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热带海洋学报 >

2022 , Vol. 41 >Issue 1: 131 - 142

DOI: https://doi.org/10.11978/2021012

海洋化学

南海北部最小含氧带水下滑翔机观测结果初步分析*

  • 马梦真 , 1, 2 ,
  • 李芊 , 1, 2, 3 ,
  • 吴正超 1, 3 ,
  • 陈寅超 1, 2 ,
  • 俞建成 4
展开
  • 1. 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, 广东 广州 510301
  • 2. 中国科学院大学, 北京 100049
  • 3. 南方海洋科学与工程广东省实验室(广州), 广东 广州 511458
  • 4. 中国科学院沈阳自动化研究所, 辽宁 沈阳 110016
李芊。email:

马梦真(1995—), 女, 河南省郑州市人, 硕士研究生, 从事海洋环境研究。email:

Copy editor: 姚衍桃

收稿日期: 2021-01-28

  修回日期: 2021-04-04

  网络出版日期: 2021-04-06

基金资助

中国科学院战略性先导科技专项(XDA13030200)

南方海洋科学与工程广东省实验室(广州)重大专项(GML2019ZD0305)

国家重点研发计划(2016YFC0301202)

收起

Underwater glider observation of oxygen minimum zone in the northern South China Sea

  • MA Mengzhen , 1, 2 ,
  • LI Qian , 1, 2, 3 ,
  • WU Zhengchao 1, 3 ,
  • CHEN Yinchao 1, 2 ,
  • YU Jiancheng 4
Expand
  • 1. State Key Laboratory of Tropical Oceanography, South China Sea Institute of Oceanology, Chinese Academy of Sciences, Guangzhou 510301, China
  • 2. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China
  • 3. Southern Marine Science and Engineering Guangdong Laboratory (Guangzhou), Guangzhou 511458, China
  • 4. Shenyang Institute of Automation Chinese Academy of Sciences, Shenyang 110016, China
LI Qian. email:

Copy editor: YAO Yantao

Received date: 2021-01-28

  Revised date: 2021-04-04

  Online published: 2021-04-06

Supported by

Strategic Priority Research Program of the Chinese Academy of Sciences(XDA13030200)

Key Special Project of Southern Marine Science and Engineering Guangdong Laboratory (Guangzhou)(GML2019ZD0305)

National Key Research and Development Program of China(2016YFC0301202)

Fold

摘要

最小含氧带(Oxygen Minimum Zone, OMZ)是指海洋中层水体处存在的稳定的溶解氧(Dissolved Oxygen, DO)极小值层, OMZ的分布与变化对南海生态系统和生地化循环具有重要意义。本文利用2019年7—9月“海翼”号水下滑翔机(Sea-wing Glider)在南海北部陆坡区的组网观测数据, 对南海北部陆坡区OMZ的空间分布特征进行了分析。结果显示, 在垂向上, 研究区域内DO极小值层出现在深度约700~900m处, 其浓度约为80~100μmol·L-1, 且700~900m深度范围内DO浓度变化不大, 形成了厚度约为200m的OMZ。在水平方向上, OMZ自陆坡西南部起向东北方向延伸, 厚度由西南至东北逐渐变薄, 整体呈楔形分布, 并在靠近吕宋海峡处逐渐消失。此外, 本研究还选取了两台水下滑翔机7—8月连续两周内的观测数据, 经计算显示, OMZ区域内的DO浓度在跨陆坡方向上的平均变化速率为0.023μmol·L-1·d-1(增加), 在沿陆坡方向上为-0.034μmol·L-1·d-1(减少)。沿吕宋海峡入侵南海的高氧水能够解释OMZ东北部DO浓度局部升高的现象, OMZ的分布特征和形成原因与海水的平流运动、水团分布和水体层化等物理过程, 以及生物呼吸、有机物分解和还原性物质的氧化等多种影响因素有关。

关键词： 水下滑翔机; 陆坡区; 最小含氧带; 空间分布; 南海北部

本文引用格式

马梦真 , 李芊 , 吴正超 , 陈寅超 , 俞建成 . 南海北部最小含氧带水下滑翔机观测结果初步分析*[J]. 热带海洋学报, 2022 , 41(1) : 131 -142 . DOI: 10.11978/2021012

Abstract

The Oxygen Minimum Zone (OMZ) is a stable dissolved oxygen (DO) minimum layer that forms in the mid-ocean water (200~1000 m). High-resolution surveys of DO in the water columns near the continental slope of the northern South China Sea (NSCS) were performed during July-September 2019 using an observation network including seven Sea-Wing Gliders. Our results revealed the existence of a stable basin-scale OMZ in the middle layer of the NSCS. Our data indicated that the depth of the OMZ was about 700 m with minimal DO content of about 80-100 μmol·L-1. Besides, the DO content remains relatively stable within the depth range of 700-900 m, with an averaged OMZ thickness of about 200 m. The OMZ generally shows a wedge-shaped distribution in the horizontal direction with a gradual decrease of OMZ thickness and intensity from the southwest to the northeast along the continental slope of the NSCS. The OMZ eventually disappears near the Luzon Strait. In addition, we used data of two sections near the Xisha regions with repeated glider surveys to estimate the temporal change of OMZ over time. Our results suggested that the DO concentration within the OMZ core increased by ~0.023 μmol·L-1 per day in the cross-slope direction but decreased by ~0.034 μmol·L-1 per day in the along-slope direction. The increase of DO content in the northeastern OMZ can be explained by the intrusion of high-oxygen water through the Luzon Strait. Based on the above observation results, we believe that the distribution and formation of the OMZ be affected by physical processes such as advection, water mass distribution and stratification; it is also related to biological respiratory, organic decomposition, oxidation of reducing substances, and other factors.

