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Journal of Tropical Oceanography >

2023 , Vol. 42 >Issue 1: 168 - 181

DOI: https://doi.org/10.11978/2022043

Effects of water mass and mesoscale phenomenon on the spatiotemporal distributions of nutrients in the northern South China Sea*

  • ZHANG Jinshang , 1, 2, 3 ,
  • ZOU Dinghui 1 ,
  • MA Yu , 2, 3 ,
  • LI Ruixiang 2, 3 ,
  • LIU Yuqiang 2, 3 ,
  • MENG Qiang 2, 3 ,
  • LIU Tongmu 2, 3 ,
  • SHI Huaming 2, 3
Expand
  • 1. School of Environment and Energy, South China University of Technology, Guangzhou 510006, China
  • 2. South China Sea Marine Survey and Technology Center, State Oceanic Administration, Guangzhou 510300, China
  • 3. Key Laboratory of Marine Environmental Survey Technology and Application, Ministry of Natural Resources, Guangzhou 510300, China
MA Yu. email:

Copy editor: YAO Yantao

Received date: 2022-03-03

  Revised date: 2022-05-04

  Online published: 2022-05-05

Supported by

The Sea Science＆Technology Foundation of South China Sea Branch, Ministry of Natural Resources(202205)

Special Fund for Marine Economic Development (Six Major Marine Industries) of Guangdong Province(GDNRC[2021]038)

Special Fund for Marine Economic Development (Six Major Marine Industries) of Guangdong Province(GDNRC[2020]025)

Southern Marine Science and Engineering Guangdong Laboratory (Zhuhai)(SML2021SP203)

Key-Area Research and Development Project of Guangdong Province(2020B1111020003)

Fold

Abstract

Temperature, salinity and nutrients were obtained from four seasonal in-field cruises during 2019 on the Northern South China Sea (NSCS). Due to the Pearl River plume and shelf seawater intrusion, nutrients distribution in the nearshore waters of the western Peal River Estuary (PRE) showed remarkable seasonal and regional variations, which was phosphorus limitation in three seasons, especially significant in spring, while showing potential nitrogen limitation in autumn. Influenced by the strength of southwest monsoon and seafloor topography variation, upwelling intensity of the cross-shelf section outside of the PRE (Section A) was greater than that of the cross-shelf section east of Hainan Island (section B) in spring and summer, and climbing height and range of the nutrient contours were greater in summer than that in spring. Nutrients was diluted by the intrusion of Kuroshio water on the slope area of NSCS, the nutrient concentration between 75 to 150 m in winter decreased more than 25% compared with that in summer, while the nutrient concentration near the Dongsha Island of the section A was less than the adjacent stations by above 20% in spring and autumn, since the reduced Kuroshio water intrusion during El Niño. The nutrients in the centre of the cold eddy increased 6.42μmol·L-1 DIN, 0.71μmol·L-1 PO43--P and 10.03μmol·L-1 SiO32--Si, respectively, compared with the adjacent stations outside of the eddy. The concave structure of nutrient distribution in section A was resulted from the co-effects of upwelling and mesoscale eddy in summer. It is summarized that the spatiotemporal variations of nutrient distribution in the NSCS were complicated, mainly effected by the independent or coupled factors including Pearl River plume, coastal upwelling, Kuroshio intrusion and mesoscale eddies.

Keywords northern South China Sea; water mass; mesoscale phenomenon; nutrients; spatiotemporal distributions

Cite this article

ZHANG Jinshang , ZOU Dinghui , MA Yu , LI Ruixiang , LIU Yuqiang , MENG Qiang , LIU Tongmu , SHI Huaming . Effects of water mass and mesoscale phenomenon on the spatiotemporal distributions of nutrients in the northern South China Sea*[J]. Journal of Tropical Oceanography, 2023 , 42(1) : 168 -181 . DOI: 10.11978/2022043

