用沿岸上升流指數分析中國東南沿岸風生上升流的特征

苗馨，胡建宇,2

（1．廈門大學 海洋與環境學院，福建 廈門 361005；2．廈門大學 近海海洋環境科學國家重點實驗室，福建 廈門 361005）

用沿岸上升流指數分析中國東南沿岸風生上升流的特征

苗馨1，胡建宇1,2

（1．廈門大學 海洋與環境學院，福建 廈門 361005；2．廈門大學 近海海洋環境科學國家重點實驗室，福建 廈門 361005）

對1968年1月到2007年12月中國東南沿海（17°N～30°N，109°E～123°E）上升流指數月平均數據進行分析，結論如下：(1)風生沿岸上升流主要在4-8月間發生于海南島東部、雷州半島東部、汕頭以北至浙江沿岸。(2)風生沿岸上升流的強度具有時空分布變化特征，其中海南島東部沿岸上升流最強，浙江沿岸其次；整個中國東南沿岸強度較大的風生上升流發生在6-8月。(3)風生上升流的“成長期”長于“衰減期”；與海南島東部相比，浙江沿岸風生上升流出現早，消失早。(4)海南島東部、汕頭、閩南及浙江沿岸風生上升流有逐年增大的趨勢。(5)閩中以南風生上升流的顯著周期為1年和半年，閩中以北為1年和4個月，過渡的閩中地區為1年、半年和4個月。

沿岸風生上升流；沿岸上升流指數；變化特征；中國東南沿岸

上升流是海水從深層向上涌升的過程，其中沿岸上升流是最為常見的一類。引發沿岸上升流的原因有很多，主要有風、地形、潮汐及多種因素綜合作用等。本文重點討論風生沿岸上升流。當與岸線成一定角度的風持續作用于海岸時，由Ekman無限深海風海流的體積運輸可知，與岸線平行的分量必然導致岸邊海水的輻聚或輻散。在海水輻散的情況下，海水連續性會使下層海水涌升，從而形成沿岸上升流。向上涌升的深層海水為海洋表層的浮游生物帶來了豐富的營養鹽，所以上升流區通常是良好的漁場，如北美、秘魯等著名的沿岸上升流區都是世界有名的漁場所在地[1]。因此沿岸上升流區域的研究將給漁業發展帶來重要影響。中國東南沿岸受東亞季風控制，夏半年盛行西南季風，風海流的體積輸運使表層海水離岸而去，導致下層海水向上涌升，從而形成沿岸上升流。

迄今為止，針對中國沿岸上升流的問題，許多學者在理論分析[2]，現場調查、遙感觀測[3-6]和數值計算、模擬[7-11]等方面進行了研究。普遍認為中國東南沿岸在夏季有上升流產生，且南海北部，海南島東北和福建、廣東沿岸海域為上升流中心區[1]。早在20世紀60年代就有浙江沿岸夏季上升流的相關研究報道[12]。

過去的文獻中溫度、鹽度、葉綠素、溶解氧等常作為上升流的一種指示性數據[13]。本文將用沿岸上升流指數（CUI，Coastal Upwelling Index）作為指示因子來分析中國東南沿岸風生上升流的時空分布特征。國外自20世紀以來利用上升流指數對上升流進行了諸多研究。Bakun（1973）[14]描述了上升流指數的計算方法，并給出了北美15個站點1946－1971年沿岸上升流指數月平均值、季平均值和年平均值等特征。其后在日平均值、周平均值以及每6 h數據等特征方面也進行了大量研究。Schwing等（1996）[15]用1967－1991年沿岸上升流指數月平均值和日平均值總結了北美西海岸風生上升流特征。Norton等（2001）[16]用1981－2000年沿岸上升流指數月平均值分析了南美西海岸風生上升流的特征。但是，用CUI研究中國海沿岸上升流在國內尚未見報道。

CUI是表征沿岸風生上升流是否存在以及存在強弱的一個參數。它以海平面氣壓為初始資料，通過計算地轉風、風應力，最后得到垂直于海岸每百米岸線的Ekman輸送值，記為沿岸上升流指數（CUI）。

