夏季舟山上升流長期遙感觀測與分析

周 楠,魏永亮*,夏武松,唐澤艷,袁新哲

(1. 上海海洋大學(xué) 海洋科學(xué)學(xué)院,上海 201306;2. 上海河口海洋測繪工程技術(shù)研究中心,上海 201306;3. 上海海洋大學(xué) 國際海洋研究中心,上海 201306;4. 國家海洋局東海預(yù)報中心,上海 200081;5. 國家衛(wèi)星海洋應(yīng)用中心,北京 100081)

引 言

上升流帶來的低溫高營鹽水,對環(huán)流和氣候特征以及漁業(yè)和養(yǎng)殖業(yè)發(fā)展具有重要作用[1-2]。舟山位于長江口南側(cè)、杭州灣外緣的東海海域,地理范圍29°32′～31°04′N,121°30′～123°25′E。舟山群島由九座小島組成,海區(qū)存在上升流現(xiàn)象,使得該海域成為我國的著名漁場,一直受到眾多海洋工作者的重視。

通過眾多海洋科研工作者的努力,人們對海洋中上升流的成因有了較好的認識,通常認為風(fēng)、海流和地形等因素在上升流形成過程中起著重要的作用[3-4]。毛漢禮等[5]在1964年首次指出浙江沿岸的上升流現(xiàn)象。胡敦欣[6]利用理論公式計算得到夏季浙江海域的垂直流速,最大垂直流速(上升流)產(chǎn)生在7月。劉先炳等[7]、潘玉球等[8]通過數(shù)值模擬,認為臺灣暖流經(jīng)過浙江沿岸海底等深線發(fā)散區(qū)引起深層海水涌升。倪婷婷等[9]通過數(shù)值模擬,認為當(dāng)下層水體由海向岸運動遇到地形阻礙時,水體將會穿越等深線向上運動,從而形成沿岸上升流。我國夏季盛行西南季風(fēng),潘玉萍等[10]認為,風(fēng)是影響閩浙沿岸近岸區(qū)上升流形成的重要因子,對于遠岸區(qū)上升流的形成影響不大。何青青等[11]通過特征分析,闡述了舟山夏季上升流的時空特征及其與風(fēng)場的關(guān)系。胡明娜等[12]通過SST資料分析了舟山及其鄰近海域上升流的物理特征和年際變化,且分析了風(fēng)場對于上升流的影響。

上升流上涌將海底低溫、高營養(yǎng)鹽的海水帶到海表面,葉綠素a資料是觀測上升流的重要依據(jù)。東海葉綠素a濃度呈現(xiàn)年周期性變化,3—4月為波峰,7—8月為波谷。地表徑流給東海近岸帶來大量營養(yǎng)鹽,利于藻類生長,故葉綠素a濃度高;東海外海受地表徑流影響小,故葉綠素a濃度低[13]。舟山海域葉綠素a分布具有明顯的季節(jié)性變化,2月和5月為低值,8月達到最高值[14-15]。胡明娜通過上升流區(qū)和非上升流區(qū)的溫差,分析舟山上升流的季節(jié)性變化。本文通過多年葉綠素a資料,對比上升流區(qū)和非上升流區(qū)的葉綠素a濃度,分析舟山夏季上升流區(qū)域7—8月葉綠素a濃度變化。目前沒有統(tǒng)一的上升流范圍的定義,研究舟山海域與外圍海域溫差范圍,來定義上升流區(qū)域邊界,這是值得研究的。本文以外圍海域(124°E)海表溫為基準,研究海域與其溫差作為閾值,結(jié)合葉綠素a資料,討論7、8月舟山海域邊界閾值,以該閾值作為依據(jù),可以嘗試預(yù)測其它年代舟山上升流大體位置。

1 資料和方法

1.1 SST數(shù)據(jù)

SST資料選用NOAA/AVHRR的全球日平均高分辨率海表溫度數(shù)據(jù)(GHRSST)源自于NASA JPL數(shù)據(jù)中心(ftp://ftp.nodc.noaa.gov/pub/data.nodc/ghrsst/L4/GLOB/JPL/MUR/)。時間范圍為2002—2011年7—8月,編寫程序批量預(yù)處理,將全球SST數(shù)據(jù)范圍裁剪為28°～32°N,120°～124°E,時間分辨率為每日,空間分辨率為0.01°×0.01°。將預(yù)處理好的SST數(shù)據(jù),做月平均處理,算出平均海表溫Tn(1)。以124°E上的海表溫為基準對其它經(jīng)度做差值計算,算出各點溫度差值d(i)(2),批量作研究海域的溫差等高圖。計算公式如下:

