烟台-威海北部海洋牧场底层溶解氧浓度的季节变化研究.pdf
《烟台-威海北部海洋牧场底层溶解氧浓度的季节变化研究.pdf》由会员分享,可在线阅读,更多相关《烟台-威海北部海洋牧场底层溶解氧浓度的季节变化研究.pdf(15页珍藏版)》请在咨信网上搜索。
1、第 54 卷 第 4 期 海 洋 与 湖 沼 Vol.54,No.4 2 0 2 3 年7 月 OCEANOLOGIA ET LIMNOLOGIA SINICA Jul.,2023 *山东省自然科学基金项目,ZR2020MD059 号;国家自然科学基金项目,42176016 号。樊思琦,硕士研究生,E-mail: 通信作者:刘子洲,实验师,E-mail: 收稿日期:2022-12-02,收修改稿日期:2023-01-19 烟台-威海北部海洋牧场底层溶解氧 浓度的季节变化研究*樊思琦1 刘子洲1 翟方国1 顾艳镇2 (1.中国海洋大学 海洋与大气学院 山东青岛 266100;2.浙江大学 海洋学
2、院 浙江舟山 316021)摘要 基于2021年412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观测数据,研究了该海域底层溶解氧(dissolved oxygen,DO)浓度的季节变化特征,并探讨了物理机制。该海域底层 DO 从春季到夏季逐渐降低,而从夏季到秋季逐渐升高,主要受温度控制;各观测站 DO 均在 8 月达到最低值,受垂向层结增强和底层生物化学耗氧增多的共同影响。底层 DO 浓度在东西方向差异较小,而在南北方向上差异明显;在春季和秋季 DO 浓度南高北低,是由于层结较弱,海水垂向混合向底层提供 DO,且南边水深更浅,DO 更容易达到饱和或过饱和状态,而水深更深处 DO
3、仍处于不饱和状态;夏季DO浓度南边大于北边是季节性层结强度的空间差异所致,同时南边底层DO浓度下降更快,使其南北差异在夏季有所减小。在 11 月中旬,近岸 3 个观测站底层 DO 快速增多,可能是由于此前的大风过程引起浮游植物繁殖,晴朗天气促进其光合作用使海水中 DO 增多,之后海水层结消失,海水充分垂向混合使丰富的 DO 到达底层。关键词 海洋牧场;溶解氧浓度;季节性海水层结;生化过程 中图分类号 P717 doi:10.11693/hyhz20221200317 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
4、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
5、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 710 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
6、 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4 期 樊思琦等:烟台-威海北部海洋牧场底层溶解氧浓度的季节变化研究 1001 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
7、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412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 412 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
8、,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 图 1 渤、黄海水深分布图(a)及连续观测站位分布图(b)Fig.1 Bathymetry of the Boha
9、i and Yellow Seas(a)and distribution of four continuous observation stations(b)1002 海 洋 与 湖 沼 54卷 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
10、 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。表 1 2021 年烟台-威海北部海洋牧场观测站位信息 Tab.1 Information of marine pasture observation stations in north Yantai-Weihai in 2021 站位名称时间范围/月.日 经度 纬度 平均水深/m 东宇南部7.2311.28 12148.162E 3727.753N5.64 东宇北部7.2212.20 12148
11、.195E 3728.040N12.35 瑜泰 4.1512.8 12155.833E 3728.383N10.60 瑜泰北部4.2310.14 12156.509E 3731.027N20.56 图 2 2021 年威海东北部大面调查断面分布图 Fig.2 Cross-section distribution of the navigation survey in sea areas northeast off Weihai in 2021 注:a、b 为经向断面;c、d 为纬向断面 卫星观测资料使用的是 MURSST(Multi-sensor Ultra-high Resolution S
12、ST),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0.010.01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 Forec
13、asts,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 0.250.25,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4 期 樊思琦等:烟台-威海北部海洋牧场底层溶解氧浓度的季节变化研究 1003 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
14、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
15、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 AOU0,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。图 5 各连续观测站饱和溶解氧(a)、溶
