沿岸上升流及其对海洋资源的影响

温浩 宏波 陈远明

摘    要：上升流是与海洋生物生态过程相耦合的海洋动力过程，其广泛分布于全球海洋生产力较高的海岸区，是当前国际海洋学多学科交叉研究的热点之一。研究上升流对改善海洋生态环境、开发绿色海洋资源、持续发展海洋经济具有重要意义。本文回顾了自20世纪70年代以来世界各国对上升流的研究进展，并对上升流的发生机制、研究方法、对生物的影响以及人工应用进行归纳分析，以期对我国上升流以及海洋资源的研究提供一些依据和新的思路。

关键词：上升流机制;海洋资源;人工应用

中图分类号：P76                                     文献标识码：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学循环、初级生产力和渔业有突出影响的海洋物理过程之一。在上升流区域内，底层营养盐被带到表层，为浮游植物的生长提供物质基础，进而为浮游动物、鱼类和虾类等生物提供良好的生存条件。研究沿海上升流对海洋资源的开发和利用，特别是对渔业生产具有重要意义。

目前我国海洋渔业的捕捞能力与有限渔场之间的矛盾日益尖锐，造成我国海洋渔业资源严重衰退、近岸海域的生态环境恶化，所以持续发展我国海洋经济和改善海洋生态环境迫在眉睫。

随着观测数据的积累和科学技术发展，上升流研究方法由简单的数据可视化发展为实测强度指标与数值模拟的结合，数值模型的选择也更加多样化，更有渔场预测、人工模拟上升流等应用出现。本文梳理了上升流的发生机制、研究方法、对生物带来的影响以及人工应用，对上升流的研究进展进行介绍。

2   上升流的发生机制

上升流是海水从深层向上涌升的过程。引发上升流的原因有很多，通常有风、地形及多种因素综合作用。

2.1  风产生上升流

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，其产生需要三个因素[1]：季风、固体边界和Coriolis effect。沿着非洲西北部海岸线的赤道向季风导致海水偏转远离海岸（Ekman运输），当被运输的海水以一定速度被迫离岸时需要下部海水上涌来维持质量平衡，从而形成上升流。

我国夏季的粤东沿岸最早被报道存在上升流[2-3]。管秉贤[4]等根据全国海洋普查资料，指出南海北部夏季西南风驱动了琼东和粤东上升流。

2.2  陆架环流与地形诱导形成上升流

澳洲东部陆架附近的研究表明，存在一种新的上升流机制，即在海峡内西风停止时在陡峭倾斜的塔斯马尼亚陆架上的残余极向流动在海峡口附近稍缓倾斜的地形上形成的环流分离。与Ekman上升流不同，这里的上升流本质上是一种地下现象，其表面温度变化可能很少或没有特征[5]。

当中国南海北部有利上升流的季风消失时，大尺度环流和地形之间的相互作用会产生海水的地形诱导上涌。观测表明，较长时期的下行局部风可以减弱沿岸流，并减弱地表水上涌。然而依然有寒冷的近底水上升到斜坡，并且发生在海平面下20 ～100 m之间。地形诱导的上升流与表面风力上升流相当，并且对上升流强度的贡献比近岸陆架区域局部风更强。而加宽的陆架增大了汕尾外海和台湾浅滩西侧的底部摩擦力，从而通过底Ekman输运和抽吸作用加强了该区域的上升流强度[6-7]。

2.3  冲淡水补偿产生上升流

目前对冲淡水、径流影响上升流方面的研究只覆盖了上升流与河口羽流的相对作用，冲淡水驱动上升流的案例相对较少。

河流羽流和上升流循环之间存在相互作用的过程，羽流中的浮力通过加强羽流中的向海运输和其下方的向岸运输来改变风驱动的上升流循环，其冲淡水影响沿岸流的动力机制是其浮力输入增强了上层水体的层结和风应力做功的效率，从而增强了表层的Ekman离岸输送。

夏华永[8]等观察到粤西珠江口外冲淡水为西向扩展趋势，与风向相反，得出了风力不是粤西珠江口外上升流形成的主要动力;而是通过伶仃洋潮汐通道内的重力环流，冲淡水在水位梯度下离岸运动，锋面下的密度梯度驱动底层水向岸补偿的结果。珠江口门径流进入伶仃洋后，湾顶水位高于湾外，水位梯度驱动表层冲淡水向湾外扩展，而底层水体则由于湾外密度远大于湾顶密度，驱动底层水体向湾顶流动（见图2）。

冲淡水西向而行的另一个原因是存在高盐水团楔入，这种高盐水低温表层水的分布与中尺度气旋涡有关：冲淡水从河口向外扩展，而河口之间高盐水则在涨潮过程中向岸输送（如图3所示），冲淡水在口门外经反气旋地转调整，河口之间海流则呈气旋型弯曲;而在冲淡水扩散形成的锋面以外（大致以盐度33等值线为界）的区域，海水受西南季风的驱动向东北向流动。这样珠江口以西沿岸冲淡水与陆架高盐水运动反向，流速剪切利于气旋涡生成。河口之间的陆架水入侵、河口间冲淡水的气旋型弯曲及陆架东北向流的剪切作用，导致了气旋涡的形成。涡旋内盐度较高，表层的温度也比其他区域低2～3 ℃，水温与盐度分布的等值线都向上抬升，显示了上升流的存在。

