南海中西部渔场上升流时空变化特征分析

于 杰 , 王新星 , 李永振, 陈国宝

(1.中国水产科学研究院南海水产研究所, 广东 广州 510300; 2.农业部南海渔业资源环境科学观测实验站,广东 广州 510300; 3.农业部南海区渔政局, 广东 广州 510080)

南海外海蕴藏着丰富的中上层渔业资源, 金枪鱼和鸢乌贼资源量大, 其中金枪鱼资源量达4.4×104~5.2×104t, 年可捕量为 1.7×104t[1-2]。我国从20世纪80年代恢复外海渔业生产, 目前渔业作业范围已覆盖到西沙群岛、中沙群岛、南沙群岛和西南陆架区[3-4], 2011年我国在南海中南部海域作业的渔船数量就有约 1 500艘[5-6], 但是在中西部海域进行生产作业的渔船数量较少, 而 2000~2006年越南每年有 34.4%~40.9%的刺网渔船集中到这一海域作业[7],南海中西部海域大部分位于我国九段线内(图1)。由于我国对这一海域的渔场和渔汛情况缺乏了解, 导致该地区的渔业开发滞后。

Duy等[8]指出每年西南季风期是南海中西部海域金枪鱼刺网渔业主要汛期, 研究证实该海域每年西南季风期都会有上升流产生, 上升流对底层营养盐的向上输运作用, 促进了上层的初级生产力水平,唐丹玲等[9]指出2006年夏季上升流使表层浮游植物浓度增加到4.5 mg/m3, 上升流对该渔场的形成起到重要作用[9-10]。目前, 国内外对这一上升流的研究主要集中在环境特征和物理机制方面[11-14], 对该上升流的长时间序列空间变动研究较少。研究上升流空间位置和持续时间的年际变动对了解中西部渔场渔汛信息具有重要意义。本文利用近10 a遥感风场和海表温度(Sea surface temperature, SST)数据, 研究南海中西部渔场上升流时空变化特征, 分析风场对上升流中心位置变动的影响, 最后简要分析了厄尔尼诺对该上升流的影响。研究成果可为我国开发中西部渔场提供参考。

1 数据与方法

1.1 研究区域

南海中西部渔场位于南海中部 12°N附近海域(图1), 处于热带季风区, 夏季在西南季风的影响下产生上升流[8-9], 上升流空间尺度可达到上千平方公里, 对海量SST影像进行分析, 发现上升流主要分布在 9.5°~15°N, 108°~113°E 范围内,因此选择这一区域作为研究区, 如图1中的黑色方框所示。

图1 研究区域及2011年7月22日的SST分布Fig.1 Study area and SST on July 22, 2011

1.2 数据与处理

2003~2005 年的SST数据采用Aqua卫星上的微波辐射计(AMSR-E)热红外数据, 空间分辨率为25 km;2006~2012年的SST数据为微波和热红外合成数据,来自 TMI、AMSR-E、WindSAT、Terra MODIS和Aqua MODIS传感器, 空间分辨率为9 km。数据下载网址为http: //www.remss.com。

2003~2006 年的风场数据采用 QuikSCAT数据(http: //podaac.jpl.nasa.gov/); 2007~2012年的风场数据采用A-SCAT数据(ftp: //ftp.ifremer.fr/ifremer)。两种数据的空间分辨率均为25 km。

为了分析研究区风场和 SST的时间序列特征,计算了日平均风速、日平均风向和日平均SST, 计算公式如表1所示。由于数据量大, 为了便于观察, 图2给出了10 d平均的风场和SST时间序列图。西南季风的起止时间根据风场时间序列图上风向的变化判断, 当风向首次呈西南向, 且持续10 d以上, 确定这个风向首次呈西南向的日期为西南季风的生成日期; 当风向转向, 并连续10 d以上未恢复西南向时,确定这个风向转向的日期为西南季风的消失日期(表2)。统计了每年西南季风期间呈现不同风向角的天数,以及天数最多的风向角期间不同风速出现的天数(图3)。上升流中心位置参照Cheng等[15]的方法, 定义为研究区域中最低温度所对应的点, 图4为10 d平均的上升流中心位置图。计算 2003~2012年每年西南季风期间的平均风速、风向、SST、上升流中心经度和上升流中心纬度(表1), 用于分析西南季风期平均风速和风向的年际变化对西南季风期平均SST及上升流中心位置年际变化的影响, 并计算它们的相关性, 如表3所示。厄尔尼诺数据下载地址为 http://www.cpc.ncep.noaa.gov/data/indices/sstoi.indices。

表3 风速和风向与2003~2012年西南季风期间年平均SST及年平均上升流中心的相关性Tab.3 Correlation coefficients between the wind speed and angle, and the annual SST and annual center of upwelling from 2003 to 2012

图3 2003~2012年西南季风期间不同风向和风速天数统计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 日均和年均风速、风向、SST及年均上升流中心位置计算公式Tab.1 Formula for daily and annual wind speed, wind angle, SST and annual position of upwelling center