Key words： underwater glider; continental slope area; Oxygen Minimum Zone; spatial distribution; northern South China Sea

海水中溶解氧(Dissolved Oxygen, DO)的浓度变化与水体初级生产力和海洋生物地球化学循环过程紧密相关, 对整个海洋生态系统的维持和发展有着重要作用(Helly et al, 2004; Schmidtko et al, 2017)。最小含氧带(Oxygen Minimum Zone, OMZ)是指在海洋中层水(200~1000m)处形成的稳定的低氧水层(Stramma et al, 2010; Levin, 2018), 已有的研究成果普遍认为OMZ的形成是在海洋中的特定深度下, 由于DO的消耗与补充不平衡所导致(Stramma et al, 2008), 且不同海域出现OMZ的深度不完全相同。Li等(2006)在对历史数据集的研究中发现了南海中层水存在着低氧水层, 并研究了它的扩散路径和水体更新情况; Karstensen等(2008)的研究发现印度洋的环流和水团分布情况与太平洋和大西洋不同, 证实了这对区域OMZ的分布具有重要影响; Wishner等(2013)通过研究中上层浮游动物群落的结构和特征, 发现了热带东太平洋OMZ厚度和边界深度变化会对其造成影响; Oschlies等(2018)提出了全球OMZ的扩张或者收缩受气候变化影响的机制; Xiu等(2020)利用Argo数据证实了南海地区OMZ的分布会受到次表层叶绿素极大值层的调控作用; Davis等(2021)发现了两种可作为沉积记录标记物的浮游生物有孔虫对热带东太平洋OMZ生境具有指示作用。在全球变暖的背景下, OMZ的进一步扩大可能会对浮游生物的生物量与类型分布产生影响, 并且会影响到海洋中的食物网、有机物颗粒通量和生物地球化学循环(Cavan et al, 2017), 继而影响整个生态系统的结构和功能(Ito et al, 2013)。
近年来, 随着海洋观测技术的不断发展与进步, 水下滑翔机在海洋观测领域得到了广泛的应用。与传统的船舶与泊系观测相比, 水下滑行机具有制作成本低、使用时间长、可控性强以及可重复使用的优点, 除了基本的温度、电导率、压力等基础变量, 它还能搭载不同的传感器, 在海洋中进行DO、叶绿素以及硝酸盐等参数的观测, 具有广阔的应用前景(Liu et al, 2019)。
南海是我国最大的边缘海, 纵跨热带与亚热带, 地形条件十分复杂(冯士筰 等, 1999)。其中, 位于台湾岛和菲律宾吕宋岛之间的吕宋海峡水深约2400m, 是南海与西北太平洋进行水体交换的唯一深水通道(黄企洲 等, 1992)。南海北部具有宽阔的陆坡和陆架区域, 由于受到东亚季风、中尺度涡、黑潮入侵等过程的强烈影响, 南海北部陆架、陆坡流系也十分复杂, 其中以南海北部陆坡流、南海暖流、沿岸流及与之相关的夏季上升流和冬季下降流为主, 它们共同构成了南海北部的典型流系(Shu et al, 2018)。已有研究表明, 在南海的中层水体(800~ 1000m), DO出现明显的极小值层(约80~ 100μmol·L-1), 形成了稳定的OMZ(刁焕祥, 1986; Li et al, 2006; Xiu et al, 2020), 且无明显季节性变化, 成为中层水团和深层水团交界处特有的表观特征。南海环流对生物地球化学循环有着非常深刻的影响, 其中上层与中深层环流的相互作用与水体交换过程, 能够影响DO的分布情况(Wang et al, 2019)。然而, 此前关于南海DO的研究大多集中在南海北部整个区域的DO分布(石晓勇 等, 2014; Wang et al, 2018)、表层水体含氧量变化(龙爱民 等, 2006; 杨阳 等, 2013)以及珠江口水域DO分布特征与低氧区的形成(罗琳 等, 2005; 叶丰 等, 2012)等方面。截至目前, 有关南海北部陆坡区OMZ的空间分布、影响因素以及形成原因等方面的系统研究还比较少。因此, 本研究利用水下滑翔机对南海北部陆坡区的DO、盐度、温度等生地化参数的观测数据, 重点探讨了OMZ在南海北部陆坡区的空间分布特征, 并初步分析了OMZ分布和形成的影响因素, 这对进一步了解OMZ对南海生态系统和生地化循环的影响具有重要意义。

1 材料与方法

1.1 水下滑翔机介绍

本文所使用的“海翼”水下滑翔机是由中国科学院沈阳自动化所自主研发, 用于观测深海环境变量(Yu et al, 2011)。“海翼”号水下滑翔机主要由艏部舱段、姿态调节舱段、观测舱段以及艉部舱段组成, 它的航行轨迹包括垂直剖面上的锯齿状运动和水平方向上的直线运动。通过滑翔机自身浮力和俯仰角的调节, 能够控制它的下潜和上浮; 结合信号接收系统, 使得滑翔机能够按照预定的路线和转向点进行自动连续剖面测量及航行(Shu et al, 2019), 其工作模式图如图1所示。
图1 “海翼”水下滑翔机工作模式图

Fig. 1 Working mode of the sea-wing underwater glider

“海翼”号水下滑翔机所搭载的Slocum Glider Payload CTD(GP-CTD)传感器采用泵吸式连续采样(Garau et al, 2011), 用于测量电导率、温度和压力, 其中电导分辨率为0.00001s·m-1, 温度分辨率为0.001℃, 压力分辨率为全量程的0.002%。搭载的SEB 43 Oxygen Optode (4330 F)传感器是一种极谱膜氧传感器, 用于测量DO浓度和温度, 其中DO浓度分辨率为0.001μmol·L-1, 温度分辨率为0.001℃, 它通过计算每秒从海水中扩散到工作电极的氧气分子数(通量)来确定DO浓度。海水和氧传感器之间的温差会导致氧测量中的误差, SBE 43通过使用与环境迅速达到平衡的材料, 并在膜下的阴极处加入热敏电阻, 以实现精确的温度补偿, 从而使这种差异最小化。因此, 与过去的氧传感器相比, SBE 43在对高温梯度区域进行剖面分析时, 更不容易出现误差(Martini et al, 2007)。

1.2 现场试验方法

2019年7—9月, 中国科学院南海海洋研究所和中国科学院沈阳自动化研究所在南海北部开展了水下滑翔机组网观测, 本文的研究数据来自其中的7台。“海翼”号水下滑翔机的CTD传感器和DO传感器均安装在滑翔机的观测舱段, 并通过接口直接内置到滑翔机内部。所有传感器在实验前都已由工作人员进行了标准校正, 以保证观测数据的可靠性。
本研究所选取的7台水下滑翔机均位于南海北部陆坡区, 其中3台(1000K005, 1000K008, 1000K011) 呈北西—东南走向为跨陆坡方向, 4台(1000K004, 1000K012, 1000KDVL02, 1000KDVL04)呈北东—西南走向为沿陆坡方向(图2)。每台滑翔机在预先设定的观测断面内都进行了2~15次不等的连续航行, 工作时间约为1个月, 7台滑翔机共获取了1000多个深度为1000m的CTD剖面数据和DO剖面数据。
图2 “海翼”水下滑翔机观测断面分布