综上所述，粤西珠江口外在冲淡水西向扩展的形势下，仍形成了密度跃层下的上升流。

3   上升流研究方法

3.1  數据可视化与上升流强度指标

大多数沿岸上升流的研究都是通过数据可视化来展开。上升流数据来源一般有两种：卫星遥感观测与现场调查。而衡量上升流强弱的强度指标从基本上可以分为两种：以几十年为时间单位的长周期强度指标和以季度或月份为时间单位的短周期强度指标。

3.1.1 长周期强度指标

沿岸上升流指数CUI是表征沿岸风生上升流强弱的一个参数。它以海平面气压为初始资料，通过计算地转风、风应力，最后得到垂直于海岸每百米岸线的 Ekman 输送值，记为沿岸上升流指数（CUI）。

CUI可以用来描述和分析风生上升流的特征，在北美西海岸、南美西海岸以至全世界的上升流系统中都得到广泛应用。随着研究进一步深入，风被认为是影响上升流的关键参数，其空间分辨率在确定CUI中起着重要作用。

我国研究人员定义了改良版CUI，并用它来量化沿着中国东南南部海岸（ECSC）的风生上升流。

3.1.2 短周期强度指标

沿岸上升流以低温和高盐为特征，但SST本身具有明显的年际变化，因此SST可能不适合做直接的上升流指数来评估上升流强度的年际变化。TPI表示中心像素与其周围单元的平均SST的差异，可以有效地去除大规模背景温度的年际信号[9]。

图5显示了2003至2016年间NSCS从六月到七月的平均TPI。从图中可以看到：2004、2006、2009、2012和2014年，当地平均风异常向西南偏移时，上升流强度相对较弱，不利于沿岸上升流;2007、2008、2011、2015和2016年，当地平均风向为东北方向时，存在强烈的上升流强度，这有利于海岸上升流。

3.2  数值模拟

20世纪80年代以来，海洋数值模拟上升流研究得到了广泛应用。

印度东海岸的沿海水循环早期缺乏观测数据，研究人员通过三维数值模型的计算结果与有限的观测数据比较，为印度东海岸同时存在强制淡水流和有利上升流的风提供了明确证据，也为沿海海洋对局部地表风应力响应的研究提供了支持。

海洋数值模拟在我国沿海地区同样被广泛应用于上升流研究。白涛[10]等基于 Blumberg的 ECOMSED模式， 对长江口外海区域夏季的上升流现象进行了数值模拟。研究表明，长江口外水下河谷的南边（杭州湾口门中心东侧），上升流主要是由向北流动的台湾暖流和陆坡的抬升共同作用产生的。夏季偏南风对长江口外水下河谷西侧上升流的产生有一定影响，但作用不大;经志友[11]等同样采用三维斜压非线性数值模式ECOMSED，同时考虑地形、边界流（台湾暖流、黑潮和长江冲淡水）、热通量及QuikSCAT风场等动力因子，对闽浙沿岸上升流及其季节变化进行了数值研究。普林斯顿海洋模型（POM）被广泛应用于我国福建和广东省沿岸的沿海上升流。

许多关于沿海上升流的研究已经使用再分析风或全球大气模型产生的大尺度风以强迫区域海洋模型，如ROMS。Alves[12] et al在研究中使用的该方法表明它确实能产生沿海上升流，但其结果受到风数据缺乏空间细节的影响，这只能通过区域大气模拟获得。虽然这些结果并不意味着在许多应用中需要完全耦合的模拟，但它们表明，在季节性数值研究中，这种模拟不会降低整体模型性能，并有助于产生更好的动态场。

4   上升流对生物的影响

4.1  对渔业的影响

很多渔场的形成需要适宜的海表风速、上升流流速以及上升流造成适宜渔场水温环境这三个因素共同作用。

南海是我国的重要渔业产区，我国每年在这一海区的捕捞产量大约为 3×106 t。目前，国内对上升流的研究主要集中在理化特性方面，与渔业资源相关联的研究较少。夏季南海北部近岸及南海外海的上升流对南海营养盐输入起关键作用，但南海外海上升流渔场的位置、形成及消亡时间还缺乏相关的理论支撑。南海渔场鱼情预报技术还不成熟。由于南海北部陆架区渔业资源过度开发，近海渔业资源衰退，开发南海外海渔业成为南海渔业可持续发展的重要途径，开展上升流渔场渔情预报技术研究，对开发外海渔业至关重要。

4.2  对其他生物的影响

夏季南海北部浮游植物主要分布在50 m等深线以内。琼州海峡东部海域和汕头海域浮游植物垂向分布较为均匀，上升流的贡献均达到90%以上;珠江口和汕尾海域浮游植物存在表层和次表层两个高值区，羽状流贡献 35%～40%，主要促进表层浮游植物生长，而上升流贡献60%～65%，主要促进中底层浮游植物的生长;粤西海域上升流对浮游植物的贡献占92%，主要促进中底层浮游植物生长，而表层浮游植物浓度极低。整体上来说，夏季南海北部上升流和羽状流主要是通过输送营养盐的方式影响浮游植物的生长[14]。

