于 杰 , 王新星 , 李永振, 陳國(guó)寶

(1.中國(guó)水產(chǎn)科學(xué)研究院南海水產(chǎn)研究所, 廣東 廣州 510300; 2.農(nóng)業(yè)部南海漁業(yè)資源環(huán)境科學(xué)觀測(cè)實(shí)驗(yàn)站,廣東 廣州 510300; 3.農(nóng)業(yè)部南海區(qū)漁政局, 廣東 廣州 510080)

南海外海蘊(yùn)藏著豐富的中上層漁業(yè)資源, 金槍魚(yú)和鳶烏賊資源量大, 其中金槍魚(yú)資源量達(dá)4.4×104~5.2×104t, 年可捕量為 1.7×104t[1-2]。我國(guó)從20世紀(jì)80年代恢復(fù)外海漁業(yè)生產(chǎn), 目前漁業(yè)作業(yè)范圍已覆蓋到西沙群島、中沙群島、南沙群島和西南陸架區(qū)[3-4], 2011年我國(guó)在南海中南部海域作業(yè)的漁船數(shù)量就有約 1 500艘[5-6], 但是在中西部海域進(jìn)行生產(chǎn)作業(yè)的漁船數(shù)量較少, 而 2000~2006年越南每年有 34.4%~40.9%的刺網(wǎng)漁船集中到這一海域作業(yè)[7],南海中西部海域大部分位于我國(guó)九段線內(nèi)(圖1)。由于我國(guó)對(duì)這一海域的漁場(chǎng)和漁汛情況缺乏了解, 導(dǎo)致該地區(qū)的漁業(yè)開(kāi)發(fā)滯后。

Duy等[8]指出每年西南季風(fēng)期是南海中西部海域金槍魚(yú)刺網(wǎng)漁業(yè)主要汛期, 研究證實(shí)該海域每年西南季風(fēng)期都會(huì)有上升流產(chǎn)生, 上升流對(duì)底層營(yíng)養(yǎng)鹽的向上輸運(yùn)作用, 促進(jìn)了上層的初級(jí)生產(chǎn)力水平,唐丹玲等[9]指出2006年夏季上升流使表層浮游植物濃度增加到4.5 mg/m3, 上升流對(duì)該漁場(chǎng)的形成起到重要作用[9-10]。目前, 國(guó)內(nèi)外對(duì)這一上升流的研究主要集中在環(huán)境特征和物理機(jī)制方面[11-14], 對(duì)該上升流的長(zhǎng)時(shí)間序列空間變動(dòng)研究較少。研究上升流空間位置和持續(xù)時(shí)間的年際變動(dòng)對(duì)了解中西部漁場(chǎng)漁汛信息具有重要意義。本文利用近10 a遙感風(fēng)場(chǎng)和海表溫度(Sea surface temperature, SST)數(shù)據(jù), 研究南海中西部漁場(chǎng)上升流時(shí)空變化特征, 分析風(fēng)場(chǎng)對(duì)上升流中心位置變動(dòng)的影響, 最后簡(jiǎn)要分析了厄爾尼諾對(duì)該上升流的影響。研究成果可為我國(guó)開(kāi)發(fā)中西部漁場(chǎng)提供參考。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 研究區(qū)域

南海中西部漁場(chǎng)位于南海中部 12°N附近海域(圖1), 處于熱帶季風(fēng)區(qū), 夏季在西南季風(fēng)的影響下產(chǎn)生上升流[8-9], 上升流空間尺度可達(dá)到上千平方公里, 對(duì)海量SST影像進(jìn)行分析, 發(fā)現(xiàn)上升流主要分布在 9.5°~15°N, 108°~113°E 范圍內(nèi),因此選擇這一區(qū)域作為研究區(qū), 如圖1中的黑色方框所示。

圖1 研究區(qū)域及2011年7月22日的SST分布Fig.1 Study area and SST on July 22, 2011

1.2 數(shù)據(jù)與處理

2003~2005 年的SST數(shù)據(jù)采用Aqua衛(wèi)星上的微波輻射計(jì)(AMSR-E)熱紅外數(shù)據(jù), 空間分辨率為25 km;2006~2012年的SST數(shù)據(jù)為微波和熱紅外合成數(shù)據(jù),來(lái)自 TMI、AMSR-E、WindSAT、Terra MODIS和Aqua MODIS傳感器, 空間分辨率為9 km。數(shù)據(jù)下載網(wǎng)址為http: //www.remss.com。

