王新星 , 于 杰, 李永振, 陳國寶, 黃妙芬

(1. 大連海洋大學 海洋科技與環(huán)境學院, 遼寧 大連 116023； 2. 中國水產(chǎn)科學研究院南海水產(chǎn)研究所, 農(nóng)業(yè)部南海漁業(yè)資源環(huán)境科學觀測實驗站, 廣東 廣州 510300； 3. 農(nóng)業(yè)部南海區(qū)漁政局, 廣東 廣州 510080 )

南海是我國的重要漁業(yè)產(chǎn)區(qū), 目前我國每年在這一海區(qū)的捕撈產(chǎn)量大約 3×106t。無論在南海北部還是在南海中部和南部海域都分布有優(yōu)良漁場, 這些漁場往往與上升流存在著密切關(guān)系。上升流是一種海水垂直向上的運動現(xiàn)象, 通常因表層水體輻散所致, 是海洋環(huán)流中的重要組成部分。上升流涌升速度與水平流速相比甚小, 一般只有10-4～10-2cm/s[1]。上升流可以把底層營養(yǎng)鹽帶到表層, 為浮游植物的生長提供物質(zhì)基礎(chǔ), 進而為浮游動物、魚類、蝦類等生物提供生存條件, 其對海洋資源開發(fā)和利用, 特別是對漁業(yè)生產(chǎn)具有重要意義[2-3]。

早在20世紀60年代初, 國外便有對南海近岸夏季上升流的報道, 涉及的海域包括南海中西部地區(qū)、海南島東部、汕頭沿岸地區(qū)[4-5]。我國學者也早在1964年發(fā)現(xiàn)了廣東外海的夏季上升流, 確定了瓊東上升流和粵西上升流的位置[6]。到 20世紀80年代,我國學者又陸續(xù)發(fā)現(xiàn)了粵東上升流和臺灣淺灘上升流。呂宋島西北外海的冬季上升流最早是在1996年由Shaw等[7]發(fā)現(xiàn)。

目前, 有關(guān)南海上升流研究主要集中在理化特性、動力學特性和時空分布特征方面, 而在營養(yǎng)鹽分布特征、上升流與漁業(yè)生產(chǎn)的關(guān)系方向研究相對較少。本文概述了南海主要上升流及其特性, 分析了南海上升流成因類型和上升流區(qū)葉綠素變化特征,并探討了上升流漁場的形成機制。全面系統(tǒng)地了解南海主要上升流的空間分布特征及環(huán)境特性, 對南海近海漁業(yè)生產(chǎn)及外海漁業(yè)開發(fā)具有重要指導(dǎo)意義, 本研究可為南海外海漁場漁情預(yù)報技術(shù)提供參考。

1 南海主要上升流及其特征

1.1 臺灣淺灘上升流

臺灣淺灘上升流位于臺灣海峽西南部(圖 1, A,溫度數(shù)據(jù)為熱紅外與微波合成數(shù)據(jù), 下載地址： http：//www.remss.com/。)[8-9], 由于地形原因, 臺灣淺灘周圍常年存在上升流, 夏季西南季風期間, 呈現(xiàn)6月份較弱, 7月份增強, 8月下旬又逐漸變?nèi)醯淖儎右?guī)律[10-11]。根據(jù)Shang等[12-13]的統(tǒng)計, 1998年此上升流面積平均值達到2 796 km2, 表層水溫比周圍非上升流區(qū)海水溫度低2～4 ℃[14-15]。

1.2 粵東沿岸上升流

粵東沿岸上升流分布在汕頭至東山沿岸海域,經(jīng)緯度范圍為 116°40′～117°30′E, 28°～31°N (圖 1, B)。此上升流中心位置緊靠岸邊, 一般位于20 m以淺水域, 但其時空變異較大, 中心位置會發(fā)生變動, 并形成若干個中心區(qū)[16-17]。水體理化特征表明, 與多數(shù)上升流區(qū)類似, 該上升流區(qū)具有低溫、高鹽、低氧、高磷等基本特征?；洊|上升流一般出現(xiàn)在4月底, 10月消失。

1.3 粵西沿岸上升流

粵西沿岸上升流位于七洲列島以北、瓊州海峽以東直至珠江口外海一帶海域(圖1, C)。李立[16]研究指出夏季粵西沿岸存在海水溫度降低的情況, 溫度可降低到冬季海溫的水平, 鹽度值較高, 可達 34.5,底層鹽度呈上升趨勢, 說明底層有外海高鹽度水的注入, 溶解氧含量顯著下降, 各個因素印證了此處為上升流區(qū)?；浳餮匕渡仙魍ǔ０l(fā)生在4～9月, 其中 6～8 月最強[3]。

