基于Bio-Argo浮標(biāo)數(shù)據(jù)研究孟加拉灣中部海域溶解氧分布

徐華兵, 楊豐成, 梁穎欣, 劉宇鵬, 付東洋, *

基于Bio-Argo浮標(biāo)數(shù)據(jù)研究孟加拉灣中部海域溶解氧分布

徐華兵1, 楊豐成1, 梁穎欣1, 劉宇鵬2, 付東洋1, *

1. 廣東海洋大學(xué)電子與信息工程學(xué)院, 廣東 湛江 524088 2. 中國科學(xué)院南海海洋研究所熱帶海洋環(huán)境國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 廣東 廣州 510301

溶解氧的分布影響著海洋生物的生存, 以孟加拉灣低氧區(qū)為研究對(duì)象, 利用2013—2017年該海域Bio-Argo浮標(biāo)數(shù)據(jù)和衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù), 分析孟加拉灣海域海洋上層(0—200 m)溶解氧的垂直分布特征, 探討孟加拉灣海表溶解氧和氧躍層時(shí)空變化及其成因。結(jié)果表明, 由于大量徑流和降雨的輸入, 孟加拉灣海表形成顯著的鹽度成層, 導(dǎo)致該海域溶解氧濃度在約40 m處開始顯著降低, 并在200 m以內(nèi)降至20 μmol·kg–1以下。海表溶解氧濃度與海表溫度呈負(fù)相關(guān)(=–0.75)。氧躍層深度(DO50 μmol·kg–1)與23℃等溫線和海表面高度異常呈正相關(guān), 相關(guān)系數(shù)分別為0.93和0.81。孟加拉灣中部低氧區(qū)海表溫度是影響海表溶解氧變化的主要因素之一, 氧躍層的變化則與海洋中尺度渦密切相關(guān)。

Bio-Argo浮標(biāo); 溶解氧; 低氧區(qū); 孟加拉灣; 海表面高度異常

0 前言

溶解氧是海洋生命活動(dòng)不可缺少的物質(zhì), 其含量是維持海洋生態(tài)系統(tǒng)平衡的重要因素之一[1-2]。當(dāng)水體的溶解氧濃度低于60—120 μmol·kg–1時(shí), 將嚴(yán)重威脅大部分大型海洋動(dòng)物的生存, 甚至導(dǎo)致缺氧死亡[3]。海洋缺氧嚴(yán)重影響海洋生態(tài)系統(tǒng), 最直觀體現(xiàn)為大量海洋生物死亡、生物多樣性顯著降低、漁業(yè)生產(chǎn)受阻等, 進(jìn)而帶來直接或間接的經(jīng)濟(jì)損失。

海洋分布著四個(gè)顯著的低氧區(qū), 分別是北印度洋的阿拉伯海和孟加拉灣, 熱帶赤道東北太平洋(0—25 °N)和東南太平洋[4]。世界大洋低氧區(qū)體積接近15×106km3, 其中孟加拉灣和阿拉伯海約占全球低氧區(qū)體積的21%, 約合3.13×106km3。同時(shí)孟加拉灣和阿拉伯海產(chǎn)生的海洋沉積物約占全球低氧區(qū)產(chǎn)生的海洋沉積物的59%[5]。作為四大低氧區(qū)之一, 孟加拉灣低氧嚴(yán)重影響該海域的生態(tài)環(huán)境和漁業(yè)資源。

孟加拉灣是世界最大的海灣, 也是世界上唯一一個(gè)總面積超過200萬 km2的海灣。孟加拉灣西臨印度半島, 東臨中南半島, 北臨緬甸和孟加拉國, 南與印度洋本體相交于斯里蘭卡至蘇門達(dá)臘島一線。目前針對(duì)孟加拉灣低氧區(qū)已有較多研究。MADHU et al[6]的觀測(cè)結(jié)果表明, 夏季孟加拉灣海域水下100—150 m范圍內(nèi)的溶解氧濃度小于20 μmol·kg–1, 屬于低氧范疇。SARDESSAI et al[7]的觀測(cè)結(jié)果表明, 西南季風(fēng)期間孟加拉灣最低溶解氧(≤10 mμmol·L–1)的分布從20 °N約80 m水平延伸至11 °N水下約120 m。SARMA et al[8]發(fā)現(xiàn)夏季風(fēng)期間孟加拉灣西北沿海的氧濃度低于檢測(cè)限。