2 结果与分析

2.1 南海中西部渔场风场及温度变化特征

2.1.1 风场

2003~2012 年西南季风基本上在 5月份形成,2005年和 2011年开始于 5月上旬, 2003、2004、2006、2007、2008和2009年开始于5月中旬, 2010年开始于5月下旬, 而2012年西南季风从4月下旬开始(图2a1~图2a10)。西南季风期一般在9月份结束, 2005、2006和2012年在9月上旬结束, 2004、2007和2010年在 9月中旬结束, 2003年于 9月下旬结束, 而2008、2009和 2011年于 10月初结束(图2a1~图2a10)。每年西南季风的持续时间在115~154 d, 平均129.4 d (表2)。

图2 2003~2012年风速和风向图(a1~a10)及SST时间序列(b1~b10)Fig.2 Variations of wind speed and angle (a1-a10), temporal distribution of SST (b1-b10) from 2003 to 2012

从图2a1~图2a10风场图上可以看到, 西南季风期间风力的大小发生变化, 各年份最大风速和最小风速差值在7.6~10.3 m/s, 平均最大风速为11.9 m/s,平均最小风速为2.4 m/s。年平均风速以2010年最小,为5.9 m/s, 其它年份年平均风速在6.3~6.9 m/s(表2)。西南季风期间, 风向也会由西南向转为其它方向,2003年、2004年和2006年有60%~70%的天数为西南风向, 2005年、2007年和2008年有70%~80%的天数呈西南风向, 2009年和2010年有80%~90%天数呈西南风向, 2011年和2012年有90%以上的天数呈西南风向(表2)。可见, 西南季风期风向角呈现间歇性变化, 近年来, 西南季风的持续天数有增加的趋势。

表2 2003~2012年西南季风时间特征及SST变化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, 风向角在 51°~60°的天数最多,为 123 d, 占总季风天数的 21.98%, 风向角在41°~50°、61°~70°、31°~40°、71°~80°、21°~30°、81°~90°、11°~20°、0°~10°的天数分别为 99、78、73、62、45、29、24和23 d, 分别占总季风天数的17.84%、14.05%、13.15%、11.17%、8.11%、5.23%、4.32%和4.14% (图3a)。2003~2012年, 西南季风期间, 风向角在 51°~60°的天数中, 有 38 d的平均风速在7.1~8.0 m/s, 风速在 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的天数分别为22、20、15、14、7、4、2 和 1 d(图3b)。

2.1.2 SST和上升流

2003~2012 年, 最高温度范围在 29.8~31.0℃,最低温度范围在27.6~29.5℃。其中, 2010年的最高温度和最低温度均大于其它年份。最低温度变化幅度较大, 除2003、2005和2010年最低温度大于28℃外, 其它年份最低温度均小于28℃, 2009和2011的最低温度最小, 为27.6℃(表2)。

南海中西部渔场每年在西南季风的作用下均会形成上升流[14]。温度是表征上升流强度的重要参数之一。西南季风期为南海的夏季, SST处于一年当中最高的时期, 由于上升流的作用, SST时间序列图上出现若干波峰和波谷交替现象, 随着风场变化, SST存在着不同幅度的波动(图2b1~图2b10)。用SST的大小表示上升流的强度, SST由峰值向谷值变化时说明上升流的强度增加, SST由谷值向峰值变化时说明上升流强度减弱。相关分析表明西南季风期平均风速年际变化与平均SST年际变化呈显著负相关(表3),说明当西南季风期间的平均风速增大时, 该年上升流的平均强度增加, 当平均风速减小时, 该年上升流的平均强度减弱。

2.2 上升流中心位置变动

2003~2012 年, 上升流中心呈现密集性分布, 中心位置空间变动范围为 11°~15°N, 109°~112°E。在纬向上, 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, 最低纬度可以到10°N, 2007和2010年上升流中心分布以12°N以北居多, 最高纬度可达15°N, 其它年份以12°N为中线分布于两侧, 大部分年份分布于11°~13°N。在经向分布上, 上升流中心从沿岸到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(图4)。

西南季风期间平均风速和风向角的年际变化如图5所示, 通过对比图4和图5, 可以发现不同年份风速和风向的变化影响上升流中心位置的整体分布,通过对年平均上升流中心与年平均风速和风向角的相关性分析(表3), 发现年平均风速与年平均上升流中心经度呈显著正相关, 与年平均上升流中心纬度负相关, 说明风速变动会影响到上升流中心在经向和纬向上的分布, 年平均风速增加时, 该年平均上升流中心在经向上往离岸方向移动, 在纬向上往低纬度移动, 反之, 年平均上升流中心在经向上往近岸方向移动, 在纬向上往高纬度移动。而年平均风向与年平均上升流中心纬向上的变动显著相关, 与年平均上升流中心经向上的变动不相关, 当年平均风向增强时, 年平均上升流中心向高纬度移动, 反之,向低纬度移动。