2003~2006 年的風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)采用 QuikSCAT數(shù)據(jù)(http: //podaac.jpl.nasa.gov/); 2007~2012年的風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)采用A-SCAT數(shù)據(jù)(ftp: //ftp.ifremer.fr/ifremer)。兩種數(shù)據(jù)的空間分辨率均為25 km。

為了分析研究區(qū)風(fēng)場(chǎng)和 SST的時(shí)間序列特征,計(jì)算了日平均風(fēng)速、日平均風(fēng)向和日平均SST, 計(jì)算公式如表1所示。由于數(shù)據(jù)量大, 為了便于觀察, 圖2給出了10 d平均的風(fēng)場(chǎng)和SST時(shí)間序列圖。西南季風(fēng)的起止時(shí)間根據(jù)風(fēng)場(chǎng)時(shí)間序列圖上風(fēng)向的變化判斷, 當(dāng)風(fēng)向首次呈西南向, 且持續(xù)10 d以上, 確定這個(gè)風(fēng)向首次呈西南向的日期為西南季風(fēng)的生成日期; 當(dāng)風(fēng)向轉(zhuǎn)向, 并連續(xù)10 d以上未恢復(fù)西南向時(shí),確定這個(gè)風(fēng)向轉(zhuǎn)向的日期為西南季風(fēng)的消失日期(表2)。統(tǒng)計(jì)了每年西南季風(fēng)期間呈現(xiàn)不同風(fēng)向角的天數(shù),以及天數(shù)最多的風(fēng)向角期間不同風(fēng)速出現(xiàn)的天數(shù)(圖3)。上升流中心位置參照Cheng等[15]的方法, 定義為研究區(qū)域中最低溫度所對(duì)應(yīng)的點(diǎn), 圖4為10 d平均的上升流中心位置圖。計(jì)算 2003~2012年每年西南季風(fēng)期間的平均風(fēng)速、風(fēng)向、SST、上升流中心經(jīng)度和上升流中心緯度(表1), 用于分析西南季風(fēng)期平均風(fēng)速和風(fēng)向的年際變化對(duì)西南季風(fēng)期平均SST及上升流中心位置年際變化的影響, 并計(jì)算它們的相關(guān)性, 如表3所示。厄爾尼諾數(shù)據(jù)下載地址為 http://www.cpc.ncep.noaa.gov/data/indices/sstoi.indices。

表3 風(fēng)速和風(fēng)向與2003~2012年西南季風(fēng)期間年平均SST及年平均上升流中心的相關(guān)性Tab.3 Correlation coefficients between the wind speed and angle, and the annual SST and annual center of upwelling from 2003 to 2012

圖3 2003~2012年西南季風(fēng)期間不同風(fēng)向和風(fēng)速天數(shù)統(tǒng)計(jì)Fig.3 Number of days with different wind angle and wind speed during the days with wind angle of 51°-60° from 2003 to 2012

表1 日均和年均風(fēng)速、風(fēng)向、SST及年均上升流中心位置計(jì)算公式Tab.1 Formula for daily and annual wind speed, wind angle, SST and annual position of upwelling center

2 結(jié)果與分析

2.1 南海中西部漁場(chǎng)風(fēng)場(chǎng)及溫度變化特征

2.1.1 風(fēng)場(chǎng)

2003~2012 年西南季風(fēng)基本上在 5月份形成,2005年和 2011年開(kāi)始于 5月上旬, 2003、2004、2006、2007、2008和2009年開(kāi)始于5月中旬, 2010年開(kāi)始于5月下旬, 而2012年西南季風(fēng)從4月下旬開(kāi)始(圖2a1~圖2a10)。西南季風(fēng)期一般在9月份結(jié)束, 2005、2006和2012年在9月上旬結(jié)束, 2004、2007和2010年在 9月中旬結(jié)束, 2003年于 9月下旬結(jié)束, 而2008、2009和 2011年于 10月初結(jié)束(圖2a1~圖2a10)。每年西南季風(fēng)的持續(xù)時(shí)間在115~154 d, 平均129.4 d (表2)。

圖2 2003~2012年風(fēng)速和風(fēng)向圖(a1~a10)及SST時(shí)間序列(b1~b10)Fig.2 Variations of wind speed and angle (a1-a10), temporal distribution of SST (b1-b10) from 2003 to 2012

