基于Bio-Argo浮标数据研究孟加拉湾中部海域溶解氧分布

徐华兵, 杨丰成, 梁颖欣, 刘宇鹏, 付东洋, *

基于Bio-Argo浮标数据研究孟加拉湾中部海域溶解氧分布

徐华兵1, 杨丰成1, 梁颖欣1, 刘宇鹏2, 付东洋1, *

1. 广东海洋大学电子与信息工程学院, 广东 湛江 524088 2. 中国科学院南海海洋研究所热带海洋环境国家重点实验室, 广东 广州 510301

溶解氧的分布影响着海洋生物的生存, 以孟加拉湾低氧区为研究对象, 利用2013—2017年该海域Bio-Argo浮标数据和卫星遥感数据, 分析孟加拉湾海域海洋上层(0—200 m)溶解氧的垂直分布特征, 探讨孟加拉湾海表溶解氧和氧跃层时空变化及其成因。结果表明, 由于大量径流和降雨的输入, 孟加拉湾海表形成显著的盐度成层, 导致该海域溶解氧浓度在约40 m处开始显著降低, 并在200 m以内降至20 μmol·kg–1以下。海表溶解氧浓度与海表温度呈负相关(=–0.75)。氧跃层深度(DO50 μmol·kg–1)与23℃等温线和海表面高度异常呈正相关, 相关系数分别为0.93和0.81。孟加拉湾中部低氧区海表温度是影响海表溶解氧变化的主要因素之一, 氧跃层的变化则与海洋中尺度涡密切相关。

Bio-Argo浮标; 溶解氧; 低氧区; 孟加拉湾; 海表面高度异常

0 前言

溶解氧是海洋生命活动不可缺少的物质, 其含量是维持海洋生态系统平衡的重要因素之一[1-2]。当水体的溶解氧浓度低于60—120 μmol·kg–1时, 将严重威胁大部分大型海洋动物的生存, 甚至导致缺氧死亡[3]。海洋缺氧严重影响海洋生态系统, 最直观体现为大量海洋生物死亡、生物多样性显著降低、渔业生产受阻等, 进而带来直接或间接的经济损失。

海洋分布着四个显著的低氧区, 分别是北印度洋的阿拉伯海和孟加拉湾, 热带赤道东北太平洋(0—25 °N)和东南太平洋[4]。世界大洋低氧区体积接近15×106km3, 其中孟加拉湾和阿拉伯海约占全球低氧区体积的21%, 约合3.13×106km3。同时孟加拉湾和阿拉伯海产生的海洋沉积物约占全球低氧区产生的海洋沉积物的59%[5]。作为四大低氧区之一, 孟加拉湾低氧严重影响该海域的生态环境和渔业资源。

孟加拉湾是世界最大的海湾, 也是世界上唯一一个总面积超过200万 km2的海湾。孟加拉湾西临印度半岛, 东临中南半岛, 北临缅甸和孟加拉国, 南与印度洋本体相交于斯里兰卡至苏门达腊岛一线。目前针对孟加拉湾低氧区已有较多研究。MADHU et al[6]的观测结果表明, 夏季孟加拉湾海域水下100—150 m范围内的溶解氧浓度小于20 μmol·kg–1, 属于低氧范畴。SARDESSAI et al[7]的观测结果表明, 西南季风期间孟加拉湾最低溶解氧(≤10 mμmol·L–1)的分布从20 °N约80 m水平延伸至11 °N水下约120 m。SARMA et al[8]发现夏季风期间孟加拉湾西北沿海的氧浓度低于检测限。

然而, 目前关于孟加拉湾海域溶解氧分布的研究主要基于航次观测, 所获数据时空离散性强。航次观测数据采样点少, 周期短, 无法得到孟加拉湾海域溶解氧季节性和年际变化的特征, 即难以实现大范围的连续时空尺度的海洋低氧变化监测。近几年大量投放的装载溶解氧传感器的新型Bio-Argo浮标为孟加拉湾低氧研究提供了第一手资料。2021年9月, 全球共有426个Bio-Argo分布在各个海域, 孟加拉湾海域现有3个Bio-Argo在运行(https://www. ocean-ops.org//)。Bio-Argo数据被广泛应用于研究海洋中尺度涡和热带气旋对海洋上层溶解氧和叶绿素的影响[9-14]。

