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  • ISSN 1007-6336
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长江口夏季低氧区历年变化规律及影响因素探讨

刘海霞 王岳峰 安佰超 钱家辉 裘诚

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长江口夏季低氧区历年变化规律及影响因素探讨

    作者简介: 刘海霞(1986-),女,江苏海门人,硕士,主要研究方向为海洋生态环境,E-mail:haixialiu526@163.com;
  • 基金项目: 上海市海洋局科研项目(沪海科2020-04)
  • 中图分类号: X142

Study on the variation trend and influencing factors of summer hypoxia off the Yangtze River Estuary

  • 摘要: 根据2010-2017年长江口及邻近海域夏季低氧区监测资料,分析长江口夏季低氧区发生位置、范围大小的年际变化特征,并对低氧区历年变化的影响因素进行初步探讨。结果显示:长江口外31°N,123°E附近海域几乎每年均会出现低氧区,低氧严重的年份在长江口北侧(32°N以北海域)会同时出现低氧区;长江口及邻近海域低氧区的历年变化很大程度上受台湾暖流影响,台湾暖流较强的年份,低氧区范围大,位置偏北;受台湾暖流影响导致的低氧区水动力环境变化以及台湾暖流底层黑潮次表层水的低溶解氧和高营养盐特性,是影响低氧区底层水体复氧和耗氧水平的重要因素,台湾暖流的强弱及其底层黑潮次表层水的特性对长江口及邻近海域夏季低氧区的年际变化具有至关重要的作用。
  • 图 1  长江口及邻近海域监测站位分布

    Figure 1.  Sampling stations of the Yangtze River and its adjacent sea areas

    图 2  2010—2017年核心低氧区(DO<2 mg/L)面积、低氧区(DO<3 mg/L)面积及最低溶解氧浓度值历年变化

    Figure 2.  Annual changes of the core hypoxia area, hypoxia area and minimum dissolved oxygen value from 2010 to 2017

    图 3  2010—2017年低氧区最低溶解氧浓度大小及发生位置

    Figure 3.  The minimum dissolved oxygen value in hypoxia area and its location from 2010 to 2017

    图 4  2010—2017年夏季长江口及邻近海域底层溶解氧浓度分布

    Figure 4.  Distribution of dissolved oxygen concentration at the bottom water of the Yangtze River Estuary and its adjacent sea areas in summer from 2010 to 2017

    图 5  2010—2017年长江口及邻近海域夏季表、底层盐度分布

    Figure 5.  Distribution of the salinity at the surface and bottom water of the Yangtze River Estuary and its adjacent sea areas in summer from 2010 to 2017

    图 6  2010—2017年长江口及邻近海域夏季表、底层温度分布

    Figure 6.  Distribution of the temperature at the surface and bottom water of the Yangtze River estuary and its adjacent sea areas in summer from 2010 to 2017

    图 7  2010—2017年8月监测区海表温度月均值历年变化(数据来源:国家科技资源共享服务平台—国家海洋科学数据共享服务平台http://mds.nmdis.org.cn/

    Figure 7.  Annual changes of the monthly mean SST of the monitoring area in August from 2010 to 2017

    图 8  底层最低溶解氧浓度与8月海表温度月均值回归分析

    Figure 8.  Regression analysis of minimum dissolved oxygen value and monthly mean SST in August

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出版历程
  • 收稿日期:  2020-04-02
  • 录用日期:  2020-10-09
  • 刊出日期:  2021-06-20

长江口夏季低氧区历年变化规律及影响因素探讨

    作者简介:刘海霞(1986-),女,江苏海门人,硕士,主要研究方向为海洋生态环境,E-mail:haixialiu526@163.com
  • 1. 上海市海洋监测预报中心,上海 200062
  • 2. 上海海事大学 海洋科学与工程学院,上海 201306
基金项目: 上海市海洋局科研项目(沪海科2020-04)

