南海中西部漁場上升流時空變化特征分析

于 杰 , 王新星 , 李永振, 陳國寶

(1.中國水產科學研究院南海水產研究所, 廣東 廣州 510300; 2.農業(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.農業(yè)部南海區(qū)漁政局, 廣東 廣州 510080)

南海外海蘊藏著豐富的中上層漁業(yè)資源, 金槍魚和鳶烏賊資源量大, 其中金槍魚資源量達4.4×104~5.2×104t, 年可捕量為 1.7×104t[1-2]。我國從20世紀80年代恢復外海漁業(yè)生產, 目前漁業(yè)作業(yè)范圍已覆蓋到西沙群島、中沙群島、南沙群島和西南陸架區(qū)[3-4], 2011年我國在南海中南部海域作業(yè)的漁船數(shù)量就有約 1 500艘[5-6], 但是在中西部海域進行生產作業(yè)的漁船數(shù)量較少, 而 2000~2006年越南每年有 34.4%~40.9%的刺網漁船集中到這一海域作業(yè)[7],南海中西部海域大部分位于我國九段線內(圖1)。由于我國對這一海域的漁場和漁汛情況缺乏了解, 導致該地區(qū)的漁業(yè)開發(fā)滯后。

Duy等[8]指出每年西南季風期是南海中西部海域金槍魚刺網漁業(yè)主要汛期, 研究證實該海域每年西南季風期都會有上升流產生, 上升流對底層營養(yǎng)鹽的向上輸運作用, 促進了上層的初級生產力水平,唐丹玲等[9]指出2006年夏季上升流使表層浮游植物濃度增加到4.5 mg/m3, 上升流對該漁場的形成起到重要作用[9-10]。目前, 國內外對這一上升流的研究主要集中在環(huán)境特征和物理機制方面[11-14], 對該上升流的長時間序列空間變動研究較少。研究上升流空間位置和持續(xù)時間的年際變動對了解中西部漁場漁汛信息具有重要意義。本文利用近10 a遙感風場和海表溫度(Sea surface temperature, SST)數(shù)據, 研究南海中西部漁場上升流時空變化特征, 分析風場對上升流中心位置變動的影響, 最后簡要分析了厄爾尼諾對該上升流的影響。研究成果可為我國開發(fā)中西部漁場提供參考。

1 數(shù)據與方法

1.1 研究區(qū)域

南海中西部漁場位于南海中部 12°N附近海域(圖1), 處于熱帶季風區(qū), 夏季在西南季風的影響下產生上升流[8-9], 上升流空間尺度可達到上千平方公里, 對海量SST影像進行分析, 發(fā)現(xiàn)上升流主要分布在 9.5°~15°N, 108°~113°E 范圍內,因此選擇這一區(qū)域作為研究區(qū), 如圖1中的黑色方框所示。

圖1 研究區(qū)域及2011年7月22日的SST分布Fig.1 Study area and SST on July 22, 2011

1.2 數(shù)據與處理

2003~2005 年的SST數(shù)據采用Aqua衛(wèi)星上的微波輻射計(AMSR-E)熱紅外數(shù)據, 空間分辨率為25 km;2006~2012年的SST數(shù)據為微波和熱紅外合成數(shù)據,來自 TMI、AMSR-E、WindSAT、Terra MODIS和Aqua MODIS傳感器, 空間分辨率為9 km。數(shù)據下載網址為http: //www.remss.com。

2003~2006 年的風場數(shù)據采用 QuikSCAT數(shù)據(http: //podaac.jpl.nasa.gov/); 2007~2012年的風場數(shù)據采用A-SCAT數(shù)據(ftp: //ftp.ifremer.fr/ifremer)。兩種數(shù)據的空間分辨率均為25 km。

為了分析研究區(qū)風場和 SST的時間序列特征,計算了日平均風速、日平均風向和日平均SST, 計算公式如表1所示。由于數(shù)據量大, 為了便于觀察, 圖2給出了10 d平均的風場和SST時間序列圖。西南季風的起止時間根據風場時間序列圖上風向的變化判斷, 當風向首次呈西南向, 且持續(xù)10 d以上, 確定這個風向首次呈西南向的日期為西南季風的生成日期; 當風向轉向, 并連續(xù)10 d以上未恢復西南向時,確定這個風向轉向的日期為西南季風的消失日期(表2)。統(tǒng)計了每年西南季風期間呈現(xiàn)不同風向角的天數(shù),以及天數(shù)最多的風向角期間不同風速出現(xiàn)的天數(shù)(圖3)。上升流中心位置參照Cheng等[15]的方法, 定義為研究區(qū)域中最低溫度所對應的點, 圖4為10 d平均的上升流中心位置圖。計算 2003~2012年每年西南季風期間的平均風速、風向、SST、上升流中心經度和上升流中心緯度(表1), 用于分析西南季風期平均風速和風向的年際變化對西南季風期平均SST及上升流中心位置年際變化的影響, 并計算它們的相關性, 如表3所示。厄爾尼諾數(shù)據下載地址為 http://www.cpc.ncep.noaa.gov/data/indices/sstoi.indices。