本文利用Bio-Argo浮标提供的溶解氧数据、温盐数据和卫星遥感数据, 揭示孟加拉湾中部海域海表溶解氧和氧跃层的分布特征, 探讨海表溶解氧和氧跃层变化的成因, 并尝试利用温度和海表面高度异常估算溶解氧和氧跃层的时空分布。

1 材料和方法

1.1 数据来源

Bio-Argo浮标(www.argodatamgt.org/)观测资料提供了孟加拉湾中部低氧海域上层溶解氧的数据。本文选择孟加拉湾中部海域Bio-Argo浮标(5903712)观测到的溶解氧, 其观测时间涵盖2013年1月至2017年4月(2017年4月后溶解氧传感器未提供数据), 共217组溶解氧数据, 其观测站位如图1。此外, 本文另选取Bio-Argo浮标(2902114)的相关结果作为对比(未展示相关结果图), 增加结论的说服力, 其观测周期为2013年11月至2016年2月。Bio-Argo浮标同时测量溶解氧, 温度和盐度的垂直剖面, 从～5到2000 m, 时间间隔为7天。本研究选取深度为～5至200 m的Bio-Argo垂直剖面。该Bio-Argo浮标配备溶解氧传感器(Aanderaa Optode 4330), 校准精度约5%(或8 μM)。传感器在0%和120%饱和度之间校准[15]。Bio-Argo数据有两个级别的质量控制: 第一级是一组实时的自动检查, 第二级是延迟模式质量控制系统[16-17]。卫星遥感的海表面高度异常(SLA)数据由www.aviso.oceanobs.com提供, 空间分辨率为25×25 km。南海溶解氧数据由厦门大学投放在南海的Bio-Argo提供, 网址: http://odc.xmu.edu.cn/ BioArgo/Default.aspx.

1.2 数据处理与分析

本研究选择Bio-Argo质量控制为1(good)的数据, 将上层0—200 m的数据进行线性插值至1 m分辨率, 然后取海洋上层10 m内的溶解氧浓度的均值作为海表溶解氧(SSDO), 海洋上层10 m的温度和盐度均值作为海表温度(SST)和海表盐度(SSS)。取DO=50 μmol·kg–1所在深度作为低氧区氧跃层的深度[18]。采用Matlab2020b对海洋上层0—200 m温度、盐度、密度和溶解氧变化图进行绘制。采用OriginPro 9.1对相关性图进行绘制, 计算相关系数, 并用SPSS软件进行显著性值的计算。运用统计学中的最小二乘法线性回归法建立一元线性回归拟合方程。

图1 2013—2017年Bio-Argo的观测站位

Figure 1 The positions of Bio-Argo from 2013-2017

2 结果与分析

2.1 海洋上层0—200 m溶解氧垂直日变化

图2描述了2013—2017年间孟加拉湾中部海域海洋上层0—200 m的溶解氧、盐度、温度和密度的日变化。从图中可以看出孟加拉湾表层水体的溶解氧浓度约200 μmol·kg–1, 几乎饱和(图2a)。孟加拉湾0—200 m的溶解氧垂直分布和南海中部海域溶解氧的垂向分布有显著差别(图3): 孟加拉湾低氧区的氧跃层较浅, 溶解氧在0—200 m变化显著, 其溶解氧在约40 m开始显著降低, 200 m以内降至20 μmol·kg–1以下, 甚至接近0 μmol·kg–1。而南海作为非低氧区海域, 其海洋上层0—200 m保持在高溶解氧浓度(>150 μmol·kg–1, 并存在一个溶解氧的最大层。在非低氧区, 浮游植物在透光层的强光合作用下产生较高的含氧量, 并在次表层形成溶解氧最大值层。因此, 低氧区的孟加拉湾和非低氧区的南海其上层的溶解氧分布存在着显著差别。

