南海主要上升流及其與漁場的關系

王新星 , 于 杰, 李永振, 陳國寶, 黃妙芬

(1. 大連海洋大學 海洋科技與環境學院, 遼寧 大連 116023； 2. 中國水產科學研究院南海水產研究所, 農業部南海漁業資源環境科學觀測實驗站, 廣東 廣州 510300； 3. 農業部南海區漁政局, 廣東 廣州 510080 )

南海是我國的重要漁業產區, 目前我國每年在這一海區的捕撈產量大約 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良漁場, 這些漁場往往與上升流存在著密切關系。上升流是一種海水垂直向上的運動現象, 通常因表層水體輻散所致, 是海洋環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鹽帶到表層, 為浮游植物的生長提供物質基礎, 進而為浮游動物、魚類、蝦類等生物提供生存條件, 其對海洋資源開發和利用, 特別是對漁業生產具有重要意義[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、海南島東部、汕頭沿岸地區[4-5]。我國學者也早在1964年發現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,我國學者又陸續發現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]發現。

目前, 有關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, 而在營養鹽分布特征、上升流與漁業生產的關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。全面系統地了解南海主要上升流的空間分布特征及環境特性, 對南海近海漁業生產及外海漁業開發具有重要指導意義, 本研究可為南海外海漁場漁情預報技術提供參考。

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,溫度數據為熱紅外與微波合成數據, 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6月份較弱, 7月份增強, 8月下旬又逐漸變弱的變動規律[10-11]。根據Shang等[12-13]的統計, 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, 中心位置會發生變動, 并形成若干個中心區[16-17]。水體理化特征表明, 與多數上升流區類似, 該上升流區具有低溫、高鹽、低氧、高磷等基本特征?；洊|上升流一般出現在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?；浳餮匕渡仙魍ǔ０l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高近 2倍； 在垂直方向上, 氧飽和度較其他季節低12%, pH值低0.02,是低溫、高鹽、低氧、低pH和高磷區[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上表現為一個整體, 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]首次發現此季節性上升流, 并指出夏季期間此區域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強風, 較強風偏轉, 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, 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生在6～9月, 8月最強。上升流期間葉綠素質量濃度平均值為 0.9 mg/m3, 其他月份葉綠素質量濃度平均值為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月結束。根據1990年12月16～30日航次得出的溫鹽及溶氧數據顯示, 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, 上升流區與非上升流區差別明顯, 非上升流區溫度為 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]。此上升流區在冬季存在一個次表層高葉綠素濃度區, 較其他三個季節的質量濃度升高至少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動形成的。根據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,也會產生一些短期上升流, 這種上升流形成與熱帶氣旋途經路徑的地形有關。

2.1 沿岸風生上升流

當盛行風與海岸線平行, 側向的 Ekman輸送導致表層水體離岸運動, 推動近岸表層水離岸外流,因此產生中、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系統有重要的影響[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力渦形成[25]。

呂宋島西北部上升流的驅動機制包括風力驅動和巨大的海盆流域支流驅動[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。但也有學者持不同觀點, 認為風應力旋度是產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定,因此該類上升流每年出現的位置也較風生類固定。對于流況穩定的海流而言, 海底坡度的大小決定了該類上升流強弱和出現范圍。坡度大(小), 則上升流強(弱), 但出現范圍小(大)。上升流流速最大位置出現在海底坡度最大處。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形成。據資料反映, 臺灣淺灘以南海域底層終年有一支流況穩定, 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 臺風驅動上升流

臺風是一個逆時針旋轉的巨大風場, 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^測到臺風驅動的短期上升流現象[28-29]。

3 南海上升流區葉綠素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者的現存生物量。海洋中營養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鹽的深層水帶到表層, 使上升流區成為海洋中生產力最高的區域之一[30]。不同區域的上升流在形成時, 葉綠素 a質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%, 呂宋島上升流區增加幅度為 200%, 南海中西部上升流區最大增幅可達400%, 上升流前后期間均有變化(見表 1)。此外, 如果風力比較弱, 上升流的營養物質只能到達次表層, 形成次表層高葉綠素 a區[31]。

