夏季舟山上升流长期遥感观测与分析

周 楠,魏永亮*,夏武松,唐泽艳,袁新哲

(1. 上海海洋大学 海洋科学学院,上海 201306;2. 上海河口海洋测绘工程技术研究中心,上海 201306;3. 上海海洋大学 国际海洋研究中心,上海 201306;4. 国家海洋局东海预报中心,上海 200081;5. 国家卫星海洋应用中心,北京 100081)

引 言

上升流带来的低温高营盐水,对环流和气候特征以及渔业和养殖业发展具有重要作用[1-2]。舟山位于长江口南侧、杭州湾外缘的东海海域,地理范围29°32′～31°04′N,121°30′～123°25′E。舟山群岛由九座小岛组成,海区存在上升流现象,使得该海域成为我国的著名渔场,一直受到众多海洋工作者的重视。

通过众多海洋科研工作者的努力,人们对海洋中上升流的成因有了较好的认识,通常认为风、海流和地形等因素在上升流形成过程中起着重要的作用[3-4]。毛汉礼等[5]在1964年首次指出浙江沿岸的上升流现象。胡敦欣[6]利用理论公式计算得到夏季浙江海域的垂直流速,最大垂直流速(上升流)产生在7月。刘先炳等[7]、潘玉球等[8]通过数值模拟,认为台湾暖流经过浙江沿岸海底等深线发散区引起深层海水涌升。倪婷婷等[9]通过数值模拟,认为当下层水体由海向岸运动遇到地形阻碍时,水体将会穿越等深线向上运动,从而形成沿岸上升流。我国夏季盛行西南季风,潘玉萍等[10]认为,风是影响闽浙沿岸近岸区上升流形成的重要因子,对于远岸区上升流的形成影响不大。何青青等[11]通过特征分析,阐述了舟山夏季上升流的时空特征及其与风场的关系。胡明娜等[12]通过SST资料分析了舟山及其邻近海域上升流的物理特征和年际变化,且分析了风场对于上升流的影响。

上升流上涌将海底低温、高营养盐的海水带到海表面,叶绿素a资料是观测上升流的重要依据。东海叶绿素a浓度呈现年周期性变化,3—4月为波峰,7—8月为波谷。地表径流给东海近岸带来大量营养盐,利于藻类生长,故叶绿素a浓度高;东海外海受地表径流影响小,故叶绿素a浓度低[13]。舟山海域叶绿素a分布具有明显的季节性变化,2月和5月为低值,8月达到最高值[14-15]。胡明娜通过上升流区和非上升流区的温差,分析舟山上升流的季节性变化。本文通过多年叶绿素a资料,对比上升流区和非上升流区的叶绿素a浓度,分析舟山夏季上升流区域7—8月叶绿素a浓度变化。目前没有统一的上升流范围的定义,研究舟山海域与外围海域温差范围,来定义上升流区域边界,这是值得研究的。本文以外围海域(124°E)海表温为基准,研究海域与其温差作为阈值,结合叶绿素a资料,讨论7、8月舟山海域边界阈值,以该阈值作为依据,可以尝试预测其它年代舟山上升流大体位置。

1 资料和方法

1.1 SST数据

SST资料选用NOAA/AVHRR的全球日平均高分辨率海表温度数据(GHRSST)源自于NASA JPL数据中心(ftp://ftp.nodc.noaa.gov/pub/data.nodc/ghrsst/L4/GLOB/JPL/MUR/)。时间范围为2002—2011年7—8月,编写程序批量预处理,将全球SST数据范围裁剪为28°～32°N,120°～124°E,时间分辨率为每日,空间分辨率为0.01°×0.01°。将预处理好的SST数据,做月平均处理,算出平均海表温Tn(1)。以124°E上的海表温为基准对其它经度做差值计算,算出各点温度差值d(i)(2),批量作研究海域的温差等高图。计算公式如下:

(2)d(i,j)=T(i,k)T(m,k),其中,d(i,j)表示某网格点与外围海域温度差值;T表示某网格点月平均SST;i表示经度网格点;j表示纬度网格点;m表示124°E经度网格点。

1.2 叶绿素a数据

叶绿素a浓度资料来源于Ocean Watch网站(https://oceanwatch.pifsc.noaa.gov/)提供的MODIS-21产品。时间范围为2002—2011年7—8月,地理范围为28°～32°N,120°～124°E,时间分辨率为每月,空间分辨率为0.1°×0.1°。编写程序批量绘制叶绿素a散点分布图,结合研究海域的温差等高图,研究统计舟山上升流区域外围的温度阈值。

2 结果分析

通过对舟山海域SST资料和叶绿素a资料整体分析表明,舟山上升流常年存在,SST明显低于外围海域,中心最高温差平均达到1.5 ℃,且叶绿素a浓度较高。其分布区域集中在浙江沿岸以北(29°～31°N,122°～123°E),呈舌状分布。大部分年份7月为上升流强势期, 8月上升流强度减弱(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为26 ℃和26.5 ℃(见图1),明显低于外围海域,中心最高温差平均达到1.5～2 ℃。结合叶绿素a浓度图像(见图2),由于地表径流对东海外围海域影响较小,外海叶绿素a浓度低,而图像显示舟山海域叶绿素a浓度高于外围海域,低温现象明显,故舟山海域存在上升流,这一现象年年存在。以2007年为例,舟山附近海域的平均叶绿素a浓度>10 mg/m3,比周围海域叶绿素a浓度高6 mg/m3。从多年的叶绿素a浓度月平均图像中,可以观测到舟山上升流区域内叶绿素a浓度的年变化特征。2002—2011年份期间,夏季高叶绿素a分布区域集中在浙江沿岸以北,呈舌状分布。

