粵東及閩南近岸上升流對s局地風(fēng)場變化的響應(yīng)

蔡尚湛，靖春生，許金電，朱大勇

(1.國家海洋局第三海洋研究所，福建 廈門 361005)

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粵東及閩南近岸上升流對s局地風(fēng)場變化的響應(yīng)

蔡尚湛1，靖春生1，許金電1，朱大勇1

(1.國家海洋局第三海洋研究所，福建 廈門 361005)

本文利用2010年6-7月的實(shí)測溫鹽、水位、海流等資料，結(jié)合風(fēng)場數(shù)據(jù)，討論了在臺風(fēng)影響較小的情況下，粵東及閩南近岸上升流對局地風(fēng)場變化的響應(yīng)特征，主要結(jié)論如下：(1)譜分析結(jié)果顯示，沿岸風(fēng)、水位、海流、近底層水溫均具有3.5～4.0 d、5.0～5.5 d、8.3～9.0 d的波動(dòng)周期，沿岸風(fēng)的變化引起上升流強(qiáng)度在3～9 d周期上的波動(dòng);(2)上升流對局地風(fēng)場變化的響應(yīng)過程如下：利于上升流產(chǎn)生的局地風(fēng)場發(fā)生變化時(shí)，沿岸風(fēng)作用下產(chǎn)生的Ekman輸運(yùn)促使的上升流區(qū)水位的下降幅度發(fā)生改變，隨即向岸方向的壓強(qiáng)梯度力也發(fā)生變化，進(jìn)而導(dǎo)致沿岸流及近底層向岸流的增強(qiáng)或減弱，而近底層向岸流強(qiáng)度的改變又會引起近底層水溫的變化；(3)相關(guān)分析及交叉譜分析的結(jié)果表明，沿岸風(fēng)的變化將在3 d以內(nèi)影響上升流區(qū)近底層水溫。以34 m向岸流代表近底層向岸流，則“沿岸風(fēng)—水位—近底層向岸流—近底層水溫”這一過程的響應(yīng)時(shí)間依次為24 h、7 h、27 h左右。

粵東；閩南；上升流；沿岸風(fēng)；水位；向岸流

1　引言

沿岸上升流作為一種重要的中尺度物理現(xiàn)象，對漁業(yè)資源的分布有著顯著的影響[1]。南海北部陸架區(qū)是我國主要的季節(jié)性上升流區(qū)之一[2]。關(guān)于粵東及閩南近岸上升流，最早出現(xiàn)于管秉賢和陳上及的報(bào)道[3]，之后諸多現(xiàn)場觀測資料均驗(yàn)證了該上升流的存在[4—7]。上升流區(qū)水體具有低溫、高鹽、低氧、高磷的基本特征，同時(shí)其中心位置的時(shí)空變異較大。實(shí)際上，該上升流作為南海北部海盆尺度季節(jié)性上升流的一部分，不同作者所報(bào)道的是陸架區(qū)上升流的若干中心[4]。

隨著遙感資料應(yīng)用的日益廣泛，粵東及閩南近岸上升流的時(shí)空分布特征得以進(jìn)一步展現(xiàn)。利用SST、海表葉綠素等遙感資料以及走航CTD數(shù)據(jù)，Tang等[8]、Shang等[9]、Zhang等[10]分別對1998年、2004年夏季該上升流分布范圍及強(qiáng)度的變化進(jìn)行了分析，Tang等[11]、Hong等[12]則對上升流的年際變化及對海洋生態(tài)系統(tǒng)的影響進(jìn)行了分析。

西南季風(fēng)被普遍認(rèn)為是影響南海北部上升流強(qiáng)度的重要因素[4，13—14]。莊偉等[5]通過對衛(wèi)星遙感資料的分析指出海面風(fēng)場沿岸分量是上升流強(qiáng)度改變的重要原因。Jing等[15]利用風(fēng)場遙感數(shù)據(jù)和ECOM模型研究了西南風(fēng)對上升流的貢獻(xiàn)。Hong等[12]的研究結(jié)果也表明風(fēng)場的變異是南海北部上升流年際差異的原因。

現(xiàn)場觀測資料和模型結(jié)果顯示，在西南風(fēng)減弱、消失甚至東北風(fēng)出現(xiàn)的情況下，只要南海北部陸架區(qū)東向的海流依然存在，上升流現(xiàn)象便可得到維持[16—17]，南海北部陸架區(qū)大尺度環(huán)流以及獨(dú)特的地形對上升流的生消有著同樣重要的作用。Gan等[18]利用ROMS模型結(jié)果從動(dòng)力機(jī)制角度分析了南海北部寬陸架區(qū)地形的變化如何導(dǎo)致上升流強(qiáng)度的增大。Gan等[16]將模型結(jié)果應(yīng)用于動(dòng)量平衡方程進(jìn)行分析，指出南海北部上升流的形成和維持依賴于沿等深線方向上增強(qiáng)的壓強(qiáng)梯度力以及底摩擦作用導(dǎo)致的跨等深線方向上的海流分量。Wang等[17]利用POM模型結(jié)果分析了局地風(fēng)場、地形對南海北部上升流強(qiáng)度的相對貢獻(xiàn)，指出地形的作用在近岸區(qū)域更為顯著，其在表層與風(fēng)場相當(dāng)而在底層強(qiáng)于風(fēng)場。

