海洋升降流動力學(xué)機(jī)制及其生態(tài)環(huán)境效應(yīng)探討

劉金林 李崇翔 曹軒 喬橋 張馨予 王鈺珺 夏菁 張建恒 李娟英

摘 要：本文系統(tǒng)闡述了洋流及升降流的概念，從理論的角度探討其產(chǎn)生機(jī)制。此外介紹了海洋升降流動力學(xué)機(jī)制與生態(tài)環(huán)境效益之間的聯(lián)系，針對生態(tài)效應(yīng)展開分析。分別闡述其與著名漁場形成的相關(guān)聯(lián)系以及在污染物擴(kuò)散中所造成的影響等，具有重要的啟示意義。

關(guān)鍵詞：海洋; 洋流; 升降流; 生態(tài)效應(yīng); 漁場; 污染擴(kuò)散; 核泄漏

中圖分類號：Q178? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? 文章編號：1006-3315（2021）7-102-002

1.洋流的概念

洋流又稱海流。指的是除了由引潮力引起的周期性潮汐運(yùn)動外，海水沿著一定方向的大規(guī)模流動。洋流的成因主要有以下幾種：行星風(fēng)系、大氣運(yùn)動、海水密度差異、陸地地形和地轉(zhuǎn)偏向力等。暖流流經(jīng)的海域和沿岸地區(qū)，一般氣溫高且空氣濕潤。例如歐洲的西部、北部地區(qū)氣溫均比同緯度地區(qū)高。寒流則會引起海區(qū)氣溫降低且降水減少。

引起海流運(yùn)動的主要動力有兩種：直接作用于海面的風(fēng)應(yīng)力，以及熱鹽效應(yīng)（造成海水密度分布不均勻性）形成的動力。其中，風(fēng)海流的主要動力是盛行風(fēng)。由于海岸及海底的阻隔作用，海流在近海（海表層及海底層）的情況與在開闊海洋處有著明顯的差別。

2.升降流的產(chǎn)生過程

升降流是海洋環(huán)流運(yùn)動的重要環(huán)節(jié)。表層流場在水平方向輻散，此時表層海水缺失。這就使得表層以下的海水作垂直上升的流動以補(bǔ)充表層缺失的海水，該過程被稱為上升流。另一方面，因表層流場的水平輻合造成區(qū)域內(nèi)表層海水過多，海水由此開始自海面做垂直下降的流動，該過程被稱為下降流。二者合稱升降流。

升降流的產(chǎn)生與風(fēng)密切相關(guān)。在北半球海域，當(dāng)風(fēng)沿著與海岸平行（位于風(fēng)向的左側(cè)）的方向吹刮時，由于地轉(zhuǎn)偏向力的作用，風(fēng)吹刮形成的風(fēng)飄流促使表層海水遠(yuǎn)離海岸。此時下層海水上升形成上升流，并在遠(yuǎn)海處形成下降流。而在迎風(fēng)處的海岸地區(qū)升降流形成過程則與之相反，風(fēng)力推動表層海水不斷涌向海岸，造成沿岸水位持續(xù)上升繼而產(chǎn)生增水現(xiàn)象。這迫使沿岸區(qū)域處海水下沉形成下降流，上升流也相應(yīng)產(chǎn)生[1-2]。

南半球海域也存在著較為明顯的上升流現(xiàn)象。季風(fēng)沿岸線吹刮會導(dǎo)致大面積上升流的形成，已知全球上升流最強(qiáng)海域，位于索馬里和阿拉伯半島東側(cè)海岸帶區(qū)域。

3.升降流的生態(tài)效應(yīng)

3.1與漁場的形成息息相關(guān)

上升流顯著的海區(qū)容易形成著名的漁場。全球四大漁場形成的機(jī)制已知有兩種，一種是位于寒流和暖流交匯處，寒暖流交匯使得水體環(huán)境發(fā)生變化，魚類因擾動不敢貿(mào)然向前，于是在交匯處大量聚集。此外，寒暖流交匯促使海水?dāng)噭樱óa(chǎn)生升降流），深水區(qū)大量的海水營養(yǎng)物質(zhì)（磷酸鹽、硝酸鹽等）被帶到表層，這為生態(tài)系統(tǒng)提供了充足的營養(yǎng)物質(zhì)。例如，北海漁場、北海道漁場、紐芬蘭漁場均位于寒暖流交匯處。北海漁場是位于北大西洋暖流和東格陵蘭寒流的交匯處;北海道漁場是位于日本暖流和千島寒流交匯處;紐芬蘭漁場位于墨西哥灣暖流和拉布拉多寒流交匯處。