1.4 瓊東上升流

瓊東上升流中心位置緊靠岸邊(圖1, D), 通常在30 m 以淺, 在同緯度方向水平方向上, 該上升流表層水溫比周圍低 2～5℃(＜24.5℃), 鹽度比周圍高0.5(＞34.3), 磷酸鹽比非上升流區(qū)高近 2倍； 在垂直方向上, 氧飽和度較其他季節(jié)低12%, pH值低0.02,是低溫、高鹽、低氧、低pH和高磷區(qū)[17]。從圖1中看出, 瓊東沿岸上升流和粵西沿岸上升流在分布形態(tài)上表現(xiàn)為一個整體, 但瓊東沿岸上升流強度稍大[18]。

1.5 南海中西部上升流

除南海北部陸架區(qū)以外, 南海中西部沿岸也存在一處明顯上升流(圖1, E)。1961年Wyrtki[4]首次發(fā)現(xiàn)此季節(jié)性上升流, 并指出夏季期間此區(qū)域SST(Sea Surface Temperature)與周圍溫差達 1 ℃。Xie等[19]分析指出, 由于西南季風受到安南山脈的阻擋, 使得胡志明市東部出現(xiàn)強風, 較強風偏轉(zhuǎn), 由此形成的強風對沿岸上升流的形成具有重要作用。此外6～7月反氣旋海洋渦流出現(xiàn), 使沿岸上升流形成的冷水向東南方向移動, 形成離岸冷水流, 通過觀測同期葉綠素濃度圖像證實了離岸冷水流的存在及變動過程,從圖 1中可以觀察到由離岸冷水流輸運形成的低溫現(xiàn)象。Kuo等[20]利用 1996～1997年夏季 AVHRR(Advanced Very High Resolution Radiometer)熱紅外圖像同樣觀察到該上升流沿著11°～12°N方向向東延伸。南海中西部上升流發(fā)生在6～9月, 8月最強。上升流期間葉綠素質(zhì)量濃度平均值為 0.9 mg/m3, 其他月份葉綠素質(zhì)量濃度平均值為0.1～0.4 mg/m3[21]。

1.6 呂宋島西北部上升流

呂宋島西北部約100 km存在著一處離岸上升流(圖 1, F), 具體位置在 118°～121°E 與 16°～19°N 之間,為冬季上升流, 從每年的10月開始, 到翌年的1月結(jié)束。根據(jù)1990年12月16～30日航次得出的溫鹽及溶氧數(shù)據(jù)顯示, 在 50 m層的水溫為 20 ℃, 鹽度為34.52, 隨著深度的增加, 在水溫為16 ℃時, 鹽度達到最大值 34.6, 在水溫為 9 ℃時鹽度達到最小值34.4。與同緯度同深度的附近太平洋水相比, 鹽度較高, 溫度偏低。在溶解氧方面, 上升流區(qū)與非上升流區(qū)差別明顯, 非上升流區(qū)溫度為 15～20℃, 溶氧濃度為200 μmol, 當溫度低于15 ℃時, 溶氧濃度迅速下降到小于100 μmol, 在上升流區(qū)海水, 溫度為20 ℃時, 從表層迅速減小到 130 μmol, 在 13～20 ℃時保持恒定的低溶氧值[7]。此上升流區(qū)在冬季存在一個次表層高葉綠素濃度區(qū), 較其他三個季節(jié)的質(zhì)量濃度升高至少0.3 mg/m3[22]。

圖1 2011年7月22日MW+IR南海海表溫度分布圖

2 南海主要上升流的成因類型

南海上升流主要成因是風驅(qū)動形成的。根據(jù)上升流離岸距離的遠近可分為沿岸風生上升流和離岸地形上升流, 此外, 夏季南海受到熱帶氣旋的影響,也會產(chǎn)生一些短期上升流, 這種上升流形成與熱帶氣旋途經(jīng)路徑的地形有關(guān)。