地形的變化導(dǎo)致了南海北部上升流系統(tǒng)的空間分布差異，而上升流強(qiáng)度的時(shí)間變化則更多地受到局地風(fēng)場的影響。臺風(fēng)作為夏季影響南海北部的主要極端天氣事件，將對粵東上升流產(chǎn)生劇烈的影響，并引發(fā)上升流區(qū)海水的受迫振蕩和慣性振蕩[19]。本文利用2010年6-7月的實(shí)測溫鹽、水位、海流等資料，結(jié)合風(fēng)場數(shù)據(jù)，從海水運(yùn)動(dòng)的角度，著重討論在臺風(fēng)影響較小的情況下，針對局地風(fēng)場的變化，粵東及閩南近岸上升流的響應(yīng)特征。

2　數(shù)據(jù)來源與說明

CTD溫、鹽數(shù)據(jù)取自2010年夏季在粵東及閩南近岸海域的觀測結(jié)果，站位設(shè)置見圖1，斷面J和G分別位于惠來外海和汕頭外海，站位設(shè)置從近岸至外海分別為J1-J7、G1-G8。數(shù)據(jù)觀測時(shí)間為2010年6月8-14日，觀測儀器為美國海鳥公司生產(chǎn)的SBE917 plus CTD，現(xiàn)場觀測數(shù)據(jù)經(jīng)分析、處理和質(zhì)量控制后的垂向分辨率為1 m。

水位、海流、近底層水溫?cái)?shù)據(jù)取自2010年夏季布放在閩南近岸的座底式海床基系統(tǒng)(海床基位置見圖1)，該點(diǎn)平均水深為38.7 m。海床基系統(tǒng)上所攜帶儀器包括一臺WHS-300K ADCP和一臺TGR-2050水位計(jì)。水位與近底層水溫?cái)?shù)據(jù)采樣時(shí)間間隔均為10 min；海流觀測范圍為6～34 m，共15層，垂向間隔為2 m，采樣時(shí)間間隔為1 h。本文所用海床基數(shù)據(jù)時(shí)間范圍為2010年6月10日至7月31日。

風(fēng)場數(shù)據(jù)共有兩種。第一種數(shù)據(jù)為美國國家環(huán)境預(yù)測中心和國家大氣研究中心發(fā)布的NCEP/DOE(NCEP-2)再分析資料。數(shù)據(jù)空間分辨率約為1.875°×1.875°，時(shí)間分辨率為6 h，本文選取粵東近岸海域的P點(diǎn)(位置見圖1)風(fēng)場數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。數(shù)據(jù)下載網(wǎng)址為http://apdrc.soest.hawaii.edu/las/v6/dataset？catitem=5870；第二種數(shù)據(jù)為ASCAT衛(wèi)星散射計(jì)(Advanced SCATterometer)所測海面上空10 m處風(fēng)場數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)空間分辨率為0.25°×0.25°，時(shí)間分辨率為1 d。數(shù)據(jù)下載網(wǎng)址為http://apdrc.soest.hawaii.edu/las/v6/dataset？catitem=4736。

SST(海表溫度)數(shù)據(jù)為美國遙感系統(tǒng)(Remote Sensing Systems， RSS)提供的微波和紅外SST融合數(shù)據(jù)(MISST)，該數(shù)據(jù)所融合的數(shù)據(jù)源包括TMI、MODIS和AMSR-E的SST數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)空間分辨率為9.76 km，時(shí)間分辨率為1 d。數(shù)據(jù)下載網(wǎng)址：ftp.discover-earth.org/sst/misst/l4/mw_ir。

臺風(fēng)路徑資料下載于中國臺風(fēng)網(wǎng)(www.typhoon.gov.cn)，本文所用資料為2010年6-7月影響南海臺風(fēng)的逐6 h中心位置數(shù)據(jù)。

本文對上升流強(qiáng)度變化的分析，主要關(guān)注波動(dòng)周期大于慣性周期的情況。以F點(diǎn)為例，該處慣性周期為Tθ=π/(Ω?sinθ)=3.141 6/(7.292×10-5×sin23.51°)=1.080×105(s)=30.00(h)。因此對時(shí)間分辨率小于1 d的數(shù)據(jù)時(shí)間序列(包括水位、海流、近底層水溫?cái)?shù)據(jù)和NCEP風(fēng)場數(shù)據(jù))均先進(jìn)行以1.5 d為截?cái)嘀芷诘牡屯V波。