從圖2a1~圖2a10風(fēng)場(chǎng)圖上可以看到, 西南季風(fēng)期間風(fēng)力的大小發(fā)生變化, 各年份最大風(fēng)速和最小風(fēng)速差值在7.6~10.3 m/s, 平均最大風(fēng)速為11.9 m/s,平均最小風(fēng)速為2.4 m/s。年平均風(fēng)速以2010年最小,為5.9 m/s, 其它年份年平均風(fēng)速在6.3~6.9 m/s(表2)。西南季風(fēng)期間, 風(fēng)向也會(huì)由西南向轉(zhuǎn)為其它方向,2003年、2004年和2006年有60%~70%的天數(shù)為西南風(fēng)向, 2005年、2007年和2008年有70%~80%的天數(shù)呈西南風(fēng)向, 2009年和2010年有80%~90%天數(shù)呈西南風(fēng)向, 2011年和2012年有90%以上的天數(shù)呈西南風(fēng)向(表2)?？梢?jiàn), 西南季風(fēng)期風(fēng)向角呈現(xiàn)間歇性變化, 近年來(lái), 西南季風(fēng)的持續(xù)天數(shù)有增加的趨勢(shì)。

表2 2003~2012年西南季風(fēng)時(shí)間特征及SST變化Tab.2 The begin date, end date, and duration of southwest monsoon, and changes in wind speed and SST from 2003 to 2012

2003~2012 年, 風(fēng)向角在 51°~60°的天數(shù)最多,為 123 d, 占總季風(fēng)天數(shù)的 21.98%, 風(fēng)向角在41°~50°、61°~70°、31°~40°、71°~80°、21°~30°、81°~90°、11°~20°、0°~10°的天數(shù)分別為 99、78、73、62、45、29、24和23 d, 分別占總季風(fēng)天數(shù)的17.84%、14.05%、13.15%、11.17%、8.11%、5.23%、4.32%和4.14% (圖3a)。2003~2012年, 西南季風(fēng)期間, 風(fēng)向角在 51°~60°的天數(shù)中, 有 38 d的平均風(fēng)速在7.1~8.0 m/s, 風(fēng)速在 8.1~9.0 m/s、6.1~7.0 m/s、9.1~10.0 m/s、5.1~6.0 m/s、10.1~11.0 m/s、4.1~5.0 m/s、3.1~4.0 m/s和11.1~12.0 m/s的天數(shù)分別為22、20、15、14、7、4、2 和 1 d(圖3b)。

2.1.2 SST和上升流

2003~2012 年, 最高溫度范圍在 29.8~31.0℃,最低溫度范圍在27.6~29.5℃。其中, 2010年的最高溫度和最低溫度均大于其它年份。最低溫度變化幅度較大, 除2003、2005和2010年最低溫度大于28℃外, 其它年份最低溫度均小于28℃, 2009和2011的最低溫度最小, 為27.6℃(表2)。

南海中西部漁場(chǎng)每年在西南季風(fēng)的作用下均會(huì)形成上升流[14]。溫度是表征上升流強(qiáng)度的重要參數(shù)之一。西南季風(fēng)期為南海的夏季, SST處于一年當(dāng)中最高的時(shí)期, 由于上升流的作用, SST時(shí)間序列圖上出現(xiàn)若干波峰和波谷交替現(xiàn)象, 隨著風(fēng)場(chǎng)變化, SST存在著不同幅度的波動(dòng)(圖2b1~圖2b10)。用SST的大小表示上升流的強(qiáng)度, SST由峰值向谷值變化時(shí)說(shuō)明上升流的強(qiáng)度增加, SST由谷值向峰值變化時(shí)說(shuō)明上升流強(qiáng)度減弱。相關(guān)分析表明西南季風(fēng)期平均風(fēng)速年際變化與平均SST年際變化呈顯著負(fù)相關(guān)(表3),說(shuō)明當(dāng)西南季風(fēng)期間的平均風(fēng)速增大時(shí), 該年上升流的平均強(qiáng)度增加, 當(dāng)平均風(fēng)速減小時(shí), 該年上升流的平均強(qiáng)度減弱。

2.2 上升流中心位置變動(dòng)

2003~2012 年, 上升流中心呈現(xiàn)密集性分布, 中心位置空間變動(dòng)范圍為 11°~15°N, 109°~112°E。在緯向上, 上升流中心集中在 12°N 附近, 其中, 2003、2004、2011和2012年上升流中心多分布在12°N以南, 最低緯度可以到10°N, 2007和2010年上升流中心分布以12°N以北居多, 最高緯度可達(dá)15°N, 其它年份以12°N為中線分布于兩側(cè), 大部分年份分布于11°~13°N。在經(jīng)向分布上, 上升流中心從沿岸到112.5°E均有分布, 2007、2008、2010和 2011年上升流中心主要分布在110oE以西, 2003和2005年分布在 110°~113°E, 2006 和 2009 年分布在 109°~111°E,2004 年分布在 110°~112°E(圖4)。

