用沿岸上升流指數(shù)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(xué) 海洋與環(huán)境學(xué)院，福建 廈門 361005；2．廈門大學(xué) 近海海洋環(huán)境科學(xué)國家重點實驗室，福建 廈門 361005）

用沿岸上升流指數(shù)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(xué) 海洋與環(huán)境學(xué)院，福建 廈門 361005；2．廈門大學(xué) 近海海洋環(huán)境科學(xué)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(shù)月平均數(shù)據(jù)進行分析，結(jié)論如下：(1)風生沿岸上升流主要在4-8月間發(fā)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(fā)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(xiàn)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(qū)為1年、半年和4個月。

沿岸風生上升流；沿岸上升流指數(shù)；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(fā)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(xù)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(dǎo)致岸邊海水的輻聚或輻散。在海水輻散的情況下，海水連續(xù)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(yǎng)鹽，所以上升流區(qū)通常是良好的漁場，如北美、秘魯?shù)戎难匕渡仙鲄^(qū)都是世界有名的漁場所在地[1]。因此沿岸上升流區(qū)域的研究將給漁業(yè)發(fā)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(dǎo)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(xué)者在理論分析[2]，現(xiàn)場調(diào)查、遙感觀測[3-6]和數(shù)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(chǎn)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(qū)[1]。早在20世紀60年代就有浙江沿岸夏季上升流的相關(guān)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(shù)據(jù)[13]。本文將用沿岸上升流指數(shù)（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(shù)對上升流進行了諸多研究。Bakun（1973）[14]描述了上升流指數(shù)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(shù)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(shù)據(jù)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(shù)月平均值和日平均值總結(jié)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(shù)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(nèi)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(shù)。它以海平面氣壓為初始資料，通過計算地轉(zhuǎn)風、風應(yīng)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(shù)（CUI）。

1 方法介紹

本節(jié)將具體介紹上升流指數(shù)的計算過程及公式。

上升流指數(shù)是基于Ekman理論發(fā)展而來的。Ekman理論假設(shè)：在恒定狀態(tài)下，均勻、一致的風持續(xù)作用在海面上時，作用于海流上的科氏加速度與風應(yīng)力分量達到平衡，這時海表將產(chǎn)生穩(wěn)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(xù)性作用下將向上涌升而形成上升流。這里離岸水體運輸?shù)纳疃榷x為上埃克曼層，一般是50～100 m[15]。300 m深處可以觀測到溫度、鹽度、營養(yǎng)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(shù)據(jù)來自Fleet Numerical Meteorology and Oceanography Center（FNMOC）。最初，F(xiàn)NMOC提供的是疊加在北半球極正射投影圖上的格點數(shù)據(jù)，網(wǎng)格為正方形，點數(shù)63×63。網(wǎng)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(jīng)過改進，F(xiàn)NMOC提供的是應(yīng)用全球球形投影得到的分辨率為2.5°×2.5°的格點數(shù)據(jù)，網(wǎng)格點數(shù)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(shù)據(jù)差值為3°×3°的海平面氣壓場格點數(shù)據(jù)，用來作為初始資料。自1996年11月，海平面氣壓場數(shù)據(jù)分辨率更新為1°×1°，計算時仍需先差值為3°×3°的格點數(shù)據(jù)。FNMOC提供的每6 h一次的海平面氣壓場數(shù)據(jù)，現(xiàn)在北美漁業(yè)環(huán)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(shù)據(jù)。本文計算月平均CUI數(shù)據(jù)的初始資料是從1°×1°月平均海平面氣壓場格點數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)求海平面氣壓（P）的一階導(dǎo)數(shù)：

式中λ和φ分別是北向、東向角坐標，h是網(wǎng)孔長度。

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

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

由經(jīng)典平方律公式，用地轉(zhuǎn)風計算得到海平面風應(yīng)力為：

式中→是風應(yīng)力矢量，ρ是大氣密度，C是

ad經(jīng)驗拖曳系數(shù)，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(chǎn)生，相反，如果得到的是負的離岸運輸量，則表示產(chǎn)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(shù)月平均值，站點位置見圖1。數(shù)據(jù)計算自PFEL，得到的月平均CUI通過3σ法則及插值進行數(shù)據(jù)質(zhì)控。

圖 1 站點位置Fig.1 Position of stations

3 結(jié)果分析

3.1 沿岸上升流指數(shù)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(shù)多年月平均值(沿岸上升流指數(shù) /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(xiàn)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(dǎo)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(wèi)星及時監(jiān)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(xiàn)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(qū)，且低溫區(qū)域的溫度均比周圍海域低1～2℃。

就產(chǎn)生機制而言，季風是導(dǎo)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(huán)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(zhuǎn)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(zhuǎn)換，10月東南沿岸地區(qū)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(zhuǎn)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(dǎo)致沿岸風生上升流的形成。

3.2 頻率統(tǒng)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(shù)進行分頻統(tǒng)計。