营养盐是浮游植物初级生产力的重要物质基础, 营养盐的分布特征, 如其浓度水平、各元素之间的比例等, 都可能在很大程度上影响着浮游植物的初级生产水平以及生态系统结构(彭欣 等, 2006; 李伯志, 2018)。物理、化学和生物(如中尺度、沉积、生物泵作用)等多种过程对营养盐的循环都会产生独立或耦合的影响, 控制营养盐在海洋环境中的来源、分布和迁移转化(Deutsch et al, 2012; Du et al, 2013)。因此, 研究营养盐体系结构、时空变化等特征对海洋生态环境保护和可持续发展具有重要意义。
南海跨越亚热带和热带, 既有宽广的大陆架, 又有陡峭的大陆坡和辽阔的海盆(冯士筰 等, 1999), 是西北太平洋最大的、典型的寡营养盐半封闭边缘海(许东禹 等, 1997; 袁梁英, 2005)。南海特别是北部海域营养盐的生物地球化学循环过程研究受到众多学者的关注(高姗, 2011; 韩爱琴, 2012; 吴敏兰, 2014; 徐文龙 等, 2018)。南海北部近岸海域营养盐氮或磷限制及其转化主要是受珠江冲淡水的影响(Xu et al, 2008), 生物活动的脱氮、固氮作用对营养盐含量分布及结构特征也具有重要影响(黄亚楠 等, 2015)。琼东上升流和粤东上升流能够将富含营养盐的深层水抬升至陆架区(袁梁英, 2005; Hu et al, 2016)。冷涡富含营养物质的深层水体向上辐散, 暖涡寡营养的表层水体向下辐聚, 中尺度涡旋能引起水体温盐跃层的改变, 在营养盐垂直输送方面具有重要意义(石晓勇 等, 2014)。黑潮水入侵显著降低南海北部营养盐含量, 且存在显著的时空差异(Du et al, 2013)。因此, 南海北部海域营养盐分布及其季节变化受到冲淡水、上升流、中尺度涡和黑潮水入侵等水团及中尺度现象影响, 呈现复杂多变的时空分布特征。
海洋动力过程是一个多时空尺度相互耦合的过程, 复杂多变, 且南海受季风的影响, 海洋环境变化过程存在典型的季节性和区域特征, 这决定了海洋环境调查研究需要长期且持续地开展。本文基于2019年南海北部陆架边缘海冬季、春季、夏季和秋季4个调查航次, 对南海北部营养盐的分布特征、区域差异及其季节性变化规律进行系统研究, 并分析探讨其影响因素, 以期准确地掌握南海北部的海洋环境过程及其变化规律, 深入了解南海北部的营养盐体系特征。

1 材料与方法

1.1 研究区域与观测断面

2019年在南海北部及珠江口海域开展了冬季、春季、夏季和秋季4个航次的调查观测, 调查时间段分别为1月26日—31日、5月19日—23日、8月16日—23日、11月26日—12月1日。调查区域站位布设如图1所示, 范围为111°00′E—117°00′E, 18°30′N—22°00′N, 共布设了2条主调查断面: 断面A(珠江口外跨陆架断面: A1—A10)和断面B(海南岛以东跨陆架断面: B1—B10)。其中, 主调查断面站20个, 辅助站5个, 共25个测站。根据调查站位实际水深设置样品采集层次, 近岸站位(小于50m)划分为4~6层, 依次为2m、5m、10m、20m、30m、底层; 外海站位(大于50m)划分为6~12层, 依次为2m、10m、20m、30m、50m、75m、100m、150m、200m、300m、400m、500m层, 其中A10、B10、OS1、OS2站位采集全水柱12层。
图1 调查站位图

该图基于海南测绘地理信息局标准地图服务网站下载的审图号为琼S(2021)120号的标准地图制作, 底图无修改

Fig. 1 Sampling stations in the northern South China Sea

1.2 样品采集与分析

每个站位的温度(T)、盐度(S)和深度数据通过现场投放的SBE 911 CTD直接获得, 并利用CTD携带的SBE 32采水器采集各层水样。采集的水样经0.45μm、φ60mm微孔滤膜过滤后使用聚乙烯瓶-20℃冷冻保存, 解冻后采用QuAAtro连续流动注射分析仪(SEAL Analytical, 德国)和流动分析法测定样品的五项营养盐浓度, 即无机氮(DIN为NO2--N、NO3--N和NH4+-N的浓度之和)、磷酸盐(PO43--P)、硅酸盐(SiO32--Si)的浓度。

1.3 卫星高度计数据分析

本文采用的卫星高度计资料为Copernicus Marine Environment Monitoring Service (CMEMS)提供的SEALEVEL_GLO_PHY_L4_REP_OBSERVATIONS_008_047日平均数据集, 包含绝对动态地形(Absolute Dynamic Topography, ADT)和地表地转流(经纬分量)数据。下载地址为 https://resources.marine.copernicus.eu/products, 空间分辨率为0.25°×0.25°, 垂直范围为表层。