然而, 目前關(guān)于孟加拉灣海域溶解氧分布的研究主要基于航次觀測(cè), 所獲數(shù)據(jù)時(shí)空離散性強(qiáng)。航次觀測(cè)數(shù)據(jù)采樣點(diǎn)少, 周期短, 無法得到孟加拉灣海域溶解氧季節(jié)性和年際變化的特征, 即難以實(shí)現(xiàn)大范圍的連續(xù)時(shí)空尺度的海洋低氧變化監(jiān)測(cè)。近幾年大量投放的裝載溶解氧傳感器的新型Bio-Argo浮標(biāo)為孟加拉灣低氧研究提供了第一手資料。2021年9月, 全球共有426個(gè)Bio-Argo分布在各個(gè)海域, 孟加拉灣海域現(xiàn)有3個(gè)Bio-Argo在運(yùn)行(https://www. ocean-ops.org//)。Bio-Argo數(shù)據(jù)被廣泛應(yīng)用于研究海洋中尺度渦和熱帶氣旋對(duì)海洋上層溶解氧和葉綠素的影響[9-14]。

本文利用Bio-Argo浮標(biāo)提供的溶解氧數(shù)據(jù)、溫鹽數(shù)據(jù)和衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù), 揭示孟加拉灣中部海域海表溶解氧和氧躍層的分布特征, 探討海表溶解氧和氧躍層變化的成因, 并嘗試?yán)脺囟群秃１砻娓叨犬惓９浪闳芙庋鹾脱踯S層的時(shí)空分布。

1 材料和方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

Bio-Argo浮標(biāo)(www.argodatamgt.org/)觀測(cè)資料提供了孟加拉灣中部低氧海域上層溶解氧的數(shù)據(jù)。本文選擇孟加拉灣中部海域Bio-Argo浮標(biāo)(5903712)觀測(cè)到的溶解氧, 其觀測(cè)時(shí)間涵蓋2013年1月至2017年4月(2017年4月后溶解氧傳感器未提供數(shù)據(jù)), 共217組溶解氧數(shù)據(jù), 其觀測(cè)站位如圖1。此外, 本文另選取Bio-Argo浮標(biāo)(2902114)的相關(guān)結(jié)果作為對(duì)比(未展示相關(guān)結(jié)果圖), 增加結(jié)論的說服力, 其觀測(cè)周期為2013年11月至2016年2月。Bio-Argo浮標(biāo)同時(shí)測(cè)量溶解氧, 溫度和鹽度的垂直剖面, 從～5到2000 m, 時(shí)間間隔為7天。本研究選取深度為～5至200 m的Bio-Argo垂直剖面。該Bio-Argo浮標(biāo)配備溶解氧傳感器(Aanderaa Optode 4330), 校準(zhǔn)精度約5%(或8 μM)。傳感器在0%和120%飽和度之間校準(zhǔn)[15]。Bio-Argo數(shù)據(jù)有兩個(gè)級(jí)別的質(zhì)量控制: 第一級(jí)是一組實(shí)時(shí)的自動(dòng)檢查, 第二級(jí)是延遲模式質(zhì)量控制系統(tǒng)[16-17]。衛(wèi)星遙感的海表面高度異常(SLA)數(shù)據(jù)由www.aviso.oceanobs.com提供, 空間分辨率為25×25 km。南海溶解氧數(shù)據(jù)由廈門大學(xué)投放在南海的Bio-Argo提供, 網(wǎng)址: http://odc.xmu.edu.cn/ BioArgo/Default.aspx.