16、解氧饱和度(b)和表观耗氧量(c)时间序列图 Fig.5 Time series of saturated dissolved oxygen(a),saturation percentage(b)and apparent oxygen utilization(c)at each continuous observation station 1006 海 洋 与 湖 沼 54卷 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
17、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
18、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。图 6 各连续观测站日平均温度(a)和日平均盐度(b)时间序列图 Fig.6 Time series of daily mean temperature(a)and salinity(b)at each continuous observation station 4 期 樊思琦等:烟台-威海北部海洋牧场底层溶解氧浓度的季节变化研究 1007 图 7 各海洋牧场连续观测站日平均溶解氧(dissolved oxygen,DO)浓度(蓝线)、饱和溶解氧浓度(红线)、用平均盐度(黑虚线)和平均温度得到的饱和溶解氧浓
19、度(灰线)时间序列 Fig.7 Time series of daily mean DO concentration(blue line),saturated DO concentration(red line),saturated DO concentration obtained using mean salinity(dashed black line),and mean temperature(gray line)at each continuous observation station 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 D
20、O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
21、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;1008 海 洋 与 湖 沼 54卷 图 8 各连续观测站日平均溶解氧(dissolved oxygen,DO)浓度和海水温度时间序列 Fig.8 Time series of daily mean DO concentration and seaw
22、ater temperature at each continuous observation station 表 3 各连续观测站溶解氧(dissolved oxygen,DO)浓度和海水温度同期相关系数以及升高、下降速率 Tab.3 Correlation coefficients of DO concentration and seawater temperature,and the rates of increase and decrease in DO concentration and temperature at each continuous observation stati
23、on 站位名称 同期相关系数 温度升高速率/(C/d)DO 下降速率/(mg/Ld)温度降低速率/(C/d)DO 升高速率/(mg/Ld)东宇南部 0.84 0.24 0.18 0.22 0.12 东宇北部 0.88 0.22 0.12 0.21 0.06 瑜泰 0.86 0.11 0.05 0.21 0.08 瑜泰北部 0.86 0.15 0.07 0.04 0.02 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
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 烟台 威海 北部 海洋 牧场 底层 溶解氧 浓度 季节 变化 研究
1、咨信平台为文档C2C交易模式,即用户上传的文档直接被用户下载,收益归上传人(含作者)所有;本站仅是提供信息存储空间和展示预览,仅对用户上传内容的表现方式做保护处理,对上载内容不做任何修改或编辑。所展示的作品文档包括内容和图片全部来源于网络用户和作者上传投稿,我们不确定上传用户享有完全著作权,根据《信息网络传播权保护条例》,如果侵犯了您的版权、权益或隐私,请联系我们,核实后会尽快下架及时删除,并可随时和客服了解处理情况,尊重保护知识产权我们共同努力。
2、文档的总页数、文档格式和文档大小以系统显示为准(内容中显示的页数不一定正确),网站客服只以系统显示的页数、文件格式、文档大小作为仲裁依据,平台无法对文档的真实性、完整性、权威性、准确性、专业性及其观点立场做任何保证或承诺,下载前须认真查看,确认无误后再购买,务必慎重购买;若有违法违纪将进行移交司法处理,若涉侵权平台将进行基本处罚并下架。
3、本站所有内容均由用户上传,付费前请自行鉴别,如您付费,意味着您已接受本站规则且自行承担风险,本站不进行额外附加服务,虚拟产品一经售出概不退款(未进行购买下载可退充值款),文档一经付费(服务费)、不意味着购买了该文档的版权,仅供个人/单位学习、研究之用,不得用于商业用途,未经授权,严禁复制、发行、汇编、翻译或者网络传播等,侵权必究。
4、如你看到网页展示的文档有www.zixin.com.cn水印,是因预览和防盗链等技术需要对页面进行转换压缩成图而已,我们并不对上传的文档进行任何编辑或修改,文档下载后都不会有水印标识(原文档上传前个别存留的除外),下载后原文更清晰;试题试卷类文档,如果标题没有明确说明有答案则都视为没有答案,请知晓;PPT和DOC文档可被视为“模板”,允许上传人保留章节、目录结构的情况下删减部份的内容;PDF文档不管是原文档转换或图片扫描而得,本站不作要求视为允许,下载前自行私信或留言给上传者【自信****多点】。
5、本文档所展示的图片、画像、字体、音乐的版权可能需版权方额外授权,请谨慎使用;网站提供的党政主题相关内容(国旗、国徽、党徽--等)目的在于配合国家政策宣传,仅限个人学习分享使用,禁止用于任何广告和商用目的。
6、文档遇到问题,请及时私信或留言给本站上传会员【自信****多点】,需本站解决可联系【 微信客服】、【 QQ客服】,若有其他问题请点击或扫码反馈【 服务填表】;文档侵犯商业秘密、侵犯著作权、侵犯人身权等,请点击“【 版权申诉】”(推荐),意见反馈和侵权处理邮箱:1219186828@qq.com;也可以拔打客服电话:4008-655-100;投诉/维权电话:4009-655-100。