2 结果

2.1 近岸营养盐与环境要素的时空分布

近岸站位主要分布于珠江口西侧海域(NS3站位沿海岸线延伸至B1站位)。调查观测期间近岸站位的DIN平均浓度的季节变化趋势为春季(10.44±2.49)μmol·L-1和冬季(9.13±4.06)μmol·L-1大于夏季(1.97±0.82)μmol·L-1和秋季(1.81±0.38)μmol·L-1。夏季PO43--P平均浓度为(0.12±0.10)μmol·L-1, 与秋季(0.13±0.03)μmol·L-1相近, 小于冬季(0.25±0.11)μmol·L-1, 但大于春季(0.06±0.04)μmol·L-1。SiO32--Si为冬季(9.05±3.62)μmol·L-1>春季(7.04±5.11)μmol·L-1>秋季(4.51±1.55)μmol·L-1>夏季(2.94±2.94)μmol·L-1(表1)。冬季各营养盐平均浓度均大于其他季节, DIN和PO43--P存在全水柱高值现象, 并在水平方向上自东向西逐渐减小, 主要因为冬季海水垂向混合能力较强, 且近岸海域营养盐分布受到径流输入影响。春季海水垂向混合能力衰退, 海水层化能力开始增强, 盐度跃层变化强烈(图2)。珠江口西侧海域表层以冲淡水为主, DIN呈现全水柱高值, SiO32--Si仅在底层存在高值, PO43--P则为全水柱低值, N:P值极高(图2、图3)。
表1 2019年近岸断面温度、盐度和营养盐浓度的变化范围及平均值

Tab. 1 Range and average of T, S, and nutrients of section NS in 2019

参数 温度/℃ 盐度/‰ DIN浓度/(μmol·L-1) PO43--P浓度/(μmol·L-1) SiO32--Si浓度/(μmol·L-1)
冬季 变化范围 18.14~19.31 30.57~32.90 3.75~17.28 0.11~0.46 3.98~18.03
平均值±S.D. 18.68±0.42 31.72±0.80 9.13±4.06 0.25±0.11 9.05±3.62
春季 变化范围 25.78~29.0 28.13~33.70 7.12~15.65 0.01~0.14 1.02~20.09
平均值±S.D. 27.16±1.08 30.94±1.72 10.44±2.49 0.06±0.04 7.04±5.11
夏季 变化范围 23.04~30.67 31.74~34.54 0.98~3.85 0.03~0.34 0.24~9.79
平均值±S.D. 27.35±2.46 33.61±0.77 1.97±0.82 0.12±0.10 2.94±2.94
秋季 变化范围 24.53~24.89 32.27~33.37 1.20~2.45 0.09~0.18 2.43~6.75
平均值±S.D. 24.67±0.12 32.75±0.40 1.81±0.38 0.13±0.03 4.51±1.55
图2 2019年温度和盐度的近岸断面分布

Fig. 2 Vertical distributions of T and S of section NS in 2019

图3 2019年营养盐浓度的近岸断面分布

Fig. 3 Vertical distributions of nutrients of section NS in 2019

夏季海水温度、盐度层结更加明显, 近岸海域在15m等深线上出现强烈温跃层变化, 盐跃层上、下盐度值均高于春季(图2)。夏季DIN、PO43--P和SiO32--Si浓度均呈现表层低、底层高的特征, 跃层变化与温盐跃层相似(图3)。秋季温度、盐度和营养盐浓度相比于其他季节在近岸海域呈现较为完全的垂直混合(图2、图3)。珠江口西侧海域营养盐浓度为年度最低(图3)。

2.2 A断面营养盐与环境要素的时空分布

A断面位于珠江冲淡水区到东沙群岛以外海域, 最大水深约3000m, 主要受珠江冲淡水与陆架水影响。调查观测期间A断面的DIN平均浓度在各季节变化不显著, 分别为冬季(5.61±7.40)μmol·L-1、春季(5.75±6.52)μmol·L-1、夏季(5.06±4.98)μmol·L-1和秋季(5.11±6.13)μmol·L-1。夏季PO43--P平均浓度为(0.49±0.61)μmol·L-1, 为四季中最高; 秋、冬季浓度接近, 分别为(0.40±0.50)μmol·L-1和(0.41±0.59)μmol·L-1; 春季浓度最小, 为(0.35±0.48)μmol·L-1。冬、春季SiO32--Si平均浓度分别为(9.66±16.41)μmol·L-1与(9.10±13.07)μmol·L-1, 高于夏季的(8.45±11.62)μmol·L-1与秋季的(8.18±11.37)μmol·L-1(表2)。
表2 2019年A断面温度、盐度和营养盐浓度的变化范围及平均值