1 方法介紹

本節將具體介紹上升流指數的計算過程及公式。

上升流指數是基于Ekman理論發展而來的。Ekman理論假設：在恒定狀態下，均勻、一致的風持續作用在海面上時，作用于海流上的科氏加速度與風應力分量達到平衡，這時海表將產生穩定的水體運輸。北（南）半球水體運輸方向與風矢量垂直，且指向右（左）方。深層海水在海水連續性作用下將向上涌升而形成上升流。這里離岸水體運輸的深度定義為上?？寺鼘?，一般是50～100 m[15]。300 m深處可以觀測到溫度、鹽度、營養鹽、密度等值線的涌升，但是這些深層水很少到達透光層。

計算CUI的全球海平面氣壓場數據來自Fleet Numerical Meteorology and Oceanography Center（FNMOC）。最初，FNMOC提供的是疊加在北半球極正射投影圖上的格點數據，網格為正方形，點數63×63。網孔長度自高緯向低緯遞減，在60°N時為370 km，到20°N約為267 km。之后，經過改進，FNMOC提供的是應用全球球形投影得到的分辨率為2.5°×2.5°的格點數據，網格點數73×144。計算CUI時，用球坐標系下貝塞爾16點中心差分公式，將2.5°×2.5°的數據差值為3°×3°的海平面氣壓場格點數據，用來作為初始資料。自1996年11月，海平面氣壓場數據分辨率更新為1°×1°，計算時仍需先差值為3°×3°的格點數據。FNMOC提供的每6 h一次的海平面氣壓場數據，現在北美漁業環境資源實驗室（PFEL）通過計算提供每6 h、日平均和月平均CUI數據。本文計算月平均CUI數據的初始資料是從1°×1°月平均海平面氣壓場格點數據差值得到的3°×3°月平均資料。下面進一步說明CUI的計算公式。

用相鄰格點數據求海平面氣壓（P）的一階導數：

式中λ和φ分別是北向、東向角坐標，h是網孔長度。

式中f是科氏參數，ρa是大氣密度（假設為常數1.22 kg/m3），R是地球平均半徑（6 371.2 km）。

假設不考慮摩擦，地轉風平行于局部等壓線。在北半球，低壓在地轉風左面。如果考慮摩擦，摩擦作用將使得海平面地轉風風向左偏15°，風速減少30%。

由經典平方律公式，用地轉風計算得到海平面風應力為：

式中→是風應力矢量，ρ是大氣密度，C是

ad經驗拖曳系數，是估算得到的風矢量。在計算月平均CUI時

式中x是垂直于局部海岸方向，y為平行于局部海岸方向,ρ為海水密度。有正的離岸運輸量，也就表明有上升流產生，相反，如果得到的是負的離岸運輸量，則表示產生的是下降流。CUI的單位是m3/s/100 m。

2 資料來源

本文計算了中國東南沿海17個站點40年（1968年1月－2007年12月）的沿岸上升流指數月平均值，站點位置見圖1。數據計算自PFEL，得到的月平均CUI通過3σ法則及插值進行數據質控。

圖 1 站點位置Fig.1 Position of stations

3 結果分析

3.1 沿岸上升流指數多年月平均值

圖2是17個站點1－12月CUI的多年月平均值，其中粗線是0值線。CUI大于0即可認為該站點附近存在沿岸風生上升流。

圖 2 沿岸上升流指數多年月平均值(沿岸上升流指數 /m3﹒s-1﹒(100 m)-1)Fig.2 Temporal and spatial distribution of monthly mean Coastal Upwelling Index (CUI /m3﹒s-1﹒(100 m)-1)

由圖2可以看出，除6－9#站點外，各站點均有風生沿岸上升流存在，這與以前的研究相符合[1,10-12]。沿岸上升流出現在4－8月，其中7月份2#的沿岸風生上升流最強。同時，在夏季，1－4#的沿岸風生上升流強于10－17#，即雷州半島和海南島東部的上升流強于汕頭以北至浙江沿岸。

通過海表溫度遙感圖像也可了解中國東南沿岸上升流的分布情況。如圖3的SST圖像（資料來源：http://reason.gsfc.nasa.gov/Giovanni/）所示，太陽輻射強度的緯度差異導致南部SST高于北部。由于白天太陽輻射強，涌升到表層的低溫水很可能被加熱而不能被遙感衛星及時監測到，所以本文選取了夜間的海表溫度。從圖3中可以看到，上升流在中國東南沿海廣泛分布，表現在海南島、雷州半島東部、粵東、福建、浙江沿岸均有明顯的沿岸低溫區，且低溫區域的溫度均比周圍海域低1～2℃。

