2013年夏季琼东海域上升流观测研究

2013年夏季琼东海域上升流观测研究
汪彧;经志友;齐义泉
【摘要】利用2013年夏季国家自然科学基金委员会南海西部航次获得的观测资料, 并结合卫星遥感海面温度和风场资料,对琼东海域夏季上升流的空间结构及其演变过程进行了分析.研究结果表明, 在 2013 年夏季航次观测期间, 琼东海域存在显著的上升流现象, 但表层上升流信号较弱, 强上升流主要发生在 30~50m的下层海域, 上升流中心海域与外围海水在下层的温度差超过7℃, 盐度差可达到0.7‰以上.进一步分析航次期间的一次热带气旋过程对琼东上升流的影响,结果表明热带气旋破坏了上升流的上层结构, 且琼东上升流对风场变异的响应过程存在2~4d的滞后.%Based on in-situ observations supported by the National Natural Science Foundation of China during the summer of 2013 as well as satellite data, the summer coastal upwelling off eastern Hainan Island is examined in details, including its spatial structure, evolution process and the response to a tropical cyclone during the cruise. The results suggest that the upwelling anchored off eastern Hainan Island, with relatively weak signals at the sea surface. The observed strong upwelling mainly took place between the depths of 30-50 m below the surface. The temperature difference between the cooling center and the offshore non-upwelling water was more than 7°C, and the salinit y difference was more than 0.7 psu. Moreover, the analysis of a tropical cyclone onset indicates that the structure of coastal upwelling in the upper ocean was completely destroyed, due to the shutdown of upwelling-favorable winds and intensive mixing induced by the tropical cyclone. Throughout these
processes, the coastal upwelling lagged behind alongshore wind by 2-4 days.
【期刊名称】《热带海洋学报》
【年(卷),期】2016(035)002
【总页数】10页(P40-49)
【关键词】琼东;上升流;时空结构;热带气旋
【作者】汪彧;经志友;齐义泉
【作者单位】热带海洋环境国家重点实验室(中国科学院南海海洋研究所),广东广州510301;中国科学院大学,北京 100049;热带海洋环境国家重点实验室(中国科学院
南海海洋研究所),广东广州 510301;热带海洋环境国家重点实验室(中国科学院南海海洋研究所),广东广州 510301
【正文语种】中文
【中图分类】P731
南海位于东亚季风区, 夏季受西南季风的影响,南海北部沿岸海域存在显著的季节性上升流现象(管秉贤等, 1964; 于文泉, 1987)。

上升流影响范围内的海水具有明显
的低温、高盐、高密及低溶解氧等特征, 直接决定了上升流海域的表层营养盐含量和垂向温盐结构; 因此, 沿岸上升流对局地海洋生态与动力环境有着十分重要的影
响(邓松等, 1995; Xie et al, 2003; 谢玲玲等, 2012)。

同时, 琼东海域渔业、航运、旅游等经济活动频繁, 且受夏季上升流影响显著, 深入研究该海域上升流过程有重
要的科学与应用意义。

由于上升流对海洋生态环境有着显著的影响,因此, 南海北部沿岸上升流现象的研究
一直受到国内外学者的重视。

早在20世纪60年代, Wyrtki(1961)便推测在夏季
西南季风的作用下, 香港附近海域可能存在暂时性局地上升流现象; Niino等(1961)通过对南海北部陆架海域的沉积物进行研究后指出, 夏季在海南岛以东海域和汕头以南海域可能存在局地上升流现象。

随后, 国内诸多学者在全国海洋普查活动的推动下, 系统地分析了南海北部的沿岸上升流现象, 指出南海北部沿岸上升流主要存在于海南岛东部(琼东海域)、汕头沿岸(粤东海域)以及雷州半岛以东海域(管秉贤等, 1964)。

到20世纪80年代,一系列南海北部海洋调查资料的分析结果表明, 受沿岸上升流的影响, 夏季南海北部离岸断面温、盐、密度和溶解氧含量等要素的垂向分布均存在显著的向岸抬升现象(曾流明, 1986)。

