南黄海西部日照至连云港海域的春季温跃层和化学跃层
发布时间：2021-06-23
摘要：利用2016年5月5个站位的温盐深(CTD)和海流(ADCP)同步测量资料，分析南黄海西部日照至连云港海域温跃层和化学跃层的日内生消过程及强度变化，探讨深层水温度、盐度的周期性变化及其与潮流的关系。结果表明：南黄海西部海域在5月已存在日内生消的温跃层和溶解氧(DO)、pH跃层。温跃层厚度为2～4m，层位水深为4～7m至7～10m之间波动，跃层强度最大可达0.80℃/m。DO跃层和pH跃层位于温跃层之下，水深为10～14m，两者的形成在时间上和深度上具有一定的同步性，且不受温跃层控制。在DO跃层之上，氧浓度在白天都保持在相当高的水平，甚至处于过饱和状态，但存在显著波动，其峰值并不出现在表层(0～2m)，而是位于次表层(2～14m)。在DO跃层之下，氧浓度低且稳定，约为4mg·L−1，向下呈缓慢降低的趋势。pH跃层表现为垂向上的快速跳变，包括向下的正跳变和负跳变，强度最大值可达0.03～0.04个pH单位。小潮期间，温跃层稳定，强度较大;大潮期间，温跃层强度明显减弱，稳定性变差;这表明潮流的增强对温跃层有明显的抑制和破坏作用。深层水的温度、盐度等参数存在日内周期性变化，与潮位变化同步，是潮流驱动下水体水平对流的结果。
关键词：温跃层;化学跃层;pH剖面;DO剖面;潮流;南黄海
黄海水团可分为沿岸水、中部冷水团和两者之间的混合水。沿岸水分布于黄海沿岸两侧，由于受大陆地表径流的影响，沿岸水混浊，透明度低，盐度通常低于31psu[1]，其分布范围夏季大而冬季小，但厚度则夏季浅而冬季深。黄海冷水团是一个季节性冷水团，其下层水具有低温、高盐的特征，盘踞在黄海中部50m以深的水域[2]。冷水团在夏季尤为强盛，其边缘存在封闭型的温度强锋区，底层水盐度通常大于32psu[3]。沿岸水与中部冷水团之间的混合水多呈过渡性质。
黄海的季节性变化显著，常出现季节性跃层，跃层生消过程明显[4]。夏半年水体常具有明显的三层结构，即上混合层、中温跃层和下均匀层[5]。除苏北近岸及黄海西南海域外，黄海温跃层普遍形成于4月，但强度较弱，通常为0.10～0.20℃/m，上界深度为5～10m，厚度约为10m;8月，黄海温跃层强度普遍在0.30℃/m以上，上界深度为5～20m，厚度为10～20m。陆架浅海区季节性温跃层的形成，不仅受制于海面热通量的日内变化[5-6]，还与多种动力因素(风、波浪和潮流的混合效应)[5～11]或热力因素(如蒸发增盐或降温增密)所导致的水体垂向混合强度以及不同性状水团之间的水平对流作用有关。由于海水密度由温度和盐度控制，因此，温跃层通常与密度跃层同时出现。
海洋水体通常具有不均一性，在垂直于等密度面的方向上，每个水层的化学性质都会有所差异，出现DO、pH和营养盐等要素的化学分层现象。该现象常见于一些生物活动旺盛的季节或海区，比如珊瑚礁海域[12]、海草繁茂海域[13]。在北美加利福尼亚近岸的海带丛林，生态系统的光合作用使得水体DO和pH出现半日或全日的周期性变化;在水深7m处，pH为8.07;至水深17m处，pH可降低至7.87[14]。在美国东北陆架海域，借助于水下潜航器搭载的pH传感器，也可探测到垂向上pH值的变化[15]。
南黄海西部日照至连云港海域，是一个大型的开阔海湾(图1)，水深在30m以内，由苏北沿岸水控制[4,16]。由于周边多为小型河流，地表径流量低[17]，沿岸水受大陆径流的影响弱，水体盐度偏高，且较为稳定。春夏之交，是南黄海冬季混合水向夏季分层水转变的时期，也是南黄海温跃层形成的初始阶段。温跃层稳定性差，具有明显的日内短周期特征。潮流对水文参数的影响可能表现得更为突出。日照至连云港海域水体稳定，无明显径流干扰，这些有利条件也使得本区成为研究潮流作用对水体水文参数影响的理想海域。
本研究通过温盐深和海流同步定点调查，了解春季末(5月)日照至连云港海域的温度、盐度、浊度、pH和DO等水文参数及其垂直结构，分析温跃层和化学跃层的日内变化和生消过程，探讨潮流对跃层及水文参数变化的影响。
1数据与方法
2016年5月8日至24日，利用“向阳红07”考察船，在日照至连云港海域进行了温盐深和海流定点测量，共布设站位5个(图1)，每个站位连续观测25h，站位信息详见表1。温盐深测量采用美国SBE公司生产的SBE19plusCTD水质剖面仪，通过电动绞车悬挂入水，感温1～3min，从海面匀速降至海底，下放速度控制在1m·s−1以内，随后再提升至海面。每个整点测量一次，水文采样频率为4～5Hz，主要观测参数包括温度、盐度、浊度、DO和pH等，以仪器下降阶段获取的数据为正式测量值。温度测量的准确度为±0.02℃，分辨率为0.005℃。盐度的准确度为±0.02psu，分辨率为0.005psu。
