海洋升降流动力学机制及其生态环境效应探讨

刘金林 李崇翔 曹轩 乔桥 张馨予 王钰珺 夏菁 张建恒 李娟英

摘 要：本文系统阐述了洋流及升降流的概念，从理论的角度探讨其产生机制。此外介绍了海洋升降流动力学机制与生态环境效益之间的联系，针对生态效应展开分析。分别阐述其与著名渔场形成的相关联系以及在污染物扩散中所造成的影响等，具有重要的启示意义。

关键词：海洋; 洋流; 升降流; 生态效应; 渔场; 污染扩散; 核泄漏

中图分类号：Q178          文献标识码：A        文章编号：1006-3315（2021）7-102-002

1.洋流的概念

洋流又称海流。指的是除了由引潮力引起的周期性潮汐运动外，海水沿着一定方向的大规模流动。洋流的成因主要有以下几种：行星风系、大气运动、海水密度差异、陆地地形和地转偏向力等。暖流流经的海域和沿岸地区，一般气温高且空气湿润。例如欧洲的西部、北部地区气温均比同纬度地区高。寒流则会引起海区气温降低且降水减少。

引起海流运动的主要动力有两种：直接作用于海面的风应力，以及热盐效应（造成海水密度分布不均匀性）形成的动力。其中，风海流的主要动力是盛行风。由于海岸及海底的阻隔作用，海流在近海（海表层及海底层）的情况与在开阔海洋处有着明显的差别。

2.升降流的产生过程

升降流是海洋环流运动的重要环节。表层流场在水平方向辐散，此时表层海水缺失。这就使得表层以下的海水作垂直上升的流动以补充表层缺失的海水，该过程被称为上升流。另一方面，因表层流场的水平辐合造成区域内表层海水过多，海水由此开始自海面做垂直下降的流动，该过程被称为下降流。二者合称升降流。

升降流的产生与风密切相关。在北半球海域，当风沿着与海岸平行（位于风向的左侧）的方向吹刮时，由于地转偏向力的作用，风吹刮形成的风飘流促使表层海水远离海岸。此时下层海水上升形成上升流，并在远海处形成下降流。而在迎风处的海岸地区升降流形成过程则与之相反，风力推动表层海水不断涌向海岸，造成沿岸水位持续上升继而产生增水现象。这迫使沿岸区域处海水下沉形成下降流，上升流也相应产生[1-2]。

南半球海域也存在着较为明显的上升流现象。季风沿岸线吹刮会导致大面积上升流的形成，已知全球上升流最强海域，位于索马里和阿拉伯半岛东侧海岸带区域。

3.升降流的生态效应

3.1与渔场的形成息息相关

上升流显著的海区容易形成著名的渔场。全球四大渔场形成的机制已知有两种，一种是位于寒流和暖流交汇处，寒暖流交汇使得水体环境发生变化，鱼类因扰动不敢贸然向前，于是在交汇处大量聚集。此外，寒暖流交汇促使海水搅动（产生升降流），深水区大量的海水营养物质（磷酸盐、硝酸盐等）被带到表层，这为生态系统提供了充足的营养物质。例如，北海渔场、北海道渔场、纽芬兰渔场均位于寒暖流交汇处。北海渔场是位于北大西洋暖流和东格陵兰寒流的交汇处;北海道渔场是位于日本暖流和千岛寒流交汇处;纽芬兰渔场位于墨西哥湾暖流和拉布拉多寒流交汇处。

此外，大型渔场的另一种形成机制是直接受到升降流的影响。例如秘鲁渔场。由于受东南信风的影响，风从岸边吹向太平洋，导致岸边海水不断减少。底层的海水上升补充产生上升补偿流，将大量的营养物质带至表层，继而促进海域浮游生物的生长与繁殖。这为鱼群提供了丰富的饵料。