2.1 沿岸風生上升流

當盛行風與海岸線平行, 側(cè)向的 Ekman輸送導(dǎo)致表層水體離岸運動, 推動近岸表層水離岸外流,因此產(chǎn)生中、深層水向上的補償運動, 這時下層水體上升補償上層海水的輻散, 從而在近岸海域形成上升流。夏季西南季風對整個南海的海洋生態(tài)系統(tǒng)有重要的影響[23-24], 粵東沿岸上升流、瓊東沿岸上升流、南海中西部上升流均為風生上升流[6]。

另一類風生上升流推動機制為氣旋式風應(yīng)力渦(北半球), 其作用機制是通過誘生氣旋式渦旋, 海水在渦旋中心流向四周, 從而在中心附近產(chǎn)生中、深層水向上的補償運動。雷州半島東部上升流即粵西沿岸上升流可能是由氣旋式風應(yīng)力渦形成[25]。

呂宋島西北部上升流的驅(qū)動機制包括風力驅(qū)動和巨大的海盆流域支流驅(qū)動[7], 即通過表層離岸Ekman輸運以及從底層向北方的暗流來維持狀態(tài)。但也有學者持不同觀點, 認為風應(yīng)力旋度是產(chǎn)生呂宋島上升流的主要推動力[26]。因此, 其具體的形成機制還需進一步研究。

2.2 離岸地形上升流

離岸地形上升流出現(xiàn)位置相對固定, 主要成因為地形和海流共同作用, 它的推動因素相對穩(wěn)定,因此該類上升流每年出現(xiàn)的位置也較風生類固定。對于流況穩(wěn)定的海流而言, 海底坡度的大小決定了該類上升流強弱和出現(xiàn)范圍。坡度大(小), 則上升流強(弱), 但出現(xiàn)范圍小(大)。上升流流速最大位置出現(xiàn)在海底坡度最大處。盛行風對此類上升流的形成也有影響, 有利風向可以加強海水涌升, 不利風向產(chǎn)生近岸水體堆積則阻礙了涌升水向上運動。

臺灣淺灘上升流由底層海流沿著陡坡朝臺灣淺灘爬升和風的作用, 以及海流(包括潮流)繞臺灣淺灘流動而誘發(fā)形成。據(jù)資料反映, 臺灣淺灘以南海域底層終年有一支流況穩(wěn)定, 由西南向東北方向流動的海流, 該海流與海底等深線之間存在著一定交角,這有利于深層海水沿陸架陡坡爬升, 同時臺灣淺灘外海底層水向海岸流動, 海底深度迅速變淺, 海水爬坡涌升的作用, 也增加了臺灣淺灘上升流的強度。

2.3 臺風驅(qū)動上升流

臺風是一個逆時針旋轉(zhuǎn)的巨大風場, 在大風夾卷作用下, 混合層深度加深, 在 Ekman作用下,海水從下層輻聚上升, 在上層輻散流出, 中間有一個無輻散的過渡深度, 臺風誘導(dǎo)的上升流強迫表層海水重新分布, 使得海表溫度下降[27]。在臺風路徑附近, 通?？梢杂^測到臺風驅(qū)動的短期上升流現(xiàn)象[28-29]。

3 南海上升流區(qū)葉綠素a變化特征

葉綠素 a是海洋浮游植物的主要色素, 其濃度反映了海域初級生產(chǎn)者的現(xiàn)存生物量。海洋中營養(yǎng)鹽的補充途徑有陸地徑流、上升流、大氣沉降和海流。上升流能將富含營養(yǎng)鹽的深層水帶到表層, 使上升流區(qū)成為海洋中生產(chǎn)力最高的區(qū)域之一[30]。不同區(qū)域的上升流在形成時, 葉綠素 a質(zhì)量濃度增加的幅度有所不同, 如臺灣淺灘上升流, 在非上升流期間, 葉綠素a質(zhì)量濃度變化在 0～1.0 mg/m3, 而在上升流期間, 濃度增加了 100%, 瓊東上升流增加幅度為 150%, 呂宋島上升流區(qū)增加幅度為 200%, 南海中西部上升流區(qū)最大增幅可達400%, 上升流前后期間均有變化(見表 1)。此外, 如果風力比較弱, 上升流的營養(yǎng)物質(zhì)只能到達次表層, 形成次表層高葉綠素 a區(qū)[31]。