该图基于国家测绘地理信息局标准地图服务网站下载的审图号为GS(2020)4634号的标准地图制作

Fig. 2 Sections of sea-wing underwater glider observations

1.3 数据处理

水下滑翔机所采集的参数有时间间隔(单位: s)、深度(单位: m)、温度(单位: ℃)、电导率(单位: s·m-1)和DO(单位: μmol·L-1), 采样时间间隔为6s。在对原始数据进行处理时, 首先将所有文件中缺失的观测点剔除, 然后利用Matlab 2018a中的sw_c3515工具包和CTD传感器测得的电导率、温度和深度进行计算, 得到压力(单位: dbar)、盐度(单位: ‰)、位势温度(Potential Temperature, 单位为℃)和位势密度(Potential Density, 单位为kg·m-3), 接着画出每个断面的T-S图, 将图中明显偏离包络线以外的点视为异常值并予以剔除。由于DO传感器采集的参数只有时间间隔、温度和DO浓度, 因此需要将它采集的时间间隔与CTD传感器采集的时间间隔进行匹配, 以确定采集到DO浓度和温度的位置。在本文研究中, 若DO传感器和CTD传感器采集到同一温度值在时间上的偏差大于1s, 则认为二者之间的位置偏差不能忽略, 将该采样点视为异常值并予以剔除。最后将经过上述预处理后的所有参数以深度1m为间隔进行插值, 形成网格化标准数据格式, 以进行后续的分析和研究。
由于每台水下滑翔机在相同断面内会进行2~15次不等的来回观测, 每个断面中有20~40个剖面, 因此同一断面内的观测数据会出现位置上的重合。在绘制DO浓度和盐度的垂向剖面图时, 选取的是每台仪器的全部数据(图3)。在连续工作的过程中, 将每台水下滑翔机的一次单向观测过程定义为一个断面, 由于部分断面在位置和时间上存在数据缺失, 在7—9月连续的观测中, 结合全部观测断面的观测数据以及DO浓度分布情况, 发现初期(7月中旬)和后期(9月初)的部分观测断面得到的数据不够稳定, 且此时OMZ的分布不够完整, 故由此得到的单一断面DO浓度的分布情况不能代表整个OMZ期间的变化情况。因此, 本研究分别在跨陆坡和沿陆坡的仪器中选取了整个观测过程中观测点较多、观测时间居中(7月底至8月初, 为观测中期)、数据质量较高(没有数据缺失)的两次连续观测(即两个连续断面)进行OMZ剖面图的绘制, 以此来初步分析OMZ中DO浓度在一定时间范围内的变化情况。绘图所用软件为海洋数据视图软件(Ocean Data View, ODV)。
图3 DO浓度剖面分布图

a、c、e为跨陆坡断面观测, b、d、f为沿陆坡断面观测; 图中数值为DO浓度等值线标值, 白色等值线为断面内DO浓度最小值

Fig. 3 Vertical distributions of DO. (a), (c) and (e) are across-slope distributions; (b), (d) and (f) are along-slope distributions. DO contours are shown, with the white contour for the minimum DO value in each section

2 结果

2.1 OMZ的空间分布特征

图3是7台水下滑翔机观测到的DO浓度剖面分布图, 其中1000KDVL02与1000KDVL04的断面数据绘制在同一张图中(图3d), 中间空白处无数据。由于不同海域关于OMZ中DO浓度的定义尚无统一标准, 结合以往研究结果(Kamykowski and Zentara, 1990; Brandt et al, 2010; Llanillo et al, 2018), 本文定义DO浓度小于100μmol·L-1的水域为OMZ。从图中可以得知, 在水深0~1000m范围内, DO的分布有明显的分层现象, 其浓度范围为80~220μmol·L-1, 其中表层至次表层DO浓度较高, 并随深度逐渐增加, 直至出现极大值(深度约75m, DO浓度约为200μmol·L-1)。此后随着深度的增加, DO浓度逐渐降低, 直至极小值出现(深度约700m, DO浓度约为80~100μmol·L-1)。在700~900m深度范围内DO浓度变化不大, 形成了厚度约为200m的稳定的极小值层, 即OMZ(图3a—3d)。900~1000m深度范围内, DO浓度较上层稍有增加。
由于受到海水温盐特性以及生物活动等因素的影响, OMZ的分布呈现出空间差异。在沿陆坡的DO剖面分布中, OMZ出现在700~900m范围内, 其厚度约为200m, 断面内部沿陆坡分布差异不大。其中, 1000K004(图3b)所在断面DO浓度极小值约为84μmol·L-1, 1000KDVL02与1000KDVL04(图3d)所在断面DO浓度极小值约为82μmol·L-1, 而1000K012(图3f)所在断面的DO极小值则上升至100μmol·L-1。在跨陆坡的DO浓度剖面分布中, OMZ出现在700~900m范围内, 其厚度约为200m。其中, 1000K005(图3a)与1000K008(图3c)断面内的DO浓度极小值均为85μmol·L-1左右, OMZ的厚度在陆坡区域内, 随纬度的增加由南至北逐渐变薄, 呈楔形分布。而1000K012(图3f)断面的DO浓度明显高于其他断面, 约为100μmol·L-1, OMZ延伸至该处(120°E、20°N附近)后逐渐变薄, 可能是受到黑潮水入侵的影响。由此可以得知, 在沿陆坡的北东—西南走向和跨陆坡的北西—东南走向上, OMZ内DO浓度的空间分布均存在差异, 主要表现为沿陆坡的分布区域内, OMZ位置逐渐抬升, 强度由西向东逐渐减弱, 其厚度由南至北逐渐变薄, 直至消失。其中的DO浓度在西南部较低, 在东北部较高。
结合以往的研究可知, 热带海洋的OMZ普遍分布在σθ=26.8~27.3kg·m-3范围内(Karstensen et al, 2008)。从图4可以看出, 在南海北部陆坡区的OMZ中, 研究区域的DO浓度在80~100μmol·L-1之间, 在垂直方向上随密度的增加而逐渐降低, 至σθ=27.1~27.2kg·m-3时出现极小值。其中, 陆坡西南部区域的DO浓度极小值约为80~84μmol·L-1, 东北部区域约为96~100μmol·L-1, 此后DO浓度又随密度增加而稍有增大。在OMZ区域内(σθ=27.1~ 27.2kg·m-3), DO浓度的分布整体上呈现西南部低、东北部高的趋势(图4d、4e), DO低值区位于研究区域西南角, 而东北部的DO高值区一直维持至OMZ层以下。
图4 DO浓度在等密度面(σθ=26.8~27.3kg·m-3)上的水平分布图
—f等密度面的密度间隔为0.1kg·m<sup>-3</sup>, 图中数字为DO浓度(单位: μmol·L<sup>-1</sup>)等值线标值