同一时期的其他学者也根据对不同年份海洋调查资料的分析进一步指出,夏季西南风的强弱变化是影响南海北部海域沿岸上升流的主要动力因素(于文泉, 1987; 韩舞鹰等, 1990; 李立, 1990; 洪启明等, 1991)。

21世纪以来,由于卫星遥感资料和数值模型的广泛应用, 科学家们对南海北部上升流系统的时空变化特征及其形成过程已经有了更为深入的认识。

大量的观测与数值研究结果表明, 受西南季风和沿岸径流的年际变化影响, 南海北部不同年份的夏季上升流空间结构和强度都存在明显的差异(吴日升等, 2003; 庄伟等, 2005; 经志友等, 2008; 许金电等, 2014), 同时,南海北部沿岸上升流对厄尔尼诺事件也有着显著的响应(柴扉等, 2001; Xie et al, 2003; Jing et al, 2011)。

关于南海北部沿岸上升流形成的主要动力机制,目前普遍认为是由夏季西南季风引起的Ekman离岸输送所驱动。

由于南海北部主要岸线走向与西南季风风向基本一致, 在沿岸风应力的持续作用下, 上层海水的Ekman离岸输送会导致中、深层海水向岸涌升与补偿, 最终在这些海域形成沿岸上升流(颜廷壮, 1991)。

此外, 近年来的研究也发现了影响局地上升流形成与变异的一系列其他因素, 包括地形的抬升作用(Gan et al, 2009; Su et al, 2009; Wang et al, 2012; Wang et al, 2014)、潮汐混合的作用(Hu et al, 2003; Su et al, 2009; Guo et al, 2012)以及风应力旋度引起
的抽吸作用(Jing et al, 2009)等。

观测资料显示,在多种动力因素的共同作用下, 琼东上升流引起的低温中心与外围海水在下层的温度差可高达6°C以上(Jing et al, 2015)。

虽然目前对琼东海域上升流的时空分布特征、动力机制等研究已取得了一系列成果, 但受观测资料的限制, 关于琼东海域上升流的垂直结构、变异特征以及气旋过程对上升流表层和深层结构的影响等问题仍有待进一步探讨。

本文主要通过国家自然科学基金委员会2013年夏季南海西部综合航次获得的琼东海域观测资料和卫星遥感数据, 分析琼东上升流的时空分布和演变过程; 并利用航次观测期间逐日SST与海
面风场信息, 进一步探讨2013年夏季的一次热带气旋过程对琼东海域上升流的影响。

海表温度(SST)异常降低是上升流现象的主要特征之一, 因此, 海表温度能够较好地
反映上升流的强度和影响范围。

本文采用的是全球海洋数据同化实验(GODAE)中
高分辨率海表面温度(GHRSST)项目提供的融合网格化日平均海表温度数据。

该数据由英国气象局(UKMO)基于OSTIA卫星资料制作,其空间分辨率为0.05°×0.05°。

风场数据采用美国国家海洋和大气管理局(NOAA)的国家气候数据中心(NCDC)提
供的日平均风速产品, 该数据空间分辨率为0.25°×0.25°。

此外, 本文还分析了2013年度国家自然科学基金委员会南海西部综合航次在琼东
海域加密观测所获得的水文资料。

该航次利用“实验3”号海洋调查船, 于2013
年8月30日—9月3日期间在琼东海域通过投放温盐深仪(CTD)进行定点观测, 具体站点位置如图1所示, 其中, S07、S08、S09、S11号断面垂直于海南岛东岸, 并穿过琼东强上升流海域。

对这些断面观测的分析将有助于进一步认识琼东上升流的垂直结构与影响范围。

2.1 卫星遥感资料揭示的上升流空间形态与变化特征
本文利用2006至2013年期间6月到9月GHRSST提供的日平均SST数据以及
通过该数据算出的SST梯度, 分别进行逐月平均, 得到琼东海域这8年内的夏季逐月平均SST分布和SST梯度分布(图2)。

可以发现, 在5月西南季风爆发后, 琼东上升流于海南岛东岸附近海域逐渐形成。

6月, 上升流影响范围扩张至海南岛以东100km处, 并向文昌市以北、雷州半岛以东海域延伸, 上升流中心海域的SST低于28°C; 万宁市、琼海市、文昌市以东海面形成较强的温度锋面, 雷州半岛徐闻县东岸附近海域也存在较明显的温度梯度。