Tab. 2 Range and average of T, S, and nutrients of section A in 2019

参数 温度/℃ 盐度/‰ DIN浓度/(μmol·L-1) PO43--P浓度/(μmol·L-1) SiO32--Si浓度/(μmol·L-1)
冬季 变化范围 7.71~24.09 31.75~34.76 0.42~31.45 0.02~2.49 0.05~76.16
平均值±S.D. 16.58±5.49 34.41±0.33 5.61±7.40 0.41±0.59 9.66±16.41
春季 变化范围 8.24~29.54 23.67~34.79 1.02~27.17 0.01~2.46 1.09~67.55
平均值±S.D. 16.90±6.52 34.40±0.49 5.75±6.52 0.35±0.48 9.10±13.07
夏季 变化范围 7.99~30.58 31.68~34.68 1.01~20.33 0.03~2.45 0.11~57.19
平均值±S.D. 17.26±7.12 34.31±0.45 5.06±4.98 0.49±0.61 8.45±11.62
秋季 变化范围 8.23~26.14 33.53~34.82 1.05~26.19 0.04~2.11 1.61~52.52
平均值±S.D. 17.87±6.35 34.32±0.27 5.11±6.13 0.40±0.50 8.18±11.37
冬季A断面近海海域营养盐浓度呈现出表层低、底层高的特征, 同时出现冲淡水和高盐水的水团锋面, 20℃等温线也有类似现象(图4、图5)。远海海域在100m标准层的DIN、PO43--P和SiO32--Si浓度平均值分别为3.32μmol·L-1、0.22μmol·L-1和3.44μmol·L-1; 水深150m以浅营养盐浓度低于其他季节, 且出现两个高于34.7‰的高盐水核, A9站位温度层结与营养盐浓度等值线随高盐水核向上涌起, 整体上营养盐浓度随深度增加而逐渐增大。春季A断面近岸低盐冲淡水(盐度小于33‰)开始向外海方向发展, 陆架坡折处(A6站位附近)的高盐度水团和营养盐等值线有向岸的爬坡延伸现象, 远海海域100m等深线的营养盐浓度大于冬季, 温度、盐度和营养盐浓度等值线以A9站为中心明显下移, 表现出中间低、两端高的凹型结构(图4、图5)。
图4 2019年温度和盐度的A断面分布

白色封闭虚线为黑潮水水团, 白色虚线线段为冲淡水(盐度<33‰)水团

Fig. 4 Vertical distributions of T and S of section A in 2019

The white closed dotted line is the Kuroshio water mass, and the white dotted line segment is the Pearl River plume (S<33‰) water mass

图5 2019年营养盐浓度的A断面分布

Fig. 5 Vertical distributions of nutrients of section A in 2019

夏季珠江冲淡水的影响范围向外海扩展到东沙群岛西部海域(A7站位), 温度、盐度和营养盐浓度等值线向岸爬坡延伸范围覆盖陆架区(图4、图5)。远海海域100m等深线的营养盐浓度大于春季, A7站位出现了高温低盐水下沉, A9、A10站位下层富营养盐的低温高盐水涌升, 这两种现象共同造成了陆坡处营养盐浓度等值线出现中间低、两端高的不同程度的凹型塌陷特点。秋季冲淡水压缩在珠江口海域以内, 陆坡处下层富含营养盐的低温高盐水具有弱的向上涌升趋势, 远海海域100m深度左右出现高温低盐水团和高盐水核的温盐梯度强烈变化, 100m等深线的营养盐浓度略大于冬季(图4、图5)。

2.3 B断面营养盐与环境要素的时空分布

调查观测期间B断面的温度平均值均高于A断面, 盐度平均值除夏季外B断面均低于A断面(表2、表3)。B断面DIN平均浓度的季节变化趋势为春季 (6.05±5.83)μmol·L-1最大, 夏季(4.43±4.43)μmol·L-1和秋季(4.21±5.67)μmol·L-1较为接近, 冬季(3.67±3.87)μmol·L-1最小。PO43--P浓度为夏季(0.38±0.49)μmol·L-1最大, 秋季(0.31±0.44)μmol·L-1与春季(0.30±0.43)μmol·L-1无明显差异, 冬季(0.19±0.28)μmol·L-1最小。SiO32--Si浓度为春季(7.72±12.03)μmol·L-1与夏季(7.11±10.75)μmol·L-1变化不显著, 秋季(6.13±8.97)μmol·L-1大于冬季(5.05±8.65)μmol·L-1(表3)。DIN浓度平均值除春季外B断面均低于A断面, PO43--P和SiO32--Si浓度平均值B断面均低于A断面(表2、表3)。
表3 2019年B断面温度、盐度和营养盐浓度的变化范围及平均值