P點(diǎn)風(fēng)場數(shù)據(jù)由于時(shí)間分辨率較高，主要用于單點(diǎn)風(fēng)場時(shí)間序列分析；ASCAT風(fēng)場數(shù)據(jù)，時(shí)間分辨率較低但空間分辨率較高，主要用于描述研究海域風(fēng)場特征及對P點(diǎn)風(fēng)場進(jìn)行比對驗(yàn)證。

為了便于分析，結(jié)合岸線及等深線的走向，對P點(diǎn)風(fēng)場矢量及F點(diǎn)海流矢量均進(jìn)行沿岸方向和向岸方向的分解，沿岸方向與正北的夾角為60°，分解方向示意見圖1。

文中應(yīng)用了相關(guān)分析和交叉譜分析方法，當(dāng)兩列數(shù)據(jù)時(shí)間分辨率不同時(shí)，選擇較低時(shí)間分辨率的數(shù)據(jù)序列進(jìn)行計(jì)算。例如，水位數(shù)據(jù)和海流數(shù)據(jù)時(shí)間分辨率分別為10 min、1 h，兩者進(jìn)行相關(guān)分析計(jì)算時(shí)均取時(shí)間分辨率為1 h的數(shù)據(jù)序列。

3　2010年6-7月南海東北部風(fēng)場特征

由圖2可見，2010年6-7月，P點(diǎn)風(fēng)場時(shí)間序列與南海東北部(圖3中紅色虛線框)平均風(fēng)場時(shí)間序列吻合良好，兩者的沿岸風(fēng)速、向岸風(fēng)速在趨勢與量級上均較為接近，因此下文將用P點(diǎn)風(fēng)場來表征南海東北部的平均風(fēng)場特征。

圖1　研究海域海底地形及觀測站點(diǎn)設(shè)置Fig.1　Topography of study area and observational stations

圖2　2010年6-7月南海東北部風(fēng)場時(shí)間序列Fig.2　Time series of wind field in the northeastern South China Sea during June to July， 2010a.風(fēng)速矢量，b.沿岸風(fēng)分量，c.向岸風(fēng)分量，藍(lán)色為P點(diǎn)NCEP風(fēng)場數(shù)據(jù)時(shí)間序列，紅色為ASCAT風(fēng)場數(shù)據(jù)區(qū)域(圖3中紅色虛線框)平均時(shí)間序列a.Wind vectors， b.alongshore wind speed component， c.cross-shore wind speed component， blue line is the time series of NCEP wind data at P， red line is the time series of ASCAT wind data averaged in NSCS (indicated by a red dotted box in Fig.3)

圖3　2010年6-7月影響南海的臺風(fēng)路徑圖Fig.3　The track of typhoons influencing the South China Sea during June to July， 2010紅色虛線框表示ASCAT風(fēng)場數(shù)據(jù)進(jìn)行平均計(jì)算的區(qū)域范圍Red dotted box is the area in which the ASCAT wind data are averaged

由ASCAT逐日風(fēng)場圖可知(圖略)，2010年5-6月初，南海東北部尚處于季風(fēng)轉(zhuǎn)換期，西南季風(fēng)僅零星出現(xiàn)于某些時(shí)段，6月9日以后，西南季風(fēng)才開始較為穩(wěn)定地出現(xiàn)。6月9日至7月11日，P點(diǎn)整體上表現(xiàn)為持續(xù)的西南風(fēng)(沿岸風(fēng)速大多為正值，正的沿岸風(fēng)速的平均值達(dá)到3.65 m/s，圖2b)，僅在6月27-30日期間，出現(xiàn)微弱的東南風(fēng)(沿岸風(fēng)速的極值僅達(dá)-3.06 m/s，圖2b)。7月12-25日，受到臺風(fēng)的間接影響，P點(diǎn)風(fēng)向轉(zhuǎn)為東南向。7月26日之后，隨著臺風(fēng)影響的減弱，西南風(fēng)重新出現(xiàn)?？傮w上看，除了臺風(fēng)影響期間，P點(diǎn)風(fēng)場表現(xiàn)為以西南風(fēng)為主。