7月, 虽然南海北部海域SST整体上出现了上升的趋势, 但上升流中心海域的SST仍然维持在28°C以下, 且其影响范围沿海南岛东侧海岸线向南延伸至三亚市附近海域, 与海南岛西南侧的潮致混合低温区相连接(Hu et al, 2003; Lü et al, 2008); 同时, 海南岛沿岸海域的温度锋面相对于6月变得更强, 琼州海峡到雷州半岛东侧一带海域也存在着较强的温度锋。

8月, 随着南海北部海域SST持续升高, 上升流区域的SST有所提高,其锋面强度也随之降低, 但上升流影响范围总体上与7月保持一致。

由于西南季风通常于9月中下旬转向(李立, 1990; 吴日升等, 2003), 导致9月上升流信号的减弱和影响范围的缩小。

到10月, 琼东上升流基本消失。

气候态SST资料同时还表明, 琼东上升流最主要的影响区域位于海南岛以东海域以及雷州半岛以东、文昌市以北海域。

琼东上升流的低温中心位于文昌市以北30km 左右海域。

在8月, 其低温中心的海表温度与外围海水的温度差约为1～2℃。

2.2 航次观测资料揭示的上升流结构
通过卫星遥感资料的分析, 可以获得对琼东上升流在海面的影响范围和强度的直观认识; 但目前的卫星遥感资料仅能提供海表信息, 对于上升流垂直结构的研究, 还需要借助航测观测资料进行分析。

本文通过对2013年夏季南海西部航次的琼东海域CTD站点数据的分析, 给出了2013年8月30日—9月3日观测期间的琼东上升流垂直结构。

图3为琼东海域S07、S08、S09、S11 4个断面在8月30日—9月3日观测期
间的温度垂直分布。

可以看到4个断面中, 垂向温度分布在同一深度上呈现出西高东低的态势, 等温线普遍向近岸方向抬升。

在S07断面10m以浅的水层中, 海水上下混合均匀, 难以观测到明显的上升流现象; 但在10m以深、70m以浅的水层中等温线存在较为明显的向岸抬升现象, 其中22℃等温线在该断面被抬升20m左右, 28℃等温线则被抬升超过30m。

S08断面同样在10m以深、70m以浅的水层中可以观测到明显的等温线抬升现象, 忽略等温线受内波等影响产生的上下振荡, 可以看到21℃、25℃、28℃等温线均向岸抬升了30m以上; 且该断面上, 等温线抬升主要出现在离岸50km以内的海域, 10m以浅的水层中同样难以观测到明显的上升流现象。

在S09断面, 由于水深明显小于前2个断面, 受表层风应力以及地形抬升作用的共同影响, 等温线在近岸海域的抬升更为明显, 且该现象自20m深的水层向下延伸至断面最底层, 20℃等温线自东到西的抬升幅度可以到达50m以上, 强度远超过前两个断面。

S11断面位于4个断面的最北侧, 长度最长, 深度最浅, 且邻近浅滩海域, 因此受上升流、地形和内波作用明显, 22℃等温线东西深度差可达到40m以上。

该断面等温线受内波影响尤为明显, 在离岸70～100km左右的海域内可以看到等温线出现了剧烈的波动, 且28℃等温线已上跃至海表面。

图4为4个断面在8月30日至9月3日观测期间的盐度垂直分布图。

从图中可以看到, 4个断面中均存在高盐海水在离岸60km以内海域上涌的现象,在同一深度上, 各断面东西盐度差最大可达到0.7‰,等盐线的走向大致与等温线类似, 并且上跃现象均止于距表层10～20m的水层, 未能在表层露头。

此外, 从S07与S08断面来看, 上升流所导致的下层海水抬升现象不仅只影响到70m以浅的水层, 在70～ 100m深的水层中也可以观测到等盐线沿海底向岸大幅爬升的现象, 但盐度的变化幅度相对于上层海水有所减弱, 约为0.1‰。

S09与S11断面的盐度垂直分布中, 等盐线分布情况则与等温度基本一致, 自30m水深处到断面底层等盐线均存在明显的坡折,在断面底层等盐线同样也沿着陆坡向上爬升。