图5 2003~2012年西南季风期间平均风速和风向的年际变化Fig.5 The annual variations of wind speed and angle from 2003 to 2012

2.3 厄尔尼诺对上升流的影响

厄尔尼诺起源于太平洋赤道, 在全球尺度上对气候产生影响。作为太平洋的边缘海, 南海必然受到厄尔尼诺的影响。一般将海温距平指数(NINO3)至少连续 6个月≥0.5℃(≤–0.5℃)定义为一次厄尔尼诺(拉尼娜)事件[16], 2009~2011年NINO3值见表4, 可以看到2009年6月有一个厄尔尼诺现象形成, 一直持续到2010年4月。图6a和图6b分别是2008年8月9日非厄尔尼诺年和2009年8月9日厄尔尼诺年SST分布图, 对比两张图可以看到厄尔尼诺年上升流的范围远大于非厄尔尼诺年, 此外, 从表2中也可以看出厄尔尼诺年西南季风期间的最低温度大于其它非厄尔尼诺年, 表明厄尔尼诺对此上升流加强作用。Kuo等[17]研究证实 1997~1998年厄尔尼诺现象也导致此上升流增强, 研究结果与本文一致。

图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 讨论

3.1 上升流与南海中西部渔场的关系

南海中西部渔场是非常重要的金枪鱼渔场[18-19]。Long等[20]调查指出2000~2004年西南季风期间, 在6.5°~16.5°N, 107.5°~113°E 范围存在一个金枪鱼作业区, 中心渔场有两个, 其中, 主要中心渔场位于11°N以南, 正好与本研究中上升流中心的范围一致。Long等[20]指出南海中西部金枪鱼渔场的汛期从5月(或4月)持续到8月(或 9月)。这与本文对西南季风周期的研究结果相似, 2003~2012年西南季风的开始时间基本在 5月份(4月末), 结束时间可以到 9月或 10月初(表2)。说明南海中西部渔场的汛期与西南季风的起始时间相对应。Aussanee[18]指出南海中西部渔场金枪鱼主要活动水层在50~90 m的深度, 正好与该区域上升流浮游植物最大值所处的水层相同[9,21]。

Tang等[9]研究表明, 每年西南季风期间在这一区域均会形成上升流, 本文通过对2003~2012年SST的分析再次证实了这一现象。上升流向海洋上层输运营养盐, 增加上层水体浮游植物浓度[21], 形成高初级生产力区, 通常会成为较好的渔场。西南季风期间, 研究区形成一条自沿岸向南海中部延伸的顺时针涡状高Chl-a水体, 成为南海中西部渔场营养盐的重要来源[9]。

南海北部的琼东上升流、粤东上升流和台湾浅滩上升流均是非常优越的渔场[22-23]。南海中西部渔场的形成与上升流密切相关, 与琼东上升流相似,南海中西部上升流也是间歇性[24]。2003~2012年西南季风持续时间呈现增加的现象, 说明上升流持续时间有增加的趋势, 对南海中西部渔场渔业资源有可能有积极影响。与南沙渔场和西南陆架渔场相比, 南海中西部渔场更靠近中国大陆, 其上升流空间尺度最大可以达到清澜渔场上升流空间尺度的 2倍以上[25],可能成为我国外海渔业开发的优良潜在渔场。

3.2 南海中西部上升流中心位置及其变动与西南季风的关系

Lau等[26]认为南海中西部上升流的形成与西南季风有关。西南季风期间, 风向与越南东海岸近似平行, 在海表风的作用下, 将近岸水体携带至外海, 引起近岸底层低温海水向海洋上层涌升, 形成上升流。南海中西部上升流中心空间变动范围在 11°~15°N,109°~112°E之间, 通过对Xie[27]的研究进行分析, 发现 1999~2002年此上升流的中心位置处于相同范围内, 此外, 对Kuo等[25]的研究进行分析得出相同结论。说明此上升流中心位置的变动范围是相对固定的。

Kuo等[28]研究发现南海中西部上升流强度与经向风应力的相关系数为 0.88, 说明了风是影响上升流强度的重要参数。Xie[27]指出在反气旋涡流和东北向海流的作用下, 将低温海水输运到中部, 形成中心位置的偏离现象, 反气旋涡流和东北向海流的形成与也与西南季风有关。可见, 风场对上升流的发生和发展演变起着关键作用[29]。本文研究同样证实上升流中心位置变动与西南季风有关, 从年际变化角度, 当西南季风期平均风速增大时, 该年年平均上升流中心向离岸方向和低纬度移动, 风速减小时,年平均上升流中心向近岸方向和高纬度移动; 当西南季风期平均风向角增加时, 该年平均上升流中心向 12°N以北的高纬度偏移, 当风向角减小时, 年平均上升流中心向12°N以南低纬度偏移。

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