表3 風速和風向與2003~2012年西南季風期間年平均SST及年平均上升流中心的相關性Tab.3 Correlation coefficients between the wind speed and angle, and the annual SST and annual center of upwelling from 2003 to 2012

圖3 2003~2012年西南季風期間不同風向和風速天數(shù)統(tǒng)計Fig.3 Number of days with different wind angle and wind speed during the days with wind angle of 51°-60° from 2003 to 2012

表1 日均和年均風速、風向、SST及年均上升流中心位置計算公式Tab.1 Formula for daily and annual wind speed, wind angle, SST and annual position of upwelling center

2 結果與分析

2.1 南海中西部漁場風場及溫度變化特征

2.1.1 風場

2003~2012 年西南季風基本上在 5月份形成,2005年和 2011年開始于 5月上旬, 2003、2004、2006、2007、2008和2009年開始于5月中旬, 2010年開始于5月下旬, 而2012年西南季風從4月下旬開始(圖2a1~圖2a10)。西南季風期一般在9月份結束, 2005、2006和2012年在9月上旬結束, 2004、2007和2010年在 9月中旬結束, 2003年于 9月下旬結束, 而2008、2009和 2011年于 10月初結束(圖2a1~圖2a10)。每年西南季風的持續(xù)時間在115~154 d, 平均129.4 d (表2)。

圖2 2003~2012年風速和風向圖(a1~a10)及SST時間序列(b1~b10)Fig.2 Variations of wind speed and angle (a1-a10), temporal distribution of SST (b1-b10) from 2003 to 2012

從圖2a1~圖2a10風場圖上可以看到, 西南季風期間風力的大小發(fā)生變化, 各年份最大風速和最小風速差值在7.6~10.3 m/s, 平均最大風速為11.9 m/s,平均最小風速為2.4 m/s。年平均風速以2010年最小,為5.9 m/s, 其它年份年平均風速在6.3~6.9 m/s(表2)。西南季風期間, 風向也會由西南向轉為其它方向,2003年、2004年和2006年有60%~70%的天數(shù)為西南風向, 2005年、2007年和2008年有70%~80%的天數(shù)呈西南風向, 2009年和2010年有80%~90%天數(shù)呈西南風向, 2011年和2012年有90%以上的天數(shù)呈西南風向(表2)?？梢? 西南季風期風向角呈現(xiàn)間歇性變化, 近年來, 西南季風的持續(xù)天數(shù)有增加的趨勢。

表2 2003~2012年西南季風時間特征及SST變化Tab.2 The begin date, end date, and duration of southwest monsoon, and changes in wind speed and SST from 2003 to 2012

2003~2012 年, 風向角在 51°~60°的天數(shù)最多,為 123 d, 占總季風天數(shù)的 21.98%, 風向角在41°~50°、61°~70°、31°~40°、71°~80°、21°~30°、81°~90°、11°~20°、0°~10°的天數(shù)分別為 99、78、73、62、45、29、24和23 d, 分別占總季風天數(shù)的17.84%、14.05%、13.15%、11.17%、8.11%、5.23%、4.32%和4.14% (圖3a)。2003~2012年, 西南季風期間, 風向角在 51°~60°的天數(shù)中, 有 38 d的平均風速在7.1~8.0 m/s, 風速在 8.1~9.0 m/s、6.1~7.0 m/s、9.1~10.0 m/s、5.1~6.0 m/s、10.1~11.0 m/s、4.1~5.0 m/s、3.1~4.0 m/s和11.1~12.0 m/s的天數(shù)分別為22、20、15、14、7、4、2 和 1 d(圖3b)。

2.1.2 SST和上升流

2003~2012 年, 最高溫度范圍在 29.8~31.0℃,最低溫度范圍在27.6~29.5℃。其中, 2010年的最高溫度和最低溫度均大于其它年份。最低溫度變化幅度較大, 除2003、2005和2010年最低溫度大于28℃外, 其它年份最低溫度均小于28℃, 2009和2011的最低溫度最小, 為27.6℃(表2)。

