沿岸上升流及其對海洋資源的影響

溫浩 宏波 陳遠明

摘? ? 要：上升流是與海洋生物生態(tài)過程相耦合的海洋動力過程，其廣泛分布于全球海洋生產(chǎn)力較高的海岸區(qū)，是當前國際海洋學(xué)多學(xué)科交叉研究的熱點之一。研究上升流對改善海洋生態(tài)環(huán)境、開發(fā)綠色海洋資源、持續(xù)發(fā)展海洋經(jīng)濟具有重要意義。本文回顧了自20世紀70年代以來世界各國對上升流的研究進展，并對上升流的發(fā)生機制、研究方法、對生物的影響以及人工應(yīng)用進行歸納分析，以期對我國上升流以及海洋資源的研究提供一些依據(jù)和新的思路。

關(guān)鍵詞：上升流機制;海洋資源;人工應(yīng)用

中圖分類號：P76? ? ? ? ?? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A

Coastal Upwelling and Its Impact on Marine Resources

WEN Hao， HONG Bo， CHEN Yuanming

（ South China University of Technology， Guangzhou 510640 ）

Abstract： Upwelling is a marine dynamic process coupled d with the ecological process of marine life. It is widely distributed in coastal areas with high marine productivity and is one of the hotspots in the international multidisciplinary research of oceanography. Studying the upwelling is of great significance for the sustainable development of the marine economy， the improvement of the marine ecological environment and the development of green marine resources. This paper reviews the research progress of upwelling system in the world since 1970s and summarizes the mechanism， research methods， biological influence and artificial application of upwelling system， in order to provide some basis and new ideas for the study of upwelling and marine resources in China in the future.

Key words： Upwelling; Marine resources; Artificial application

1? ? 引言

沿岸上升流是對生物地球化學(xué)循環(huán)、初級生產(chǎn)力和漁業(yè)有突出影響的海洋物理過程之一。在上升流區(qū)域內(nèi)，底層營養(yǎng)鹽被帶到表層，為浮游植物的生長提供物質(zhì)基礎(chǔ)，進而為浮游動物、魚類和蝦類等生物提供良好的生存條件。研究沿海上升流對海洋資源的開發(fā)和利用，特別是對漁業(yè)生產(chǎn)具有重要意義。

目前我國海洋漁業(yè)的捕撈能力與有限漁場之間的矛盾日益尖銳，造成我國海洋漁業(yè)資源嚴重衰退、近岸海域的生態(tài)環(huán)境惡化，所以持續(xù)發(fā)展我國海洋經(jīng)濟和改善海洋生態(tài)環(huán)境迫在眉睫。

隨著觀測數(shù)據(jù)的積累和科學(xué)技術(shù)發(fā)展，上升流研究方法由簡單的數(shù)據(jù)可視化發(fā)展為實測強度指標與數(shù)值模擬的結(jié)合，數(shù)值模型的選擇也更加多樣化，更有漁場預(yù)測、人工模擬上升流等應(yīng)用出現(xiàn)。本文梳理了上升流的發(fā)生機制、研究方法、對生物帶來的影響以及人工應(yīng)用，對上升流的研究進展進行介紹。

2? ?上升流的發(fā)生機制

上升流是海水從深層向上涌升的過程。引發(fā)上升流的原因有很多，通常有風(fēng)、地形及多種因素綜合作用。

2.1? 風(fēng)產(chǎn)生上升流

非洲西北部加那利海域的沿海上升流是世界著名的四大上升流之一，其產(chǎn)生需要三個因素[1]：季風(fēng)、固體邊界和Coriolis effect。沿著非洲西北部海岸線的赤道向季風(fēng)導(dǎo)致海水偏轉(zhuǎn)遠離海岸（Ekman運輸），當被運輸?shù)暮Ｋ砸欢ㄋ俣缺黄入x岸時需要下部海水上涌來維持質(zhì)量平衡，從而形成上升流。