摘要: 根据2010-2017年长江口及邻近海域夏季低氧区监测资料,分析长江口夏季低氧区发生位置、范围大小的年际变化特征,并对低氧区历年变化的影响因素进行初步探讨。结果显示:长江口外31°N,123°E附近海域几乎每年均会出现低氧区,低氧严重的年份在长江口北侧(32°N以北海域)会同时出现低氧区;长江口及邻近海域低氧区的历年变化很大程度上受台湾暖流影响,台湾暖流较强的年份,低氧区范围大,位置偏北;受台湾暖流影响导致的低氧区水动力环境变化以及台湾暖流底层黑潮次表层水的低溶解氧和高营养盐特性,是影响低氧区底层水体复氧和耗氧水平的重要因素,台湾暖流的强弱及其底层黑潮次表层水的特性对长江口及邻近海域夏季低氧区的年际变化具有至关重要的作用。

English Abstract

  • 海水中的溶解氧是反应海水环境质量的重要指标,溶解氧含量及其变化直接影响海洋生物的生长与繁殖,而且会对主导水体中营养物质含量的生物地球化学过程产生影响[1-3]。当海水中溶解氧含量无法维持大部分生物生存的时候就形成低氧现象。研究表明,截至2008年,全球低氧区已超过400个,总面积已超过245000 km2,占据全球海洋面积的千分之七,各地都有,主要集中分布在大西洋的美国、欧洲沿岸以及日本等国家和地区的近岸海域[4]

    我国海域低氧区主要出现在长江口及邻近海域[5-6]、珠江口及邻近海域[7-8]、渤海[9-10]等海域,其中,以长江口及邻近海域的低氧区最为典型。对长江口沉积物微化石的研究表明,近几十年长江口底层低氧事件发生次数有增加趋势[11]。长江口低氧区是季节性的,一般于春末夏初形成,8月最为严重,并于冬季消失。有研究认为,水体层化强度和有机质输入量是长江口季节性低氧的主要影响因素[12],其中,水体层化是低氧发育和持续的前提,沉积物耗氧是水体底层主要耗氧方式[13],长江口北侧低氧主要由层化引起,南侧低氧主要由有机质分解引起[14]。有研究认为,低氧区底层易分解有机质主要来源于本地浮游植物沉降[15],且低氧区浮游植物沉降速度较快[16],本地浮游植物沉降后分解耗氧占底层总有机碳分解耗氧的76%左右[17],也有研究认为,有机质的主要来源不是长江径流输入,也不是本地植物死亡残体沉降,而是当地底栖藻类以及南部海域带来的颗粒物[18]。此外,有模型研究发现,风速和风向的变化对长江口低氧区的位置和范围有重要影响[19-20]。长江口外羽状锋和上升流及其耦合作用是诱发夏季缺氧的重要驱动力[21]

    虽然关于长江口低氧区已开展很多研究,但以往研究多基于短时间尺度或是不同来源的监测资料,缺乏长时间尺度的连续性观测和系统性研究。本文利用长江口低氧区夏季多年连续监测资料,分析长江口夏季低氧区历年变化特征,以期探寻长江口低氧区年际变化规律,并对低氧区历年变化的影响因素进行初步探讨。

    • 监测区域为长江口及邻近海域(30°20′ N-32°40′ N,122°15′ E-124°10′ E),总面积约27900 km2,布设50个监测站位(图1),监测频率为1次/ 年,时间为8月-9月。各航次调查期间采样方法、层次和测定方法均按《海洋调查规范》(GB/T12763-2007)和《海洋监测规范》(GB17378-2007)进行。溶解氧、温度、盐度等数据由Sea-Bird CTD测量获取,其中,溶解氧数据由Sea-Bird CTD的SBE63探头,按照ISO 17289-2014光学传感器法测量获取。CTD的使用严格按照实验室质量控制要求进行,定期送厂家标定,并且每次采样时进行现场校验,将CTD测得数据与实验室碘量法数据进行比对,以确保获得数据的准确性和有效性。CTD测量溶解氧的分辨率为0.007 mg/L,准确度为±0.1 mg/L。