南海中西部漁場每年在西南季風的作用下均會形成上升流[14]。溫度是表征上升流強度的重要參數(shù)之一。西南季風期為南海的夏季, SST處于一年當中最高的時期, 由于上升流的作用, SST時間序列圖上出現(xiàn)若干波峰和波谷交替現(xiàn)象, 隨著風場變化, SST存在著不同幅度的波動(圖2b1~圖2b10)。用SST的大小表示上升流的強度, SST由峰值向谷值變化時說明上升流的強度增加, SST由谷值向峰值變化時說明上升流強度減弱。相關分析表明西南季風期平均風速年際變化與平均SST年際變化呈顯著負相關(表3),說明當西南季風期間的平均風速增大時, 該年上升流的平均強度增加, 當平均風速減小時, 該年上升流的平均強度減弱。

2.2 上升流中心位置變動

2003~2012 年, 上升流中心呈現(xiàn)密集性分布, 中心位置空間變動范圍為 11°~15°N, 109°~112°E。在緯向上, 上升流中心集中在 12°N 附近, 其中, 2003、2004、2011和2012年上升流中心多分布在12°N以南, 最低緯度可以到10°N, 2007和2010年上升流中心分布以12°N以北居多, 最高緯度可達15°N, 其它年份以12°N為中線分布于兩側, 大部分年份分布于11°~13°N。在經向分布上, 上升流中心從沿岸到112.5°E均有分布, 2007、2008、2010和 2011年上升流中心主要分布在110oE以西, 2003和2005年分布在 110°~113°E, 2006 和 2009 年分布在 109°~111°E,2004 年分布在 110°~112°E(圖4)。

西南季風期間平均風速和風向角的年際變化如圖5所示, 通過對比圖4和圖5, 可以發(fā)現(xiàn)不同年份風速和風向的變化影響上升流中心位置的整體分布,通過對年平均上升流中心與年平均風速和風向角的相關性分析(表3), 發(fā)現(xiàn)年平均風速與年平均上升流中心經度呈顯著正相關, 與年平均上升流中心緯度負相關, 說明風速變動會影響到上升流中心在經向和緯向上的分布, 年平均風速增加時, 該年平均上升流中心在經向上往離岸方向移動, 在緯向上往低緯度移動, 反之, 年平均上升流中心在經向上往近岸方向移動, 在緯向上往高緯度移動。而年平均風向與年平均上升流中心緯向上的變動顯著相關, 與年平均上升流中心經向上的變動不相關, 當年平均風向增強時, 年平均上升流中心向高緯度移動, 反之,向低緯度移動。

圖5 2003~2012年西南季風期間平均風速和風向的年際變化Fig.5 The annual variations of wind speed and angle from 2003 to 2012

2.3 厄爾尼諾對上升流的影響

厄爾尼諾起源于太平洋赤道, 在全球尺度上對氣候產生影響。作為太平洋的邊緣海, 南海必然受到厄爾尼諾的影響。一般將海溫距平指數(shù)(NINO3)至少連續(xù) 6個月≥0.5℃(≤–0.5℃)定義為一次厄爾尼諾(拉尼娜)事件[16], 2009~2011年NINO3值見表4, 可以看到2009年6月有一個厄爾尼諾現(xiàn)象形成, 一直持續(xù)到2010年4月。圖6a和圖6b分別是2008年8月9日非厄爾尼諾年和2009年8月9日厄爾尼諾年SST分布圖, 對比兩張圖可以看到厄爾尼諾年上升流的范圍遠大于非厄爾尼諾年, 此外, 從表2中也可以看出厄爾尼諾年西南季風期間的最低溫度大于其它非厄爾尼諾年, 表明厄爾尼諾對此上升流加強作用。Kuo等[17]研究證實 1997~1998年厄爾尼諾現(xiàn)象也導致此上升流增強, 研究結果與本文一致。

圖6 2008年8月9日和2009年8月9日SST分布Fig.6 Distribution of SST in August 9, 2008 (a) and August 9, 2009 (b)

表4 2009~2011年NINO3值Tab.4 The NINO3 values from 2009 to 2011

3 討論

3.1 上升流與南海中西部漁場的關系

南海中西部漁場是非常重要的金槍魚漁場[18-19]。Long等[20]調查指出2000~2004年西南季風期間, 在6.5°~16.5°N, 107.5°~113°E 范圍存在一個金槍魚作業(yè)區(qū), 中心漁場有兩個, 其中, 主要中心漁場位于11°N以南, 正好與本研究中上升流中心的范圍一致。Long等[20]指出南海中西部金槍魚漁場的汛期從5月(或4月)持續(xù)到8月(或 9月)。這與本文對西南季風周期的研究結果相似, 2003~2012年西南季風的開始時間基本在 5月份(4月末), 結束時間可以到 9月或 10月初(表2)。說明南海中西部漁場的汛期與西南季風的起始時間相對應。Aussanee[18]指出南海中西部漁場金槍魚主要活動水層在50~90 m的深度, 正好與該區(qū)域上升流浮游植物最大值所處的水層相同[9,21]。