我國夏季的粵東沿岸最早被報道存在上升流[2-3]。管秉賢[4]等根據(jù)全國海洋普查資料，指出南海北部夏季西南風(fēng)驅(qū)動了瓊東和粵東上升流。

2.2? 陸架環(huán)流與地形誘導(dǎo)形成上升流

澳洲東部陸架附近的研究表明，存在一種新的上升流機制，即在海峽內(nèi)西風(fēng)停止時在陡峭傾斜的塔斯馬尼亞陸架上的殘余極向流動在海峽口附近稍緩傾斜的地形上形成的環(huán)流分離。與Ekman上升流不同，這里的上升流本質(zhì)上是一種地下現(xiàn)象，其表面溫度變化可能很少或沒有特征[5]。

當中國南海北部有利上升流的季風(fēng)消失時，大尺度環(huán)流和地形之間的相互作用會產(chǎn)生海水的地形誘導(dǎo)上涌。觀測表明，較長時期的下行局部風(fēng)可以減弱沿岸流，并減弱地表水上涌。然而依然有寒冷的近底水上升到斜坡，并且發(fā)生在海平面下20 ～100 m之間。地形誘導(dǎo)的上升流與表面風(fēng)力上升流相當，并且對上升流強度的貢獻比近岸陸架區(qū)域局部風(fēng)更強。而加寬的陸架增大了汕尾外海和臺灣淺灘西側(cè)的底部摩擦力，從而通過底Ekman輸運和抽吸作用加強了該區(qū)域的上升流強度[6-7]。

2.3? 沖淡水補償產(chǎn)生上升流

目前對沖淡水、徑流影響上升流方面的研究只覆蓋了上升流與河口羽流的相對作用，沖淡水驅(qū)動上升流的案例相對較少。

河流羽流和上升流循環(huán)之間存在相互作用的過程，羽流中的浮力通過加強羽流中的向海運輸和其下方的向岸運輸來改變風(fēng)驅(qū)動的上升流循環(huán)，其沖淡水影響沿岸流的動力機制是其浮力輸入增強了上層水體的層結(jié)和風(fēng)應(yīng)力做功的效率，從而增強了表層的Ekman離岸輸送。

夏華永[8]等觀察到粵西珠江口外沖淡水為西向擴展趨勢，與風(fēng)向相反，得出了風(fēng)力不是粵西珠江口外上升流形成的主要動力;而是通過伶仃洋潮汐通道內(nèi)的重力環(huán)流，沖淡水在水位梯度下離岸運動，鋒面下的密度梯度驅(qū)動底層水向岸補償?shù)慕Y(jié)果。珠江口門徑流進入伶仃洋后，灣頂水位高于灣外，水位梯度驅(qū)動表層沖淡水向灣外擴展，而底層水體則由于灣外密度遠大于灣頂密度，驅(qū)動底層水體向灣頂流動（見圖2）。

沖淡水西向而行的另一個原因是存在高鹽水團楔入，這種高鹽水低溫表層水的分布與中尺度氣旋渦有關(guān)：沖淡水從河口向外擴展，而河口之間高鹽水則在漲潮過程中向岸輸送（如圖3所示），沖淡水在口門外經(jīng)反氣旋地轉(zhuǎn)調(diào)整，河口之間海流則呈氣旋型彎曲;而在沖淡水擴散形成的鋒面以外（大致以鹽度33等值線為界）的區(qū)域，海水受西南季風(fēng)的驅(qū)動向東北向流動。這樣珠江口以西沿岸沖淡水與陸架高鹽水運動反向，流速剪切利于氣旋渦生成。河口之間的陸架水入侵、河口間沖淡水的氣旋型彎曲及陸架東北向流的剪切作用，導(dǎo)致了氣旋渦的形成。渦旋內(nèi)鹽度較高，表層的溫度也比其他區(qū)域低2～3 ℃，水溫與鹽度分布的等值線都向上抬升，顯示了上升流的存在。

綜上所述，粵西珠江口外在沖淡水西向擴展的形勢下，仍形成了密度躍層下的上升流。

3? ?上升流研究方法

3.1? 數(shù)據(jù)可視化與上升流強度指標

大多數(shù)沿岸上升流的研究都是通過數(shù)據(jù)可視化來展開。上升流數(shù)據(jù)來源一般有兩種：衛(wèi)星遙感觀測與現(xiàn)場調(diào)查。而衡量上升流強弱的強度指標從基本上可以分為兩種：以幾十年為時間單位的長周期強度指標和以季度或月份為時間單位的短周期強度指標。