5   上升流的研究应用

近年来人工上升流研究蓬勃发展，人工诱导上升流是一种地球工程方法，它利用一些装置将深层温度较低且富含营养盐的海水提升至表面，使上层含有较低营养盐的地区得到补充，形成下层水和上层水的交换。

目前，世界海洋强国都加大了对人工上升流技术的研究力度。Isaacs[15] et al提出利用波浪能通过改变海水的密度层分布提取深层海水;美国夏威夷大学Liu[16] et al研制了波浪泵人工上升流装置，其装置结构简单、价格低廉、性能可靠、采用绿色可持续能源，但其流量有限，达不到浮游植物成长的营养浓度，无法满足海洋生产力提升要求;2003 年，日本采用大型海洋平台方案，以水泵抽水的方式实现海底营养盐的提升，称之为“拓海”装备。但该法耗能、耗资巨大、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区别，效果并不理想;2006 年，美国Atmocean[17]公司设计了两种上升流装置：一种为软管上升流装置，它利用波浪泵带动活塞上下运动，  从而将底层海水提升到表层。该装置成本较低，但流量小;另一种为无管上升流装置，它依靠波浪能提升海水，同时利用潮流能实现海水搅拌混合，使提升上来的海水以及营养物质均匀散布在周围的海水中。装置上设有 GPS 定位系统，便于设备回收。其缺点是流量小、提升效率与交换效率不高。

目前我国海洋渔业强大的捕捞能力与有限的作业渔场、脆弱的资源基础之间的矛盾日益尖锐，造成我国海洋渔业资源严重衰退、近岸海域的生态环境恶化趋势加强。应用人工诱导上升流的方法改善鱼群自然生长的生态环境，扩大渔场作业范围，形成新渔场成为了一个重要的手段。

人工诱导上升流技术多样：水泵抽吸是指利用水泵直接抽吸底层海水产生上升流;海底结构主要包括对海底地形改造形成人造海底山脉以及供鱼类栖息的人工鱼礁，该类海底结构在海流作用下产生上升流;中国专利 CN103828742A公开了一种特殊的正六棱柱变形体结构的人工鱼礁，该结构具有较大角度的引流面，能够加大上升流流速，便于水体交换和营养盐的循环。

我国对人工诱导上升流的研究与应用方面相对于美国、日本等国家起步较晚，虽然取得了一些拥有自主知识产权的人工诱导上升流的专利，但仍具有很大的提升空间，特别是在人工诱导手段的多样化和新型绿色能源利用等方面。

6   总结与展望

沿海上升流的发生机制多样。沿岸季风可以导致海水偏转从而远离海岸，被迫离岸的海水需要下部海水上涌或爬坡以维持质量平衡，从而形成上升流;而厄尔尼诺现象通过改变有利上升流的季风风向和风速影响上升流强度;陆架环流与地形诱导上升流多发于不规则海岸线，由大尺度环流和地形之间的相互作用产生而产生，其输送量有时不亚于风生上升流;河流冲淡水引发沿岸上升流的案例较少，其动力机制是潮汐通道内的重力环流，冲淡水在水位梯度下的离岸运动与锋面下的密度梯度驱动底层水向岸补偿的结果。

自上升流现象被发现，随着观测数据的增多以及科学技术的发展，多种研究方法被应用于上升流系统。由卫星遥感观测或现场实测的数据被用于数据可视化处理或数值模拟的研究，数据可视化的结果虽然真实、直观，但因条件、方法有限，只能运用数据来对过去的上升流現象进行研究;数值模拟可以为有限的观测结果提供模拟帮助以进行深入研究甚至可以强迫产生沿海上升流（ROMS），当然，后者需要更加完善的空间细节;数值模拟也可以通过改变边界条件或耦合其他因子而得出更加多样性的结论，从而拓展沿海上升流系统的研究领域。

上升流与渔业关联密切，很多渔场的形成离不开上升流为鱼类带来适宜的生存条件。我国通过一系列的上升流与渔场的研究，建立了许多渔场预报模型，对发展渔业渔场渔情预报研究提出了可行性建议。同时，上升流促进浮游植物的生长，并对其他海洋生物也有一定影响。

值得一提的是，虽然我国对人工诱导上升流的研究与应用方面相对其他国家起步较晚，但还是取得了一些像人工鱼礁等拥有自主知识产权的相关专利，在人工诱导多样化和新型绿色能源方面还具有很大的提升空间。

尽管近年来上升流机制的相关研究与应用取得一些显著的进展，但仍有一些问题需要深入研究：上升流发生机制的研究多注重于季风与地形作用，针对河流冲淡水或其他原因驱动的上升流研究较少;上升流作为渔业经济的主要支柱，其强度与持续时间对渔场至关重要，虽然渔场预报方面取得了许多研究进展，但针对如何诱导上升流强度增强或增加其持续时间等问题还需要进一步的观测研究。

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