图2b为2013—2017年孟加拉湾海洋上层0—200 m的盐度分布。海表0—40 m深度存在低盐海水, 从而导致海洋上层显著的盐度成层, 抑制了上层水体与空气中氧气的交换。从图2a中溶解氧的氧跃层变化(DO50 μmol·kg–1)可以发现, 2013—2015年间的10月份左右氧跃层的深度均明显变浅(<60 m)。2016年6月—2017年4月孟加拉湾海洋上层的溶解氧浓度相比2013—2015年整体偏高。海洋上层温盐的垂直变化也呈相似变化趋势。2013—2015年间海水23 ℃等温线在每年的10月左右较浅, 温度在约40—60 m显著降低(图2c), 同时10月左右盐度在40—60 m附近显著增加。而在2016年6月—2017年4月孟加拉湾上层存在大量低盐海水, 上层100 m的水温整体增加, 盐度降低。上层水体密度显著减小(图2d), 同时氧跃层深度加深到100 m附近(图2a)。该现象可能与该区域原有的强反气旋涡内产生的下降流导致表层高温、低盐、高溶解氧的水体向下输送相关。

图2 2013年至2017年孟加拉湾中部海域0—200 m (a)溶解氧、(b)盐度、(c)温度和(d)位势密度日变化垂直分布

Figure 2 Vertical distribution of (a) dissolved oxygen, (b) salinity, (c) temperature and (d) potential density in the upper 200 m in the central Bay of Bengal from 2013 to 2017

图3 南海和孟加拉湾中部海域上层0—200 m溶解氧分布示意图

Figure 3 The schematic diagram of the DO distribution in the upper 200 m in the central South China Sea and central Bay of Bengal

2.2 海表溶解氧变化

孟加拉湾海域海表10 m的平均溶解氧浓度和温度日变化如图4所示。海表溶解氧浓度变化范围在193.18—214.59 μmol·kg–1, 平均值为202 ± 4.56 μmol·kg–1。海表溶解氧浓度呈现显著的季节变化, 2—3月最高, 6—8月最低。海表温度的变化则与海表含氧量的变化相反。Bio-Argo资料显示, 观测海域海表温度变化范围在25.5—31.24 ℃, 平均温度为(28.61 ± 1.19) ℃, 海表温度6月最高, 2—3月最低。水体的溶解氧浓度随着温度的缓慢增加而逐渐减少。基于Bio-Argo(5903712)数据分析发现, 海表溶解氧浓度和海表温度呈显著的负相关:= –2.88+284.37(=–0.75,<0.001, 图5), 此外Bio-Argo(2902114)数据显示两者的相关系数为–0.81。而海面风场、SLA、混合层深度与海表溶解氧浓度的相关性(<0.5, 此部分结果未展示)均明显弱于海表温度与海表溶解氧的相关性。

2.3 氧跃层变化

2013—2017年氧跃层深度变化范围在31.95—118.7 m, 平均氧跃层深度为(73.57 ± 15.96) m(图6)。氧跃层深度没有明显的季节性差异, 无明显的规律可循。2013—2017年, 23 ℃等温线的变化范围处于51—127.1 m, 平均深度为90.47 ± 15.87 m。2013—2017年, Bio-Argo(5903712)氧跃层的变化和23 ℃等温线的变化具有较好的一致性, 两者呈显著正相关, 相关系数为0.93(<0.00.1), Bio-Argo (2902114)结果显示两者相关系数为0.87。氧跃层深度(DO50 μmol·kg–1)=23 ℃等温线深度×0.93- 10.58(图7a)。

2013—2017年, Bio-Argo所经过低氧海域的SLA和氧跃层深度之间存在较好的一致性(图8)。SLA变化范围处于–0.11—0.31 m, 平均SLA为0.09 ± 0.08 m。Bio-Argo(5903712)SLA和氧跃层深度呈显著正相关(图7b,=0.81,<0.001), 氧跃层深度= 156.7+60.14。此外, Bio-Argo(2902114)SLA和氧跃层深度也呈显著正相关, 两者相关系数为0.71。图9描述了2014年12月和2015年1月Bio-Argo观测时间内的 SLA分布图, 其中2014年12月14日、19日和24日Bio-Argo位于气旋涡内, 其SLA分别为–6.67 cm、–7.67 cm和–6.27 cm。而2015年1月8日、13日和24日Bio-Argo位于反气旋涡内, SLA分别为5.57 cm、11.1 cm和15.28 cm。气旋涡影响下的氧跃层平均深度为(62.2±10.5) m, 显著低于反气旋涡影响下的氧跃层平均深度(94.7±9.8) m (<0.05)。