1.2 數(shù)據(jù)處理與分析

本研究選擇Bio-Argo質(zhì)量控制為1(good)的數(shù)據(jù), 將上層0—200 m的數(shù)據(jù)進(jìn)行線性插值至1 m分辨率, 然后取海洋上層10 m內(nèi)的溶解氧濃度的均值作為海表溶解氧(SSDO), 海洋上層10 m的溫度和鹽度均值作為海表溫度(SST)和海表鹽度(SSS)。取DO=50 μmol·kg–1所在深度作為低氧區(qū)氧躍層的深度[18]。采用Matlab2020b對(duì)海洋上層0—200 m溫度、鹽度、密度和溶解氧變化圖進(jìn)行繪制。采用OriginPro 9.1對(duì)相關(guān)性圖進(jìn)行繪制, 計(jì)算相關(guān)系數(shù), 并用SPSS軟件進(jìn)行顯著性值的計(jì)算。運(yùn)用統(tǒng)計(jì)學(xué)中的最小二乘法線性回歸法建立一元線性回歸擬合方程。

圖1 2013—2017年Bio-Argo的觀測(cè)站位

Figure 1 The positions of Bio-Argo from 2013-2017

2 結(jié)果與分析

2.1 海洋上層0—200 m溶解氧垂直日變化

圖2描述了2013—2017年間孟加拉灣中部海域海洋上層0—200 m的溶解氧、鹽度、溫度和密度的日變化。從圖中可以看出孟加拉灣表層水體的溶解氧濃度約200 μmol·kg–1, 幾乎飽和(圖2a)。孟加拉灣0—200 m的溶解氧垂直分布和南海中部海域溶解氧的垂向分布有顯著差別(圖3): 孟加拉灣低氧區(qū)的氧躍層較淺, 溶解氧在0—200 m變化顯著, 其溶解氧在約40 m開始顯著降低, 200 m以內(nèi)降至20 μmol·kg–1以下, 甚至接近0 μmol·kg–1。而南海作為非低氧區(qū)海域, 其海洋上層0—200 m保持在高溶解氧濃度(>150 μmol·kg–1, 并存在一個(gè)溶解氧的最大層。在非低氧區(qū), 浮游植物在透光層的強(qiáng)光合作用下產(chǎn)生較高的含氧量, 并在次表層形成溶解氧最大值層。因此, 低氧區(qū)的孟加拉灣和非低氧區(qū)的南海其上層的溶解氧分布存在著顯著差別。

圖2b為2013—2017年孟加拉灣海洋上層0—200 m的鹽度分布。海表0—40 m深度存在低鹽海水, 從而導(dǎo)致海洋上層顯著的鹽度成層, 抑制了上層水體與空氣中氧氣的交換。從圖2a中溶解氧的氧躍層變化(DO50 μmol·kg–1)可以發(fā)現(xiàn), 2013—2015年間的10月份左右氧躍層的深度均明顯變淺(<60 m)。2016年6月—2017年4月孟加拉灣海洋上層的溶解氧濃度相比2013—2015年整體偏高。海洋上層溫鹽的垂直變化也呈相似變化趨勢(shì)。2013—2015年間海水23 ℃等溫線在每年的10月左右較淺, 溫度在約40—60 m顯著降低(圖2c), 同時(shí)10月左右鹽度在40—60 m附近顯著增加。而在2016年6月—2017年4月孟加拉灣上層存在大量低鹽海水, 上層100 m的水溫整體增加, 鹽度降低。上層水體密度顯著減小(圖2d), 同時(shí)氧躍層深度加深到100 m附近(圖2a)。該現(xiàn)象可能與該區(qū)域原有的強(qiáng)反氣旋渦內(nèi)產(chǎn)生的下降流導(dǎo)致表層高溫、低鹽、高溶解氧的水體向下輸送相關(guān)。

圖2 2013年至2017年孟加拉灣中部海域0—200 m (a)溶解氧、(b)鹽度、(c)溫度和(d)位勢(shì)密度日變化垂直分布

Figure 2 Vertical distribution of (a) dissolved oxygen, (b) salinity, (c) temperature and (d) potential density in the upper 200 m in the central Bay of Bengal from 2013 to 2017

圖3 南海和孟加拉灣中部海域上層0—200 m溶解氧分布示意圖

Figure 3 The schematic diagram of the DO distribution in the upper 200 m in the central South China Sea and central Bay of Bengal