结合S10、S12、S13、S14断面的CTD站点数据, 进一步从琼东海域不同深度的温度水平分布图(图5)中可以看到, 在10m深水层中海南岛东北部海域存在一个较弱的低温中心, 中心海域与外围海水的温度差约为2℃, 这与气候态资料中的海表层温度差相近。

当水深达到20m时, 低温中心与外围海水的温度差增大到4℃以上。

水深30m处, 冷水区分布在海南岛沿岸海域, 且低温中心与外围海水的温度差明显增大, 最大值达7℃以上, 远远超过海表层的温度差。

直到50m层, 仍然可以清晰分辨出由上升流产生的沿岸冷水区, 低温中心与外围海水的温度差相对于30m水层有所减弱, 但依然保持在4℃以上。

通过以上分析, 可以得出以下结论。

2013年8 月30日—9月3日航次观测期间, 琼东海域存在较明显的上升流现象。

上升流在垂直方向上的影响范围可至100m 深的水层, 在20～70m之间的水层中能够明显的观测到低温、高盐的深层海水向岸抬升的现象, 其源头来自于100m以深的水层。

上升流对附近海域温盐结构的影响主要体现在30～50m深的下层海域, 在该深度上, 上升流中心海域与外围海水温度差可到7℃以上, 盐度差可达到0.7‰以上, 水平方向上可以影响到离岸60km 海域; 但随着深度的加大, 上升流的强度和水平方向上的影响范围逐渐减小。

此外, 近表层海水的水平温度分布与气候态SST分布相近, 且上升流所致的低温信号相对于下层海水明显偏弱, 这可能是由于航测期间存在海面风应力异常导致海水混合加强, 并结合潮汐、波浪等混合作用, 从而引起近表层上升流强度减弱。

2.3 热带气旋过程对琼东上升流的影响
根据2013年夏季琼东海域的卫星遥感数据可以发现, 进入8月下旬时, 琼东海域正处于西南季风的控制之下, 海面的上升流信号明显, 至 8月23日时上升流中心海域与外围海水的温度差稳定在1℃左右, 上升流影响范围与气候态资料所示范围相近(图6)。

但8月25日至29日琼东加密观测开始之前的数日内, 琼东海面风场出现了明显的异常, 并在该过程的影响下, 上升流中心海域的SST出现了明显的上升
趋势。

通过进一步对该时间段内南海西北部海面风场进行逐日分析(如图7所示), 可以发现, 8月25日至29日之间南海北部受到了一次持续时间较短的热带气旋过程影响。

该热带气旋于8月25日在海南岛以南约150km处的海面形成, 此时虽然热带气
旋强度较弱, 但受其引导气流影响, 琼东海域的海面风场已经发生了转向, 风向由西南变为东南向。

26日, 热带气旋中心向东南方向移动, 并且强度明显加强, 对琼东
海域的影响也加大, 海南岛东北处海面风向变为偏东风, 东南处海面风向则变为东
北风。

27日, 热带气旋中心向北移动了约70km, 强度持续加强, 中心附近风速达到10m×s–1以上, 热带气旋强度达到热带低气压的级别, 琼东海域海面风向转为东北, 但风速明显减弱。

28日,该热带气旋中心向北偏南方向移动, 强度开始减弱, 海南岛东南处海面开始出现较弱的西南风, 但东北处海面仍由偏东风控制。

29日, 热带气
旋中心向东北方向移动至22°N以北, 强度持续减弱, 对琼东海域的直接影响基本结束, 琼东海域重新被西南季风所控制。

由于热带气旋破坏了原有的西南向海面风场,改变了琼东海域上层海水的Ekman离岸输送, 并且使得该海域水体垂直混合加强, 因此对上升流有极大的影响(Su et al, 2011; 许金电等, 2014)。

为了进一步分析8月25日—29日的热带气旋过程对琼东上升流的影响, 本文进一步结合该时段的逐日SST和风场信息进行分析。

分析结果表明, 琼东上升流受该热带气旋影响的过程大致可以分为3个阶段,分别是削弱阶段、消亡阶段和重建阶段。

首先是削弱阶段。

从图8可以看到, 在26日, 琼东海域的SST分布与图6中热带
气旋过境前的SST分布相近, 由于下层上升流对沿岸风应力的滞后响应, 可以认为
此时琼东上升流的基本结构尚未被热带气旋过程破坏; 但随后由于热带气旋的加强, 琼东海域上升流开始出现减弱的趋势。