Tab. 3 Range and average of T, S, and nutrients of section B in 2019

参数 温度/℃ 盐度/‰ DIN浓度/(μmol·L-1) PO43--P浓度/(μmol·L-1) SiO32--Si浓度/(μmol·L-1)
冬季 变化范围 7.96~25.59 32.64~34.69 0.36~19.39 0.02~1.62 0.05~51.97
平均值±S.D. 17.65±5.53 34.36±0.30 3.67±3.87 0.19±0.28 5.05±8.65
春季 变化范围 8.04~30.06 30.09~34.68 1.34~26.72 0.01~2.31 0.82~63.03
平均值±S.D. 18.12±6.79 34.33±0.51 6.05±5.83 0.30±0.43 7.72±12.03
夏季 变化范围 7.90~30.07 33.14~34.65 1.00~19.8 0.01~2.05 0.52~51.44
平均值±S.D. 17.96±7.02 34.38±0.28 4.43±4.43 0.38±0.49 7.11±10.75
秋季 变化范围 8.87~26.01 32.54~34.62 0.83~24.00 0.05~1.92 1.59~44.39
平均值±S.D. 19.57±6.15 34.23±0.35 4.21±5.67 0.31±0.44 6.13±8.97
冬季B断面在近海100m等深线上温度和盐度垂向混合程度较高, B1站位冲淡水迹象明显, B10站位有明显的高温低盐水团(图6)。水深100m以浅营养盐水平呈区域性块状分布, 远海海域100m等深线的营养盐浓度近似于A断面, B7—B9站位存在较明显的富含营养盐的低温高盐水向陆架区爬升的现象(图6、图7)。春季低盐冲淡水发展至琼州海峡东口海域(B3站位), 与底层高盐水交叠。温度、盐度和营养盐浓度等值线沿100m等深线向岸爬坡延伸, 在远海海域的200m水深处存在明显的营养盐浓度变化梯度。
图6 2019年温度和盐度的B断面分布

白色封闭虚线为黑潮水水团, 白色虚线线段为冲淡水(盐度<33‰)水团

Fig.6 Vertical distributions of T and S of section B in 2019

The white closed dotted line is the Kuroshio water mass, and the white dotted line segment is the Pearl River plume (S<33‰) water mass

图7 2019年营养盐浓度的B断面分布

Fig. 7 Vertical distributions of nutrients of section B in 2019

夏季B断面温度层结相较于A断面更为均匀, 温度、盐度的梯度变化也更大, 琼州海峡东口海域上层水体存在高盐水团(图6)。营养盐浓度等值线沿陆架地形的爬升强度大于春季, 而B9、B10站位从外海向陆架入侵, 在陆架坡折处形成低值塌陷(图7)。秋季B断面水深100m以浅垂直混合程度较高, 温盐跃层与等深线近乎平行(图6)。营养盐浓度等值线从外海向岸的抬升不明显, 并没有在陆架坡折处观察到与A断面类似的向上涌升趋势, 远海海域营养盐浓度随深度增加而增大, 水平分布比较均匀(图7)。总的来说, B断面的营养盐浓度分布特点与温度、盐度等值线基本一致。

3 讨论

3.1 冲淡水的影响

珠江冲淡水受径流科氏力作用影响, 全年主要向西南方向输运, 可扩展至琼州海峡东口附近海域(图2、图3)。春、夏季在西南季风驱使下具有向东北方向扩散的趋势, 秋、冬季在东北季风作用下沿岸向西扩展(杨阳 等, 2014), 且垂直混合作用强, 近岸海域整体表现出全水柱混合均匀的温盐和营养盐结构特征。近岸海域春季约有80%标准层水体的P浓度、25%以上标准层水体的Si浓度, 夏季约有50%以上标准层水体的P浓度和Si浓度低于浮游植物生长所需的营养盐浓度阈值[绝对限制标准: c(N)=1μmol·L-1, c(P)=0.1μmol·L-1, c(Si)=2μmol·L-1](Nelson et al, 1990)。珠江口及毗邻海域的浮游植物生长表现出显著的时空变化, 高氮、硅和低磷特征的径流输入是最主要的调控因素(Yin et al, 2004), 且春、夏季的径流输入强于秋、冬季。浮游植物在春、夏季繁殖旺盛, PO43--P被大量吸收, 消耗能力大于补充能力, 同时春、夏季存在明显的盐跃层梯度(图2), 阻碍了下层富营养盐水体的向上补充(廖秀丽 等, 2018), 导致春、夏季PO43--P含量不能满足浮游植物生长所需。秋、冬季则几乎全部标准层水体营养盐浓度高于浮游植物生长所需的浓度阈值标准。
浮游植物吸收N、P和Si的摩尔比为16:1:16, 营养盐摩尔比偏离这一比值, 浮游植物的生长可能就会受到限制(Redfield et al, 1963; Brzezinski, 1985)。当海水中N:P>22(摩尔比, 下同)和Si:P>22时, P为限制因子; 当N:P<10和Si:N>1时, N为限制因子; 当Si:P<10和Si:N<1时, Si为限制因子(Dortch et al, 1992; Justić et al, 1995)。冬季近岸海域全部标准层水体中N:P和Si:P均大于22(表4), 春季珠江口西侧海域中N:P和Si:P明显大于其他季节, 且均大于22, 说明冬季和春季珠江口以西海域的营养盐比例严重失调, 氮、硅营养过量, 磷营养不足, 存在明显的磷限制。尤其是2019年春季在El Niño影响下, 我国华南地区降雨量较常年显著偏多(郑璟 等, 2019), 径流量的增加致使春季近岸海域盐度平均值处于较低水平(表1), 同时输送了大量的营养盐(图3), 磷酸盐被消耗殆尽, 而无机氮和硅酸盐大量剩余, 致使N:P高。夏季近岸海域温跃层以上水体的DIN平均浓度小于2μmol·L-1, PO43--P平均浓度小于0.1μmol·L-1, N:P大于22, 表现为潜在的磷限制, 主要是因为夏季上升流补充了水体PO43--P浓度。秋季近岸海域全部标准层水体中N:P小于22, Si:N大于1(表4), 表现为潜在的氮限制(陈法锦 等, 2017), 这主要是由于秋季入海径流(高氮、硅浓度的冲淡水)减少(图2), 近岸水体受陆架水入侵增强, 导致PO43--P浓度增加, 水体则由磷限制转化为潜在的氮限制。
表4 2019年近岸海域N:P、Si:P和Si:N的变化范围及平均值