该图基于国家测绘地理信息局标准地图服务网站下载的审图号为GS(2020)4634号的标准地图制作

图a Horizontal distributions of DO on the isopycnal surface (σθ=26.8-27.3 kg·m-3). (a-f) are the DO on the isopycnal surface from 26.8 to 27.3 kg·m-3, with density interval of 0.1 kg·m-3

2.2 OMZ区域内DO浓度随时间的变化情况

为了进一步分析OMZ区域内DO随时间的变化情况, 分别选取了1000K005和1000KDVL02两台水下滑翔机的观测数据进行详细分析。由于水下滑翔机在相同断面进行来回观测, 且每个剖面观测位置的偏差很小, 相比整个OMZ区域可以忽略不计, 因此可以近似地认为在连续的时间范围内, 相同断面内的各剖面位置是相同的。由此可以利用DO浓度的变化量与时间T的变化量之比, 经过简单计算得到700~1000m深度范围内DO浓度在连续两周之内的平均变化速率v, 并以此来分析整个OMZ区域的变化趋势。选取断面的起止时间和计算结果见表1。
表1 OMZ区域内DO浓度的平均变化速率

Tab. 1 Average change rate of DO content in OMZ core area

滑翔机编号 开始时间 结束时间 计算时间T 变化速率v
1000K005 07/25—07/29 08/01—08/05 7d 0.023μmol·L-1·d-1
1000KDVL02 07/19—07/24 07/31—08/05 12d -0.034μmol·L-1·d-1

注: 变化速率v为负数时表示DO平均浓度减少

图5展示了两台水下滑翔机(1000K005、100KDVL02)观测断面在两周之内OMZ区域内DO浓度的变化情况, 其中跨陆坡断面DO的平均变化速率为0.023μmol·L-1·d-1(增加)(图5a、5c), 而沿陆坡断面为-0.034μmol·L-1·d-1(减少)(图5b、5d)。在所选取的断面内, 沿陆坡断面的DO浓度虽然略大于跨陆坡断面, 但是由于两者观测位置相差不远(图2), 因此DO浓度的平均变化速率相差不大。由此可以推断, 在一定时间范围内, 南海北部陆坡区的OMZ能够稳定存在, 且其中的DO浓度受周围环境影响较小。
图5 跨陆坡、沿陆坡方向两个断面于两周内的DO浓度变化情况

a、c为跨陆坡断面(1000K005), b、d为沿陆坡断面(1000KDVL02); 图中数字为DO浓度等值线标值, 白色等值线为断面内DO浓度最小值

Fig. 5 Variation of DO content in two weeks. Two sections are across-slope and along-slope, respectively. (a) and (c) are 1000K005; (b) and (d) are 1000KDVL02

3 讨论

3.1 OMZ空间分布特征分析

作为海洋生物地球化学循环中的一个重要参数, DO常被应用于海洋水团的追踪, 同时DO的垂直分布结构与水团的垂向分布也有着密切的联系(刘洋, 2010)。在水体的成层结构中, DO的分布与水团的变化性质有关(Astraldi et al, 2002)。一般地, 按照水体在垂向上的水文特征可以将南海水团划分为表层水团(0~50m)、次表层水团(50~300m)、中层水团(400~1000m)和深层水团(大于1000m)(Qu et al, 2000)。如图6所示, 本研究所选取的南海北部陆坡区水团的T-S分布与西太平洋水团相同(Talley, 1993; 刘增宏 等, 2011), 均呈反“S”型分布。在陆坡东部靠近吕宋海峡附近, 表层与次表层水团的温度和盐度都较陆坡其他区域有所不同, 具体表现为高温高盐, 其中温度在25~30℃之间, 盐度最大值约为34.75‰~34.80‰, 而对应该区域水体DO的浓度也有所升高(约为175~220μmol·L-1)。在南海北部, 高温高盐的黑潮水通过吕宋海峡进入南海, 并逐渐沿大陆架向西南部扩散, 从而对南海环流造成影响(Chu et al, 2000; Qu et al, 2006)。通过对WOA01历史数据集进行分析, Li等(2006)发现在南海北部陆坡靠近吕宋岛处存在一个“快通风区”(Fast Ventilation Zone, FVZ), 其特点是在中层水及其上部高氧水沿菲律宾海峡侵入南海, 而在中层水下部, 由于没有明显的水平氧源, 因此认为可能是高氧水的垂直扩散过程导致了此处的DO浓度要高于陆坡西部。这与本研究T-S-DO点聚图中陆坡东部DO浓度明显高于中部和西部的结论基本一致, 同时也能够解释本次观测断面中位于陆坡东北部的两个断面OMZ区域内DO浓度为何明显高于其他断面(图3)。
图6 7台水下滑翔机的T-S-DO点聚图
、b、c分别为陆坡西部、中部、东部区域; 图中颜色变化表示DO浓度变化; 等值线表示位势密度σ<sub>θ</sub>, 单位为kg·m<sup>-3</sup>; 各子图左下角字符串为滑翔机编号

图a T-S-DO diagram of seven sea-wing underwater gliders. The color change in the figure indicates the DO content change in μmol·L-1. The contour line indicates potential density, in kg·m-3. (a), (b) and (c) represent the western, middle and eastern regions of the continental slope, respectively