      图  1  长江口及邻近海域监测站位分布

      Figure 1.  Sampling stations of the Yangtze River and its adjacent sea areas

      本文选用2010-2017年监测资料,文中讨论的表、底层数据与《海洋调查规范》(GB/T12763-2007)中规定的表、底层标准相一致,其中,表层指海面下3 m以内的水层,水深不足50 m时,底层为离底2 m的水层,水深在50~200 m范围时,底层离底的距离为水深的4%,底层与相邻标准层的距离小于规定的最小距离时,可免测接近底层的标准层。

      文中将溶解氧含量低于3 mg/L的区域定义为低氧区,溶解氧含量低于2 mg/L的区域定义为核心低氧区。用ArcGIS对低氧区面积进行计算,主要采用克里金差值方法,将监测点上溶解氧数据转换为空间化数据,并利用研究范围矢量数据对差值数据进行裁剪,所有数据统一转换成CGS2000高斯克吕格3°带投影,并计算面积。

    • 2010-2017年,长江口外底层海域每年夏季均出现低氧区,其中,2017年、2016年、2013年、2010年、2014年低氧区面积较大,分别为24730 km2、15096 km2、14834 km2、12062 km2、11863 km2,且存在核心低氧区,核心低氧区面积分别为9495 km2、1572 km2、3658 km2、1968 km2、3253 km2;2015年、2011年、2012年低氧区面积较小,分别为9040 km2、2046 km2、78 km2,且无核心低氧区。最严重的低氧现象出现在2017年、2013年、2016年,这3年低氧区溶解氧最低浓度均小于1 mg/L,且实测到的最低溶解氧站位均位于长江口外以北海域(图2图3)。从历年低氧区最低溶解氧浓度及发生位置分布(图3)来看,在长江口以北海域发生的低氧区,其溶解氧最低浓度明显低于长江口以南海域低氧区最低溶解氧浓度。

      图  2  2010—2017年核心低氧区(DO<2 mg/L)面积、低氧区(DO<3 mg/L)面积及最低溶解氧浓度值历年变化

      Figure 2.  Annual changes of the core hypoxia area, hypoxia area and minimum dissolved oxygen value from 2010 to 2017

      图  3  2010—2017年低氧区最低溶解氧浓度大小及发生位置

      Figure 3.  The minimum dissolved oxygen value in hypoxia area and its location from 2010 to 2017

      长江口底层溶解氧浓度分布(图4)显示,2010年,低氧区位于长江口外并向南延伸,呈南北分布,核心低氧区有南、北两块,中心位置分别为31°02′32″N,122°42′32″E和31°41′01″N,122°32′37″E。2011年,低氧区面积较2010年明显减小,位于长江口外偏东南方向,大致位于30.5°N-31.25°N,123°E-123.5°E,未出现核心低氧区。2012年,仅监测海域西边界的两个站位溶解氧值低于3 mg/L,未出现核心低氧区。2013年,低氧区范围较大,分南、北两块,南区块同2011年低氧区位置类似,位于长江口外偏东南向,大致位于30.5°N-31°N,122.75°E-123.5°E,范围较小,无核心低氧区;北区块位于31.5°N以北海域,范围较大,且有明显的核心低氧区。2014年,低氧区位置同2011年及2013年南区块位置较为接近,但范围较大,且有核心低氧区。2015年,低氧区分布同2014年类似,但溶解氧浓度较2014年高,无核心低氧区,且在监测海域北部东边界亦有低氧区出现。2016年,低氧区范围较大,分南、北两块,北区块位于监测海域北侧边界,南区块分布同2010年类似,较2010年稍向东扩展,但核心低氧区分布较散,且面积较小。2017年,低氧区范围为历年最大,几乎长江口南支以北整个监测海域均为低氧区,其中,核心低氧区范围为历年最大。

      图  4  2010—2017年夏季长江口及邻近海域底层溶解氧浓度分布

      Figure 4.  Distribution of dissolved oxygen concentration at the bottom water of the Yangtze River Estuary and its adjacent sea areas in summer from 2010 to 2017