Tab. 4 Range and average of N:P, Si:P and Si:N in 2019 in nearshore sea

季节 N:P Si:P Si:N
变化范围 平均值±S.D. 变化范围 平均值±S.D. 变化范围 平均值±S.D.
冬季 29.3~47.9 36.1±5.4 24.1~49.7 35.8±6.0 0.7~1.3 1.0±0.2
春季 94.0~1324.6 348.3±374.4 30.0~1033.0 233.3±330.3 0.1~1.3 0.6±0.4
夏季 8.5~47.8 23.9±14.1 3.2~41.3 20.6±10.9 0.1~2.6 1.3±0.9
秋季 10.6~21.8 14.4±3.3 20.1~67.6 35.9±13.6 1.4~3.6 2.5±0.8

3.2 上升流的影响

南海北部海域春季处于季风转换期, 本文春季航次调查观测期间以西南风向为主, 夏季航次则达到顶峰。受西南季风驱动及地转偏向力等因素作用, 近岸表层水进行离岸Ekman输运, 引发近岸海面高度下降, 进而使深层水涌升补充(Gan et al, 2009; Shu et al, 2018)。近岸海域和陆架坡折处均有上升流的迹象(吴日升 等, 2003; 袁梁英, 2005), 且上升流的底层水给近岸海域带去了丰富的营养盐(柯志新 等, 2013)。A、B断面春、夏季100m以浅等温线密集, 自近岸向陆架坡折处下倾, 温、盐跃层相近。夏季A1、B1站位底层水温低于24.0℃, 盐度高于34.40‰, 上升流底层高盐水显著增加了近岸海域的盐度平均值, 远海次表层低温高盐水沿陆架向岸爬升距离和高度大于春季, A断面大于B断面(图4、图6)。春、夏季A断面中DIN浓度(5μmol·L-1)等值线具有爬升现象且分布特征相似, 夏季PO43--P浓度(0.6μmol·L-1)和SiO32--Si浓度(10μmol·L-1)等值线爬升高度和范围大于春季; B断面夏季上述等值线的爬升高度和范围均大于春季, 而夏季B断面营养盐浓度等值线的爬升范围大于A断面(图5、图7), 可能与A断面陆架坡折处暖涡致使表层高温低盐水向下扩张有关。
为进一步分析观测期间上升流的时空分布差异, 采用23.5kg·m-3等密度线作为上升流的边界线, 等密度线两端的连线与水平方向所夹锐角作为该等密度线的抬升角度, 向岸抬升角度越大, 上升流越强(许金电等, 2013)。为了综合分析各季节断面的温盐结构特征, 选择陆架坡折处的A6和B6站位作为等密度线抬升角度测算的基点。依据现场CTD观测结果, 春季A断面和B断面上升流分别仅向岸爬升至A3站位的59m水层和B4站位的49m水层, 且抬升高度较低, 等密度线抬升角度分别为6.5°和-2.3°(表5); 夏季等密度线抬升角度分别可达7.5°和6.6°, 即A断面抬升高度大于B断面, 分别向岸爬升至A1站位的29m水层和B1站位的24m水层(表5), A断面上升流范围和强度也大于B断面, 且夏季强于春季。春季A3站位底层(68m)DIN浓度为4.05μmol·L-1、PO43--P为0.31μmol·L-1、SiO32--Si为10.56μmol·L-1, B4站位50m层营养盐浓度分别为2.41μmol·L-1(DIN)、0.14μmol·L-1(PO43--P)、4.30μmol·L-1(SiO32--Si); 夏季A1站位底层(30m)DIN浓度为5.47μmol·L-1、PO43--P为0.51μmol·L-1、SiO32--Si为14.68μmol·L-1, B1站位底层(24m)营养盐浓度分别为3.14μmol·L-1(DIN)、0.22μmol·L-1(PO43--P)、6.29μmol·L-1(SiO32--Si)。相同断面夏季营养盐浓度高于春季, 影响范围也进一步向岸扩张, 且A断面上升流影响区域和营养盐浓度均高于B断面。造成以上现象的主要原因是夏季西南季风强于春季, 致使水体离岸Ekman输运增强, 且A断面加宽的陆架地形增强了沿岸流底部摩擦力(Shu et al, 2011; Wang et al, 2014), 更有利于上升流形成。
表5 A、B断面23.5 kg·m-3等密度线抬升的统计结果