根据盐度的断面分布图(图7)可以看出, 在水深0~1000m范围内, 盐度在垂向分布上分层明显。在温跃层中部(75~150m), 次表层盐度极大值在南海北部陆坡区均有出现, 其值约为34.58‰~34.62‰, 而在中层水300~500m范围内则出现了盐度极小值层, 其值约为34.40‰~34.43‰, 这一特性与西北太平洋中层水一致(Li et al, 2002)。结合上述盐度分布情况以及T-S-DO点聚图(图6)可以发现, 研究区域内的OMZ普遍位于盐度极小值层下方, 而此处也是中层水团与深层水团的交界处。刘洋等(2011)利用WOA05数据分析了南海DO浓度垂直分布的季节变化特征, 结果显示DO浓度极小值所在深度无明显季节变化, 其平均深度为860m左右, 平均浓度为84μmol·L-1, 这也与本次观测中OMZ的形成位置及其中的DO浓度基本一致(图3)。
图7 盐度剖面分布图

a、c、e为跨陆坡断面观测, b、d、f为沿陆坡断面观测

Fig. 7 Vertical distributions of salinity. (a), (c), (e) are across-slope distributions; ( b), (d), (f) are along-slope distributions

以往的研究发现, 北太平洋的OMZ有较强的时间变化现象(Stramma et al, 2008; Bograd et al, 2008), 这可能是由自然条件的变化和海洋吸收的热量共同决定的(Frölicher et al, 2009; Czeschel et al, 2012)。Deutsch等(2011)发现在热带太平洋地区, 赤道上升流和温跃层深度的变化通过控制生物耗氧量, 能够增加缺氧水体的深度, 这导致了缺氧水体的年代际变化, 且与太平洋年代际振荡(Pacific Decadal Oscillation, PDO)显著相关。Ito等(2013)利用历史数据集模拟了20世纪80年代后热带东太平洋OMZ的扩张情况, 结果表明物理过程带来的氧供应以及生物过程造成的氧损失共同作用, 从而产生了OMZ以数十年为周期的多年代际变率, 低氧水体的10年波动尺度与温跃层深度和呼吸速率相关。随着气候变化进程的加剧, 海洋生物地球化学的响应逐渐增大(Deutsch et al, 2005)。气候模型预测结果显示, 海表温度升高将导致氧气在水中的溶解度降低和表层氧浓度的消耗(Keeling et al, 2010; Long et al, 2016), 因此全球变暖引起的水体分层会限制水团的垂直交换, 有可能导致海洋中深层DO浓度进一步下降以及OMZ的逐渐扩大(Ito et al, 2017)。本文的研究结果进一步证实了南海北部陆坡区的OMZ是能够稳定存在的, 其空间分布特征明显, 即在垂直方向上位于水深700~900m处, 密度介于26.8~27.3kg·m-3之间; 在水平方向上自南海北部陆坡西南部起, 沿陆坡呈楔形分布, 至陆坡东北部吕宋海峡附近变薄直至消失, 且OMZ的整体分布特征与通过吕宋海峡的北太平洋深层水在南海深处抬升有关。

3.2 影响OMZ分布与形成的因素

由于海水中密度跃层的存在, 使得DO的向下输送量减少, 同时水平方向上DO得不到及时补充, 致使DO在密度跃层以下浓度随深度的增加而减少(杨嘉东, 1991), 这也进一步证实了温度和密度跃层的厚度能够从一定程度上影响OMZ中的DO浓度。此外, 水体的交换和更新情况也会对OMZ的形成产生影响(李学刚 等, 2017)。已有的研究表明, 地中海东、西两个亚盆地OMZ中的DO浓度的差异与深海水体的更新速率密切相关(Tanhua et al, 2013)。而深海水体的更新速率主要由水体的垂直对流和扩散过程控制, 其中西地中海的深水更新时间估计为40a, 东地中海为70~150a, 从而导致地中海盆地东部的通风较弱, DO浓度较低(Mavropoulou et al, 2020)。在南海北部, 深层水的补给主要来自西北太平洋深层水经吕宋海峡的输运和下沉(Wang et al, 2019)。历史研究数据证实, 南海陆坡区附近的中深层低氧水年龄小于100a, 是南海最古老的水(Li et al, 2006), 而本文研究结果也发现OMZ区域内低氧水随时间变化速率是比较小的。Du等(2013)通过分析黑潮入侵对南海北部上层水体中营养盐通量的影响发现, 沿等密度面的扩散通量比跨密度面的扩散通量大3个数量级, 由此可以推断沿等密度面混合在控制南海北部中上层营养物质的扩散运输中占主导地位。同样地, 在OMZ区域所在水层, 海水的主要运动形式为沿等密度面的横向输运, DO无法与来自上层的水体及时交换, 主要通过沿等密度面扩散来补充(Levin, 2018), 这进一步证实了较弱的通风情况将有助于OMZ的形成。
除了受到温度、密度以及盐度等环境因子的影响之外, 生物过程也被认为是影响OMZ分布情况的重要因素(Bertagnolli et al, 2018)。在表层以下, DO由于生物的呼吸作用随深度增加而逐渐减少, 并不断地被其他有机物消耗, 因此呼吸速率的提高和水体的弱通风可能会导致缺氧(La Ferla et al, 2003)。有研究发现, 在热带东太平洋的OMZ上部有一层与微生物群落相关的永久小颗粒层(Rasse et al, 2019), 这种小颗粒层可能是由于浮游动物将大颗粒分解成小颗粒造成的(Cavan et al, 2017), 它的存在会使OMZ中的再矿化率提高, 从而降低DO浓度。考虑到OMZ处水体通风较弱, 水团停留时间较长, DO应该被消耗殆尽, 然而在实际情况中OMZ内的DO很少被耗尽, 并能保持在一个较为稳定的水平(Paulmier et al, 2009)。He等(2019)在南海北部的一次巡航研究中发现, 深层水的病毒与细菌丰度之比(the ratio of viral to bacterial abundance, VBR)的最大值与OMZ在同一深度重合, 这表明二者耦合相关, 并提出病毒控制了OMZ中的细菌丰度和细菌呼吸的机制。这是由于在OMZ中, 有机物被消耗限制了细菌生长, 然而病毒的生长并没有受到限制, 得以继续溶解细菌, 从而导致了深层出现VBR最大值。因此, 病毒控制细菌丰度可能是在OMZ中减缓DO消耗至缺氧的一个潜在机制。
综合以上分析, 本文认为南海北部陆坡区OMZ的形成原因可能是中层水体的垂向混合速率较弱, 且温度低、流速小, 氧气的溶解度也比较低(Köllner et al, 2016); 同时, OMZ所在深度, 由于远离真光层, 没有初级生产, DO通常由异养过程消耗(Farías et al, 2007), 导致此区域内的DO得不到及时补充, 即DO的消耗速率大于供应速率, 由此形成了具有一定厚度、且浓度较为稳定的OMZ。而此处的水体循环、有机物再矿化情况以及群落的呼吸消耗等因素都会对OMZ出现的深度及其中的DO浓度产生影响, 但具体的控制机制还有待今后更为深入的研究和探索。