2010年6-7月，影響南海的臺風(fēng)有兩個(gè)，分別為201002號臺風(fēng)“康森”和201003號臺風(fēng)“燦都”，兩者的6 h路徑圖及影響時(shí)間見圖3。這兩個(gè)臺風(fēng)都沒有直接經(jīng)過P點(diǎn)和F點(diǎn)所在海區(qū)，相隔距離尚遠(yuǎn)，P點(diǎn)7月中旬出現(xiàn)的東南風(fēng)只是受到臺風(fēng)外圍風(fēng)場的影響，而F點(diǎn)的水體也沒有經(jīng)歷臺風(fēng)直接過境時(shí)的那種短時(shí)強(qiáng)烈擾動(dòng)和混合，上升流過程沒有受到直接劇烈的破壞。得益于此，下文的分析較好地刻畫出了臺風(fēng)影響較小情況下的上升流短期變化規(guī)律。

4　粵東及閩南近岸上升流的實(shí)測證據(jù)

圖4和圖5分別為2010年6月8-14日期間研究海域溫、鹽的平面及斷面分布圖。觀測期間，南海東北部持續(xù)性的西南風(fēng)剛剛出現(xiàn)(圖2)，但研究海域已可見明顯的上升流現(xiàn)象，近岸區(qū)域表現(xiàn)出低溫、高鹽特征。表層至10 m，低溫中心位于汕頭至漳浦之間近岸海域，南澳島至東山島之間表層水溫可低于24.1℃?？赡苁艿浇逗恿鞯挠绊懀芯亢Ｓ虻奈鞅泵娉霈F(xiàn)低鹽水舌，高鹽區(qū)域位于南澳島與東山島之間，表層鹽度可達(dá)34.3以上。30 m層，西北面低鹽區(qū)不在，低溫、高鹽區(qū)平行岸線分布于東山島以南的近岸區(qū)域以及汕頭西南外海?？傮w上看，上升流中心位于調(diào)查范圍的近岸區(qū)域，10 m以淺的鹽度分布可能受到河流淡水的影響而顯得復(fù)雜一些。

斷面J和G均可見外海深層的低溫、高鹽水沿海底地形向近岸爬升(圖5)。斷面J的外海深層水可直接爬升至近岸區(qū)域，J2站附近10 m以淺可見水溫低于25.0℃、鹽度高于34.0的水體。由于臺灣淺灘的存在，斷面G的外海深層水在G6站附近被阻擋而未能繼續(xù)向近岸推進(jìn)，但是該斷面近岸區(qū)域同樣出現(xiàn)了水溫低于24.5℃、鹽度高于34.2的水體，結(jié)合研究海域海水流動(dòng)狀況(圖6)及之前的研究成果[6-7，18]可知，汕頭以西外海深層冷水爬升至近岸，被東北向的沿岸流攜帶至汕頭及其以東的近岸區(qū)域，粵東及閩南近岸上升流的水體來源為汕頭以西的外海深層水。從研究海域30 m層溫、鹽分布圖也可以看出(圖4c、4f)，低溫、高鹽水自汕頭西南外海向近岸方向推進(jìn)，進(jìn)而向東北方向延伸。

5　上升流對局地風(fēng)場變化的響應(yīng)

5.1上升流區(qū)海流特征

2010年6月10日至7月31日F點(diǎn)垂向海流剖面及水位、沿岸流和向岸流時(shí)間序列見圖6和圖7。由圖6可見，F(xiàn)點(diǎn)海流流速沿岸分量明顯大于向岸分量，表明東北向海流是該處海水流動(dòng)的主要特征。沿岸流速均為正值，且各層變化規(guī)律十分接近，其時(shí)間平均值介于22～32 cm/s之間，并隨水深增大而逐漸減小(圖6b)。向岸流量級雖小，卻體現(xiàn)了典型的上升流區(qū)海水運(yùn)動(dòng)特征(上層海水離岸流動(dòng)，中、下層海水向岸流動(dòng)進(jìn)行補(bǔ)償)。從時(shí)間平均上看，10 m以淺為離岸流，流速值在-4 cm/s以內(nèi)；10 m以深為向岸流，流速值介于0～6 cm/s之間，并隨水深增大而略微增大，22～34 m流速值相差不大(圖6d)。

5.2局地風(fēng)場變化對上升流區(qū)海水運(yùn)動(dòng)的影響

如圖5所示，沿岸上升流的發(fā)生是下層海水沿海底地形向近岸爬升的結(jié)果(即存在海流向岸分量)，因此本文以近底層向岸流的強(qiáng)弱來表征上升流的強(qiáng)度。

F點(diǎn)16 m以深向岸流速值始終為正(圖6c)，印證了“西南風(fēng)減弱甚至消失的情況下上升流依舊可以存在”[16—17]這一現(xiàn)象。Shu等[20]也指出局地風(fēng)場的短時(shí)變化幾乎不可能改變南海北部陸架區(qū)大尺度環(huán)流的流向。將沿岸風(fēng)數(shù)據(jù)(圖2b藍(lán)線)與F點(diǎn)沿岸流、向岸流數(shù)據(jù)(圖7b、7c紅線)直接做相關(guān)分析，其結(jié)果也顯示它們之間的相關(guān)性并不顯著(圖8a)?？梢姡匕讹L(fēng)變化對上升流區(qū)海流的影響可能只體現(xiàn)在某些頻帶分量上(如下文將要提到的3～9 d周期內(nèi)的變化)。