图4 2013至2017年孟加拉湾海表溶解氧和海表温度变化曲线

Figure 4 Change curve of sea surface temperature and dissolved oxygen in the Bay of Bengal from 2013 to 2017

3 讨论

低氧区形成的主要原因是由于海域的高初级生产力或者海洋上层弱的通风[19]。其中孟加拉湾低氧区的形成则主要由于后者。这是因为径流向孟加拉湾输入了大量淡水, 同时大量降雨导致孟加拉湾表层盐度进一步降低, 形成了显著的盐度分层[20]。该过程使得上层水体变得更稳定, 通风减少, 显著抑制了表层含氧高的水体进入次表层, 形成孟加拉湾次表层低氧区。由于海气界面海水与大气氧气的充分接触, 孟加拉湾海域表层溶解氧基本上处于饱和状态。海表温度的高低决定了海水氧的溶解度, 温度升高, 海表水体氧的溶解度降低, 溶解氧浓度降低[21]。龙爱民等[22]研究也发现, 南海北部表层海水的溶解氧与温度呈完全相反的分布趋势, 两者相关性为–0.61。因此, 孟加拉湾海表温度的变化是影响海表溶解氧浓度的重要因素之一。

图5 2013至2017年孟加拉湾海表溶解氧和海表温度相关性

Figure 5 The correlation between sea surface temperature and dissolved oxygen in the Bay of Bengal from 2013 to 2017

图6 2013至2017年孟加拉湾氧跃层深度和等温线(23 ℃)深度变化曲线

Figure 6 Change curve of oxycline depth and isotherm (23 ℃) in the Bay of Bengal from 2013 to 2017

图7 2013至2017年孟加拉湾氧跃层深度和(a)23 ℃等温线深度、(b)海表面高度异常(SLA)相关性图

Figure 7 The correlation between oxycline depth and (a) isotherm (23 ℃), (b) SLA in the Bay of Bengal from 2013 to 2017

图8 2013至2017年孟加拉湾氧跃层深度和海表面高度异常(SLA)深度变化曲线

Figure 8 Change curve of oxycline depth and SLA in the Bay of Bengal from 2013 to 2017

Figure 9 The distribution of SLA during the period of Bio-Argo observation from December 2014 to January 2015

孟加拉海域存在大量的中尺度涡, 对次表层溶解氧分布有显著影响。研究发现, 反气旋涡能将富含氧的表层海水输送到次表层, 缓解孟加拉湾低氧区的低氧状况, 反气旋涡引起的下降流将加深氧跃层深度[11]。相反, 在气旋涡影响的区域溶解氧含量较低, 气旋涡产生的上升流, 将次表层低温低氧水带到上表层, 导致氧跃层深度变浅[10]。孟加拉湾次表层的溶解氧浓度变化主要取决于水体的垂直运动。PRAKASH et al[18]发现氧跃层和温跃层之间存在显著的相关性, 孟加拉湾海域水体的物理过程对氧跃层深度的影响比生物过程更重要。PRAKASH et al[18]在阿拉伯海和孟加拉湾的研究发现类似的结果, SLA和氧跃层深度的相关性高达0.83和0.79, 其拟合公式与本研究相近: 氧跃层深度=(1.68±0.07)×+(74.0 ± 0.75) (注: 其单位为cm, 本文单位为m)。因此, 海洋中尺度涡是影响孟加拉湾低氧区氧跃层变化的主要因素之一。