3.1.1 長周期強度指標

沿岸上升流指數(shù)CUI是表征沿岸風(fēng)生上升流強弱的一個參數(shù)。它以海平面氣壓為初始資料，通過計算地轉(zhuǎn)風(fēng)、風(fēng)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）。

CUI可以用來描述和分析風(fēng)生上升流的特征，在北美西海岸、南美西海岸以至全世界的上升流系統(tǒng)中都得到廣泛應(yīng)用。隨著研究進一步深入，風(fēng)被認為是影響上升流的關(guān)鍵參數(shù)，其空間分辨率在確定CUI中起著重要作用。

我國研究人員定義了改良版CUI，并用它來量化沿著中國東南南部海岸（ECSC）的風(fēng)生上升流。

3.1.2 短周期強度指標

沿岸上升流以低溫和高鹽為特征，但SST本身具有明顯的年際變化，因此SST可能不適合做直接的上升流指數(shù)來評估上升流強度的年際變化。TPI表示中心像素與其周圍單元的平均SST的差異，可以有效地去除大規(guī)模背景溫度的年際信號[9]。

圖5顯示了2003至2016年間NSCS從六月到七月的平均TPI。從圖中可以看到：2004、2006、2009、2012和2014年，當?shù)仄骄L(fēng)異常向西南偏移時，上升流強度相對較弱，不利于沿岸上升流;2007、2008、2011、2015和2016年，當?shù)仄骄L(fēng)向為東北方向時，存在強烈的上升流強度，這有利于海岸上升流。

3.2? 數(shù)值模擬

20世紀80年代以來，海洋數(shù)值模擬上升流研究得到了廣泛應(yīng)用。

印度東海岸的沿海水循環(huán)早期缺乏觀測數(shù)據(jù)，研究人員通過三維數(shù)值模型的計算結(jié)果與有限的觀測數(shù)據(jù)比較，為印度東海岸同時存在強制淡水流和有利上升流的風(fēng)提供了明確證據(jù)，也為沿海海洋對局部地表風(fēng)應(yīng)力響應(yīng)的研究提供了支持。

海洋數(shù)值模擬在我國沿海地區(qū)同樣被廣泛應(yīng)用于上升流研究。白濤[10]等基于 Blumberg的 ECOMSED模式， 對長江口外海區(qū)域夏季的上升流現(xiàn)象進行了數(shù)值模擬。研究表明，長江口外水下河谷的南邊（杭州灣口門中心東側(cè)），上升流主要是由向北流動的臺灣暖流和陸坡的抬升共同作用產(chǎn)生的。夏季偏南風(fēng)對長江口外水下河谷西側(cè)上升流的產(chǎn)生有一定影響，但作用不大;經(jīng)志友[11]等同樣采用三維斜壓非線性數(shù)值模式ECOMSED，同時考慮地形、邊界流（臺灣暖流、黑潮和長江沖淡水）、熱通量及QuikSCAT風(fēng)場等動力因子，對閩浙沿岸上升流及其季節(jié)變化進行了數(shù)值研究。普林斯頓海洋模型（POM）被廣泛應(yīng)用于我國福建和廣東省沿岸的沿海上升流。

許多關(guān)于沿海上升流的研究已經(jīng)使用再分析風(fēng)或全球大氣模型產(chǎn)生的大尺度風(fēng)以強迫區(qū)域海洋模型，如ROMS。Alves[12] et al在研究中使用的該方法表明它確實能產(chǎn)生沿海上升流，但其結(jié)果受到風(fēng)數(shù)據(jù)缺乏空間細節(jié)的影響，這只能通過區(qū)域大氣模擬獲得。雖然這些結(jié)果并不意味著在許多應(yīng)用中需要完全耦合的模擬，但它們表明，在季節(jié)性數(shù)值研究中，這種模擬不會降低整體模型性能，并有助于產(chǎn)生更好的動態(tài)場。