事實(shí)上，以往研究結(jié)果表明[17，21—23]，沿岸風(fēng)變化對近岸上升流區(qū)海水運(yùn)動(dòng)的影響往往遵循如下這種形式。在沿岸風(fēng)的作用下，近岸區(qū)域上Ekman層的海水離岸輸送，水位下降，導(dǎo)致垂直海岸方向出現(xiàn)壓強(qiáng)梯度力(假設(shè)其方向?yàn)槲鞅毕?，基于地轉(zhuǎn)平衡，東南向的科氏力增大，沿岸流(東北向)將得到增強(qiáng)。在底邊界層內(nèi)，增強(qiáng)的沿岸流導(dǎo)致增大的摩擦力(西南向)，作為Ekman平衡的結(jié)果，平衡此摩擦力的科氏力(東北向)將會增大，因而向岸流(西北向)也將得到增強(qiáng)。按照上述響應(yīng)順序，下文將對沿岸風(fēng)變化影響上升流的過程進(jìn)行分步討論與驗(yàn)證。

圖4　2010年夏季粵東及閩南近岸海域水溫、鹽度的平面分布Fig.4　Horizontal distributions of temperature and salinity in eastern Guangdong and southern Fujian coastal seas during summer 2010a中藍(lán)框、紅框分別代表粵東及閩南近岸海域、上升流區(qū)，用于SST區(qū)域平均計(jì)算The blue box and red box in a are eastern Guangdong and southern Fujian coastal seas and the upwelling zone respectively， in which the SST data are averaged

圖5　2010年夏季粵東及閩南近岸海域J和G斷面水溫、鹽度的斷面分布Fig.5　Temperature and salinity distributions along transections J and G in eastern Guangdong and southern Fujian coastal seas during summer 2010

圖6　2010年6月10日至7月31日F點(diǎn)流速的水深-時(shí)間剖面圖(a.沿岸流，c.向岸流)及平均流速的垂向分布(b.沿岸流，d.向岸流)Fig.6　Depth-time plots of velocities(a. alongshore component， c. cross-shore component) and vertical distributions of averaged velocities(b. alongshore component， d. cross-shore component) at F during June 10 to July 31， 2010

圖7　F點(diǎn)水位(a)、沿岸流(b， 6～34 m平均)、向岸流(c， 26～34 m平均)隨時(shí)間變化Fig.7　Time series of sea level(a)， alongshore velocity (b， 6-34 m averaged) and cross-shore velocity (c， 26-34 m averaged) at F時(shí)間序列紅線為1.5 d低通濾波結(jié)果，藍(lán)線為3～9 d帶通濾波結(jié)果Red lines are the components with periods less than 1.5 d are removed， blue lines are the 3-9 d frequency band components

沿岸風(fēng)(圖2b藍(lán)線)與水位(圖7a紅線)的相關(guān)分析結(jié)果表明，兩者呈明顯的負(fù)相關(guān)關(guān)系，當(dāng)水位滯后沿岸風(fēng)24 h時(shí)，相關(guān)系數(shù)可達(dá)-0.766 6(圖8b)。水位對沿岸風(fēng)變化的響應(yīng)在1 d左右即已完成，這與Wang等[21]的計(jì)算結(jié)果一致。

對沿岸風(fēng)、水位、沿岸流、向岸流進(jìn)行功率譜分析(圖9)，結(jié)果表明，它們在3.5～4.0 d、5.0～5.5 d以及8.3～9.0 d內(nèi)存在多個(gè)相近的譜峰，這預(yù)示著海流中3～9 d的信號與局地風(fēng)場以及水位的變化存在一定的聯(lián)系。對水位及海流數(shù)據(jù)進(jìn)行3～9 d帶通濾波，比較發(fā)現(xiàn)它們的變化趨勢較為類似(圖7中藍(lán)線)。為此，進(jìn)一步對各層沿岸流、向岸流數(shù)據(jù)以及水位數(shù)據(jù)均進(jìn)行3～9 d帶通濾波，并分別進(jìn)行相關(guān)分析，結(jié)果見圖8c、8d。

沿岸流與水位呈明顯的負(fù)相關(guān)關(guān)系，最大相關(guān)系數(shù)均在-0.74以上，相應(yīng)的滯后時(shí)間(沿岸流滯后水位)均在5 h以內(nèi)(圖8c)。下層向岸流(26～34 m)也與水位呈較明顯的負(fù)相關(guān)關(guān)系，最大相關(guān)系數(shù)均在-0.64以上，相應(yīng)的滯后時(shí)間(向岸流滯后水位)均在7 h以內(nèi)(圖8d)。