Tang等[9]研究表明, 每年西南季風期間在這一區(qū)域均會形成上升流, 本文通過對2003~2012年SST的分析再次證實了這一現(xiàn)象。上升流向海洋上層輸運營養(yǎng)鹽, 增加上層水體浮游植物濃度[21], 形成高初級生產力區(qū), 通常會成為較好的漁場。西南季風期間, 研究區(qū)形成一條自沿岸向南海中部延伸的順時針渦狀高Chl-a水體, 成為南海中西部漁場營養(yǎng)鹽的重要來源[9]。

南海北部的瓊東上升流、粵東上升流和臺灣淺灘上升流均是非常優(yōu)越的漁場[22-23]。南海中西部漁場的形成與上升流密切相關, 與瓊東上升流相似,南海中西部上升流也是間歇性[24]。2003~2012年西南季風持續(xù)時間呈現(xiàn)增加的現(xiàn)象, 說明上升流持續(xù)時間有增加的趨勢, 對南海中西部漁場漁業(yè)資源有可能有積極影響。與南沙漁場和西南陸架漁場相比, 南海中西部漁場更靠近中國大陸, 其上升流空間尺度最大可以達到清瀾漁場上升流空間尺度的 2倍以上[25],可能成為我國外海漁業(yè)開發(fā)的優(yōu)良潛在漁場。

3.2 南海中西部上升流中心位置及其變動與西南季風的關系

Lau等[26]認為南海中西部上升流的形成與西南季風有關。西南季風期間, 風向與越南東海岸近似平行, 在海表風的作用下, 將近岸水體攜帶至外海, 引起近岸底層低溫海水向海洋上層涌升, 形成上升流。南海中西部上升流中心空間變動范圍在 11°~15°N,109°~112°E之間, 通過對Xie[27]的研究進行分析, 發(fā)現(xiàn) 1999~2002年此上升流的中心位置處于相同范圍內, 此外, 對Kuo等[25]的研究進行分析得出相同結論。說明此上升流中心位置的變動范圍是相對固定的。

Kuo等[28]研究發(fā)現(xiàn)南海中西部上升流強度與經向風應力的相關系數(shù)為 0.88, 說明了風是影響上升流強度的重要參數(shù)。Xie[27]指出在反氣旋渦流和東北向海流的作用下, 將低溫海水輸運到中部, 形成中心位置的偏離現(xiàn)象, 反氣旋渦流和東北向海流的形成與也與西南季風有關?？梢? 風場對上升流的發(fā)生和發(fā)展演變起著關鍵作用[29]。本文研究同樣證實上升流中心位置變動與西南季風有關, 從年際變化角度, 當西南季風期平均風速增大時, 該年年平均上升流中心向離岸方向和低緯度移動, 風速減小時,年平均上升流中心向近岸方向和高緯度移動; 當西南季風期平均風向角增加時, 該年平均上升流中心向 12°N以北的高緯度偏移, 當風向角減小時, 年平均上升流中心向12°N以南低緯度偏移。

[1] Phan H D.The interaction between the tuna fishing operation and sea turtles issue in Vietnam[C] //Proceedings of the 2nd International Symposium on SEASTAR2000 and Asian Bio-logging Science.Thailand:Bangkok, 2005: 12.

[2] 張鵬, 楊吝, 張旭豐, 等.南海金槍魚和鳶烏賊資源開發(fā)現(xiàn)狀及前景[J].南方水產, 2010, 6(1): 68-74.

[3] 鄒建偉.南海南部拖網漁場開發(fā)現(xiàn)狀分析[J].現(xiàn)代漁業(yè)信息, 2011, 26(12): 3-5.

[4] 鄒建偉.廣西拖網漁船捕撈努力量的分布及變化態(tài)勢[J].中國漁業(yè)經濟, 2012, 8: 156-160.

[5] 邱永松, 張鵬.南海大洋性漁業(yè)資源開發(fā)利用對策建議[C] // 熱帶海洋科學學術研討會.湛江: 廣東海洋大學, 2013: 199-203.

[6] 晏磊, 張鵬, 楊吝, 等.月相對南海燈光罩網鳶烏賊漁獲率的影響分析[J].南方水產科學, 2015, 11(3): 16-21.

