个断面的温度、盐度、硝酸盐的垂向分布特征。

在C断面上(图4a, 4d, 4g), 122°E以西的近岸, 20—22°C等温线与32等盐线呈纵向分布, 且温度、盐度与N表底值差异较小, 这主要是由于潮致混合使得海水垂向混合均匀所引起。122°—122.5°E之间, 是近岸混合均匀区与远岸层化区之间的过渡海域, 即潮汐锋锋区(周锋等, 2008)。在C2站位, 底层海水明显上涌, 等温线上凸, 存在明显的锋区冷水上翻的现象, 于海底陆坡处形成一上升流, 在上表层形成一冷水中心, 海水温度较周围低2°C。122.5°E以东的黄海中部, 深度在10—20m之间的等温线密集, 层化明显, 存在显著的温跃层, 其强度为0.52°C/m。30m以深为水温小于10°C的黄海冷水团, 冷水团区的盐度较高, 约为33;N较高, 均高于5μmol/L, 底层的N高值区与上表层低于1μmol/L的低值区在深度30—40m之间存在较大的浓度梯度。

图4 C、F、W断面上温度(°C)、盐度和硝酸盐浓度(μmol/L)的垂向分布

F断面受长江冲淡水和黑潮次表层水的共同影响, 其温、盐和N垂向分布大体可分为三个区域(如图4b, 4e, 4f)。近岸区(F1站位以西), 近表层温度较高, 跃层位于10m水深, 跃层之下混合较强, 温度均匀分布。但该区上层受长江冲淡水的影响, 盐度小于30, P1站位处N最高达到27μmol/L; 下层为由黑潮次表层水沿海底低谷带来的高盐水(图4e), 且在F1站位34等盐度线向上明显隆起, 形成上升流, 将20m深度处的高盐水向上输运至5m深度处, 且由于上表层低盐长江冲淡水的存在, 在该区形成较强的盐度锋。同时, 高盐水与冲淡水的混合所生成的羽状锋和上升流, 有效地阻挡了冲淡水向东扩展(朱建荣等, 2003)。

向东为外海过渡区域(F2站位至F4站位), 近表层温度高于26°C, 温跃层深度较近岸区要深, 约20m; 盐度仍较低, 应是冲淡水与黑潮表层水的混合水;N非常低, 小于3μmol/L。此外, 20m以深的等温线和等盐线垂向呈均匀分布, 导致跃层强度不大。最外侧海域(F5站位), 最显著的特点是底层存在一冷水区, 15—25m层等温线密集, 温跃层强度最高达到0.8°C/m, 同时, 底层冷水区也是大于9μmol/L的N的高值区(图4h), 与上表层低值区之间硝酸盐浓度梯度大于0.3mmol/m4。苏育嵩等(1989)指出该低温中盐高营养盐底层水是冬季黄海沿岸水沿苏北浅滩南下向东海输送的低温水与外海高盐水混合变性所形成的, 冬季的黄海沿岸水离岸东移后, 春夏季在东海北部中部海区的底层依然保持低温的性质。该水团温度在9—12°C之间, 盐度在32—34之间。此处, 我们称其为东海北部底层混合水(郭东杰等, 2019)。

在W断面上(图4c, 4f, 4i), 近岸的W1站, 盐度较低, 只有31,N高于7μmol/L, 夏季近岸低盐度高营养盐的特征可能与椒江的径流输入或冲淡水贴岸南下的分流有关(王保栋等, 2002)。在W2站及以东, 50m以浅水体, 温度在26—29°C之间, 盐度均大于34,N低于1μmol/L, 这种分布特征与高温高盐低营养盐的黑潮表层水相一致。在底层, 温度低于20°C、盐度大于34.5, 这是黑潮次表层水的典型特征(Zhang, 2007)。60m以深存在大于7μmol/L的N高值区, 与浅层低N之间, 存在大于0.3mmol/m4的硝酸盐浓度梯度。

2.2 湍扩散系数与硝酸盐垂向扩散通量

2.2.1 湍扩散系数的分布特点 根据公式(1)计算得到黄、东海各观测站位的湍扩散系数K, 其变化范围在10-7—10-2m2/s之间。受潮致混合影响, 苏北浅滩近岸区湍流混合强烈,K大于3.16×10-6m2/s, 黄海冷水团区, 跃层之下的水体状态稳定,K偏低。在长江口外, 近河口位置的K表层低底层较高, 长江冲淡水边缘受羽状锋的影响, 存在表层强混合区,K大于3.16×10-4m2/s。