目前装载溶解氧传感器的Bio-Argo数量远少于传统的温度、盐度和深度传感器Argo。根据国际Argo中心提供的数据, 2010-2020年间, 孟加拉湾海域Argo浮标观测的温、盐数据约38070组, 而Bio- Argo浮标数据则只有约3178组, 不到前者的十分之一。从该角度而言, 孟加拉湾低氧区溶解氧的数据仍较为匮乏。基于本文构建的氧跃层深度分别与23 ℃等温线深度和SLA之间的拟合公式(图7), 利用Argo提供的温度和遥感SLA数据来反演低氧区氧跃层深度的变化, 将有助于弥补Bio-Argo对孟加拉湾上层海洋溶解氧垂向分布的数据空缺, 促进对大时空尺度连续的低氧区次表层溶解氧变化的全面了解。

4 结论

本文利用2013—2017年孟加拉湾中部海域的Bio-Argo数据研究海洋上层0—200 m的溶解氧时空变化特征并分析其成因。结果显示, 孟加拉湾中部海域存在低氧区, 溶解氧浓度在次表层显著降低至低氧水平。低氧区海表溶解氧浓度与海表温度呈显著负相关, 表明海表温度是影响低氧区海表溶解氧变化的关键因素之一。低氧区氧跃层深度与23 ℃等温线深度和海表面高度异常呈显著正相关, 表明海洋中尺度涡引起的水体垂向运动显著影响氧跃层深度的变化。基于本文构建的Argo温度和海表高度异常与氧跃层深度的拟合公式反演获得的氧跃层变化, 将会为该海域的溶解氧变化的连续监测提供方法和数据支持。

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The distribution of dissolved oxygen in the central Bay of Bengal based on Bio-Argo observation

XU Huabing1, Yang Fengcheng1, LIANG Yingxin1, LIU Yupeng2, FU dongyang1,*

1. College of Electronic and Information Engineering, Guangdong Ocean University, Zhanjiang 524088, China 2. State Key Laboratory of Tropical Oceanography, South China Sea Institute of Oceanology, Chinese Academy of Sciences, Guangzhou 510301, China

The distribution of dissolved oxygen (DO) affects the survival of marine organisms. In order to explore the temporal and spatial variation of sea surface DO and oxycline in theOxygen Minimum Zone (OMZ) of Bay of Bengal (BoB), we investigated the vertical DO distribution from 0 to 200 m in the central BoB using Bio-Argo and remote sensing data from 2013 to 2017. The results showed that the salinity stratification caused by the input of a large amount of runoff and rainfall induced the significant change of the DO in the central BoB, and DO decreased significantly at ～ 40 m, and dropped to less than 20 μmol·kg–1within 200 m. The sea surface DO was negatively correlated with the sea surface temperature (=–0.75). The oxycline depth was significantly correlated with the 23℃ isotherm and sea level anomaly (=0.93 and 0.81). The surface DO concentration was mainly affected by the surface temperature, andthe oxycline depth was mainly controlled by the mesoscale eddies in the OMZ of the BoB.

Bio-Argo; dissolved oxygen; oxygen minimum zone; Bay of Bengal; sea level anomaly

10.14108/j.cnki.1008-8873.2024.01.009

P76

A

1008-8873(2024)01-074-07

2021-08-03;

2021-10-26

国家自然科学基金项目(42106148); 广东海洋大学科研启动经费资助项目(R20008); 热带海洋环境国家重点实验室(中国科学院南海海洋研究所)开放课题(LTO2015)

徐华兵, (1990—), 男, 安徽安庆人, 博士, 主要从事海洋生态遥感, E-mail: xuhuabing1990@163.com

通信作者:付东洋(1969—), 男, 教授, 主要从事海洋水色遥感研究, E-mail: fdy163@163.com

徐华兵, 杨丰成, 梁颖欣, 等. 基于Bio-Argo浮标数据研究孟加拉湾中部海域溶解氧分布[J]. 生态科学, 2024, 43(1): 74–80.

XU Huabing, Yang Fengcheng, LIANG Yingxin, et al. The distribution of dissolved oxygen in the central Bay of Bengal based on Bio-Argo observation[J]. Ecological Science, 2024, 43(1): 74–80.