      以上分析表明,长江口低氧区具有一定的年际变化规律,总体来看,几乎每年均会在31°N,123°E附近海域出现低氧区,而仅在该区域附近出现低氧的年份,低氧区分布范围较小,甚至有些年份不会出现核心低氧区;但是同时在监测海域北侧出现低氧区,那么该年份低氧区分布范围较广,且基本会出现核心低氧区。

    • 结合2010-2017年表、底层温盐平面分布情况(图5图6)可以发现,低氧区历年变化特征与海域底层水团的年际变化特征非常类似。2013年和2017年,底层33等盐线向西北扩散至32°N以北,122.5°E以西海域,长江口外底层海域几乎全部被32以上高盐水覆盖,而这两年长江口外低氧现象也是几年来最严重的;2010年和2016年,底层33高盐水流动至31.5°N,122.5°E,较2013年和2017年弱,同样这两年低氧程度次之;2011年、2014年和2015年,底层33高盐水流至长江口外31.5°N,122.75°E以南海域,同样这几年低氧现象也明显较弱,低氧区仅出现在长江口外以南海域,在监测海域北边界几乎没有低氧站位,而且2011年和2015年未出现核心低氧区;2012年,台湾暖流底层水未向长江口外深槽方向流动,而是转向东北,该年度低氧程度最轻,未出现核心低氧区。

      图  5  2010—2017年长江口及邻近海域夏季表、底层盐度分布

      Figure 5.  Distribution of the salinity at the surface and bottom water of the Yangtze River Estuary and its adjacent sea areas in summer from 2010 to 2017

      图  6  2010—2017年长江口及邻近海域夏季表、底层温度分布

      Figure 6.  Distribution of the temperature at the surface and bottom water of the Yangtze River estuary and its adjacent sea areas in summer from 2010 to 2017

      总体来看,该底层水团由研究海域南部向北流动,至长江口外附近海域转向西北,该水团具有低温、高盐特征。以往研究认为,长江口及邻近水域主要受西部沿岸流及东部台湾暖流影响[22],夏季长江口外海槽被台湾暖流水所占据[23]。研究表明,台湾暖流位于东海沿岸流外侧,夏季其上层水由台湾海峡水和黑潮表层水混合而成,深层水则完全来自黑潮次表层水,黑潮次表层水具有低温(15 ℃~20 ℃)、高盐(34.5~34.9)的特征,可见,监测区域底层南侧北向流动的水团即台湾暖流底层的黑潮次表层水[24-25]。所以台湾暖流北向流动的强度和范围是长江口底层低氧事件发生及严重程度的关键因素。

    • 对2010-2017年8月监测海域海表温度月均值变化进行分析(图7)可以发现,低氧较严重的2017年、2013年、2016年、2010年,8月的海表均温明显高于其余年份,在与台湾暖流北向流动强度相当的2013年和2017年,由于2017年8月海表温度显著高于2013年,所以2017年的低氧严重程度明显高于2013年,同样,在与台湾暖流北向流动强度相当的2010年和2016年,由于2016年8月海表温度显著高于2010年,所以2016年的低氧严重程度明显高于2010年。此外,对8月海表月均温和最低溶解氧浓度进行回归分析可以发现,两者具有明显的负相关关系(图8),海表月均温度越高,底层最低溶解氧值越低。可见海表温度是影响长江口底层低氧事件发生及严重程度的另一重要因素,海表温度越高,高温持续时间越长,水体层化持续时间越长,导致底层消耗的溶解氧长时间得不到补充,低氧程度越严重。

      图  7  2010—2017年8月监测区海表温度月均值历年变化(数据来源:国家科技资源共享服务平台—国家海洋科学数据共享服务平台http://mds.nmdis.org.cn/

      Figure 7.  Annual changes of the monthly mean SST of the monitoring area in August from 2010 to 2017

      图  8  底层最低溶解氧浓度与8月海表温度月均值回归分析

      Figure 8.  Regression analysis of minimum dissolved oxygen value and monthly mean SST in August