4 结论与展望

与以往走航观测、定点采样的研究方法不同, 本研究借助高分辨率的水下滑翔机进行的大规模组网观测, 得到了在时间和空间上都具有一定连续性的观测断面。结果显示夏季南海北部陆坡区在中层水处(700~900m)存在明显的OMZ, 其空间分布特征为自陆坡西南部起向北东方向延伸, 厚度由西南至东北逐渐变薄, 整体呈楔形分布, 并在靠近吕宋海峡处消失。其中的DO浓度呈东北部高、西南部低的分布特征。此外, 通过简单计算OMZ区域内DO浓度的平均变化速率, 结果显示DO浓度随时间的变化幅度在跨陆坡和沿陆坡的断面内没有明显差异, 说明OMZ在一定时间范围内能够稳定、持续地存在于中层水。温度跃层和密度跃层会对OMZ的位置和深度变化产生影响, 盐度特性和水团分布情况可以从环流角度解释OMZ的形成原因。
但是, OMZ的空间分布特征和变化情况会受到多种物理过程与生物作用的综合影响, 由于缺少硝酸盐、磷酸盐等营养盐以及生物相关的观测数据, 在阐述生物过程对OMZ形成的影响方面还不够完善。同时, 水下滑翔机在下潜和上浮的过程中可能会产生位置上的偏差, 加之由仪器本身造成的数据缺失, 因此在描述OMZ空间分布特征的完整性上存在一定的局限。今后可以利用更加完善的观测数据进一步研究南海北部陆坡区OMZ的季节、年际变化情况, 还可以借助海洋生态系统动力学模型开展更为深入和系统的研究。

*感谢编辑和审稿专家对本文给予的修改意见和建议。

参考文献

原文顺序 | 文献年度倒序 | 文中引用次数倒序
[1]
刁焕祥, 1986. 太平洋溶解氧垂直分布最小值形成机理的探讨[J]. 海洋学报, 8(2): 184-189. (in Chinese)

[2]
冯士筰, 李凤岐, 李少菁, 1999. 海洋科学导论[M]. 北京: 高等教育出版社: 1-524. (in Chinese)

[3]
黄企洲, 王文质, 李毓湘, 等, 1992. 南海海流和涡旋概况[J]. 地球科学进展, 7(5): 1-9.

HUANG QIZHOU, WANG WENZHI, LI YUXIANG, et al, 1992. General situations of the current and eddy in the South China Sea[J]. Advance in Earth Sciences, 7(5): 1-9. (in Chinese with English abstract)

[4]
李学刚, 宋金明, 袁华茂, 等, 2017. 深海大洋最小含氧带(OMZ)及其生态环境效应[J]. 海洋科学, 41(12): 127-138.

LI XUEGANG, SONG JINMING, YUAN HUAMAO, et al, 2017. The oxygen minimum zones (OMZs) and its eco-environmental effects in ocean[J]. Marine Sciences, 41(12): 127-138. (in Chinese with English abstract)

[5]
刘洋, 2010. 南海次表层、中层水团结构及其运动学特征的研究[D]. 青岛: 中国海洋大学.

LIU YANG, 2010. Study on the structures and the kinetics characteristics for the subsurface and intermediate water masses in the South China Sea[D]. Qingdao: Ocean University of China. (in Chinese with English abstract)

[6]
刘洋, 鲍献文, 吴德星, 2011. 南海溶解氧垂直结构的季节变化分析[J]. 中国海洋大学学报, 41(1-2): 25-32.

LIU YANG, BAO XIANWEN, WU DEXING, 2011. Analysis of vertical structure and seasonal variation of the dissolved oxygen in the South China Sea[J]. Periodical of Ocean University of China, 41(1-2): 25-32. (in Chinese with English abstract)

[7]
刘增宏, 许建平, 孙朝辉, 等, 2011. 吕宋海峡附近海域水团分布及季节变化特征[J]. 热带海洋学报, 30(1): 11-19.

LIU ZENGHONG, XU JIANPING, SUN CHAOHUI, et al, 2011. The characteristics of water mass distribution and its seasonal variation near the Luzon Strait[J]. Journal of Tropical Oceanography, 30(1): 11-19. (in Chinese with English abstract)

[8]
龙爱民, 陈绍勇, 周伟华, 等, 2006. 南海北部秋季营养盐、溶解氧、pH值和叶绿素a分布特征及相互关系[J]. 海洋通报, 25(5): 9-16.

LONG AIMIN, CHEN SHAOYONG, ZHOU WEIHUA, et al, 2006. Distribution of macro-nutrients, dissolved Oxygen, pH and Chl a and their relationships in Northern South China Sea[J]. Marine Science Bulletin, 25(5): 9-16. (in Chinese with English abstract)

[9]
罗琳, 李适宇, 厉红梅, 2005. 夏季珠江口水域溶解氧的特征及影响因素[J]. 中山大学学报(自然科学版), 44(6): 118-122.

LUO LIN, LI SHIYU, LI HONGMEI, 2005. Characteristics of dissolved oxygen and its affecting factors in the Pearl River estuary in summer[J]. Acta Scientiarum Naturalium Universitatis Sunyatseni, 44(6): 118-122. (in Chinese with English abstract)

[10]
石晓勇, 李鸿妹, 韩秀荣, 等, 2014. 夏季南海北部典型中尺度物理过程对营养盐及溶解氧分布特征的影响[J]. 环境科学学报, 34(3): 695-703.