图5给出三个断面上湍流耗散率、浮力频率2和湍扩散系数K的分布。在C断面上, 由近岸向远岸依次为垂向混合均匀的苏北沿岸水区和层化显著的黄海冷水团区,2的分布反映了这种分布特征, 近岸2偏小, 层化较弱; 黄海冷水团上表层(约20m以浅)处较大, 大于10-3/s2, 较前者大了一个量级, 层化显著(图5d)。夏季该海域上层海水显著增温, 海水密度减小, 浮力频率向上增加, 减弱了湍流垂向混合, 与下层冷水之间形成较强的密度跃层(王俊杰, 2018)。的高值区位于近岸、C2站底层及C2—C4站之间20m深度处的密跃层下缘(图5a)。浅水区在潮致混合作用下,大于10-7W/kg; 由于底摩擦效应, 底边界层中的大于10-8W/kg; 而密跃层下缘20m深度出现大于10-7W/kg的分布, 应与此处斜压流剪切效应有关。K分布与基本一致(图5g), 20m处K大于10-4m2/s的高值区受密度层化的限制, 表现为较薄的一层。

在F断面上, 近岸区12m以浅2大于0.32×10-2/s2, 冲淡水带来强密度层化; 在远岸的F4、F5站,2大于10-3/s2的强层化区位于10—23m之间, 水体分层主要受混合水的影响; 在过渡区域的F2、F3站, 强层化区位于20m水深以浅, 20m以深2小于10-4/s2, 混合均匀(图5e)。从的垂向分布来看(图5b), F2、F3站浅层, 受潮汐锋的影响大于10-6W/kg; 在底层,大于10-7W/kg的高值受底摩擦的影响; 远岸的F5站,在22—28m的密跃层下缘大于10-6W/kg。K的高值区与ε的高值区基本一致(图5h), 过渡区域的F2、F3站, 20m以深层化弱混合强,K大于10-4m2/s; 在远岸的F5站, 密跃层下缘2小于10-3/s2, 层化偏弱,K大于10-4m2/s, 混合较强。

W断面上, W2站以东受黑潮的影响, 60m层之上为寡营养盐高盐的黑潮表层水、60m层之下主要为富营养盐高盐的黑潮次表层水。W1站的7—17m有2大于0.32×10-2/s2的强密度层化; W2站以东, 水体两次分层, 上密跃层位于10—35m之间,2大于10-4/s2, 主要受热量衰减与风混合的共同作用; 下密跃层位于55—85m之间,2大于3.16×10-4m2/s, 主要是黑潮次表层水入侵所导致(图5f)。在的垂向分布中(图5c), 中层水体状态稳定,普遍低于10-8W/kg,的高值区位于表层、近岸和底层, 最高达到10-6W/kg。图5i中K的垂向分布表明, 高值区位于近岸、表层与底层, W2站底层的K大于10-3m2/s。

图5 C、F、W断面上湍动能耗散率log10ε (单位: W/kg)(上)、浮力频率log10N2 (单位: /s2)(中)和湍流扩散系数log10Kρ (单位: m2/s)(下)的分布

2.2.2 硝酸盐垂向扩散通量 由公式(2)计算得到C、F、W断面上硝酸盐垂向扩散通量N, 结果如图6。

在C断面上,N的高值区主要位于近岸浅水区, 近岸的水体混合程度较强, 硝酸盐的垂向输运量也偏高, C1站13—17m层与C2站的17—20m层N大于1mmol/(m2·d)。N的高值区与K的高值区基本一致, 且与所在海域的强混合有关。

F断面上水体的垂向交换最为活跃。近岸受冲淡水的影响, 硝酸盐输运方向向下。在潮汐锋影响下的F2站浅层,N大于5mmol/(m2·d)的高值与K的高值相一致; F3站浅层同样存在强K, 但浅层硝酸盐浓度梯度极小,N大于5mmol/(m2·d)的高值位于20—30m之间。远岸的F4与F5站, 在强湍扩散与较大硝酸盐浓度梯度的共同影响下, F4站38m层N大于10mmol/(m2·d)、F5站22—28m层N大于5mmol/(m2·d)。

在W断面上, 近岸的15m浅层, 受沿岸冲淡水输入的影响,N最大值为–5mmol/(m2·d); 近岸外的陆架表层和中层水体,N在-1—1mmol/(m2·d)之间, 硝酸盐的垂向交换极弱;N高值区主要位于W2站60—75m的深层, 沿陆坡可以高达15mmol/(m2·d), 受黑潮次表层水的影响, 这一高值区的主要受底层K大于10-4m2/s的强混合的影响。