不同類型的上升流區, 葉綠素 a的空間分布特征有所不同。通過現場調查海壇島(119°50′～120°20′E、25°20′～25°40′N)夏季上升流的理化特性時發現, 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在20～30 m水層, 弱雙峰型兩個峰值分別出現在10 m和30 m水層?？傮w呈現出近岸高、外海低, 表層高、底層低的特征。沿岸上升流呈現近岸高、外海低的特征[32], 這是由于近岸受人為活動影響較大, 工業排放富營養物質是浮游植物生長的極好原料, 其次從河流帶來的營養鹽物質也將促進浮游植物的生長, 同時上升流將底層營養鹽帶到上層, 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濃度分布呈現以上升流中心向邊緣減少[13]。上升流通常將底層營養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、營養鹽濃度、光照條件也會對上升流初期浮游植物的生長產生影響。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生影響。

4 南海上升流與漁場的關系

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]。近岸上升流區營養鹽注入主要為 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,底層冷水上升, 水溫下降, 表層鹽度增加, 營養鹽不斷補充, 促進了浮游植物的繁殖, 因此, 含有營養鹽豐富的底層水上升多的地方, 就是生產力高的場所, 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。根據南海水產公司和湛江漁業公司等單位1978年底拖網的漁獲量資料,瓊東上升流期間, 上升流區及其附近水域的漁獲量也較高, 夏季漁獲量高達700 g/網, 秋季500 g/網(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 上升流漁場營養鹽補充機制數值模擬研究

上升流漁場營養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, 需要借助數值模擬方法開展相關定量研究。

5.2 臺風上升流對漁業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的上升流將底層營養物質帶到表層[38,40], 在臺風路徑附近形成具有明顯高葉綠素a特征的區域,臺風過后浮游植物短暫暴發, 初級生產力增強[41-42],但臺風過后漁業資源的分布情況研究較少。國外研究發現, 在一些小的河流支流中, 臺風過后魚類種群組成會發生變化, 這是由于臺風引起的環境擾動一方面導致魚類的逃逸或死亡, 另一方面, 隨著環境恢復, 葉綠素的增高也會吸引部分魚類前來覓食[43-44]。同樣, 臺風對珊瑚礁區的魚類群落的組成結構也有影響, 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]。我們前期的相關工作也證實, 臺風對河口區魚類種群組成結構也存在影響[45]?？梢? 目前臺風與漁業資源的相關研究還處于對一些個別案例的分析, 缺乏系統的研究工作, 臺風風速、移動速度、登陸情況、降雨情況等差異會對海洋產生不同程度的擾動, 魚類對此的響應機制也是不同的, 臺風過后, 漁業資源的響應和變動機制需要開展更為深入的研究工作。

5.3 上升流漁場漁情預報技術研究

目前, 國內對上升流的研究主要集中在理化特性方面, 與漁業資源的關聯研究較少。夏季, 南海北部近岸及南海外海的上升流對南海營養鹽輸入起關鍵作用, 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的理論支撐。早在20世紀60～80年代, 海洋漁場漁情預報受到重視, 國內一些學者進行了初步研究, 分析海洋環境要素之一的海水溫度與漁場的關系、水團與漁場的關系, 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量資料, 成功開發了大洋金槍魚漁場的分析預報系統, 其中金槍魚漁場綜合預報性達到 70%以上。張衡等[50]根據捕撈數據和衛星遙感反演的海表溫度數據建立智利竹 筴魚預報系統,此系統預報漁場的準確率達到 72.6%。楊勝龍等[51]根據大眼金槍魚延繩釣的數據并結合海表溫度、葉綠素 a等歷史環境數據, 構建了西北印度洋大眼金槍魚漁場預報模型, 實現了模塊預報西北印度洋大眼金槍魚漁場, 其模型預報精度為60.5%。此外, 上海海洋大學高峰等[52]根據在西南大西洋的魷釣統計數據, 結合海洋環境因子, 構建了魷魚中心漁場預報模型, 通過驗證比較, 其模型預報準確率達到68.29%。陳鋒等[53]根據 2007～2009年7～9月漁汛期間鮐魚燈光圍網的生產數據, 結合水質參數建立魚情預報模型, 其模型能夠很好地對東海鮐魚進行預測。范江濤等[54]根據生產數據和不同水層的水溫, 結合葉綠素 a濃度等海洋環境數據, 建立太平洋長鰭金槍魚漁場預報模型, 預報準確度高達70%以上。于杰等[55]對國內外對漁業遙感技術、漁場魚情分析現狀進行分析總結, 對發展漁業遙感提出了可行性建議。南海漁場魚情預報相對研究較少, 預報技術還不成熟； 由于南海北部陸架區漁業資源過度開發, 近海漁業資源衰退, 開發南海外海漁業成為南海漁業可持續發展的重要途徑, 開展上升流漁場漁情預報技術研究對開發外海漁業至關重要。

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