本文將上升流指數(shù)按數(shù)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(yīng)下降流，等級越高，下降流強度越小；6－10對應(yīng)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(shù)進行分頻統(tǒng)計，得到結(jié)果如圖5所示。

圖5表明：4、5月，分頻統(tǒng)計的頻率最大值在第5個等級；6－8月，分頻統(tǒng)計的頻率最大值在第6個等級，這一等級沿岸上升流指數(shù)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(fā)的情況，可見夏季，中國東南沿岸風生上升流的強度在多數(shù)情況下處于較弱的狀態(tài)。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(tǒng)計結(jié)果在這4個等級中數(shù)值較大，可見，較強的風生沿岸上升流最常發(fā)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(chǎn)生機制有關(guān)，強度小的風生上升流在持續(xù)的、相對較小的沿岸風狀況下即可發(fā)生，而較強的風生上升流需要持續(xù)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(chǎn)生，并作用于中國東南沿岸地區(qū)。

中國東南沿海受季風控制。4－5月季風逐漸轉(zhuǎn)向[17]，東南沿海即使有風生上升流產(chǎn)生，頻率也很低。當夏季到來，為風生上升流的形成創(chuàng)造了條件，沿岸上升流的發(fā)生頻率逐漸升高，并在6-7月份達到發(fā)生頻率的峰值。之后頻率降低，呈現(xiàn)出典型的夏季峰值結(jié)構(gòu)。圖6是上升流指數(shù)累積頻率圖，例如第5個等級對應(yīng)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(yīng)的累積頻率，即為存在沿岸上升流的頻率?？梢钥吹剑?－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(fā)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(chǎn)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(fā)生。根據(jù)以上所述，繪制夏季沿岸上升流發(fā)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(shù)分別做如上相同等級劃分的頻率統(tǒng)計，得到各站點頻率最大值對應(yīng)的等級，以及6－10等級頻率最大值對應(yīng)的站點，如圖8所示。

各站點發(fā)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(yīng)第7等級，4、10、16、17#站對應(yīng)第6等級，結(jié)合站點圖可知，海南島東部最常發(fā)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(nèi)，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(jié)結(jié)論相符。

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

夏季風是導(dǎo)致中國東南沿海風生上升流發(fā)生的根本原因，趙喜喜等[17]指出夏季風向冬季風轉(zhuǎn)換比冬季風向夏季風轉(zhuǎn)換得更快，由此，可以得出，冬季風向夏季風轉(zhuǎn)換期間風生沿岸上升流從沒有或偶有發(fā)生，到頻繁發(fā)生的這個“成長期”要比“衰減期”長，“衰減期”對應(yīng)夏季風向冬季風轉(zhuǎn)換期間上升流從頻繁發(fā)生到?jīng)]有的這個過渡過程。由于沿岸上升流指數(shù)大于0，即有風生沿岸上升流出現(xiàn)，我們計算并統(tǒng)計所有站點40年里各月上升流指數(shù)大于0的頻率，作為風生沿岸上升流的出現(xiàn)頻率。其中2#、16#站的統(tǒng)計結(jié)果如表2所示?？梢钥吹剑?#站自3月開始有風生沿岸上升流出現(xiàn)，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(xiàn)，同2#站類似，出現(xiàn)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。可明顯看到，風生沿岸上升流從出現(xiàn)到頻繁發(fā)生歷時緩慢，大概要3～4個月，而從頻繁發(fā)生到消失只在1～2個月內(nèi)。兩站比較來看，16#站比2#站風生沿岸上升流早出現(xiàn)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(zhuǎn)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(shù)頻率統(tǒng)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(shù)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(fā)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(tǒng)計的CUI取值范圍（沿岸上升流指數(shù) /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(fā)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(xiàn)頻率統(tǒng)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(shù)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(shù)有逐年變大的趨勢；另一類如圖9b，沿岸上升流指數(shù)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(shù)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(shù)有逐年變小的趨勢。

圖 9 沿岸上升流指數(shù)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(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)做頻譜分析及周期顯著性分析，得到沿岸上升流指數(shù)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(shù)據(jù)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(tǒng)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(jié)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(xiàn)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(xiàn)象，閩中地區(qū)更像是個過渡區(qū)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(shù)據(jù)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(jié) 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(fā)生在夏半年，主要發(fā)生在海南島東部、雷州半島東部、汕頭以北至浙江沿岸地區(qū)，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(shù)情況下處于較弱的狀態(tài)，較大強度的上升流發(fā)生在6－8月；

③較強的風生沿岸上升流常出現(xiàn)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(xiàn)，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(qū)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(xué)習(xí)內(nèi)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(xué)基金項目（40821063，40976013，40576015）；國家“973計劃”項目（2009CB421208）；教育部留學(xué)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(xué)研究。電子郵箱：miao.0817@163.com。

胡建宇，教授。電子郵箱：hujy@xmu.edu.cn。