SHI XIAOYONG, LI HONGMEI, HAN XIURONG, et al, 2014. Influence of typical mesoscale oceanographical process on the distribution of nutrients and dissolved oxygen in the Northern part of South China Sea in summer[J]. Acta Scientiae Circumstantiae, 34(3): 695-703. (in Chinese with English abstract)

[11]
杨嘉东, 1991. 南海中部海区溶解氧垂直分布最小值[J]. 海洋与湖沼, 22(4): 353-359.

YANG JIADONG, 1991. Minimum values of dissolved oxygen vertical distribution in the Central South China Sea[J]. Oceanologia et Limnologia Sinica, 22(4): 353-359. (in Chinese with English abstract)

[12]
杨阳, 马媛, 史华明, 2013. 南海北部坡折带溶解氧分布特征及理化环境因子影响[J]. 海洋学报, 35(1): 104-110.

MA YUAN, SHI HUAMING, 2013. Characteristics of dissolved oxygen and its physical and chemistry influence factors in the slope break zone in northern South China Sea[J]. Acta Oceanologica Sinica, 35(1): 104-110. (in Chinese with English abstract)

[13]
叶丰, 黄小平, 刘庆霞, 2012. 2010年夏季珠江口海域溶解氧的分布特征和海气交换通量[J]. 海洋环境科学, 31(3): 346-351.

YE FENG, HUANG XIAOPING, LIU QINGXIA, 2012. Characteristics of dissolved oxygen and O2 flux across the water-air interface of the Pearl River Estuary during summer 2010[J]. Marine Environmental Science, 31(3): 346-351. (in Chinese with English abstract)

[14]
ASTRALDI M, CONVERSANO F, CIVITARESE G, et al, 2002. Water mass properties and chemical signatures in the central Mediterranean region[J]. Journal of Marine Systems, 33-34: 155-177.

DOI

[15]
BERTAGNOLLI A D, STEWART F J, 2018. Microbial niches in marine oxygen minimum zones[J]. Nature Reviews Microbiology, 16(12): 723-729.

DOI

[16]
BOGRAD S J, CASTRO C G, DI LORENZO E, et al, 2008. Oxygen declines and the shoaling of the hypoxic boundary in the California Current[J]. Geophysical Research Letters, 35(12): L12607.

[17]
BRANDT P, HORMANN V, KÖRTZINGER A, et al, 2010. Changes in the ventilation of the oxygen minimum zone of the tropical North Atlantic[J]. Journal of Physical Oceanography, 40(8): 1784-1801.

DOI

[18]
CAVAN E L, TRIMMER M, SHELLEY F, et al, 2017. Remineralization of particulate organic carbon in an ocean oxygen minimum zone[J]. Nature Communications, 8: 14847.

DOI

[19]
CHU P C, LI RONGFENG, 2000. South China Sea isopycnal-surface circulation[J]. Journal of Physical Oceanography, 30(9): 2419-2438.

DOI

[20]
CZESCHEL R, STRAMMA L, JOHNSON G C, 2012. Oxygen decreases and variability in the eastern equatorial Pacific[J]. Journal of Geophysical Research: Oceans, 117(C11): C11019.

[21]
DAVIS C V, WISHNER K, RENEMA W, et al, 2021. Vertical distribution of planktic foraminifera through an oxygen minimum zone: how assemblages and test morphology reflect oxygen concentrations[J]. Biogeosciences, 18(3): 977-992.

DOI

[22]
DEUTSCH C, EMERSON S, THOMPSON L, 2005. Fingerprints of climate change in North Pacific oxygen[J]. Geophysical Research Letters, 32(16): L16604.

DOI

[23]
DEUTSCH C, BRIX H, ITO T, et al, 2011. Climate-forced variability of ocean hypoxia[J]. Science, 333(6040): 336-339.

DOI

[24]
DU CHUANJUN, LIU ZHIYU, DAI MINHAN, et al, 2013. Impact of the Kuroshio intrusion on the nutrient inventory in the upper northern South China Sea: insights from an isopycnal mixing model[J]. Biogeosciences, 10(10): 6419-6432.

DOI

[25]
FARÍAS L, PAULMIER A, GALLEGOS M, 2007. Nitrous oxide and N-nutrient cycling in the oxygen minimum zone off northern Chile[J]. Deep Sea Research Part I: Oceanographic Research Papers, 54(2): 164-180.

DOI

[26]
FRÖLICHER T L, JOOS F, PLATTNER G K, et al, 2009. Natural variability and anthropogenic trends in oceanic oxygen in a coupled carbon cycle-climate model ensemble[J]. Global Biogeochemical Cycles, 23(1): GB1003.

[27]
GARAU B, RUIZ S, ZHANG W G, et al, 2011. Thermal lag correction on Slocum CTD glider data[J]. Journal of Atmospheric and Oceanic Technology, 28(9): 1065-1071.

DOI

[28]
HE LEI, YIN KEDONG, YUAN XIANGCHENG, 2019. Double maximum ratios of viruses to bacteria in the water column: implications for different regulating mechanisms[J]. Frontiers in Microbiology, 10: 1593.

DOI

[29]
HELLY J J, LEVIN L A, 2004. Global distribution of naturally occurring marine hypoxia on continental margins[J]. Deep Sea Research Part I: Oceanographic Research Papers, 51(9): 1159-1168.

DOI

[30]
ITO T, DEUTSCH C, 2013. Variability of the oxygen minimum zone in the tropical North Pacific during the late twentieth century[J]. Global Biogeochemical Cycles, 27(4): 1119-1128.

DOI

[31]
ITO T, MINOBE S, LONG M C, et al, 2017. Upper ocean O2 trends: 1958-2015[J]. Geophysical Research Letters, 44(9): 4214-4223.

DOI

[32]
KAMYKOWSKI D, ZENTARA S J, 1990. Hypoxia in the world ocean as recorded in the historical data set[J]. Deep Sea Research Part A. Oceanographic Research Papers, 37(12): 1861-1874.

DOI

[33]
KARSTENSEN J, STRAMMA L, VISBECK M, 2008. Oxygen minimum zones in the eastern tropical Atlantic and Pacific oceans[J]. Progress in Oceanography, 77(4): 331-350.

DOI

[34]
KEELING R F, KÖRTZINGER A, GRUBER N, 2010. Ocean deoxygenation in a warming world[J]. Annual Review of Marine Science, 2: 199-229.