2.2 海表溶解氧變化

孟加拉灣海域海表10 m的平均溶解氧濃度和溫度日變化如圖4所示。海表溶解氧濃度變化范圍在193.18—214.59 μmol·kg–1, 平均值為202 ± 4.56 μmol·kg–1。海表溶解氧濃度呈現(xiàn)顯著的季節(jié)變化, 2—3月最高, 6—8月最低。海表溫度的變化則與海表含氧量的變化相反。Bio-Argo資料顯示, 觀測(cè)海域海表溫度變化范圍在25.5—31.24 ℃, 平均溫度為(28.61 ± 1.19) ℃, 海表溫度6月最高, 2—3月最低。水體的溶解氧濃度隨著溫度的緩慢增加而逐漸減少。基于Bio-Argo(5903712)數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn), 海表溶解氧濃度和海表溫度呈顯著的負(fù)相關(guān):= –2.88+284.37(=–0.75,<0.001, 圖5), 此外Bio-Argo(2902114)數(shù)據(jù)顯示兩者的相關(guān)系數(shù)為–0.81。而海面風(fēng)場(chǎng)、SLA、混合層深度與海表溶解氧濃度的相關(guān)性(<0.5, 此部分結(jié)果未展示)均明顯弱于海表溫度與海表溶解氧的相關(guān)性。

2.3 氧躍層變化

2013—2017年氧躍層深度變化范圍在31.95—118.7 m, 平均氧躍層深度為(73.57 ± 15.96) m(圖6)。氧躍層深度沒有明顯的季節(jié)性差異, 無明顯的規(guī)律可循。2013—2017年, 23 ℃等溫線的變化范圍處于51—127.1 m, 平均深度為90.47 ± 15.87 m。2013—2017年, Bio-Argo(5903712)氧躍層的變化和23 ℃等溫線的變化具有較好的一致性, 兩者呈顯著正相關(guān), 相關(guān)系數(shù)為0.93(<0.00.1), Bio-Argo (2902114)結(jié)果顯示兩者相關(guān)系數(shù)為0.87。氧躍層深度(DO50 μmol·kg–1)=23 ℃等溫線深度×0.93- 10.58(圖7a)。

2013—2017年, Bio-Argo所經(jīng)過低氧海域的SLA和氧躍層深度之間存在較好的一致性(圖8)。SLA變化范圍處于–0.11—0.31 m, 平均SLA為0.09 ± 0.08 m。Bio-Argo(5903712)SLA和氧躍層深度呈顯著正相關(guān)(圖7b,=0.81,<0.001), 氧躍層深度= 156.7+60.14。此外, Bio-Argo(2902114)SLA和氧躍層深度也呈顯著正相關(guān), 兩者相關(guān)系數(shù)為0.71。圖9描述了2014年12月和2015年1月Bio-Argo觀測(cè)時(shí)間內(nèi)的 SLA分布圖, 其中2014年12月14日、19日和24日Bio-Argo位于氣旋渦內(nèi), 其SLA分別為–6.67 cm、–7.67 cm和–6.27 cm。而2015年1月8日、13日和24日Bio-Argo位于反氣旋渦內(nèi), SLA分別為5.57 cm、11.1 cm和15.28 cm。氣旋渦影響下的氧躍層平均深度為(62.2±10.5) m, 顯著低于反氣旋渦影響下的氧躍層平均深度(94.7±9.8) m (<0.05)。

圖4 2013至2017年孟加拉灣海表溶解氧和海表溫度變化曲線

Figure 4 Change curve of sea surface temperature and dissolved oxygen in the Bay of Bengal from 2013 to 2017

