根據(jù)MODIS數(shù)據(jù)研究海岸河口水域上升流現(xiàn)象

徐福敏，李 婷

(河海大學(xué)港口海岸與近海工程學(xué)院，江蘇 南京 210098)

海洋升降流研究對(duì)于氣候變化［1-2］、海洋環(huán)境、漁業(yè)養(yǎng)殖和社會(huì)經(jīng)濟(jì)均具有重大意義［3］。上升流可以把海底豐富的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)帶到海洋上層，是漁場(chǎng)形成的主要條件［4-5］。海岸河口水域上升流的產(chǎn)生、發(fā)展與風(fēng)有密切關(guān)系。筆者根據(jù)升降流理論，利用中分辨率成像光譜儀(MODIS)數(shù)據(jù)反演加拿大西北部高緯度Mackenzie河口水域海洋表面溫度;結(jié)合當(dāng)?shù)貙?shí)測(cè)風(fēng)速、風(fēng)向數(shù)據(jù)綜合分析上升流產(chǎn)生條件、發(fā)展、強(qiáng)度，以及它們隨緯度、風(fēng)向及風(fēng)速的變化關(guān)系，并分析上升流異常現(xiàn)象產(chǎn)生的原因，以期為當(dāng)?shù)厣鐓^(qū)生態(tài)、漁業(yè)和海洋環(huán)境提供科學(xué)依據(jù)。

1 MODIS數(shù)據(jù)反演處理方法

MODIS是美國(guó)國(guó)家航空航天局(NASA)新一代對(duì)地觀測(cè)系統(tǒng)(EOS)中搭載在TERRA和AQUA衛(wèi)星上的重要傳感器［6-7］，它的多波段數(shù)據(jù)可以同時(shí)提供反映地表面狀況、云邊界、云特性、海洋水色、地表溫度、云頂溫度和大氣溫度等信息。筆者基于MODIS數(shù)據(jù)(第31，32波段)，采用多通道分裂窗算法反演海洋表面溫度。原始MODIS數(shù)據(jù)(來(lái)源于NASA的MODIS網(wǎng)站)及常用的算法模式見(jiàn)文獻(xiàn)［8-10］。

2 海岸河口水域上升流原理

2.1 上升流基本理論

海岸河口水域上升流基本運(yùn)動(dòng)方程為［11］

對(duì)于與海岸成β角的直線風(fēng)系生成的上升流，邊界條件為

式中:u，v，w——垂直于岸線方向、平行于岸線方向、沿水深方向的水質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)速度;ζ——自由水位;Az，Al——垂直和水平湍流黏滯系數(shù);f——科氏力;ρ——海水密度;τx——垂直于海岸的風(fēng)應(yīng)力;τy——平行于海岸的風(fēng)應(yīng)力;L——直線風(fēng)系寬度。

設(shè)xOz平面流函數(shù)ψ(x，z)為文獻(xiàn)［11］中流函數(shù)的實(shí)部:

式中:ω——地轉(zhuǎn)角速度;φx，φy——與離岸距離、水深有關(guān)的量在x和y方向上的投影［11］;φ——地理緯度。

平面流速度為

由式(3)可知，流函數(shù)由兩部分組成，一部分由τx決定，另一部分由τy決定。對(duì)于平行于海岸的直線風(fēng)系(τx=0)，其流函數(shù)為式(3)的特殊情況。因此，非平行于海岸的直線風(fēng)系與平行于海岸的直線風(fēng)系導(dǎo)致的近岸流動(dòng)相似。

2.2 上升流現(xiàn)象與風(fēng)系及岸線交角、地理緯度的關(guān)系

對(duì)于與岸線交角為β的風(fēng)系，由式(3)可得其上升流垂直質(zhì)量運(yùn)輸為

當(dāng)φx(x，z)，φy(x，z)取最大負(fù)值時(shí)M有最大值，此時(shí)將τx=τsinβ，τy=τcosβ代入式(5)得

式中τ為風(fēng)應(yīng)力。

根據(jù)式(6)繪出M隨β的變化曲線，如圖1所示。由圖1可知，β=21.5°時(shí)上升流最強(qiáng)烈;較強(qiáng)上升流產(chǎn)生的角度區(qū)域?yàn)?°～40°;由于式(6)分母有f項(xiàng)，因此緯度越低，上升流越強(qiáng)。