(2)d(i,j)=T(i,k)T(m,k),其中,d(i,j)表示某網(wǎng)格點與外圍海域溫度差值;T表示某網(wǎng)格點月平均SST;i表示經(jīng)度網(wǎng)格點;j表示緯度網(wǎng)格點;m表示124°E經(jīng)度網(wǎng)格點。

1.2 葉綠素a數(shù)據(jù)

葉綠素a濃度資料來源于Ocean Watch網(wǎng)站(https://oceanwatch.pifsc.noaa.gov/)提供的MODIS-21產(chǎn)品。時間范圍為2002—2011年7—8月,地理范圍為28°～32°N,120°～124°E,時間分辨率為每月,空間分辨率為0.1°×0.1°。編寫程序批量繪制葉綠素a散點分布圖,結(jié)合研究海域的溫差等高圖,研究統(tǒng)計舟山上升流區(qū)域外圍的溫度閾值。

2 結(jié)果分析

通過對舟山海域SST資料和葉綠素a資料整體分析表明,舟山上升流常年存在,SST明顯低于外圍海域,中心最高溫差平均達到1.5 ℃,且葉綠素a濃度較高。其分布區(qū)域集中在浙江沿岸以北(29°～31°N,122°～123°E),呈舌狀分布。大部分年份7月為上升流強勢期, 8月上升流強度減弱(2002、2009和2010年除外)。

2.1 舟山海域的物理特征

2007年7、8月舟山海域平均SST為26 ℃和26.5 ℃(見圖1),明顯低于外圍海域,中心最高溫差平均達到1.5～2 ℃。結(jié)合葉綠素a濃度圖像(見圖2),由于地表徑流對東海外圍海域影響較小,外海葉綠素a濃度低,而圖像顯示舟山海域葉綠素a濃度高于外圍海域,低溫現(xiàn)象明顯,故舟山海域存在上升流,這一現(xiàn)象年年存在。以2007年為例,舟山附近海域的平均葉綠素a濃度>10 mg/m3,比周圍海域葉綠素a濃度高6 mg/m3。從多年的葉綠素a濃度月平均圖像中,可以觀測到舟山上升流區(qū)域內(nèi)葉綠素a濃度的年變化特征。2002—2011年份期間,夏季高葉綠素a分布區(qū)域集中在浙江沿岸以北,呈舌狀分布。

圖1 2007年7、8月舟山月平均SST

圖2 2002—2011年7月舟山月平均葉綠素a分布

2.2 舟山上升流海域夏季葉綠素a濃度變化

舟山上升流空間分布在夏季具有較為明顯的變化。為更好地討論舟山海域夏季上升流變化,本文從舟山海域選取兩個區(qū)域,A上升流區(qū)(122.5°～123°E,30.5°～31°N)和B非上升流區(qū)(123.5°～124°E,30.5°～31°N),兩者面積相等且同緯度(見圖3)。利用A區(qū)域平均葉綠素a濃度近似表征上升流強度(見圖4),大部分年份的7月舟山上升流強勢,底層海水上涌到海表面,葉綠素a濃度較高;8月舟山上升流趨勢減弱,但其葉綠素a濃度依舊明顯高于外圍海域。7月,大部分年份上升流強度差異不大,平均葉綠素a濃度基本都高于6 mg/m3(2002、2009和2010年除外);8月,各年份上升流強度差異很明顯,說明了舟山上升流存在年際變化。同一年份7月與8月上升流強度差異很小,差值基本在0.2～0.7 mg/m3(2005、2008和2011年除外,其上升流強度差異較大,差值分別達到了4.05、2.2、4.93 mg/m3)。2002、2009和2010年的8月上升流強度高于7月,且二者強度差異較為明顯,造成此差異的可能原因有風(fēng)、海流和地形等引起舟山上升流的因素,具體引發(fā)機制,目前正在進一步研究。