Tab. 5 Summary of 23.5 kg·m-3 isoline of iso-density lifting of section A and B in 2019

断面 夏季
A断面		 夏季
B断面		 春季
A断面		 春季
B断面
等密度线起始
站位		 A1 B1 A3 B4
等密度线两端
水深/m		 29~56 24~46 59~72 49~46
抬升角度/° 7.5 6.6 6.5 -2.3

3.3 黑潮水的影响

南海北部的东北季风自秋季一直持续到翌年春季, 东北季风使黑潮分支通过吕宋海峡进入南海(Nan et al, 2015)。位温-盐度点聚图中温度相对较高、盐度最大的一端(最右端)为同期西北太平洋(the Western North Pacific, WNP)黑潮Argo剖面, 各季节次表层具有高温高盐特点站位的位温-盐度分布与黑潮水较为接近(图8), 说明调查海域A、B断面远海端次表层高温高盐水受黑潮水入侵影响。冬季受黑潮水入侵的海域次表层水体盐度超过34.7‰(图4、图6), 在A6站位附近海域高温高盐的黑潮水与南海水混合水体上涌至表层(图4、图8), 且由于南海北部冬、夏季盛行风向反向交替控制, 吕宋海峡最大的向西净运输发生在冬季, 最小发生在夏季, 黑潮入侵的影响在12月能够延伸到东经112°以西(Nan et al, 2011; Hsin et al, 2012)。冬季A断面远海海域75~150m水层的各营养盐浓度平均值与夏季该层水体的差值为1.69μmol·L-1(DIN)、0.29μmol·L-1(PO43--P)和3.58μmol·L-1(SiO32--Si), 分别比夏季低了25.5% (DIN)、43.6%(PO43--P)和37.5%(SiO32--Si); B断面远海海域75~150m水层的各营养盐浓度平均值与夏季该层水体的差值为1.90μmol·L-1(DIN)、0.37μmol·L-1(PO43--P)和3.82μmol·L-1(SiO32--Si), 分别比夏季低了28.8%(DIN)、59.0%(PO43--P)和45.7%(SiO32--Si)。这与Du等(2013)报道的情况(冬季DIN浓度相比夏季降低30%左右)基本一致, 其原因主要是冬季南海北部受到寡营养的黑潮水入侵影响(李登辉, 2017; 苏锡宝, 2019)。B9和B10站位的冬季位温-盐度曲线相较于春、秋季也更靠近黑潮Argo剖面(图8), 进一步说明了冬季B断面受黑潮入侵影响强于春、秋季(图6)。
图8 位温-盐度点聚图

a. 冬季; b. 春季; c. 秋季。图中灰色等值线为海水位密σ0(单位: kg·m-3), 由海洋数据视图软件计算得到。WNP为同期黑潮Argo剖面数据

Fig. 8 Potential temperature-salinity diagrams in winter (a), spring (b), and autumn (c)

The contour line is the seawater density σ0 in kg·m-3, calculated by ODV software. WNP is the contemporaneous Argo profile data of Kuroshio