可見，局地風(fēng)場的變化，將首先引起水位的變化，進(jìn)而引發(fā)下層向岸流在3～9 d周期內(nèi)的波動(dòng)，從而影響上升流的強(qiáng)度。這個(gè)過程可在2 d內(nèi)完成(以34 m向岸流為例，其滯后沿岸風(fēng)的時(shí)間為24 h+7 h=31 h，見圖8b、8d)。

為了驗(yàn)證圖8b、8d的分析結(jié)果，直接對沿岸風(fēng)數(shù)據(jù)(即圖2b藍(lán)線)與26～34 m平均向岸流數(shù)據(jù)(圖7c紅線)進(jìn)行交叉譜分析，結(jié)果見圖9e、9f。兩者在3.86 d、5.40 d、9.00 d的周期上相關(guān)，且向岸流的波動(dòng)晚于沿岸風(fēng)(位相差分別為157.48°、43.58°、36.83°，所對應(yīng)的滯后時(shí)間分別為40.3 h、15.7 h、22.1 h)。滯后時(shí)間從總體上看在2 d以內(nèi)，這與圖8b、8d的結(jié)果類似。

5.3上升流區(qū)水溫變化特征

由圖10a可知，2010年5-9月，整個(gè)粵東及閩南近岸海域(圖4a中藍(lán)色虛線框)，包括沿岸上升流區(qū)(圖4a中紅色虛線框)，SST表現(xiàn)出極為一致的變化規(guī)律。5月1日至6月3日，研究海域尚處于季風(fēng)轉(zhuǎn)換期，SST處于相對較低的水平；6月4-23日，SST迅速增大；6月24日至8月19日，SST處于平穩(wěn)升溫期；8月20日至9月30日，SST處于平穩(wěn)降溫期。

上升流水體未必時(shí)時(shí)在海表“露頭”，有時(shí)又與臺灣海峽西岸表層低溫水連在一起，同時(shí)SST還受到諸如太陽輻射等多種因素的影響，因此從南海東北部逐日SST分布圖(圖略)上看，并不能很好地反映出上升流強(qiáng)度的時(shí)空變化規(guī)律。

6月10日至6月下旬，整個(gè)粵東及閩南近岸海域的海水均處于迅速升溫期，F(xiàn)點(diǎn)近底層水溫體現(xiàn)出的是和SST一樣明顯的升溫過程，上升流特征被掩蓋。此后的平穩(wěn)升溫期(6月29日至7月31日)，近底層水溫的變化較好地反映了近底層向岸流的波動(dòng)特征。

圖8　2010年6月10日至7月31日P點(diǎn)沿岸風(fēng)、F點(diǎn)水位和海流之間的相關(guān)分析結(jié)果Fig.8　Results of correlation analyses among the alongshore wind speed component at P， sea level and velocities at F during June 10 to July 31， 2010a.沿岸風(fēng)與沿岸流(6～34 m平均，紅色)、向岸流(26～34 m平均，藍(lán)色)的相關(guān)分析，b.沿岸風(fēng)與水位的相關(guān)分析，c.水位與沿岸流在3～9 d頻帶上的相關(guān)分析，d.水位與向岸流在3～9 d頻帶上的相關(guān)分析。圖c、d中藍(lán)色為最大相關(guān)系數(shù)(指絕對值最大)，紅色為對應(yīng)的滯后時(shí)間a.Correlation analysis of alongshore wind speed component with alongshore velocity(6-34 m averaged， red) and cross-shore velocity(26-34 m averaged， blue)， b.correlation analysis of alongshore wind speed component with sea level， c.correlation analyses of sea level with alongshore velocities in 3-9 d frequency band， d.correlation analyses of sea level with cross-shore velocities in 3-9 d frequency band. The maximum correlation coefficients (maximum in absolute value) and the corresponding time lag are shown in blue and red in c and d

圖9　2010年6月10日至7月31日P點(diǎn)沿岸風(fēng)(a)、F點(diǎn)水位(b)、沿岸流(c，6～34 m平均)、向岸流(d，26～34 m平均)的功率譜分析以及P點(diǎn)沿岸風(fēng)與F點(diǎn)向岸流(26～34 m平均)的交叉譜分析(e.凝聚譜，f.位相譜)Fig.9　Power spectrums of the alongshore wind speed component at P(a)， sea level(b)， alongshore velocity(c， 6-34 m averaged) and cross-shore velocity at F(d， 26-34 m averaged)， cross-spectral analysis of the alongshore wind speed component at P with cross-shore velocity(26-34 m averaged)at F(e. coherence， f. phase) during June 10 to July 31， 2010