就產生機制而言，季風是導致風生沿岸上升流的根本原因。中國東南沿岸地處亞洲東部，冬季盛行東北季風，夏季盛行西南季風，冬季風強于夏季風，且兩支季風環流的過渡時間較短。一般來說，11月至次年3月為冬季風，東海盛行北到東北風，南海盛行東北風；4到5月，冬季風向夏季風轉換；6到8月為夏季風，東海盛行南到東南風，南海盛行西南風；9月夏季風迅速向冬季風轉換，10月東南沿岸地區已受冬季風控制[17]。

圖 3 2007年6-7月的平均海表溫度（溫度 /℃）Fig.3 Mean sea surface temperature from June to July, 2007 (Temperature /℃)

圖4是2007年中國東南海域風場月平均值的矢量圖。5月，風向由偏北風轉為偏南風，6－8月中國東南沿海一直受偏南風控制，與岸線平行的分量導致沿岸風生上升流的形成。

3.2 頻率統計

為研究風生沿岸上升流強度的時空分布特征，對上升流指數進行分頻統計。

本文將上升流指數按數值大?。磸姸龋┓譃?0個等級，具體取值范圍如表1所示。1－5對應下降流，等級越高，下降流強度越??；6－10對應上升流，等級越高，上升流強度越大。

按照這個等級劃分，對4－8月各月所有站點的沿岸上升流指數進行分頻統計，得到結果如圖5所示。

圖5表明：4、5月，分頻統計的頻率最大值在第5個等級；6－8月，分頻統計的頻率最大值在第6個等級，這一等級沿岸上升流指數的范圍是0～37.5 m3/s/100 m，是5個上升流強度等級中最小的一個，而這一強度是沿岸上升流最多發的情況，可見夏季，中國東南沿岸風生上升流的強度在多數情況下處于較弱的狀態。7－10等級中5個月的頻率都是7月最大，且這四個等級中4、5月的頻率值極小，6－8月的分頻統計結果在這4個等級中數值較大，可見，較強的風生沿岸上升流最常發生在7月，其次是6或8月。

另外，由圖5還可以看出，4－8月風生沿岸上升流（第6－10等級）的強度隨等級的增大而減小。這與其產生機制有關，強度小的風生上升流在持續的、相對較小的沿岸風狀況下即可發生，而較強的風生上升流需要持續的、風速較大的沿岸風，因此相對來說，較小風速的沿岸風會比大風速的沿岸風更容易產生，并作用于中國東南沿岸地區。

中國東南沿海受季風控制。4－5月季風逐漸轉向[17]，東南沿海即使有風生上升流產生，頻率也很低。當夏季到來，為風生上升流的形成創造了條件，沿岸上升流的發生頻率逐漸升高，并在6-7月份達到發生頻率的峰值。之后頻率降低，呈現出典型的夏季峰值結構。圖6是上升流指數累積頻率圖，例如第5個等級對應的累積頻率，是指中國東南沿岸當月沒有沿岸上升流的頻率，用1（100%）減去第5等級對應的累積頻率，即為存在沿岸上升流的頻率?？梢钥吹?，4－5月的CUI累積頻率在第5等級的值都超過了0.6，上升流時有發生但是頻率偏?。▋蓚€月平均約為25%）；而在6－7月份CUI累積頻率在第5等級只有0.3，這2個月平均有70%的情況下都有風生沿岸上升流產生；8月CUI累積頻率在第5等級減小到0.56，即約44%的情況下有風生沿岸上升流發生。根據以上所述，繪制夏季沿岸上升流發生頻率峰值的變化曲線，如圖7所示。

對各個站點上升流指數分別做如上相同等級劃分的頻率統計，得到各站點頻率最大值對應的等級，以及6－10等級頻率最大值對應的站點，如圖8所示。

各站點發生風生沿岸上升流的頻率最大值集中在5－7等級上。1－3#的頻率最大值對應第7等級，4、10、16、17#站對應第6等級，結合站點圖可知，海南島東部最常發生的風生沿岸上升流強于雷州半島東部、汕頭附近和浙江沿岸。如圖2所示，4#站點CUI最大值在20～40 m3/s/100 m，15-17#站點CUI也在這個強度范圍內，可知，雷州半島與浙江沿岸的上升流強度相當，都小于海南島東部沿岸，與此節結論相符。