3 討論

低氧區(qū)形成的主要原因是由于海域的高初級(jí)生產(chǎn)力或者海洋上層弱的通風(fēng)[19]。其中孟加拉灣低氧區(qū)的形成則主要由于后者。這是因?yàn)閺搅飨蛎霞永瓰齿斎肓舜罅康? 同時(shí)大量降雨導(dǎo)致孟加拉灣表層鹽度進(jìn)一步降低, 形成了顯著的鹽度分層[20]。該過程使得上層水體變得更穩(wěn)定, 通風(fēng)減少, 顯著抑制了表層含氧高的水體進(jìn)入次表層, 形成孟加拉灣次表層低氧區(qū)。由于海氣界面海水與大氣氧氣的充分接觸, 孟加拉灣海域表層溶解氧基本上處于飽和狀態(tài)。海表溫度的高低決定了海水氧的溶解度, 溫度升高, 海表水體氧的溶解度降低, 溶解氧濃度降低[21]。龍愛民等[22]研究也發(fā)現(xiàn), 南海北部表層海水的溶解氧與溫度呈完全相反的分布趨勢(shì), 兩者相關(guān)性為–0.61。因此, 孟加拉灣海表溫度的變化是影響海表溶解氧濃度的重要因素之一。

圖5 2013至2017年孟加拉灣海表溶解氧和海表溫度相關(guān)性

Figure 5 The correlation between sea surface temperature and dissolved oxygen in the Bay of Bengal from 2013 to 2017

圖6 2013至2017年孟加拉灣氧躍層深度和等溫線(23 ℃)深度變化曲線

Figure 6 Change curve of oxycline depth and isotherm (23 ℃) in the Bay of Bengal from 2013 to 2017

圖7 2013至2017年孟加拉灣氧躍層深度和(a)23 ℃等溫線深度、(b)海表面高度異常(SLA)相關(guān)性圖

Figure 7 The correlation between oxycline depth and (a) isotherm (23 ℃), (b) SLA in the Bay of Bengal from 2013 to 2017

圖8 2013至2017年孟加拉灣氧躍層深度和海表面高度異常(SLA)深度變化曲線

Figure 8 Change curve of oxycline depth and SLA in the Bay of Bengal from 2013 to 2017

Figure 9 The distribution of SLA during the period of Bio-Argo observation from December 2014 to January 2015

孟加拉海域存在大量的中尺度渦, 對(duì)次表層溶解氧分布有顯著影響。研究發(fā)現(xiàn), 反氣旋渦能將富含氧的表層海水輸送到次表層, 緩解孟加拉灣低氧區(qū)的低氧狀況, 反氣旋渦引起的下降流將加深氧躍層深度[11]。相反, 在氣旋渦影響的區(qū)域溶解氧含量較低, 氣旋渦產(chǎn)生的上升流, 將次表層低溫低氧水帶到上表層, 導(dǎo)致氧躍層深度變淺[10]。孟加拉灣次表層的溶解氧濃度變化主要取決于水體的垂直運(yùn)動(dòng)。PRAKASH et al[18]發(fā)現(xiàn)氧躍層和溫躍層之間存在顯著的相關(guān)性, 孟加拉灣海域水體的物理過程對(duì)氧躍層深度的影響比生物過程更重要。PRAKASH et al[18]在阿拉伯海和孟加拉灣的研究發(fā)現(xiàn)類似的結(jié)果, SLA和氧躍層深度的相關(guān)性高達(dá)0.83和0.79, 其擬合公式與本研究相近: 氧躍層深度=(1.68±0.07)×+(74.0 ± 0.75) (注: 其單位為cm, 本文單位為m)。因此, 海洋中尺度渦是影響孟加拉灣低氧區(qū)氧躍層變化的主要因素之一。

目前裝載溶解氧傳感器的Bio-Argo數(shù)量遠(yuǎn)少于傳統(tǒng)的溫度、鹽度和深度傳感器Argo。根據(jù)國際Argo中心提供的數(shù)據(jù), 2010-2020年間, 孟加拉灣海域Argo浮標(biāo)觀測(cè)的溫、鹽數(shù)據(jù)約38070組, 而Bio- Argo浮標(biāo)數(shù)據(jù)則只有約3178組, 不到前者的十分之一。從該角度而言, 孟加拉灣低氧區(qū)溶解氧的數(shù)據(jù)仍較為匱乏?；诒疚臉?gòu)建的氧躍層深度分別與23 ℃等溫線深度和SLA之間的擬合公式(圖7), 利用Argo提供的溫度和遙感SLA數(shù)據(jù)來反演低氧區(qū)氧躍層深度的變化, 將有助于彌補(bǔ)Bio-Argo對(duì)孟加拉灣上層海洋溶解氧垂向分布的數(shù)據(jù)空缺, 促進(jìn)對(duì)大時(shí)空尺度連續(xù)的低氧區(qū)次表層溶解氧變化的全面了解。