圖10　2010年夏季研究海域水溫時(shí)間序列(a)、6月29日至7月31日F點(diǎn)向岸流與近底層水溫在3～9 d頻帶上的相關(guān)分析(b)以及P點(diǎn)沿岸風(fēng)與F點(diǎn)近底層水溫(c)的相關(guān)分析Fig.10　Time series of water temperature in study area during summer 2010(a)， correlation analysis of cross-shore velocities with near bottom temperature at F in 3-9 d frequency band (b) and correlation analysis of the alongshore wind speed component at P with near bottom temperature at F (c) during June 29 to July 31， 2010b中藍(lán)色為最大相關(guān)系數(shù)(指絕對值最大)，紅色為對應(yīng)的滯后時(shí)間The maximum correlation coefficients (maximum in absolute value) and the corresponding time lag are shown in blue and red in b

對6月29日至7月31日期間F點(diǎn)近底層水溫?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行功率譜分析(圖略)，結(jié)果表明，其具有3.62 d、5.29 d、8.59 d的譜峰，與下層向岸流具有相近的波動(dòng)周期(圖9d)。對近底層水溫、各層向岸流數(shù)據(jù)進(jìn)行3～9 d帶通濾波，并分別做相關(guān)分析，結(jié)果見圖10b。下層向岸流(26～34 m)與水溫呈明顯的負(fù)相關(guān)關(guān)系(向岸流越強(qiáng)，水溫越低)，最大相關(guān)系數(shù)均在-0.6以上(30～34 m更是達(dá)到-0.7以上)，相應(yīng)的滯后時(shí)間(水溫滯后向岸流)介于27～32 h之間。Wang等[21]分析了粵東上升流區(qū)向岸流速與底邊界層內(nèi)溫度變化趨勢之間的關(guān)系，也得到了相似的結(jié)論。

5.4上升流對局地風(fēng)場變化的響應(yīng)時(shí)間

若以34 m向岸流代表近底層向岸流，那么“沿岸風(fēng)變化—導(dǎo)致水位變化—引起近底層向岸流的強(qiáng)度波動(dòng)—影響近底層水溫”整個(gè)過程，所經(jīng)歷的時(shí)間為58 h(24 h+7 h+27 h=58 h，圖8b、8d、10b)。直接對沿岸風(fēng)數(shù)據(jù)(圖2b藍(lán)線)與近底層水溫?cái)?shù)據(jù)(圖10a綠線)進(jìn)行相關(guān)分析，結(jié)果顯示兩者的最大相關(guān)系數(shù)為-0.564 2，相應(yīng)的滯后時(shí)間(水溫滯后沿岸風(fēng))為54 h(圖10c)。上述兩種計(jì)算方法得出的響應(yīng)時(shí)間較接近(58 h和54 h)，說明本文所分析描述的“沿岸風(fēng)變化影響上升流強(qiáng)度”這一過程各環(huán)節(jié)的先后順序和響應(yīng)時(shí)間與實(shí)際情況是較為吻合的。從總體上看，沿岸風(fēng)的變化在3 d之內(nèi)即可引起上升流區(qū)近底層水溫的波動(dòng)。

6　小結(jié)與討論

本文利用2010年6-7月的實(shí)測溫鹽、水位、海流等資料，結(jié)合風(fēng)場數(shù)據(jù)，討論了在臺風(fēng)影響較小的情況下，粵東及閩南近岸上升流對局地風(fēng)場變化的響應(yīng)特征，主要結(jié)論如下：

(1) 實(shí)測溫鹽結(jié)果顯示，在持續(xù)性的西南季風(fēng)出現(xiàn)之初，上升流即已存在，上升流的水體來源為汕頭以西的外海深層水。

(2) 譜分析結(jié)果顯示，沿岸風(fēng)、水位、海流、近底層水溫均具有3.5～4.0 d、5.0～5.5 d、8.3～9.0 d的波動(dòng)周期，沿岸風(fēng)的變化引起上升流強(qiáng)度在3～9 d周期上的波動(dòng)。

(3) 上升流對局地風(fēng)場變化的響應(yīng)過程如下。利于上升流產(chǎn)生的局地風(fēng)場發(fā)生變化時(shí)，沿岸風(fēng)作用下產(chǎn)生的Ekman輸運(yùn)促使的上升流區(qū)水位的下降幅度發(fā)生改變，隨即向岸方向的壓強(qiáng)梯度力也發(fā)生變化，進(jìn)而導(dǎo)致沿岸流及近底層向岸流的增強(qiáng)或減弱，而近底層向岸流強(qiáng)度的改變又會引起近底層水溫的變化。