图1 2007年7、8月舟山月平均SST

图2 2002—2011年7月舟山月平均叶绿素a分布

2.2 舟山上升流海域夏季叶绿素a浓度变化

舟山上升流空间分布在夏季具有较为明显的变化。为更好地讨论舟山海域夏季上升流变化,本文从舟山海域选取两个区域,A上升流区(122.5°～123°E,30.5°～31°N)和B非上升流区(123.5°～124°E,30.5°～31°N),两者面积相等且同纬度(见图3)。利用A区域平均叶绿素a浓度近似表征上升流强度(见图4),大部分年份的7月舟山上升流强势,底层海水上涌到海表面,叶绿素a浓度较高;8月舟山上升流趋势减弱,但其叶绿素a浓度依旧明显高于外围海域。7月,大部分年份上升流强度差异不大,平均叶绿素a浓度基本都高于6 mg/m3(2002、2009和2010年除外);8月,各年份上升流强度差异很明显,说明了舟山上升流存在年际变化。同一年份7月与8月上升流强度差异很小,差值基本在0.2～0.7 mg/m3(2005、2008和2011年除外,其上升流强度差异较大,差值分别达到了4.05、2.2、4.93 mg/m3)。2002、2009和2010年的8月上升流强度高于7月,且二者强度差异较为明显,造成此差异的可能原因有风、海流和地形等引起舟山上升流的因素,具体引发机制,目前正在进一步研究。

图3 2007年7月舟山月平均叶绿素a分布

图4 2002—2011年7—8月A区域月平均叶绿素a浓度

利用A,B区域的平均叶绿素a浓度差近似表征上升流和非上升流的叶绿素a浓度差(见图5)。从多年7月对比来看,7月为上升流强势期的年份,A、B区域的差值差异相对稳定,基本都在4 mg/m3以上(2009、2010年除外);而8月为上升流强势期的2009和2010年,其7月A、B区域的差值相对其它年份明显偏小,可以看出其7月上升流强度明显弱于其他年份。从多年8月对比来看,2002、2009年A、B区域的差值明显高于其它年份,而2005和2011年的差值明显低于其它年份,结合图4可以看出2005和2011年8月上升流强度明显弱于其它年份。综合7、8两月来看,7月为上升流强势期的大部分年份,7、8月的A、B区域差值差异很小(2005和2011年除外,其8月上升流强度不大),而2002、2009和2010年7、8月的A、B区域差值差异很大。每个月中,叶绿素a浓度差变化较大或较小的年份不一致,即舟山上升流存在年际变化。

图5 2002—2011年7—8月A、B区域月平均叶绿素a差值

2.3 舟山上升流边界温度阈值

舟山上升流主要在29°～31°N,122°～123°E,呈长舌状分布。结合叶绿素a浓度分布特征和海表温度差值数据,统计多年舟山上升流边界的温差,利用该温差阈值定义舟山上升流边界。以2002年为例(见图6),7月舟山海域边界与外围海域(124°N)温差在0.5 ℃,其中心最高温差在1.25 ℃;8月,其温差在0.75 ℃,中心最高温差在1.5 ℃。根据多年舟山海域SST差值结合叶绿素a浓度图(见图7),统计发现舟山上升流边界与外围海域温差在0.75 ℃(2002、2005年温差在0.5 ℃),将0.75 ℃定义为7月舟山上升流边界温度阈值,上升流区域中心温差最高达到1.5 ℃。而上升流较为弱势的8月,舟山上升流边界与外围海域温差在0.5 ℃(2002、2007和2011年在0.75 ℃),将0.5 ℃定义为8月舟山上升流边界温度阈值,上升流区域中心温差最高达到1.5 ℃。根据统计出的边界温度阈值,可以利用SST资料,作温差等高图,来尝试预测其它年份舟山上升流的大体位置和范围。

图6 2002年7、8月SST差值结合叶绿素a图像

图7 2002—2011年7、8月阈值统计图

3 结论

本文利用多年叶绿素a资料和SST资料分析舟山群岛上升流的物理特征及其年际变化,还讨论了舟山上升流边界温度阈值。通过上述分析可以得出以下结论:

(1)舟山海域夏季海表温明显低于外围海域,中心平均温差在1.5 ℃。上升流的存在伴随叶绿素a浓度变化,所以夏季舟山海域叶绿素a浓度值的变化可以反映其上升流的变化。每年7月,舟山海域上升流最强盛,8月上升流强度相对减弱。结合叶绿素a资料,夏季上升流分布区域集中在浙江沿岸以北,呈舌状分布。

(2)7月上升流强势期,各年份上升流区域和非上升流区域叶绿素a浓度差异相对稳定,都在4 mg/m3以上(2009、2010年除外)。而强度相对弱势的8月,上升流区域和非上升流区域叶绿素a浓度的差值较大。每月不同年份的叶绿素a浓度变化较大,说明舟山上升流具有年际变化。

(3)涉及舟山上升流中心与外围海域平均温差的文章很多,但讨论舟山上升流边界温度阈值的文章很少。结合叶绿素a浓度分布特征和海表温度差值数据,统计舟山上升流区域边界阈值。大部分年份7月为上升流强势期,其上升流边界温度阈值为0.75 ℃,中心最高温差为1.5 ℃;8月上升流强度减弱,其上升流边界温度阈值为0.5 ℃,中心最高温差为1.5 ℃。