[7] Dien M V.Economic performance of the gill netterfleets in the central area of Vietnam's offshore fisheries[R].Norway: Norwegian College of Fishery Science, University of Troms?, 2009: 1-40.

[8] Duy N N, Flaatenb O, Anha N T K, et al.Open-access fishing rent and efficiency—The case of gillnet vessels in Nha Trang, Vietnam[J].Fisheries Research, 2012,127-128: 98-108.

[9] Tang D L, Kawamura H, Van D T, et al.Offshore phytoplankton biomass increase and its oceanographic causes in the South China Sea[J].Marine Ecology Progress Series, 2004, 268: 31-41.

[10] Loick N.Pelagic nitrogen dynamics in plankton of the Vietnamese upwelling area according to stable nitrogen and carbon isotope distribution[R].Atlanta: Georgia institute of Technology, 2006.

[11] Wyrtki K.Physical oceanography of the Southeast Asian waters, scientific results of marine investigations of the South China Sea and the Gulf of Thailand[R].La Jolla:Scripps Institution of Oceanography, 1961: 1-195.

[12] Hu J Y, Kawamura H S, Hong H S, et al.A Review on the currents in the South China Sea: seasonal circulation,South China Sea warm current and Kuroshio intrusion [J].Journal of Oceanography, 2000, 56: 607-624.

[13] Pohlmann T.A three-dimensional circulation model of the South China Sea [J].Elsevier Oceanography Series,1987, 45: 245-268.

[14] Nguyen T A, Phan M T.Biogeochemical variability of Vietnamese coastal waters influenced by natural and anthropogenic processes [J].Asian Journal of Water,Environment and Pollution, 2007, 4(1): 37-46.

[15] Cheng Y H, Ho C R, Zheng Z W, et al.An algorithm for cold patch detection in the Sea off Northeast Taiwan Using Multi-Sensor Datap[J].Sensors, 2009, 9:5521-5533.

[16] 許武成, 王文, 馬勁松, 等.1951-2007年的ENSO事件及其特征值[J].自然災害學報, 2009, 18(4): 18-24.

[17] Kuo N J, Zheng Q, Ho C R.Response of Vietnam coastal upwelling to the 1997–1998 ENSO event observed by multisensor data[J].Remote sensing of environment, 2004, 89(1): 106-115.

[18] Aussanee M, Pratakphol P.Tuna resource exploration with tuna longline in the South China Sea [C] //Proceedings of the SEAFDEC Seminar on Fishery Resources in the South China Sea.Area IV:Vietnamese Waters, 1998: 29-40.

[19] Chu T V.Study on biology of tuna in the South China Sea,Area IV; Vietnamese Waters[C] // Proceedings of the SEAFDEC Seminar on Fishery Resources in the South China Sea.Area IV: Vietnamese Waters, 1998: 146-168.

[20] Long L K, Flaaten O, Anh N T K.Economic performance of open-access offshore fisheries—The case of Vietnamese longliners in the South China Sea[J].Fisheries Research, 2008, 93: 296-304.

[21] Liu Y, Dai M, Chen W, et al.Distribution of biogenic silica in the upwelling zones in the South China Sea[J].Advances in Geosciences, 2012, 29: 55-65.

[22] 鄧松, 鐘歡良, 王名文, 等.瓊海沿岸上升流及其與漁場的關系[J].臺灣海峽, 1995, 14(1): 51-56.

[23] 楊圣云, 丘書院.閩南-臺灣淺灘漁場藍圓鰭分群問題初步研究[J].海洋學報, 1997, 19(5): 103-109.

[24] Kuo N J, Zheng Q, Ho C R.Response of Vietnam coastal upwelling to the 1997–1998 ENSO event observed by multisensory data [J].Remote sensing of environment, 2004, 89(1): 106-115.

[25] Kuo N J, Zheng Q, Ho C R.Satellite observation of upwelling along the western coast of the South China Sea[J].Remote Sensing Enviroment, 2000, 74: 463-470.

[26] Lau K M, Wu H T, Yang S.Hydrologic processes associated with the first transition of the Asian Summer Monsoon: A pilot satellite study [J].Meteor Soc, 1998,79: 1871-1882.

[27] Xie S P.Summer upwelling in the South China Sea and its role in regional climate variations [J].Journal of Geophysical Research, 2003, 108: 1-13.

[28] Kuo N J, Zheng Q, Ho C R.Response of Vietnam coastal upwelling to the 1997–1998 ENSO event observed by multisensory data [J].Remote sensing of environment, 2004, 89(1): 106-115.

[29] 曹公平, 宋金寶, 樊偉.2007年長江口鄰近海域夏季上升流演變機制研究[J].海洋科學, 2013, 37(1): 102-112.