由6－10等級頻率最大值對應的站點可知，較弱的上升流最常發生在浙江沿岸（第6等級），較強的上升流最常出現在海南島東部（7－9等級），最強的上升流最多出現在海南島正東（第10等級）。

夏季風是導致中國東南沿海風生上升流發生的根本原因，趙喜喜等[17]指出夏季風向冬季風轉換比冬季風向夏季風轉換得更快，由此，可以得出，冬季風向夏季風轉換期間風生沿岸上升流從沒有或偶有發生，到頻繁發生的這個“成長期”要比“衰減期”長，“衰減期”對應夏季風向冬季風轉換期間上升流從頻繁發生到沒有的這個過渡過程。由于沿岸上升流指數大于0，即有風生沿岸上升流出現，我們計算并統計所有站點40年里各月上升流指數大于0的頻率，作為風生沿岸上升流的出現頻率。其中2#、16#站的統計結果如表2所示?？梢钥吹?，2#站自3月開始有風生沿岸上升流出現，且頻率自3月起逐月增加，7月達到最大值，而后減少，10月消失；而16#站自2月就偶有上升流出現，同2#站類似，出現頻率逐月增加到7月最大，但之后頻率急劇減少，9月即為0?？擅黠@看到，風生沿岸上升流從出現到頻繁發生歷時緩慢，大概要3～4個月，而從頻繁發生到消失只在1～2個月內。兩站比較來看，16#站比2#站風生沿岸上升流早出現1個月，也早消失1個月。這是由緯度差異造成的，夏季風向冬季風轉換時，是由北向南逐漸推進的[17]。

圖 4 2007年中國東南海域風場月平均值矢量圖 （風速 /m﹒s-1）Fig.4 Monthly mean sea surface wind in the South China Sea and the East China Sea in 2007 (Wind speed /m﹒s-1)

圖 5 4-8月中國東南沿海沿岸上升流指數頻率統計Fig.5 Frequency statistics of CUI off SE China coast from April to August

圖 6 4-8月中國東南沿海沿岸上升流指數累積頻率Fig.6 Cumulative frequency of CUI off SE China coast from April to August

圖 7 夏季沿岸上升流發生頻率峰值變化曲線示意圖Fig.7 The variation of coastal upwelling frequency in summer

表 1 分頻統計的CUI取值范圍（沿岸上升流指數 /m3﹒s-1﹒(100 m)-1）Tab.1 The range of CUI values for frequency statistics（CUI /m3﹒s-1﹒(100 m)-1）

圖 8 發生上升流的頻率最大值Fig.8 Maximum frequency of the wind-driven coastal upwelling occurrence

表 2 中國東南沿岸風生上升流出現頻率統計(頻率 /%)Tab.2 Frequency statistics of wind-driven coastal upwelling off SE China coast (Frequency /%)

3.3 趨勢分析

計算17個站點沿岸上升流指數40年的夏季平均值（6、7、8月），并做線性趨勢線，以1#、6#站為例，其趨勢變化有兩種：一類如圖9a所示，沿岸上升流指數有逐年變大的趨勢；另一類如圖9b，沿岸上升流指數逐年減小。

再計算各站CUI線性趨勢線的斜率，如表3所列，斜率大于0，表示該站沿岸上升流指數逐年增大，風生沿岸上升流強度有逐年變大的趨勢，這些地方是海南島東部，汕頭、閩南及浙江沿岸附近；相對而言，其它地方的沿岸上升流指數有逐年變小的趨勢。

圖 9 沿岸上升流指數的趨勢變化（a.1#, b.6#）Fig. 9 Variation trend of CUI （a.1#, b.6#）

表 3 線性趨勢線的斜率Tab.3 Trend line slope

3.4 周期分析

本文計算得到的CUI是以時間為序列的數據，對數據做頻譜分析及周期顯著性分析，得到沿岸上升流指數的標準功率譜圖及其95%的置信曲線。從標準功率譜圖上的顯著值可得到風生沿岸上升流的主要周期。做17個站點40年數據的標準化功率譜及周期置信曲線圖，計算每個站點的主要周期。統計如表4所示。