DOI

[35]
KÖLLNER M, VISBECK M, TANHUA T, et al, 2016. Diapycnal diffusivity in the core and oxycline of the tropical North Atlantic oxygen minimum zone[J]. Journal of Marine Systems, 160: 54-63.

DOI

[36]
LA FERLA R, AZZARO M, CIVITARESE G, et al, 2003. Distribution patterns of carbon oxidation in the eastern Mediterranean Sea: evidence of changes in the remineralization processes[J]. Journal of Geophysical Research Oceans, 108(C9): 8111.

[37]
LEVIN L A, 2018. Manifestation, drivers, and emergence of open ocean deoxygenation[J]. Annual Review of Marine Science, 10: 229-260.

DOI

[38]
LI FENGQI, LI LEI, WANG XIUQIN, et al, 2002. Water masses in the South China Sea and water exchange between the Pacific and the South China Sea[J]. Journal of Ocean University of Qingdao, 1(1): 19-24.

DOI

[39]
QU TANGDONG, 2006. Thermohaline circulation in the deep South China Sea basin inferred from oxygen distributions[J]. Journal of Geophysical Research: Oceans, 111(C5): C05017.

[40]
LIU ZENGHONG, CHEN XINGRONG, YU JIANCHENG, et al, 2019. Kuroshio intrusion into the South China Sea with an anticyclonic eddy: evidence from underwater glider observation[J]. Journal of Oceanology and Limnology, 37(5): 1469-1480.

DOI

[41]
LLANILLO P J, PELEGRI J L, TALLEY L D, et al, 2018. Oxygen pathways and budget for the Eastern South Pacific Oxygen Minimum Zone[J]. Journal of Geophysical Research: Oceans, 123(3): 1722-1744.

DOI

[42]
LONG M C, DEUTSCH C, ITO T, 2016. Finding forced trends in oceanic oxygen[J]. Global Biogeochemical Cycles, 30(2): 381-397.

DOI

[43]
MARTINI M, BUTMAN B, MICKELSON M J, 2007. Long-term performance of Aanderaa Optodes and sea-bird SBE-43 dissolved-oxygen sensors bottom mounted at 32 m in Massachusetts bay[J]. Journal of Atmospheric and Oceanic Technology, 24(11): 1924-1935.

DOI

[44]
MAVROPOULOU A M, VERVATIS V, SOFIANOS S, 2020. Dissolved oxygen variability in the Mediterranean Sea[J]. Journal of Marine Systems, 208: 103348.

DOI

[45]
OSCHLIES A, BRANDT P, STRAMMA L, et al, 2018. Drivers and mechanisms of ocean deoxygenation[J]. Nature Geoscience, 11(7): 467-473.

DOI

[46]
PAULMIER A, RUIZ-PINO D, 2009. Oxygen minimum zones (OMZs) in the modern ocean[J]. Progress in Oceanography, 80(3-4): 113-128.

DOI

[47]
QU TANGDONG, MITSUDERA H, YAMAGATA T, 2000. Intrusion of the North Pacific waters into the South China Sea[J]. Journal of Geophysical Research: Oceans, 105(C3): 6415-6424.

[48]
QU TANGDONG, GIRTON J B, WHITEHEAD J A, 2006. Deepwater overflow through Luzon Strait[J]. Journal of Geophysical Research: Oceans, 111(C1): C01002.

[49]
RASSE R, DALL'OLMO G, 2019. Do oceanic hypoxic regions act as barriers for sinking particles? A case study in the eastern tropical North Atlantic[J]. Global Biogeochemical Cycles, 2019, 33(12): 1611-1630.

DOI

[50]
SCHMIDTKO S, STRAMMA L, VISBECK M, 2017. Decline in global oceanic oxygen content during the past five decades[J]. Nature, 542(7641): 335-339.

DOI

[51]
SHU YEQIANG, WANG QIANG, ZU TINGTING, 2018. Progress on shelf and slope circulation in the northern South China Sea[J]. Science China Earth Sciences, 61(5): 560-571.

DOI

[52]
SHU YEQIANG, CHEN JU, LI SHUO, et al, 2019. Field-observation for an anticyclonic mesoscale eddy consisted of twelve gliders and sixty-two expendable probes in the northern South China Sea during summer 2017[J]. Science China Earth Sciences, 62(2): 451-458.

DOI

[53]
STRAMMA L, JOHNSON G C, SPRINTALL J, et al, 2008. Expanding oxygen-minimum zones in the tropical oceans[J]. Science, 320(5876): 655-658.

DOI

[54]
STRAMMA L, JOHNSON G C, FIRING E, et al, 2010. Eastern Pacific oxygen minimum zones: supply paths and multidecadal changes[J]. Journal of Geophysical Research: Oceans, 115(C9): C09011.

[55]
TALLEY L D, 1993. Distribution and formation of North Pacific intermediate water[J]. Journal of Physical Oceanography, 23(3): 517-537.

DOI

[56]
TANHUA T, HAINBUCHER D, SCHROEDER K, et al, 2013. The Mediterranean sea system: a review and an introduction to the special issue[J]. Ocean Science, 9(5): 789-803.

DOI

[57]
WANG DONGXIAO, WANG QIANG, CAI SHUQUN, et al, 2019. Advances in research of the mid-deep South China Sea circulation[J]. Science China Earth Sciences, 62(12): 1992-2004.

DOI

[58]
WANG NA, HUANG BAOQI, DONG YITING, et al, 2018. The evolution of deepwater dissolved oxygen in the northern South China Sea since 400 ka[J]. Palaeoworld, 27(2): 301-308.

DOI

[59]
WISHNER K F, OUTRAM D M, SEIBEL B A, et al, 2013. Zooplankton in the eastern tropical north Pacific: boundary effects of oxygen minimum zone expansion[J]. Deep Sea Research Part I: Oceanographic Research Papers, 79: 122-140.

DOI

[60]
XIU PENG, CHAI FEI, 2020. Eddies affect subsurface phytoplankton and oxygen distributions in the North pacific subtropical gyre[J]. Geophysical Research Letters, 47(15): e2020GL087037.

[61]
YU JIANCHENG, ZHANG AIQUN, JIN WENMING, et al, 2011. Development and experiments of the Sea-Wing underwater glider[J]. China Ocean Engineering, 25(4): 721-736.

DOI

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