海流测量采用美国TeledyneRDInstruments公司生产的WorkhorseSentinel300kHz声学多普勒流速剖面仪(ADCP)，观测深度为3～40m，固定安装在船右舷中间位置，换能器固定吃水1m，观测层厚1m，共分40层，除仪器本身盲区之外，所观测第一层的海流数据为海面以下2.72m处，观测频率为1Hz，每10分钟得到一个平均海流数据。当流速<100cm·s−1时，流速测量的准确度为±5cm·s−1，流向的准确度为±5°。调查期间，天气及海况良好，轻浪。该海域的海流以潮流占绝对优势，因此，本文ADCP数据均按照潮流来处理。
2结果与讨论
2.1温度、盐度和浊度剖面特征
温度垂向剖面的日内变化显示，W2、W3、W4和W5站位，水体分层现象最为明显，从上向下可依次划分为上部混合层、温跃层和下部均匀层(图2);W1站位层化现象不明显。水体分层一般出现于下午约16时，延续至次日上午9时甚至10时左右，温跃层厚度为2～4m，层位水深为4～7m至7～10m之间波动，跃层强度最大可达0.80℃/m(如W5站位5月23日10时曲线所示)。从上午约9时至下午约16时，由于太阳辐射作用及热量的向下传导，上混合层消失，温跃层可扩张至海面。
盐度的垂向变化仅见于上混合层和温跃层，下部深层水盐度垂向变化非常小(图3)。变化幅度最大的层位主要集中于表层和温跃层。表层海水受波浪和潮流影响很大，在潮流驱动下，外海高盐度水团与近岸低盐度水团之间的水平对流所引起的混合过程，使得盐度出现明显波动。在温跃层附近，由于相邻水层温度、盐度的差异，其混合过程常出现盐指现象[18]。当温度梯度较小、跃层较厚时，常出现一簇指状的盐度峰(或谷)值，比如，W3站位5月17日17时和23时的剖面(图3c);而当温度梯度大、跃层厚度薄时，常出现单一的盐度峰(或谷)值，比如，W4站位5月18日19时和19日0时剖面(图3d)、W5站位5月23日10时和16时剖面(图3e)。
虽然水体上层温度、盐度等日内变化明显，但跃层之下这些指标垂直分布呈均匀状态(图2，图3)，表明深层水非常稳定，这里以水深20m的日内平均值代表其温盐状况。W1站位平均水温12.67℃，W2站位(水深8m处)17.00℃，W3站位13.32℃，W4站位12.96℃，W5站位15.26℃。除W2站位之外，随着时间序列的延长，温度总体呈上升趋势。在站位纬度相近的情况下，反映了5月8日至24日这段观测期内海面热输入的日益增强。W1站位平均盐度31.10psu，W2站位(水深8m处)30.70psu，W3站位31.29psu，W4站位31.58psu，W5站位30.83psu。除了W2和W5站位由于距离海岸较近、盐度偏低之外，显示深层水体盐度稳定。
相关期刊推荐：《海洋地质前沿》(月刊)创刊于1982年，是由青岛海洋地质研究所主办。主要侧重前瞻及综合性的报道。目前，设有：海岸带研究、大洋与极地地质、油气与资源、调查与开发、技术方法等栏目。
水体浊度向下呈缓慢增加的趋势，接近海底浊度明显升高。以水深20m的浊度日内平均值统计，W1站位7.6NTU，W2站位(水深8m处)32.2NTU，W3站位3.2NTU，W4站位2.8NTU，W5站位5.4NTU，近岸水体浊度明显上升。部分剖面显示跃层附近也存在明显的浊度梯度，表明相邻水层之间存在性质差异。
2.2DO和pH剖面特征
DO垂向剖面一般具有双层结构，上部为富氧水，下部为低氧深层水。两者之间的界面有时可出现较高的DO梯度，指示存在跃层;有时则呈振荡降低的趋势，显示跃层不明显(图4)。以W1站位为例，在5月8日9时、13时和19时，DO跃层出现于水深12～14m处。在跃层之上，白天DO浓度波动显著，但都保持在较高浓度水平;夜晚DO浓度明显降低。通常，氧的穿透深度随水深增加而逐渐降低，然而，W1站位的氧浓度峰值很少出现于表层(0～2m)而是常见于次表层(2～14m)，最高可达约20mg·L−1。在跃层之下，氧浓度通常保持在约4mg·L−1，向下呈缓慢降低的趋势。在W1站位水温13°C和盐度31psu条件下，DO饱和度为8.68mg·L−1[19]。白天次表层水广泛的DO过饱和现象，可能主要与藻类等浮游植物的光合作用有关。
