海洋棱镜

珠江口外缺氧的时空变化之谜

研究内容

        夏季,珠江口的物理动力过程和生物化学过程为季节性的富营养化和缺氧问题在珠江口的反复出现提供了充要条件。珠江口生化过程和缺氧的时空变化特征由径流量、营养盐输入、风速和风向、潮汐和沿岸流等多种因素共同调控。然而,受时空限制的观测研究大多将缺氧视为近似静态的问题来分析生物化学过程对其的作用,忽视了缺氧的强烈的时空变化。

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图1:2015、2017 和2018年多航次、重复观测的珠江口夏季沿岸方向风速(淡蓝色区域,正值表示西南风,即上升流风场,负值表示东北风,即下降流风场)、径流(蓝色实线)和东(ECTZ)、西(WCTZ)海岸过渡带缺氧面积(柱状条)的时空变化。

        珠江河口外的缺氧受海洋环流输运和河流输入共同制约。夏季西南季风盛行,但天气尺度上(十天左右)的风向转变时有发生:由上升流风场转为下降流风场,再转为上升流风场(图1)。观测结果表明风速和风向转变对珠江口缺氧意义重大:风驱沿岸流可以改变羽状流及营养盐的分布、滞留时间、水体混合强度等;同时径流可以改变营养盐输入、滞留时间、水体层化强度等。然而,风和径流的协同变化及其非线性效应对珠江口生化过程和缺氧影响并未有研究进行全面分析。

        据此,在以香港和珠江口水域海洋环流、生态环境以及缺氧为主题的OCEAN_HK (https://ocean.ust.hk/) 课题研究中,香港科技大学海洋动力学和模拟专项研究团队(https://odmp.ust.hk/)对珠江口以及临近陆架海域的水质进行了全方位、多角度的观测,数据包括十次走航观测、浮标时间序列观测,同时利用三维生化-物理耦合模式对其进行数值模拟,最新成果Spatiotemporal development and dissipation of hypoxia induced by wind-driven shelf circulation off the Pearl River Estuary: observational and modeling studies已发表在Journal of Geophysical Research: Oceans

 

主要发现

        多变的夏季天气尺度风场及径流会非线性地影响海洋环流输运、垂向混合强度、营养盐通量、有机物分布,聚集和停留时间,从而导致缺氧区分布和强度的强烈时空变化(图2)。其中,上升流风场为海岸过渡带内东、西缺氧区的形成提供了有利的物理和生化条件(即,气旋式涡旋、营养盐和有机物辐聚,稳定的水体层化,弱混合强度);当转为下降流风场时,朝西转向的冲淡水羽状流导致西区营养盐及有机物增加,混合强度减弱,缺氧区扩大,但随着下降流风场逐渐增强至夏季平均强度2倍时,西区滞留时间减小,混合增强,缺氧区随之减弱。相反地,下降流风场导致东区营养盐和有机物急剧减少、混合强度增强,缺氧区完全消失。当下降流风场减弱并转为上升流风场时,流场逐渐恢复至上升流状态。

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图2:珠江口夏季在上升流风场(UFW)和下降流风场(DFW)下河口环流和缺氧变化示意图

 

文字 / 来源:

Li, D., J. Gan, R. Hui, L. Yu, Z. Liu, Z. Lu, S.-j. KAO, and M. Dai (2021), Spatiotemporal development and dissipation of hypoxia induced by variable wind-driven shelf circulation off the Pearl River Estuary: observational and modeling studies, JGR-oceans, 2020JC016700RR.