3 Mackenzie河口上升流

Mackenzie河口水域位于加拿大西北部，北緯52°13'～69°09'、西經(jīng)108°11'～134°05'之間。Mackenzie河的眾多南部支流(主要有19條)向北流入Mackenzie河口，繼而向北進(jìn)入Beaufort海。Mackenzie河口靠近北極，地理位置獨(dú)特，冰期較長(zhǎng)，全年大部分時(shí)間被海冰覆蓋。每年6月初海冰開(kāi)始融化，隨溫度逐漸升高，海冰融化范圍變大，開(kāi)冰季節(jié)一般為7—11月。夏秋季Mackenzie河將南部高溫淡水(15℃以上)帶入低溫的Mackenzie河口和Beaufort海，一薄層低密度、高溫淡水像羽流一樣浮于低溫海水之上，同時(shí)向外海擴(kuò)散。此時(shí)Mackenzie河口水域海洋表面溫度普遍較高(一般高于10℃)，而低密度、高溫淡水之下卻依然是低溫海水。若該水域發(fā)生上升流，上升流會(huì)使下層低溫海水上翻，上升流產(chǎn)生水域的海洋表面溫度便會(huì)低于周圍海洋表面溫度。

圖1 β對(duì)上升流的影響Fig.1 Impact of angle between wind direction and coastline(β)on upwelling

3.1 觀測(cè)數(shù)據(jù)

本文采用數(shù)據(jù)為National Climate Data and Information Archive提供的Pelly氣象站(-135.43°W，69.62°N)的觀測(cè)風(fēng)資料，Pelly氣象站地理位置見(jiàn)圖2(a)。由風(fēng)速、風(fēng)向觀測(cè)數(shù)據(jù)可知，Mackenzie河口主要風(fēng)向?yàn)闁|南風(fēng)與西北風(fēng)，其中東南風(fēng)最常見(jiàn)(30%)，常見(jiàn)風(fēng)速為4～6 m/s，月峰值達(dá)14 m/s;西北風(fēng)發(fā)生頻率相對(duì)較小(20%～25%)，但風(fēng)速較大，常見(jiàn)風(fēng)速為6～8 m/s，月峰值達(dá)26 m/s［12-13］。本文根據(jù)2007年8—9月Mackenzie河口海洋表面溫度的MODIS數(shù)據(jù)和此期間Pelly氣象站觀測(cè)風(fēng)資料研究該河口水域上升流特征，重點(diǎn)分析上升流的產(chǎn)生條件、發(fā)展、強(qiáng)弱，以及它們隨緯度、風(fēng)向及風(fēng)速的變化關(guān)系。

3.2 結(jié)果及分析

根據(jù)預(yù)處理后的MODIS數(shù)據(jù)反演得到Mackenzie河口2007年8—9月海洋表面溫度(TSST)分布。圖2為典型日(8月22日、23日、29日和31日)Mackenzie河口海洋表面溫度分布，圖3為8月18日至9月1日Pelly氣象站觀測(cè)的風(fēng)速、風(fēng)向(風(fēng)向采用笛卡爾坐標(biāo)系，0°為西風(fēng)，逆時(shí)針旋轉(zhuǎn))。

圖2 Mackenzie河口海洋表面溫度分布Fig.2 SST distribution of Mackenzie Estuary

一般來(lái)說(shuō)，低緯度海域上升流現(xiàn)象較強(qiáng)烈，高緯度海域上升流現(xiàn)象較弱。然而圖2表明位于高緯度的Mackenzie河口夏季存在明顯、強(qiáng)烈的上升流現(xiàn)象。

圖3 2007年8月18日至9月1日(第230～244天)Pelly氣象站風(fēng)速、風(fēng)向Fig.3 Wind speed and direction at Pelly Station from August 18 to September 1，2007

圖2(a)(b)分別為第234～235天Mackenzie河口海洋表面溫度分布，可以看出在近岸處有上升流產(chǎn)生，下層低溫海水上翻造成局部海洋表面溫度降低，上升流產(chǎn)生范圍在近海水域至20 m等深線附近。圖3表明在上升流產(chǎn)生的前2 d(第232～234天)主要風(fēng)向?yàn)闁|向風(fēng)(160°～200°)，風(fēng)速約為7 m/s，風(fēng)吹刮時(shí)間長(zhǎng)于2 d。風(fēng)向在第235天時(shí)由東南轉(zhuǎn)為偏南(100°左右)。由此可見(jiàn)，東向風(fēng)長(zhǎng)時(shí)間吹刮會(huì)產(chǎn)生上升流，當(dāng)風(fēng)向偏離東風(fēng)時(shí)上升流現(xiàn)象將減弱。

圖2(c)為第241天海洋表面溫度分布，此時(shí)冷水上翻現(xiàn)象相當(dāng)明顯。圖3顯示，在此上升流現(xiàn)象產(chǎn)生之前東風(fēng)為主的風(fēng)吹刮時(shí)間長(zhǎng)于4 d，風(fēng)速較大(8 m/s左右)，風(fēng)向接近于正東風(fēng)(180°)，此時(shí)上升流范圍超過(guò)20 m等深線。風(fēng)向在第243天時(shí)已轉(zhuǎn)向西北(-20°～-60°)，風(fēng)向變化較大，風(fēng)速較小(2 m/s左右)，圖2(d)顯示此時(shí)上升流現(xiàn)象已消失。