圖3 2007年7月舟山月平均葉綠素a分布

圖4 2002—2011年7—8月A區(qū)域月平均葉綠素a濃度

利用A,B區(qū)域的平均葉綠素a濃度差近似表征上升流和非上升流的葉綠素a濃度差(見圖5)。從多年7月對比來看,7月為上升流強勢期的年份,A、B區(qū)域的差值差異相對穩(wěn)定,基本都在4 mg/m3以上(2009、2010年除外);而8月為上升流強勢期的2009和2010年,其7月A、B區(qū)域的差值相對其它年份明顯偏小,可以看出其7月上升流強度明顯弱于其他年份。從多年8月對比來看,2002、2009年A、B區(qū)域的差值明顯高于其它年份,而2005和2011年的差值明顯低于其它年份,結(jié)合圖4可以看出2005和2011年8月上升流強度明顯弱于其它年份。綜合7、8兩月來看,7月為上升流強勢期的大部分年份,7、8月的A、B區(qū)域差值差異很小(2005和2011年除外,其8月上升流強度不大),而2002、2009和2010年7、8月的A、B區(qū)域差值差異很大。每個月中,葉綠素a濃度差變化較大或較小的年份不一致,即舟山上升流存在年際變化。

圖5 2002—2011年7—8月A、B區(qū)域月平均葉綠素a差值

2.3 舟山上升流邊界溫度閾值

舟山上升流主要在29°～31°N,122°～123°E,呈長舌狀分布。結(jié)合葉綠素a濃度分布特征和海表溫度差值數(shù)據(jù),統(tǒng)計多年舟山上升流邊界的溫差,利用該溫差閾值定義舟山上升流邊界。以2002年為例(見圖6),7月舟山海域邊界與外圍海域(124°N)溫差在0.5 ℃,其中心最高溫差在1.25 ℃;8月,其溫差在0.75 ℃,中心最高溫差在1.5 ℃。根據(jù)多年舟山海域SST差值結(jié)合葉綠素a濃度圖(見圖7),統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)舟山上升流邊界與外圍海域溫差在0.75 ℃(2002、2005年溫差在0.5 ℃),將0.75 ℃定義為7月舟山上升流邊界溫度閾值,上升流區(qū)域中心溫差最高達到1.5 ℃。而上升流較為弱勢的8月,舟山上升流邊界與外圍海域溫差在0.5 ℃(2002、2007和2011年在0.75 ℃),將0.5 ℃定義為8月舟山上升流邊界溫度閾值,上升流區(qū)域中心溫差最高達到1.5 ℃。根據(jù)統(tǒng)計出的邊界溫度閾值,可以利用SST資料,作溫差等高圖,來嘗試預(yù)測其它年份舟山上升流的大體位置和范圍。

圖6 2002年7、8月SST差值結(jié)合葉綠素a圖像

圖7 2002—2011年7、8月閾值統(tǒng)計圖

3 結(jié)論

本文利用多年葉綠素a資料和SST資料分析舟山群島上升流的物理特征及其年際變化,還討論了舟山上升流邊界溫度閾值。通過上述分析可以得出以下結(jié)論:

(1)舟山海域夏季海表溫明顯低于外圍海域,中心平均溫差在1.5 ℃。上升流的存在伴隨葉綠素a濃度變化,所以夏季舟山海域葉綠素a濃度值的變化可以反映其上升流的變化。每年7月,舟山海域上升流最強盛,8月上升流強度相對減弱。結(jié)合葉綠素a資料,夏季上升流分布區(qū)域集中在浙江沿岸以北,呈舌狀分布。

(2)7月上升流強勢期,各年份上升流區(qū)域和非上升流區(qū)域葉綠素a濃度差異相對穩(wěn)定,都在4 mg/m3以上(2009、2010年除外)。而強度相對弱勢的8月,上升流區(qū)域和非上升流區(qū)域葉綠素a濃度的差值較大。每月不同年份的葉綠素a濃度變化較大,說明舟山上升流具有年際變化。

(3)涉及舟山上升流中心與外圍海域平均溫差的文章很多,但討論舟山上升流邊界溫度閾值的文章很少。結(jié)合葉綠素a濃度分布特征和海表溫度差值數(shù)據(jù),統(tǒng)計舟山上升流區(qū)域邊界閾值。大部分年份7月為上升流強勢期,其上升流邊界溫度閾值為0.75 ℃,中心最高溫差為1.5 ℃;8月上升流強度減弱,其上升流邊界溫度閾值為0.5 ℃,中心最高溫差為1.5 ℃。