西南季風(fēng)期間平均風(fēng)速和風(fēng)向角的年際變化如圖5所示, 通過(guò)對(duì)比圖4和圖5, 可以發(fā)現(xiàn)不同年份風(fēng)速和風(fēng)向的變化影響上升流中心位置的整體分布,通過(guò)對(duì)年平均上升流中心與年平均風(fēng)速和風(fēng)向角的相關(guān)性分析(表3), 發(fā)現(xiàn)年平均風(fēng)速與年平均上升流中心經(jīng)度呈顯著正相關(guān), 與年平均上升流中心緯度負(fù)相關(guān), 說(shuō)明風(fēng)速變動(dòng)會(huì)影響到上升流中心在經(jīng)向和緯向上的分布, 年平均風(fēng)速增加時(shí), 該年平均上升流中心在經(jīng)向上往離岸方向移動(dòng), 在緯向上往低緯度移動(dòng), 反之, 年平均上升流中心在經(jīng)向上往近岸方向移動(dòng), 在緯向上往高緯度移動(dòng)。而年平均風(fēng)向與年平均上升流中心緯向上的變動(dòng)顯著相關(guān), 與年平均上升流中心經(jīng)向上的變動(dòng)不相關(guān), 當(dāng)年平均風(fēng)向增強(qiáng)時(shí), 年平均上升流中心向高緯度移動(dòng), 反之,向低緯度移動(dòng)。

圖5 2003~2012年西南季風(fēng)期間平均風(fēng)速和風(fēng)向的年際變化Fig.5 The annual variations of wind speed and angle from 2003 to 2012

2.3 厄爾尼諾對(duì)上升流的影響

厄爾尼諾起源于太平洋赤道, 在全球尺度上對(duì)氣候產(chǎn)生影響。作為太平洋的邊緣海, 南海必然受到厄爾尼諾的影響。一般將海溫距平指數(shù)(NINO3)至少連續(xù) 6個(gè)月≥0.5℃(≤–0.5℃)定義為一次厄爾尼諾(拉尼娜)事件[16], 2009~2011年NINO3值見(jiàn)表4, 可以看到2009年6月有一個(gè)厄爾尼諾現(xiàn)象形成, 一直持續(xù)到2010年4月。圖6a和圖6b分別是2008年8月9日非厄爾尼諾年和2009年8月9日厄爾尼諾年SST分布圖, 對(duì)比兩張圖可以看到厄爾尼諾年上升流的范圍遠(yuǎn)大于非厄爾尼諾年, 此外, 從表2中也可以看出厄爾尼諾年西南季風(fēng)期間的最低溫度大于其它非厄爾尼諾年, 表明厄爾尼諾對(duì)此上升流加強(qiáng)作用。Kuo等[17]研究證實(shí) 1997~1998年厄爾尼諾現(xiàn)象也導(dǎo)致此上升流增強(qiáng), 研究結(jié)果與本文一致。

圖6 2008年8月9日和2009年8月9日SST分布Fig.6 Distribution of SST in August 9, 2008 (a) and August 9, 2009 (b)

表4 2009~2011年NINO3值Tab.4 The NINO3 values from 2009 to 2011

3 討論

3.1 上升流與南海中西部漁場(chǎng)的關(guān)系

南海中西部漁場(chǎng)是非常重要的金槍魚(yú)漁場(chǎng)[18-19]。Long等[20]調(diào)查指出2000~2004年西南季風(fēng)期間, 在6.5°~16.5°N, 107.5°~113°E 范圍存在一個(gè)金槍魚(yú)作業(yè)區(qū), 中心漁場(chǎng)有兩個(gè), 其中, 主要中心漁場(chǎng)位于11°N以南, 正好與本研究中上升流中心的范圍一致。Long等[20]指出南海中西部金槍魚(yú)漁場(chǎng)的汛期從5月(或4月)持續(xù)到8月(或 9月)。這與本文對(duì)西南季風(fēng)周期的研究結(jié)果相似, 2003~2012年西南季風(fēng)的開(kāi)始時(shí)間基本在 5月份(4月末), 結(jié)束時(shí)間可以到 9月或 10月初(表2)。說(shuō)明南海中西部漁場(chǎng)的汛期與西南季風(fēng)的起始時(shí)間相對(duì)應(yīng)。Aussanee[18]指出南海中西部漁場(chǎng)金槍魚(yú)主要活動(dòng)水層在50~90 m的深度, 正好與該區(qū)域上升流浮游植物最大值所處的水層相同[9,21]。