图6 C、F、W断面的硝酸盐垂向扩散通量FN[mmol/(m2·d)] (等值线为基于插值结果的FN)

硝酸盐垂向扩散通量N的大小受湍扩散系数K与硝酸盐浓度梯度的共同影响, 在图6中,N的高值区与K的高值区基本一致, 这说明夏季黄东海海域, 相较于硝酸盐浓度梯度的大小, 湍流混合的强度对N量级的影响更大。

2.3 跨硝酸盐跃层的垂向扩散通量分布及其带来的新生产力估算

2.3.1 跨硝酸盐跃层的垂向扩散通量分布 在夏季航次的50个采样站位中, 黄海沿岸、苏北浅滩与闽浙沿岸的部分站位(如图7灰点所示), 由于水深较浅, 潮致湍流混合较强,N垂向混合均匀, 根据硝酸盐跃层定义未出现硝酸盐跃层。存在硝酸盐跃层的观测站位有35个, 由公式(3)分别计算了硝酸盐跃层处的浓度梯度, 湍扩散系数K的平均值与跨硝酸盐跃层的垂向硝酸盐通量ND。

跨硝酸盐跃层的硝酸盐浓度梯度在长江口附近受冲淡水影响以负值为主, 在沿冲淡水扩展方向的D2站, 浓度梯度较高, 达到-3.07mmol/m4, 存在向下的硝酸盐交换, 表底之间的N差异极大(图7a)。在黄海, B2站采样期间受台风扰动的影响,N分布为表层略高于底层, 浓度梯度亦为负值; 黄海中部冷水区的硝酸盐浓度梯度在0.79—1.24mmol/m4之间, B4、C3站偏高。在东海陆架, 硝酸盐浓度梯度在0.4—0.8mmol/m4之间, 高值站位位于北部的F2、F4站与外海的E5、F7站。

整体上, 调查海域的ND在-9.78— 36.60mmol/(m2·d) (图7c), 其大小与跃层处平均湍扩散系数的强弱(图7b)密切相关。长江口附近的D2、D3、P1站与苏北浅滩外侧的B2站, 跨跃层硝酸盐输运方向向下, 在D2站受较大硝酸盐浓度梯度与强湍流混合的共同影响, 通量高达-9.78mmol/(m2·d)。高于3.16×10-5m2/s2的K高值区主要位于东海北部, 在F2站受锋面的作用, 跃层所在浅层扩散偏强, 为2.69×10-4m2/s2,ND高达20.26mmol/(m2·d); 在东海的W2站, 黑潮次表层水与黑潮表层水的交界在50—66m之间存在硝酸盐跃层, 跃层所在位置受底摩擦的影响, 平均湍扩散系数高达1.02×10-3m2/s2, 所带来的ND为36.60mmol/(m2·d); 此外, 黄海中部A4站, 跃层处平均湍扩散系数也偏高, 为3.63×10-5m2/s2,ND为4.02mmol/(m2·d)。

2.3.2 不同水团处ND及其所带来的新生产力 同一水团具有相对均匀的理化特征, 温度、盐度与硝酸盐浓度的分布也表现出相对的一致性。夏季, 影响黄东海海域硝酸盐分布的主要水团包括黄海冷水团、长江冲淡水、东海北部底层混合水与黑潮次表层水。本文选取各水团覆盖的观测站位, 对四个主要水团处硝酸盐跃层范围及厚度,ND及由湍流扩散产生的跨硝酸盐跃层通量对上层海洋新生产力变化的估算, 结果如表1所示。

图7 黄东海跨硝酸盐跃层的硝酸盐浓度梯度(a, 单位: mmol/m4)、平均湍流扩散系数(b, 单位: m2/s)与跨硝酸盐跃层的垂向扩散通量FND [c, 单位: mmol/(m2·d)]分布

注: 黄海和东海陆架取跨硝酸盐跃层, 长江口取10m层至硝酸盐跃层底部, 灰色三角形代表站位跃层所在位置缺少VMP数据

表1 四个主要水团的ND及其带来的新生产力

由表1可知, 东海北部底层混合水区,ND为4.12mmol/(m2·d), 湍流扩散所带来的硝酸盐跨跃层输运量明显高于黄海冷水团与黑潮次表层水区。在黑潮次表层水影响的区域,ND的标准差高达±9.08, 高低值之间相差3个量级, 在图7c中, 黑潮次表层水影响区域的计算结果表明, 大部分站位的ND在0—0.5mmol/(m2·d)之间, 仅在E1、W2、P3站存在大于0.5mmol/(m2·d)的高值。高值区出现的原因与硝酸盐跃层的位置有关, 在近岸的E1站, 跃层位于4—19m之间, 受到表层风强迫的影响湍流偏强,ND偏高; 而在W2与P3站, 跃层位置明显偏深, 在底摩擦的作用下ND也较高。在该海域的其他站位, 硝酸盐跃层所在的陆架中部水体, 湍流混合极弱,ND表现为低于0.5mmol/(m2·d)。考虑到黑潮次表层水影响海域标准差过大, 基于所有站位的平均值明显偏高, 跨硝酸盐跃层垂向通量总体偏小。