由此可見(jiàn)，Mackenzie河口水域在東向風(fēng)長(zhǎng)時(shí)間吹刮時(shí)會(huì)產(chǎn)生上升流，正東風(fēng)時(shí)最強(qiáng)，其他風(fēng)向不能產(chǎn)生上升流。由于Mackenzie河口岸線自然角度為200°，可知Mackenzie河口160°～200°的風(fēng)向適于產(chǎn)生較強(qiáng)上升流，二者相一致。同時(shí)風(fēng)速大小也影響上升流強(qiáng)度和范圍，東風(fēng)持續(xù)風(fēng)速越大，上升流強(qiáng)度越強(qiáng)、影響范圍越大。

4 特例分析

Mackenzie河口海洋動(dòng)力條件復(fù)雜，河口徑流、近海海冰、波浪、水流、內(nèi)波等對(duì)上升流的存在均有影響。本文研究中第217天(2007-08-05)Mackenzie河口海洋表面溫度分布(圖4)顯示無(wú)上升流產(chǎn)生，但其對(duì)應(yīng)的第213～218天Pelly氣象站風(fēng)速、風(fēng)向表明，在此之前東風(fēng)已經(jīng)持續(xù)長(zhǎng)時(shí)間(圖5)，這顯然與理論及第3節(jié)的資料分析結(jié)果相悖。

圖4 2007年8月5日Mackenzie河口海洋表面溫度分布Fig.4 SST distribution of Mackenzie Estuary in August 5，2007

圖5 2007年8月1—6日Pelly氣象站風(fēng)速、風(fēng)向Fig.5 Wind speed and direction at Pelly Station from August 1 to 6，2007

海冰數(shù)據(jù)顯示2007年8月5日Mackenzie河口與外海相接處仍有大面積海冰未完全融化，東風(fēng)吹過(guò)的海面仍有部分海冰存在，因此表層溫度較高的低鹽水難以產(chǎn)生離岸流動(dòng)，從而阻礙底層低溫海水的上升流動(dòng)，不能形成上升流。雖然此時(shí)南部Mackenzie河的徑流量仍然較大，高溫、低密度淡水覆蓋在海水上，但是近岸海冰的封鎖使Mackenzie河口開(kāi)敞水域面積受限制，因此長(zhǎng)時(shí)間的持續(xù)東向風(fēng)無(wú)法形成上升流，可見(jiàn)上升流的形成和當(dāng)?shù)睾Ｓ蚓C合物理海洋環(huán)境緊密相關(guān)。

5 結(jié) 論

基于升降流理論，利用MODIS數(shù)據(jù)反演海洋表面溫度，結(jié)合相應(yīng)的實(shí)測(cè)風(fēng)速、風(fēng)向探討了Mackenzie河口夏秋季(2007年8—9月)上升流與風(fēng)場(chǎng)的關(guān)系以及上升流產(chǎn)生的條件、強(qiáng)弱、范圍等。結(jié)果表明:

a.上升流與緯度、風(fēng)向、風(fēng)速等因素有關(guān)。Mackenzie河口雖處于高緯度區(qū)域，但持續(xù)東向風(fēng)使該水域產(chǎn)生上升流。當(dāng)東向風(fēng)吹刮時(shí)間長(zhǎng)于半天，即有上升流產(chǎn)生。一般情況下，正東風(fēng)(180°左右)所致上升流最強(qiáng)，東向偏南(160°～180°)與東向偏北(180°～200°)風(fēng)也能產(chǎn)生顯著上升流。吹刮時(shí)間不足或其他風(fēng)向均不能產(chǎn)生上升流。

b.持續(xù)東風(fēng)吹刮條件下，風(fēng)速越大產(chǎn)生的上升流越強(qiáng)，底層冷水上翻現(xiàn)象越明顯。上升流產(chǎn)生的范圍一般為沿岸到20 m等深線附近，較強(qiáng)東向風(fēng)引起的上升流會(huì)越過(guò)20 m等深線處到達(dá)30 m等深線附近。

c.由于Mackenzie河口水域復(fù)雜的海洋環(huán)境條件，很多海洋動(dòng)力因素影響到上升流的產(chǎn)生和強(qiáng)度。例如當(dāng)近海的冰未完全融化導(dǎo)致河口開(kāi)敞水域面積受限制，此時(shí)即使有長(zhǎng)時(shí)間持續(xù)的東向風(fēng)也無(wú)法產(chǎn)生上升流?？傊?，需要多因素綜合研究海岸河口水域的上升流現(xiàn)象。

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