4? ?上升流對生物的影響

4.1? 對漁業(yè)的影響

很多漁場的形成需要適宜的海表風(fēng)速、上升流流速以及上升流造成適宜漁場水溫環(huán)境這三個因素共同作用。

南海是我國的重要漁業(yè)產(chǎn)區(qū)，我國每年在這一海區(qū)的捕撈產(chǎn)量大約為 3×106 t。目前，國內(nèi)對上升流的研究主要集中在理化特性方面，與漁業(yè)資源相關(guān)聯(lián)的研究較少。夏季南海北部近岸及南海外海的上升流對南海營養(yǎng)鹽輸入起關(guān)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(guān)的理論支撐。南海漁場魚情預(yù)報技術(shù)還不成熟。由于南海北部陸架區(qū)漁業(yè)資源過度開發(fā)，近海漁業(yè)資源衰退，開發(fā)南海外海漁業(yè)成為南海漁業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要途徑，開展上升流漁場漁情預(yù)報技術(shù)研究，對開發(fā)外海漁業(yè)至關(guān)重要。

4.2? 對其他生物的影響

夏季南海北部浮游植物主要分布在50 m等深線以內(nèi)。瓊州海峽東部海域和汕頭海域浮游植物垂向分布較為均勻，上升流的貢獻均達到90%以上;珠江口和汕尾海域浮游植物存在表層和次表層兩個高值區(qū)，羽狀流貢獻 35%～40%，主要促進表層浮游植物生長，而上升流貢獻60%～65%，主要促進中底層浮游植物的生長;粵西海域上升流對浮游植物的貢獻占92%，主要促進中底層浮游植物生長，而表層浮游植物濃度極低。整體上來說，夏季南海北部上升流和羽狀流主要是通過輸送營養(yǎng)鹽的方式影響浮游植物的生長[14]。

5? ?上升流的研究應(yīng)用

近年來人工上升流研究蓬勃發(fā)展，人工誘導(dǎo)上升流是一種地球工程方法，它利用一些裝置將深層溫度較低且富含營養(yǎng)鹽的海水提升至表面，使上層含有較低營養(yǎng)鹽的地區(qū)得到補充，形成下層水和上層水的交換。

目前，世界海洋強國都加大了對人工上升流技術(shù)的研究力度。Isaacs[15] et al提出利用波浪能通過改變海水的密度層分布提取深層海水;美國夏威夷大學(xué)Liu[16] et al研制了波浪泵人工上升流裝置，其裝置結(jié)構(gòu)簡單、價格低廉、性能可靠、采用綠色可持續(xù)能源，但其流量有限，達不到浮游植物成長的營養(yǎng)濃度，無法滿足海洋生產(chǎn)力提升要求;2003 年，日本采用大型海洋平臺方案，以水泵抽水的方式實現(xiàn)海底營養(yǎng)鹽的提升，稱之為“拓?！毖b備。但該法耗能、耗資巨大、效率低下，所形成的人工上升流和自然上升流在特征上有很大區(qū)別，效果并不理想;2006 年，美國Atmocean[17]公司設(shè)計了兩種上升流裝置：一種為軟管上升流裝置，它利用波浪泵帶動活塞上下運動，? 從而將底層海水提升到表層。該裝置成本較低，但流量小;另一種為無管上升流裝置，它依靠波浪能提升海水，同時利用潮流能實現(xiàn)海水攪拌混合，使提升上來的海水以及營養(yǎng)物質(zhì)均勻散布在周圍的海水中。裝置上設(shè)有 GPS 定位系統(tǒng)，便于設(shè)備回收。其缺點是流量小、提升效率與交換效率不高。

目前我國海洋漁業(yè)強大的捕撈能力與有限的作業(yè)漁場、脆弱的資源基礎(chǔ)之間的矛盾日益尖銳，造成我國海洋漁業(yè)資源嚴重衰退、近岸海域的生態(tài)環(huán)境惡化趨勢加強。應(yīng)用人工誘導(dǎo)上升流的方法改善魚群自然生長的生態(tài)環(huán)境，擴大漁場作業(yè)范圍，形成新漁場成為了一個重要的手段。