到27日, 受热带气旋的持续影响, 琼东上升流的影响范围开始显著减小, 原本位于雷州半岛以东、文昌市以北的表层低温区已
基本消失。

28日, 虽然此时热带气旋的强度已经开始减弱, 琼东海域尤其文昌市与
琼海市以东海域的东北风明显减弱, 但上升流影响范围仍处于持续减小的状况, 原
文昌市以东的低温区也已经消失。

29日, 西南季风开始重新控制琼东海域,但上升
流影响范围仍不断减小, 仅剩文昌市清澜港外和万宁市与陵水自治县东岸处存在2
个冷水中心,其强度也远小于前几日。

30日和31日, 琼东海域海表面上升流的强度和影响范围达到连日来的最低值, 进
入消亡阶段。

虽然在该阶段琼东海域已经回归西南季风的控制之下, 但海面的低温信号没有明显增强的趋势, 其中心温度保持在29℃以上, 与外围海水的温度差不足0.5℃, 上升流在海面的信号已经基本消失。

9月1日到3日期间, 琼东海域在西南季风的持续作用下, 开始出现新的低温信号。

自9月1日起, 上升流现象在海南角以北海域、清澜港外海域和万宁市与陵水自治县东岸海域开始加强, 并在接下来几天内其海面信号不断增强。

到9月3日, 上升
流的强度与影响范围已经达到8月23日热带气旋过境前的水平。

结合2.2节中对航测资料的分析可以发现, 2013年夏季航次观测期间琼东上升流
恰好处于消亡与重建阶段, 此时琼东上升流的海面信号较弱, 上升流中心海域与外
围海水的温差较小, 与这4个断面上观测到的20m层以浅海水中上升流信号偏弱
的现象相吻合。

此外, 也证明该气旋过程只对20m以浅海水中的上升流现象有明
显的影响, 即使在消亡与重建阶段下层海水中上升流的基本结构仍保存完好。

通过以上分析可以发现, 热带气旋影响引起了琼东海域沿岸风应力的改变, 并通过
强烈的水体垂直混合, 破坏了该海域原有的上升流结构; 同时,琼东上升流对于风场
变化的响应过程具有明显的滞后性, 热带气旋过程对琼东海域风场的影响结束之后的2天里, 上升流的强度与影响范围始终保持着减弱的趋势; 且在西南季风重新控
制琼东海域之后的第3天琼东上升流的海面信号才重新被捕获, 整个重建与恢复过程经历了4天以上的时间。

利用GHRSST提供的日平均SST数据和NCDC提供的海面风场数据, 并结合2013年8月国家自然科学基金委员会南海西部综合航次所获得的观测资料, 对琼东海域上升流的结构与变化以及上升流对热带气旋的响应过程进行了分析, 得到以下结论。

1) 在夏季西南季风的控制之下, 琼东海域存在明显的上升流现象, 其影响区域主要包括海南岛东岸离岸100km以内海域和雷州半岛以东、文昌市以北海域。

受上升流影响的区域海水具有明显的低温、高盐特征, 影响深度超过100m; 上升流中心海域与外围海水在下层的温差超过7℃, 盐度差可达到0.7‰以上。

2) 2013年8月23日—9月3日期间, 受南海北部一次热带气旋过程的影响, 琼东海域表层的上升流结构被显著破坏。

结合逐日卫星遥感数据与8月30日—9月3日的航测资料分析发现, 航次观测期间, 琼东海域表层的上升流正处于重建阶段, 强度较弱, 但下层海水中仍存在十分显著的上升流。

3) 热带气旋通过改变沿岸风场和增强水体垂直混合, 显著影响了琼东海域的夏季上升流过程, 破坏了上升流结构。

热带气旋对上升流的影响分析表明,琼东上升流系统的重建与恢复过程对热带气旋引起的风场变异存在2～4d的滞后响应。

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