pH跃层表现为垂向分布上的快速跳变，它有两种相反的模式，即向下正跳变和向下负跳变。前者出现于5月8日8时和5月9日0时、2时，后者出现于5月8日13时，强度可达0.03～0.04个pH单位(图5)。以W1站位为例，pH跃层出现于水深10～14m处。pH跃层的存在表明，在下部深层水与上部温跃层之间存在弱的化学界面，这有助于维持深层水的低氧状态。
与温度剖面进行对比显示，DO跃层和pH跃层的深度均位于温跃层之下，表明两者的形成并不受温跃层控制。有时DO跃层和pH跃层同步出现在同一深度，比如在5月8日13时，但也有时两者并不同步，比如在5月8日9时和19时(图6)。上层水柱DO浓度的变化和pH跃层模式的日内转换，与大潮期间潮流驱动下水层之间水平对流的差异密切相关(详见下文分析)。
2.3潮流特征
潮位变化曲线表明，本区为规则半日潮(图7)。在W1站位，观测期为阴历初二、初三，处于大潮期间，最高潮位2.21m，最低潮位–2.26m，潮差4.47m。在W2站位，观测期为阴历初四、初五，处于中潮期间，最高潮位2.16m，最低潮位–2.49m，潮差4.65m。在W3站位，观测期为阴历十一、十二，处于小潮期间，最高潮位1.37m，最低潮位–1.07m，潮差2.44m。在W4站位，观测期为阴历十二、十三，处于中潮期间，最高潮位1.34m，最低潮位–1.42m，潮差2.76m。在W5站位，观测期为阴历十七、十八，处于大潮期间，最高潮位2.01m，最低潮位–1.92m，潮差3.93m。以上观测数据显示，近岸潮差明显大于离岸潮差。近岸站位W2、W5，落潮历时明显长于涨潮历时，其比值分别为1.21、1.34。离岸站位W1，落潮历时明显小于涨潮历时，其比值为0.86。离岸站位W3、W4，涨潮和落潮阶段历时相差不大。
以海面以下3.72m处(第2层)ADCP数据为例，展示5个观测站位的潮流流速和流向的25小时变化曲线(图7)。潮流属规则半日潮流，以旋转流为主，在0～360°范围内呈逆时针旋转。涨潮流期间，潮流的方向从北向南旋转;落潮流期间，潮流的方向从南向北旋转。涨潮流多为西或西北向，落潮流多为东或东南向。水柱中潮流流速的分布多呈向下缓慢降低的趋势(图8a)，潮流流向的垂直变化较小(图8b)。观测期间最大潮流流速约为100cm·s−1，最低流速约为10cm·s−1。
2.4潮流对水体跃层和水文参数的影响
黄海上部混合层和温跃层主要由波浪及潮流的混合作用形成和维系[9]。在黄海西部近岸海域，水体表面边界层的深度和垂向混合强度主要受往复流和旋转流所控制[20]。大潮期间，潮流流速快，波浪和潮流的混合搅拌作用较强，表面边界层的深度加大，上部混合层扩张，温跃层向下迁移(比如W5站位(图2e))，同时跃层强度也会明显减弱(比如W1站位(图2a))。在小潮期间，波浪和潮流的混合搅拌作用较弱，表面边界层的深度减小，温跃层向上迁移(比如W2、W3站位(图2b、2c))，伴随着跃层强度的增加。
海面的潮流和波浪可以使表层海水发生垂直混合，进而产生上混合层，另一方面，在潮流驱动下，水团还会出现水平对流现象。由于水柱中潮流流速多呈向下降低的趋势(图8a)，随着时间的积累，从上向下，不同水层之间的水平位移会越来越大。相对而言，相邻水层之间的垂向分子扩散及其所产生的混合作用是很慢的，因此，实际观测到的水文指标的垂向分布，比如，pH跃层的存在，以及pH跃层之上pH值随深度缓慢升高或降低的现象(图5，图6)，可能主要反映了水平方向上相邻区域之间中下部水体化学性质的突变性(比如pH跃层)或渐变性差异。
虽然深层水垂直结构均匀，但其温度、盐度和pH的25小时时间序列曲线也存在着周期性波动(图9)。W2和W5站位水温的周期性变化最为明显;在W4站位，水温除了呈周期性波动之外，还明显叠加了线性升温的趋势，指示临近暖水的水平流入(图9d)。海水盐度的周期性波动最为典型，其变化趋势与温度曲线呈反相分布，即温度较高时，盐度较低;而温度较低时，盐度较高。将潮位25小时变化曲线与温盐曲线进行对比，可以发现它们的周期变化具有同步性。这表明，在天气和海况良好的情况下，深层水温度和盐度的变化主要是潮流驱动下水体水平运动的结果。该认识与Meng等[20]的数值分析结果相一致。此外，在潮流驱动下，深层水的pH也可能存在一定的周期性波动。——论文作者：秦亚超1,2，高飞1,2，苏大鹏1,2，朱晓青1,2，谢柳娟1,2