選取有代表性的8#、12#和16#站，其標準功率譜圖如圖10所示。CUI沒有顯著長周期，標準功率譜圖截取前20個月。圖10中8#站的圖代表了沿岸風生上升流有6個月和12個月兩個顯著周期的情況；12#站的標準功率譜圖代表風生上升流有三個顯著周期時的情況；而16#站則代表了沿岸風生上升流有4個月和12個月兩個顯著周期的情況。結合圖1可以知道，閩中以南沿岸的風生上升流存在一年及半年的周期現象，而閩中以北沿岸和浙江沿岸風生上升流則有4個月和1年的顯著周期現象，閩中地區更像是個過渡區域，除了1年的最顯著周期，4個月和6個月的短周期都存在。

雖然標準功率譜圖只給出了如上所述的顯著周期，但是在6－9年的長周期處，個別站點的標準功率譜圖也有一定峰值，但都處于95%的置信曲線下。這可能是12個月的顯著周期峰值過大，影響了置信曲線對小峰值的判斷。究竟長周期存在與否，需要更多數據進行更進一步的討論研究。

表 4 風生沿岸上升流的顯著周期Tab.4 Significant periods of wind-driven coastal upwelling

4 結 論

綜上所述，中國東南沿海的風生沿岸上升流具有如下特征：

①風生沿岸上升流發生在夏半年，主要發生在海南島東部、雷州半島東部、汕頭以北至浙江沿岸地區，海南島東部沿岸的風生上升流強于浙江沿岸；

②整個中國東南沿岸的風生上升流在多數情況下處于較弱的狀態，較大強度的上升流發生在6－8月；

③較強的風生沿岸上升流常出現海南島東部，最強處位于海南島以東；

④風生沿岸上升流的“成長期”長于“衰減期”，且浙江沿岸上升流比海南島東部沿岸早出現，早消失；

⑤海南島東部、汕頭、閩南及浙江沿岸風生上升流有逐年增大的趨勢；

⑥閩中以南的中國東南沿岸，風生上升流有兩個顯著周期：1年和半年；浙江沿岸及閩中以北的福建沿岸，風生上升流的顯著周期為1年和4個月，過渡的閩中地區存在3個顯著周期，1年、半年和4個月。

圖 10 CUI時間序列圖和標準化功率譜圖（右圖中的弧線為95%置信曲線）Fig.10 CUI time series and normalized power spectrum (The 95% confidence line is shown in right panels)

致謝：美國PFEL提供了豐富的資料和學習內容，在此表示感謝。

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Analysis on characteristics of wind-driven coastal upwelling off the southeastern China coast using coastal upwelling index

MIAO Xin1, HU Jian-yu1,2

(1.College of Oceanography and Environmental Science, Xiamen University, Xiamen 361005, Fujian, China; 2.State Key Laboratory of Marine Environmental Science, Xiamen University, Xiamen 361005, Fujian, China)

In this paper, the characteristics of wind-driven coastal upwelling off the southeastern China coast are analyzed using CUI (Coastal Upwelling Index).The following results are obtained: (1) There exists wind-driven coastal upwelling in summer off the eastern Hainan Island and the Leizhou Peninsula, and from Shantou to Zhejiang.(2) The wind-driven coastal upwelling of the eastern Hainan Island is stronger than that of the others; and the upwelling is stronger during June to August.(3) Wind-driven coastal upwelling off Zhejiang appears earlier than that off the eastern Hainan Island.(4) Wind-driven coastal upwelling off the eastern Hainan Island, Shantou and Zhejiang has a trend of intensification.(5) The wind-driven coastal upwelling off the central and southern Fujian coast as well as Guangdong and eastern Hainan Island coast has two significant periods (one year and half a year); the upwelling has two periods (one year and four months) off the northern Fujian coast and Zhejiang coast; and the upwelling off central Fujian coast has three periods (one year, half a year and 4 months).

wind-driven coastal upwelling; coastal Upwelling Index; variation characteristics; SE China coast

P731.21

A

1001-6932(2011)03-0258-08

2009-10-09；收修改稿日期：2011-03-01

國家自然科學基金項目（40821063，40976013，40576015）；國家“973計劃”項目（2009CB421208）；教育部留學回國人員科研啟動基金。

苗馨( 1985－ )，女，碩士生，主要從事物理海洋學研究。電子郵箱：miao.0817@163.com。

胡建宇，教授。電子郵箱：hujy@xmu.edu.cn。