3.2加速污染物扩散——以福岛核泄漏事件为例

2011年3月，日本近海发生9.0级地震并引发大规模海啸。海浪损毁了福岛核电站的防护设施，造成电网中断。随后核反应堆温度迅速上升并引发剧烈爆炸。由此大量放射性粉尘被抛洒至环境之中。此外，日本政府早期对反应堆进行降温时使用了大量海水并直排入海，这也造成大量放射性污水泄漏。

大量泄露的放射性污水对海洋生态影响严重。法国科研团队研究发现，福岛附近海域（约360平方海里范围内）出现放射性异常。海域内可检测到多种放射性同位素，海水中放射性活度达到10000贝可/升[3]。而事故发生之前，福岛附近海域的铯-137放射性活度背景值仅为0.003贝可/升，且无法检测到碘-131[4]。福岛核事故不仅影响日本周围海域生态环境，还直接威胁到国际海洋生态安全。由于生态系统的整体性，世界任何海域都难以独善其身。日本沿岸洋流会将受核辐射污染的海洋生物等带至其余海域。此外，放射性核素会进入食物链，进而参与海洋生态循环，影响生态系统结构和功能，对海洋生态健康和安全造成难以清除的危害。

也有中国学者通过海洋环流模型展开预测，结果表明在核泄漏物质进入海洋的前提下，其通过海洋表层通道向东输运缓慢得多，50天后到达150°E左右，且影响范围仅在一条狭窄条带内。德国学者也对此开展预测，核泄漏事故发生10年后，放射性物质在洋流等作用下基本扩散至整个大洋[5]，虽然浓度不会处于较高水平，但在考虑“生物富集作用”的前提下，仍需慎重食用相關海域产出的海产品，尤其是慎重食用处于较高营养级的海洋生物[6-8]。

4.结语

虽然海洋升降流动力机制十分简单，但其与渔场等的形成息息相关，为人类带来了宝贵的财富。此外升降流（环流）的存在与地球的生态环境息息相关，也使得污染物的扩散十分迅速且持久，保护地球生态，从降低污染做起。

基金项目：自然资源部大都市区国土空间生态修复工程技术创新中心开放课题（CXZX202006）;自然资源部海洋生态监测与修复技术重点实验室2020年度专项和开放基金（202008;202003）;国家重点研发计划“蓝色粮仓科技创新”专项（2018YFD0901500）;国家自然科学基金（41576163）;国家海洋局公益性科研专项（201205010）;骆肇荛科创基金（A1200400201328）

参考文献：

[1]Aziz H.， Popovic Z.， Tripp C.P.， et al. Variability of the path of Kuroshio ocean current over the past 25，000 years[J] Nature， 1998， 392（6676）：592-595

[2]刘兴泉，侯一筠，尹宝树，等.长江口及其邻近海区环流和温、盐结构动力学研究Ⅲ温度结构[J]海洋与湖沼，2015，46（3）：526-533

[3]方陵生.核泄漏将给海洋生物带来重大影响[J]世界科学，2011，5：57-58

[4]乔方利，王关锁，赵伟，等.2011年3月日本福岛核泄漏物质运输扩散路径的情景模拟和预测[J]科学通报，2011，56（12）：887-894

[5]Behrens E.， Schwarzkopf F.U.， Lübbecke J.F.， et al. Model simulations on the long-term dispersal of137Cs released into the Pacific Ocean off Fukushima[J]Environmental Research Letters， 2012， 7（3）：034004

[6]唐峰华，张胜茂，吴祖立，等.核素137Cs在北太平洋典型生物体内的分布与富集[J]生态环境学报，2016，25（10）：1684-1692

[7]李子超，周涛，石顺等.核泄漏事故核素近海迁移中各因素影响分析[J]哈尔滨工程大学学报，2020，41（6）：907-912

[8]朱国念，郭江峰，孙锦荷.应用14C核素研究草甘膦在水域生态系中的迁移、生物富集与消失动态[J]核农学报，2002，3：185-190