不同類型的上升流區(qū), 葉綠素 a的空間分布特征有所不同。通過現(xiàn)場調(diào)查海壇島(119°50′～120°20′E、25°20′～25°40′N)夏季上升流的理化特性時發(fā)現(xiàn), 在垂直方向上, 葉綠素a分布分為弱變型、弱雙峰型和單峰型, 其中單峰型的峰值出現(xiàn)在20～30 m水層, 弱雙峰型兩個峰值分別出現(xiàn)在10 m和30 m水層?？傮w呈現(xiàn)出近岸高、外海低, 表層高、底層低的特征。沿岸上升流呈現(xiàn)近岸高、外海低的特征[32], 這是由于近岸受人為活動影響較大, 工業(yè)排放富營養(yǎng)物質(zhì)是浮游植物生長的極好原料, 其次從河流帶來的營養(yǎng)鹽物質(zhì)也將促進浮游植物的生長, 同時上升流將底層營養(yǎng)鹽帶到上層, 也為浮游植物的生長提供保障。離岸地形上升流以臺灣淺灘上升流為例, 葉綠素 a濃度分布呈現(xiàn)以上升流中心向邊緣減少[13]。上升流通常將底層營養(yǎng)鹽帶到次表層及表層, 所以上升流強度是影響葉綠素a分布范圍的因素。

表1 上升流前后葉綠素a濃度對比

圖2 上升流漁場形成機制圖

圖3 瓊海沿岸492漁區(qū)逐季度漁獲量變化

濁度是上升流初期限制浮游植物生長的主要因子[32], 不同溫度、營養(yǎng)鹽濃度、光照條件也會對上升流初期浮游植物的生長產(chǎn)生影響。浮游植物生長過程中, 水體混合程度、浮游動物攝食和浮游植物死亡沉降也會對葉綠素濃度產(chǎn)生影響。

4 南海上升流與漁場的關(guān)系

上升流是世界海洋最肥沃的海域之一, 雖然其面積僅占海洋總面積的1‰, 但漁獲量卻約占世界海洋總漁獲量 50%[35]。近岸上升流區(qū)營養(yǎng)鹽注入主要為 Ekman抽吸, 此外還可能包括陸地徑流、大氣沉降和海流攜帶, 在光合作用下, 浮游植物大量生長,浮游動物量也會增加, 魚類餌料生物豐富, 為魚類聚集棲息提供保障, 形成漁場。在離岸上升流區(qū),底層冷水上升, 水溫下降, 表層鹽度增加, 營養(yǎng)鹽不斷補充, 促進了浮游植物的繁殖, 因此, 含有營養(yǎng)鹽豐富的底層水上升多的地方, 就是生產(chǎn)力高的場所, 進而形成良好漁場[36](上升流漁場形成機制見圖 2)。

歷史上, 南海北部曾有萬山、甲子、汕尾、清瀾、昌化和北部灣等傳統(tǒng)漁汛, 其中清瀾漁汛就是由于瓊東上升流形成的良好漁場。根據(jù)南海水產(chǎn)公司和湛江漁業(yè)公司等單位1978年底拖網(wǎng)的漁獲量資料,瓊東上升流期間, 上升流區(qū)及其附近水域的漁獲量也較高, 夏季漁獲量高達700 g/網(wǎng), 秋季500 g/網(wǎng)(圖 3所示[2])。此外, 臺灣淺灘漁場也是一個典型的上升流漁場[37]。 上升流區(qū)的竹 筴魚、鮐魚、帶魚、藍圓 鲹、深水金線魚、魷魚等魚類的漁獲量較高[2]。

5 研究展望

5.1 上升流漁場營養(yǎng)鹽補充機制數(shù)值模擬研究

上升流漁場營養(yǎng)鹽輸入包括陸地徑流、底層卷吸、大氣沉降和海流夾帶。目前對于上升流營養(yǎng)鹽的輸入機制研究主要集中在定性方面, 定量研究很少。上升流期間, 營養(yǎng)鹽的輸入量、傳輸路徑、消耗過程等是上升流漁場評估的重要參考因素, 需要借助數(shù)值模擬方法開展相關(guān)定量研究。