4 結(jié)論

本文利用2013—2017年孟加拉灣中部海域的Bio-Argo數(shù)據(jù)研究海洋上層0—200 m的溶解氧時(shí)空變化特征并分析其成因。結(jié)果顯示, 孟加拉灣中部海域存在低氧區(qū), 溶解氧濃度在次表層顯著降低至低氧水平。低氧區(qū)海表溶解氧濃度與海表溫度呈顯著負(fù)相關(guān), 表明海表溫度是影響低氧區(qū)海表溶解氧變化的關(guān)鍵因素之一。低氧區(qū)氧躍層深度與23 ℃等溫線深度和海表面高度異常呈顯著正相關(guān), 表明海洋中尺度渦引起的水體垂向運(yùn)動(dòng)顯著影響氧躍層深度的變化?；诒疚臉?gòu)建的Argo溫度和海表高度異常與氧躍層深度的擬合公式反演獲得的氧躍層變化, 將會(huì)為該海域的溶解氧變化的連續(xù)監(jiān)測(cè)提供方法和數(shù)據(jù)支持。

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The distribution of dissolved oxygen in the central Bay of Bengal based on Bio-Argo observation

XU Huabing1, Yang Fengcheng1, LIANG Yingxin1, LIU Yupeng2, FU dongyang1,*

1. College of Electronic and Information Engineering, Guangdong Ocean University, Zhanjiang 524088, China 2. State Key Laboratory of Tropical Oceanography, South China Sea Institute of Oceanology, Chinese Academy of Sciences, Guangzhou 510301, China

The distribution of dissolved oxygen (DO) affects the survival of marine organisms. In order to explore the temporal and spatial variation of sea surface DO and oxycline in theOxygen Minimum Zone (OMZ) of Bay of Bengal (BoB), we investigated the vertical DO distribution from 0 to 200 m in the central BoB using Bio-Argo and remote sensing data from 2013 to 2017. The results showed that the salinity stratification caused by the input of a large amount of runoff and rainfall induced the significant change of the DO in the central BoB, and DO decreased significantly at ～ 40 m, and dropped to less than 20 μmol·kg–1within 200 m. The sea surface DO was negatively correlated with the sea surface temperature (=–0.75). The oxycline depth was significantly correlated with the 23℃ isotherm and sea level anomaly (=0.93 and 0.81). The surface DO concentration was mainly affected by the surface temperature, andthe oxycline depth was mainly controlled by the mesoscale eddies in the OMZ of the BoB.

Bio-Argo; dissolved oxygen; oxygen minimum zone; Bay of Bengal; sea level anomaly

10.14108/j.cnki.1008-8873.2024.01.009

P76

A

1008-8873(2024)01-074-07

2021-08-03;

2021-10-26

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(42106148); 廣東海洋大學(xué)科研啟動(dòng)經(jīng)費(fèi)資助項(xiàng)目(R20008); 熱帶海洋環(huán)境國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(中國科學(xué)院南海海洋研究所)開放課題(LTO2015)

徐華兵, (1990—), 男, 安徽安慶人, 博士, 主要從事海洋生態(tài)遙感, E-mail: xuhuabing1990@163.com

通信作者:付東洋(1969—), 男, 教授, 主要從事海洋水色遙感研究, E-mail: fdy163@163.com

徐華兵, 楊豐成, 梁穎欣, 等. 基于Bio-Argo浮標(biāo)數(shù)據(jù)研究孟加拉灣中部海域溶解氧分布[J]. 生態(tài)科學(xué), 2024, 43(1): 74–80.

XU Huabing, Yang Fengcheng, LIANG Yingxin, et al. The distribution of dissolved oxygen in the central Bay of Bengal based on Bio-Argo observation[J]. Ecological Science, 2024, 43(1): 74–80.