    • 对前文提及的外海水团入侵对低氧区产生影响的原因进行初步探讨,认为主要有以下几点:首先,台湾暖流底层的黑潮次表层水本身具有低溶解氧特征,尤其是夏季,溶解氧浓度约为4.86~5.86 mg/L[24-25],所以,黑潮次表层水的入侵为低氧的形成提供了较低溶解氧含量的本底环境,这与以往研究认为台湾暖流水是长江口外深槽区底层低氧水体的原始来源[26]以及外海源水团的初始溶解氧值对东海缺氧区有明显的控制作用[27]等研究结论相一致;其次,底层低温高盐特性的黑潮次表层水,与其上层高温低盐的长江冲淡水和台湾暖流表层水之间形成强烈的温盐跃层,使得黑潮次表层水流经海域水体层化明显较其周边海域强,水体垂向交换更弱,为低氧的形成和持续提供了必要前提;另外,研究表明,黑潮次表层水富含营养物质[28],给东海大陆架带来远多于长江径流的丰富营养盐[29],且输入的营养盐主要为高浓度磷酸盐[30],会大大促进磷限制的长江口及邻近海域浮游植物生长,而且长江口外海区(31°00′N-32°00′ N,122°20′E-123°10′ E)存在着明显的高盐、低温、高营养的台湾暖流变性水的抬升现象,研究表明,浮游植物暴发的程度与黑潮次表层水涌升的强度紧密相关[30-32],由此可见,营养盐丰富的黑潮次表层水进入长江口外深槽后,爬坡向上形成上升流,将底层营养盐带至真光层,加快浮游植物生长繁殖及死亡残体分解耗氧,从而促进低氧的形成。

      所以,为了更好地探究长江口低氧区形成及发展的影响因素,有必要进一步分析该海域环流系统年际变化的影响因素。以往研究表明,黑潮在台湾东北的流量具有±3.5 Sv(1 Sv=106 m3/S)的年际变化[33]。黑潮的年际变化受副热带逆流区反气旋式涡旋与气旋式涡旋的相对强度的影响[34]。黑潮次表层水向东海陆架入侵强度的年际变化与北太平洋中部风应力的变化有关[35],黑潮次表层水向长江口及其邻近海域入侵的年际变化可能与厄尔尼诺-南方涛动(ENSO)有关,而与太平洋十年涛动(PDO)无关[36]。所以对于长江口低氧区的研究不能仅局限于长江口小尺度范围进行,需对大尺度范围的水动力环境进行深入研究探讨,从而更好地对低氧变化趋势进行预测和研判。

    • (1)2010-2017年长江口夏季低氧区的变化与近年来台湾暖流的北向流动强弱趋势较为吻合,台湾暖流较强的年份,低氧区范围大,位置偏北;台湾暖流弱的年份,低氧区范围小,且位置偏南。

      (2)低氧区的强弱变化,很大程度上受台湾暖流影响,尤其受底层黑潮次表层水影响。一方面,台湾暖流较强的年份,向北扩散范围更大,其底层黑潮次表层水低温、高盐、低溶解氧、高营养盐的水体向北移动更远,使得长江口外底层水体更易形成低氧区;另一方面,台湾暖流北向流动的增强会加强长江口外深槽区的上升流,并扩大上升流影响范围,为表层浮游植物生长输入丰富的营养盐,加大浮游植物死亡贡献,加剧底层有机质分解耗氧。需要说明的是,上述对于低氧区影响因素的讨论多为定性讨论,今后的研究需要进一步加强相关的定量研究。

      (3)鉴于对历年低氧区的分析探讨,为了更好地研究长江口外夏季低氧区形成机制及影响因素,建议一方面扩大低氧区监测范围,另一方面增加低氧区营养盐要素的监测。并且,长江口外低氧区的形成受控于复杂的环流系统,应加强低氧区海洋动力学研究,研究低氧区形成的生态动力机制,从而更好地为海洋生态监测预警服务。

参考文献 (36)

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