(4) 相關(guān)分析及交叉譜分析的結(jié)果表明，沿岸風(fēng)的變化將在3 d以內(nèi)影響上升流區(qū)近底層水溫。以34 m向岸流為例，“沿岸風(fēng)變化影響水位”、“水位變化影響近底層向岸流”、“近底層向岸流變化影響近底層水溫”這3個(gè)環(huán)節(jié)的響應(yīng)時(shí)間依次為24 h、7 h、27 h左右。

本文中所涉及的水位、海流、水溫在3～9 d內(nèi)的變化，屬于亞潮頻波動(dòng)，主要為局地風(fēng)場驅(qū)動(dòng)所致。這些波動(dòng)現(xiàn)象，也可能受到遠(yuǎn)地風(fēng)及大氣擾動(dòng)激發(fā)的陸架波的影響。然而，由于中國近岸海區(qū)夏季天氣系統(tǒng)的活動(dòng)不像冬季那樣頻繁而有規(guī)律[24]，而作為夏季大氣系統(tǒng)“強(qiáng)擾動(dòng)源”的臺風(fēng)，在2010年6-7月并未出現(xiàn)于上升流區(qū)以北的中國近岸海區(qū)，因而當(dāng)年夏季(6-7月)研究海域的陸架波傳播現(xiàn)象可能并不明顯。另外，Yankovsky等[25]的研究指出新澤西近岸陸架區(qū)海流的亞慣性波動(dòng)，與流經(jīng)該處的哈德遜河流量有關(guān)，當(dāng)流量較大時(shí)，在淡水與風(fēng)場的相互作用下，海流顯著增強(qiáng)。類似的，汕頭以東沿岸上升流強(qiáng)度的亞潮頻波動(dòng)，也可能受到其“上游”珠江、韓江所帶來的淡水的影響，這方面的研究在模型試驗(yàn)中已有提及[26]，尚待更多的觀測數(shù)據(jù)驗(yàn)證。

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Response of upwelling in eastern Guangdong and southern Fujian coastal seas to the local wind variation

Cai Shangzhan1， Jing Chunsheng1， Xu Jindian1， Zhu Dayong1

(1.ThirdInstituteofOceanography，StateOceanicAdministration，Xiamen361005，China)

Based on the cruise conductivity-temperature-depth(CTD) data， the sea level， current and near bottom temperature data from seabed-based observations， and the wind field data during June to July， 2010， this paper studied the response of upwelling in eastern Guangdong and southern Fujian coastal seas to the local wind variation， while the influence of typhoon was relatively weak. The main conclusions are as follows: (1) The results of power spectrum analyses showed that， the alongshore wind speed component， sea level， current and near bottom temperature showed similar variations with the significant periods of fluctuations in 3.5-4.0 d， 5.0-5.5 d and 8.3-9.0 d. The variation of alongshore wind speed component brought about the fluctuation of the upwelling intensity in 3-9 d frequency band. (2) The response process of upwelling to the local wind variation was like this. Surface water was transported offshore within the surface Ekman layer because of the alongshore component of wind stress. Coastal sea level dropped， a cross-shore pressure gradient set up. The pressure gradient would change following the local wind variation， resulting in enhanced(or weakened) alongshore current and enhanced(or weakened) near bottom cross-shore current. Near bottom temperature changed according to the variation of near bottom cross-shore current. (3) The results of correlation analyses and cross-spectral analysis showed that， the variation of alongshore wind speed component would influence near bottom temperature in upwelling zone within 3 days. The lag time for sea level’s response to alongshore wind variation， near bottom (34 m) cross-shore current’s response to sea level variation and near bottom temperature’s response to near bottom (34 m) cross-shore current variation were 24 h， 7 h and 27 h respectively.

eastern Guangdong; southern Fujian; upwelling; alongshore wind speed component; sea level; cross-shore velocity

蔡尚湛，靖春生，許金電，等. 粵東及閩南近岸上升流對局地風(fēng)場變化的響應(yīng)[J]. 海洋學(xué)報(bào)， 2016， 38(9): 1-12，

10.3969/j.issn.0253-4193.2016.09.001

Cai Shangzhan， Jing Chunsheng， Xu Jindian，et al. Response of upwelling in eastern Guangdong and southern Fujian coastal seas to the local wind variation[J]. Haiyang Xuebao， 2016， 38(9): 1-12， doi:10.3969/j.issn.0253-4193.2016.09.001

2015-09-02；

2016-01-23。

國家海洋局第三海洋研究所基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金資助項(xiàng)目(海三科2011012)。

蔡尚湛(1983—)，男，福建省南安市人，助理研究員，主要從事熱帶邊緣海海洋環(huán)境動(dòng)力學(xué)研究。E-mail：caisz@tio.org.cn

P731.2

A

0253-4193(2016)09-0001-12