5.2 臺風上升流對漁業(yè)資源分布的影響研究

南海受臺風的影響較為頻繁, 已有研究證實臺風引發(fā)的上升流將底層營養(yǎng)物質(zhì)帶到表層[38,40], 在臺風路徑附近形成具有明顯高葉綠素a特征的區(qū)域,臺風過后浮游植物短暫暴發(fā), 初級生產(chǎn)力增強[41-42],但臺風過后漁業(yè)資源的分布情況研究較少。國外研究發(fā)現(xiàn), 在一些小的河流支流中, 臺風過后魚類種群組成會發(fā)生變化, 這是由于臺風引起的環(huán)境擾動一方面導(dǎo)致魚類的逃逸或死亡, 另一方面, 隨著環(huán)境恢復(fù), 葉綠素的增高也會吸引部分魚類前來覓食[43-44]。同樣, 臺風對珊瑚礁區(qū)的魚類群落的組成結(jié)構(gòu)也有影響, 一方面破碎的珊瑚礁覆蓋了一些常住性魚種,另一方面, 一些少見魚種也會暴露出來[45-47]。我們前期的相關(guān)工作也證實, 臺風對河口區(qū)魚類種群組成結(jié)構(gòu)也存在影響[45]?？梢? 目前臺風與漁業(yè)資源的相關(guān)研究還處于對一些個別案例的分析, 缺乏系統(tǒng)的研究工作, 臺風風速、移動速度、登陸情況、降雨情況等差異會對海洋產(chǎn)生不同程度的擾動, 魚類對此的響應(yīng)機制也是不同的, 臺風過后, 漁業(yè)資源的響應(yīng)和變動機制需要開展更為深入的研究工作。

5.3 上升流漁場漁情預(yù)報技術(shù)研究

目前, 國內(nèi)對上升流的研究主要集中在理化特性方面, 與漁業(yè)資源的關(guān)聯(lián)研究較少。夏季, 南海北部近岸及南海外海的上升流對南海營養(yǎng)鹽輸入起關(guān)鍵作用, 但南海外海上升流漁場的位置、形成及消亡時間還缺乏相關(guān)的理論支撐。早在20世紀60～80年代, 海洋漁場漁情預(yù)報受到重視, 國內(nèi)一些學者進行了初步研究, 分析海洋環(huán)境要素之一的海水溫度與漁場的關(guān)系、水團與漁場的關(guān)系, 并對一些種群的短期漁情進行分析[46-48]。崔雪森等[49]利用海表溫度和金槍魚歷史捕撈產(chǎn)量資料, 成功開發(fā)了大洋金槍魚漁場的分析預(yù)報系統(tǒng), 其中金槍魚漁場綜合預(yù)報性達到 70%以上。張衡等[50]根據(jù)捕撈數(shù)據(jù)和衛(wèi)星遙感反演的海表溫度數(shù)據(jù)建立智利竹 筴魚預(yù)報系統(tǒng),此系統(tǒng)預(yù)報漁場的準確率達到 72.6%。楊勝龍等[51]根據(jù)大眼金槍魚延繩釣的數(shù)據(jù)并結(jié)合海表溫度、葉綠素 a等歷史環(huán)境數(shù)據(jù), 構(gòu)建了西北印度洋大眼金槍魚漁場預(yù)報模型, 實現(xiàn)了模塊預(yù)報西北印度洋大眼金槍魚漁場, 其模型預(yù)報精度為60.5%。此外, 上海海洋大學高峰等[52]根據(jù)在西南大西洋的魷釣統(tǒng)計數(shù)據(jù), 結(jié)合海洋環(huán)境因子, 構(gòu)建了魷魚中心漁場預(yù)報模型, 通過驗證比較, 其模型預(yù)報準確率達到68.29%。陳鋒等[53]根據(jù) 2007～2009年7～9月漁汛期間鮐魚燈光圍網(wǎng)的生產(chǎn)數(shù)據(jù), 結(jié)合水質(zhì)參數(shù)建立魚情預(yù)報模型, 其模型能夠很好地對東海鮐魚進行預(yù)測。范江濤等[54]根據(jù)生產(chǎn)數(shù)據(jù)和不同水層的水溫, 結(jié)合葉綠素 a濃度等海洋環(huán)境數(shù)據(jù), 建立太平洋長鰭金槍魚漁場預(yù)報模型, 預(yù)報準確度高達70%以上。于杰等[55]對國內(nèi)外對漁業(yè)遙感技術(shù)、漁場魚情分析現(xiàn)狀進行分析總結(jié), 對發(fā)展?jié)O業(yè)遙感提出了可行性建議。南海漁場魚情預(yù)報相對研究較少, 預(yù)報技術(shù)還不成熟； 由于南海北部陸架區(qū)漁業(yè)資源過度開發(fā), 近海漁業(yè)資源衰退, 開發(fā)南海外海漁業(yè)成為南海漁業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要途徑, 開展上升流漁場漁情預(yù)報技術(shù)研究對開發(fā)外海漁業(yè)至關(guān)重要。

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