Tang等[9]研究表明, 每年西南季風(fēng)期間在這一區(qū)域均會(huì)形成上升流, 本文通過(guò)對(duì)2003~2012年SST的分析再次證實(shí)了這一現(xiàn)象。上升流向海洋上層輸運(yùn)營(yíng)養(yǎng)鹽, 增加上層水體浮游植物濃度[21], 形成高初級(jí)生產(chǎn)力區(qū), 通常會(huì)成為較好的漁場(chǎng)。西南季風(fēng)期間, 研究區(qū)形成一條自沿岸向南海中部延伸的順時(shí)針渦狀高Chl-a水體, 成為南海中西部漁場(chǎng)營(yíng)養(yǎng)鹽的重要來(lái)源[9]。

南海北部的瓊東上升流、粵東上升流和臺(tái)灣淺灘上升流均是非常優(yōu)越的漁場(chǎng)[22-23]。南海中西部漁場(chǎng)的形成與上升流密切相關(guān), 與瓊東上升流相似,南海中西部上升流也是間歇性[24]。2003~2012年西南季風(fēng)持續(xù)時(shí)間呈現(xiàn)增加的現(xiàn)象, 說(shuō)明上升流持續(xù)時(shí)間有增加的趨勢(shì), 對(duì)南海中西部漁場(chǎng)漁業(yè)資源有可能有積極影響。與南沙漁場(chǎng)和西南陸架漁場(chǎng)相比, 南海中西部漁場(chǎng)更靠近中國(guó)大陸, 其上升流空間尺度最大可以達(dá)到清瀾漁場(chǎng)上升流空間尺度的 2倍以上[25],可能成為我國(guó)外海漁業(yè)開(kāi)發(fā)的優(yōu)良潛在漁場(chǎng)。

3.2 南海中西部上升流中心位置及其變動(dòng)與西南季風(fēng)的關(guān)系

Lau等[26]認(rèn)為南海中西部上升流的形成與西南季風(fēng)有關(guān)。西南季風(fēng)期間, 風(fēng)向與越南東海岸近似平行, 在海表風(fēng)的作用下, 將近岸水體攜帶至外海, 引起近岸底層低溫海水向海洋上層涌升, 形成上升流。南海中西部上升流中心空間變動(dòng)范圍在 11°~15°N,109°~112°E之間, 通過(guò)對(duì)Xie[27]的研究進(jìn)行分析, 發(fā)現(xiàn) 1999~2002年此上升流的中心位置處于相同范圍內(nèi), 此外, 對(duì)Kuo等[25]的研究進(jìn)行分析得出相同結(jié)論。說(shuō)明此上升流中心位置的變動(dòng)范圍是相對(duì)固定的。

Kuo等[28]研究發(fā)現(xiàn)南海中西部上升流強(qiáng)度與經(jīng)向風(fēng)應(yīng)力的相關(guān)系數(shù)為 0.88, 說(shuō)明了風(fēng)是影響上升流強(qiáng)度的重要參數(shù)。Xie[27]指出在反氣旋渦流和東北向海流的作用下, 將低溫海水輸運(yùn)到中部, 形成中心位置的偏離現(xiàn)象, 反氣旋渦流和東北向海流的形成與也與西南季風(fēng)有關(guān)?？梢?jiàn), 風(fēng)場(chǎng)對(duì)上升流的發(fā)生和發(fā)展演變起著關(guān)鍵作用[29]。本文研究同樣證實(shí)上升流中心位置變動(dòng)與西南季風(fēng)有關(guān), 從年際變化角度, 當(dāng)西南季風(fēng)期平均風(fēng)速增大時(shí), 該年年平均上升流中心向離岸方向和低緯度移動(dòng), 風(fēng)速減小時(shí),年平均上升流中心向近岸方向和高緯度移動(dòng); 當(dāng)西南季風(fēng)期平均風(fēng)向角增加時(shí), 該年平均上升流中心向 12°N以北的高緯度偏移, 當(dāng)風(fēng)向角減小時(shí), 年平均上升流中心向12°N以南低緯度偏移。

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