此外，大型漁場的另一種形成機(jī)制是直接受到升降流的影響。例如秘魯漁場。由于受東南信風(fēng)的影響，風(fēng)從岸邊吹向太平洋，導(dǎo)致岸邊海水不斷減少。底層的海水上升補(bǔ)充產(chǎn)生上升補(bǔ)償流，將大量的營養(yǎng)物質(zhì)帶至表層，繼而促進(jìn)海域浮游生物的生長與繁殖。這為魚群提供了豐富的餌料。

3.2加速污染物擴(kuò)散——以福島核泄漏事件為例

2011年3月，日本近海發(fā)生9.0級地震并引發(fā)大規(guī)模海嘯。海浪損毀了福島核電站的防護(hù)設(shè)施，造成電網(wǎng)中斷。隨后核反應(yīng)堆溫度迅速上升并引發(fā)劇烈爆炸。由此大量放射性粉塵被拋灑至環(huán)境之中。此外，日本政府早期對反應(yīng)堆進(jìn)行降溫時使用了大量海水并直排入海，這也造成大量放射性污水泄漏。

大量泄露的放射性污水對海洋生態(tài)影響嚴(yán)重。法國科研團(tuán)隊研究發(fā)現(xiàn)，福島附近海域（約360平方海里范圍內(nèi)）出現(xiàn)放射性異常。海域內(nèi)可檢測到多種放射性同位素，海水中放射性活度達(dá)到10000貝可/升[3]。而事故發(fā)生之前，福島附近海域的銫-137放射性活度背景值僅為0.003貝可/升，且無法檢測到碘-131[4]。福島核事故不僅影響日本周圍海域生態(tài)環(huán)境，還直接威脅到國際海洋生態(tài)安全。由于生態(tài)系統(tǒng)的整體性，世界任何海域都難以獨(dú)善其身。日本沿岸洋流會將受核輻射污染的海洋生物等帶至其余海域。此外，放射性核素會進(jìn)入食物鏈，進(jìn)而參與海洋生態(tài)循環(huán)，影響生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能，對海洋生態(tài)健康和安全造成難以清除的危害。

也有中國學(xué)者通過海洋環(huán)流模型展開預(yù)測，結(jié)果表明在核泄漏物質(zhì)進(jìn)入海洋的前提下，其通過海洋表層通道向東輸運(yùn)緩慢得多，50天后到達(dá)150°E左右，且影響范圍僅在一條狹窄條帶內(nèi)。德國學(xué)者也對此開展預(yù)測，核泄漏事故發(fā)生10年后，放射性物質(zhì)在洋流等作用下基本擴(kuò)散至整個大洋[5]，雖然濃度不會處于較高水平，但在考慮“生物富集作用”的前提下，仍需慎重食用相關(guān)海域產(chǎn)出的海產(chǎn)品，尤其是慎重食用處于較高營養(yǎng)級的海洋生物[6-8]。

4.結(jié)語

雖然海洋升降流動力機(jī)制十分簡單，但其與漁場等的形成息息相關(guān)，為人類帶來了寶貴的財富。此外升降流（環(huán)流）的存在與地球的生態(tài)環(huán)境息息相關(guān)，也使得污染物的擴(kuò)散十分迅速且持久，保護(hù)地球生態(tài)，從降低污染做起。

基金項目：自然資源部大都市區(qū)國土空間生態(tài)修復(fù)工程技術(shù)創(chuàng)新中心開放課題（CXZX202006）;自然資源部海洋生態(tài)監(jiān)測與修復(fù)技術(shù)重點(diǎn)實驗室2020年度專項和開放基金（202008;202003）;國家重點(diǎn)研發(fā)計劃“藍(lán)色糧倉科技創(chuàng)新”專項（2018YFD0901500）;國家自然科學(xué)基金（41576163）;國家海洋局公益性科研專項（201205010）;駱肇蕘科創(chuàng)基金（A1200400201328）

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