根据美国NOAA (National Oceanic and Atmospheric Administration)公布的Niño3.4 index (https://origin.cpc. ncep.noaa.gov/data/indices/wksst8110.for)和我国国家气候中心监测统计结果显示, 赤道中东太平洋自2019年1月达到El Niño事件标准后一直持续至7月结束, 而后在10月又进入一次弱El Niño状态。10—12月份的Niño3.4指数分别为0.62、0.61和0.5℃(尹宜舟 等, 2020), 黑潮水对南海北部入侵在El Niño年份趋于较高(Qu et al, 2004; Liu et al, 2012)。春季位于东沙岛西北的A6、A7站位和秋季东沙群岛西南的A8、A9站位次表层水体可见高盐水核(图4), 且受黑潮水入侵影响程度比冬季远海海域明显要大, 表现为更靠近黑潮Argo剖面(图8)。春季A6、A7站位75~150m水层的营养盐浓度平均值分别比相邻站位低了29%±4%和25%±1%, 秋季A8、A9站位则分别比相邻站位低了20%±12%和20%±8%, 春、秋季A断面的东沙岛附近海域次表层水体营养盐浓度显著降低, 可能与El Niño期间黑潮水入侵增强有关。

3.4 中尺度涡旋的影响

南海及西太平洋是中尺度涡高发海域, 1993—2009年南海年平均涡旋总数为(21±4)个(林宏阳 等, 2012)。春季A10站位呈现非常明显的冷涡中心特征, 与高度计资料所捕捉到的气旋式涡旋区域基本吻合(图4、图9)。A10站位与处在冷涡边缘的A9站位比较, 两者在31m深的温、盐度分别相差-2.573℃和0.293‰, 表明A10站位具有显著的低温高盐特点。其营养盐浓度高于A9站位平均差值的情况在100m、150m层最为突出, 差值分别为6.42μmol·L-1(DIN)、0.71μmol·L-1(PO43--P)和10.03μmol·L-1(SiO32--Si)。此外, A10站位富含营养盐的下层水上升, 营养盐跃层深度变浅, 但水深30m层以浅营养盐浓度水平与A9站位没有明显的差异(图5), 这可能与涌升上来的营养盐很快被海表生物吸收有关(许艳苹, 2009)。
图9 绝对动态地形(填色)与相应的地表地转流(箭头)

该图基于海南测绘地理信息局标准地图服务网站下载的审图号为琼S(2021)120号的标准地图制作, 底图无修改

Fig. 9 Absolute dynamic topography and the corresponding surface geostrophic currents

夏季A断面陆架坡折处营养盐结构呈现较为明显的凹陷特征, 且温、盐等值线有明显的向下扩张现象, A9、A10站位则表现出富含营养盐的下层低温高盐水上升(图4、图5)。由于暖涡中心区域会表现出高温低盐、低营养盐等值线向下扩散特征(袁梁英, 2005; 石晓勇 等, 2014; 冷晓云 等, 2016), 冷涡中心则相反, 所以A5—A7站位位于暖涡中心区域, 而A9、A10站位处于冷涡中心影响区域(图9)。与此同时, 上升流将具有高盐、高营养盐特点的下层冷水输送至陆架区(图4、图5), 因此夏季A断面营养盐的凹型结构可能是由上升流和中尺度涡共同作用的结果。

4 结论

1) 珠江口西侧近岸海域营养盐表现出明显的季节性和区域特征, 主要是受冲淡水输入和陆架水入侵的影响。冬、春季近岸海域营养盐存在明显的磷限制, 春季最为显著; 夏季表现为潜在的磷限制, 秋季则转化为潜在的氮限制。
2) 春、夏季A断面(珠江口外跨陆架断面)上升流强度大于B断面(海南岛以东跨陆架断面), 且夏季营养盐等值线的爬升高度和范围大于春季, 这主要是受西南季风强弱和调查海域海底地形差异的影响。
3) 受黑潮水入侵影响, 冬季A断面远海海域75~150m深水体中各营养盐浓度比夏季分别降低了25.5%(DIN)、43.6%(PO43--P)和37.5%(SiO32--Si), B断面则分别降低了28.8%(DIN)、59.0%(PO43--P)和45.7%(SiO32--Si)。在El Niño影响下, 春、秋季黑潮水入侵增强, A断面的东沙岛附近海域75~150m深水体中各营养盐浓度比相邻站位均低了20%以上。
4) 春季A10站位处于冷涡中心, 相较于边缘区域, 各营养盐浓度分别升高了6.42μmol·L-1(DIN)、0.71μmol·L-1(PO43--P)和10.03μmol·L-1(SiO32--Si)。夏季A断面陆架坡折处位于暖涡中心区域, 远海位于冷涡影响区域, 且受到上升流的影响, 营养盐断面分布呈现为明显的凹陷特征。

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