人工誘導(dǎo)上升流技術(shù)多樣：水泵抽吸是指利用水泵直接抽吸底層海水產(chǎn)生上升流;海底結(jié)構(gòu)主要包括對海底地形改造形成人造海底山脈以及供魚類棲息的人工魚礁，該類海底結(jié)構(gòu)在海流作用下產(chǎn)生上升流;中國專利 CN103828742A公開了一種特殊的正六棱柱變形體結(jié)構(gòu)的人工魚礁，該結(jié)構(gòu)具有較大角度的引流面，能夠加大上升流流速，便于水體交換和營養(yǎng)鹽的循環(huán)。

我國對人工誘導(dǎo)上升流的研究與應(yīng)用方面相對于美國、日本等國家起步較晚，雖然取得了一些擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的人工誘導(dǎo)上升流的專利，但仍具有很大的提升空間，特別是在人工誘導(dǎo)手段的多樣化和新型綠色能源利用等方面。

6? ?總結(jié)與展望

沿海上升流的發(fā)生機制多樣。沿岸季風(fēng)可以導(dǎo)致海水偏轉(zhuǎn)從而遠離海岸，被迫離岸的海水需要下部海水上涌或爬坡以維持質(zhì)量平衡，從而形成上升流;而厄爾尼諾現(xiàn)象通過改變有利上升流的季風(fēng)風(fēng)向和風(fēng)速影響上升流強度;陸架環(huán)流與地形誘導(dǎo)上升流多發(fā)于不規(guī)則海岸線，由大尺度環(huán)流和地形之間的相互作用產(chǎn)生而產(chǎn)生，其輸送量有時不亞于風(fēng)生上升流;河流沖淡水引發(fā)沿岸上升流的案例較少，其動力機制是潮汐通道內(nèi)的重力環(huán)流，沖淡水在水位梯度下的離岸運動與鋒面下的密度梯度驅(qū)動底層水向岸補償?shù)慕Y(jié)果。

自上升流現(xiàn)象被發(fā)現(xiàn)，隨著觀測數(shù)據(jù)的增多以及科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，多種研究方法被應(yīng)用于上升流系統(tǒng)。由衛(wèi)星遙感觀測或現(xiàn)場實測的數(shù)據(jù)被用于數(shù)據(jù)可視化處理或數(shù)值模擬的研究，數(shù)據(jù)可視化的結(jié)果雖然真實、直觀，但因條件、方法有限，只能運用數(shù)據(jù)來對過去的上升流現(xiàn)象進行研究;數(shù)值模擬可以為有限的觀測結(jié)果提供模擬幫助以進行深入研究甚至可以強迫產(chǎn)生沿海上升流（ROMS），當然，后者需要更加完善的空間細節(jié);數(shù)值模擬也可以通過改變邊界條件或耦合其他因子而得出更加多樣性的結(jié)論，從而拓展沿海上升流系統(tǒng)的研究領(lǐng)域。

上升流與漁業(yè)關(guān)聯(lián)密切，很多漁場的形成離不開上升流為魚類帶來適宜的生存條件。我國通過一系列的上升流與漁場的研究，建立了許多漁場預(yù)報模型，對發(fā)展?jié)O業(yè)漁場漁情預(yù)報研究提出了可行性建議。同時，上升流促進浮游植物的生長，并對其他海洋生物也有一定影響。

值得一提的是，雖然我國對人工誘導(dǎo)上升流的研究與應(yīng)用方面相對其他國家起步較晚，但還是取得了一些像人工魚礁等擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的相關(guān)專利，在人工誘導(dǎo)多樣化和新型綠色能源方面還具有很大的提升空間。

盡管近年來上升流機制的相關(guān)研究與應(yīng)用取得一些顯著的進展，但仍有一些問題需要深入研究：上升流發(fā)生機制的研究多注重于季風(fēng)與地形作用，針對河流沖淡水或其他原因驅(qū)動的上升流研究較少;上升流作為漁業(yè)經(jīng)濟的主要支柱，其強度與持續(xù)時間對漁場至關(guān)重要，雖然漁場預(yù)報方面取得了許多研究進展，但針對如何誘導(dǎo)上升流強度增強或增加其持續(xù)時間等問題還需要進一步的觀測研究。

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