图8比较了不同水团处的硝酸盐跃层所在位置, 密度层化的强弱, 垂向水体K的大小, 以及叶绿素浓度水平。硝酸盐跃层所在的中层水体, 东海北部底层混合水NECSBMW的K明显大于黄海冷水团与黑潮次表层水,ND的平均值也高达4.12mmol/(m2·d), 该海域湍流扩散导致的跨硝酸盐跃层的垂向输运为上层海洋补充了大量营养盐, 叶绿素的次表层高值区(Secondary ChlMaximum, SCM)出现在硝酸盐跃层上部的17—35m水深之间, 对应硝酸盐跃层的上部, 平均叶绿素浓度的高值大于3mg/m3。在东海北部底层混合水区, 湍流扩散所带来的硝酸盐跨跃层输运对于跃层之上浮游植物的生长十分重要。

黄海冷水团区YSCWM与黑潮次表层水区KSSW,K的高值区均位于10m附近的浅层、和受底摩擦影响的深层。在黄海冷水团区,K的高值区与硝酸盐跃层位置不重合, 因此平均ND偏低, SCM位于密跃层与硝酸盐跃层之间, 平均叶绿素浓度的高值约为2mg/m3。在黑潮次表层水区, 中层水体的2整体较高, 层化偏强, 混合极弱,K普遍小于10-5m2/s。硝酸盐跃层的位置差别较大, 跃层浅的E1站与跃层较深的W2站、P3站对应表底的强混合区,ND也较高, 其余站位的ND普遍偏低, 平均叶绿素浓度的高值为1.5mg/m3。

3 结论

本研究基于2018年夏季黄、东海现场调查数据, 讨论了黄、东海海域温度、盐度、硝酸盐的水平分布和垂向分布特征, 发现营养盐含量丰富的黄海冷水团、长江冲淡水、东海北部底层混合水与黑潮次表层水是影响黄、东海硝酸盐分布的主要水团。计算了研究海域中C、F、W断面上硝酸盐垂向扩散通量N,N的高值区与湍流扩散系数的高值区的位置基本一致, 湍流的强度是垂向硝酸盐通量量级的主要影响因素。

基于湍流扩散, 跨硝酸盐跃层的垂向扩散通量ND的范围在-9.78—36.60mmol/(m2·d)之间。针对研究海域主要水团, 选择各水团内理化特征相对均一的位置, 计算了跨硝酸盐跃层的平均硝酸盐垂向扩散通量ND。夏季长江口向下的输运量平均为-1.95mmol/(m2·d); 在黄海冷水团区域, 平均ND为0.75mmol/(m2·d), 所带来的新生产力估算为59.63mg C/(m2·d); 在东海北部底层混合水区, 平均ND为4.12mmol/(m2·d), 所带来的新生产力估算为327.54mg C/(m2·d), 湍流扩散带来的硝酸盐跨跃层输运促进了跃层之上浮游植物的生长; 在黑潮次表层水区, 水深的变化范围大, 硝酸盐跃层的范围在4—76m之间, 受表层风强迫和底层底摩擦的影响混合较强的E1站、W2站与P3站,ND明显偏高, 而在黑潮次表层水区的其他站位, 跃层所在的中层水体混合偏弱,ND整体偏小在0—0.5mmol/(m2·d)之间。

致谢 中国海洋大学的辛宇教授、钟晓松同学提供了硝酸盐浓度的实验室测定数据作为SUNA-V2的对比资料, “东方红2号”调查船全体人员为调查工作提供了大量帮助和支持, 谨致谢忱。

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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

* 国家重点研发计划项目, 2016YFA0601301号; 国家自然科学基金, 41876018号; 天津市自然科学基金, 19JCZDJC40600号。吕雯瑾, 硕士研究生, E-mail: lvwenjin@foxmail.com

孙 群, 副研究员, E-mail: sunqun@tust.edu.cn

2020-01-23,

2020-06-11

P731.1

10.11693/hyhz20200100033