东海上升流现象及其变化规律的初探【毕业论文】.doc

1、本科毕业论文（20 届）东海上升流现象及其变化规律的初探所在学院 专业班级 海洋科学 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 目 录中文摘 要 .I引 言 .11 上升流现象及其研究意义 .31.1 上升流的研究状况 .31.2 上升流的研究意义 .32 风生上升流的基本理论 .42.1 Ekman 无限深海漂流理论 .42.1.1 基本假设 .42.1.2 运动方程及其解的形式 .42.1.3 方程解的讨论 .42.2 Ekman 抽吸 .52.2.1 Ekman 抽吸与上升流关系 .52.2.2 Ekman 抽吸速度 .62.2.3 气旋和反气旋的作用 .63 表征上升流和影响上

2、升流的因素 .73.1 二级标题东海西岸的两处低温海区 .73.2 海表风场和海表温度场的对比分析 .73.2.1 风向的对比 .83.2.2 风强的对比 .94 东海上升流变化特征 .124.1 上升流的季节变化 .124.2 东海上升流的季节分布 .145 结果讨论 .166 展望 .18参考文献 .19致谢 .20I摘要上升流是指海洋中的垂直运动，它是沿岸海流的重要成分。上升流携带海洋内部营养物质至真光层，供浮游植物摄取，是表层海水能源物质再生的重要途径，对海洋初级生产力有着极大的影响。其影响和重要程度都比潮汐混合所产生的海水营养盐混合大。东海沿岸有许多上升流区，其中以长江口海区上升流的

3、开发利用效果较为显著，我国著名的舟山渔场所在海域也正是是上升流海区。上升流的成因不尽相同，大致可分为风场作用，沿岸地形对海流抬升，绕流及离心力等。本文通过对海表风场、海表温度的对比分析，初步了解东海上升流现象及其表征上升流的因素，并由风场的季节变化和年际间变化对比分析得出东海上升流运动规律和季节变化特征，由此进行开发利用。关键词 上升流；海表风场；海表温度场；渔场；开发利用浙江海洋学院本科毕业论文 英文摘要IIUpwelling in East China Sea and the Preliminary Exploration of Its Changing RuleHuang Wenying

4、（College Of Marine science Zhejiang Ocean University Zhejiang Zhou Shan 316000）Abstract Upwelling refers to the vertical motion sea water; it is an important part of coastal current. Upwelling carries the deeper water with abundance of nutrients to surface, which constitutes the major process for nu

5、trient regeneration in the surface layer, so it plays an important part in primary productivity. In terms of its influence and importance it has to be ranked before the process of nutrient regeneration through tidal mixing. Upwelling in East China Sea is not rare, instead, the exploit of Yangtze Est

6、uary is produce significant effect, especially embodied in fishing ground of Zhou Shan .The causes of upwelling are not necessarily the same, can be divided into three causes: the wind patterns ,the bottom influence, ambient flow and centrifugal force.This paper is written to outline the phenomenon

7、of upwelling and features about it in East China Sea ,through analyzing data on surface wind pattern and temperature field. Connected with bottom topographic and Taiwan Warm Current, especially Kuroshio, and dynamic features within this area ,we can do further study on upwelling, for the sake of the

8、 insights about it and its changing rule ,so as to take advantage of it.Key words Upwelling; sea surface wind pattern; sea surface temperature field; fishery; exploitation1引言上升流是指海洋中持续垂直向上的海水运动，这种运动在海洋中是十分普遍的。东海沿岸海域是沿岸上升流的多发区，早在六十年代初期，管秉闲等就提出过浙江近海存在上升流，经过三十多年的研究，对于沿岸上升流形成原因及其变化规律已取得或干成果。研究表明，风场，地形，海

9、流等均是上升流的影响因子，随着研究的深入，对这些因子的作用机制和影响效果都得出了规律，其影响强度也随之得到更精确的分析。本文旨在了解东海境内的上升流现象以及对上升流的成因进行分类，重点分析风场对沿岸上升流的作用机制，以 Ekman 风生海流为理论基础，加之风场和温度场的卫星遥感数据所得图片的辅助分析可得出东海区域延安上升流的形成机理和变化规律。从而为上升流的研究和开发利用奠定了基础。大尺度的海洋运动以水平方向为主，垂直方向较为微弱（只有 10-710-5m/s)，然而上升流的形成却是海洋生产力的重要能源传输途径。上升流过程将底层低温和高营养盐输运至海表真光层，使表层海水富含营养物质以供该层的初

10、级生产者光合作用产生有机物，对该海洋渔业发展和生态平衡的维持有很重要的影响。上升流对该海域的营养屈指物质输运和生态环境的维持具有重要影响。我国东海以舟山为界邻近海域的水文状况较为复杂：北部长江入海口，受长江冲淡水的影响，且季节的变化导致径流量的大小对海域有有不同程度的影响；南部为高温、次高盐的台湾暖流，这种海流状况使得海水处于不断交换和更新状态。而沿岸海区陆架逐渐变浅的海底特征为上升流提供了条件，海流向岸过程中受底部陡坡的抬升，其底层的向岸分量为上升流提供直接动力。通常人们认为海表风场是导致沿岸上升流的主要原因，我国东海沿岸受东亚季风的影响，夏季盛行西南风，接近海岸线方向。上述因子的共同作用，

11、使得该海域内“上升流” 、 “锋面迁移”等现象较为显著。而这些随着这些现象的产生又直接或间接地影响和决定了该海域内的海水温盐特性，以及营养盐分布等。对该海域和邻近海域的海洋生物的生长环境起着重要的决定作用。一方面制约着渔场的空间范围和渔业的发张前景，另一方面更是为渔业的发展提供了天然的有利条件。我国著名的舟山渔场正是由此形成并逐渐得以发展。但同时也有学者指出上升流的也为赤潮的发生提供了前提条件。上升流的强弱因季节变化而不同，强上升流期往往出现逆增温、逆减盐等异常现象，即导致表层水的温度和盐度均骤减，方绍锦等研究发现某些强上升流期间夜光虫和硅藻等生物含量远远超出正常时期，这正是表征赤潮的特征之一

12、。因此，对我国东海区域上升流的研究，不仅有利于渔业规划和发展，也为更好了解长江口赤潮灾害现象提供了有力的帮助。我国舟山群岛处于东海的西北部，属陆架浅海区，临近海域岛屿众多，岸线曲折，水文状况也相对复杂。但以舟山为界存在着一组大致与岸线呈平行状态的等深线。在上升流的成因上，海底地形的抬升导致海水的上涌，加上台湾暖流的北上和2黑潮余脉途经该海域，冷暖水团混合的冲击，又有西南季风所主导的风生海流共同为此海区上升流的产生提供了有利条件。正因有如此诸多因素所致，该区上升流的研究得到了众多学者的关注。自毛汉礼、管秉贤等人在 1964 年提出该海域上升流的存在 1，之后针对性进行了一系列的海洋调查和模式，结

13、果进一步证明了它的存在（胡敦欣等，1980；潘玉球等，1985；刘先炳等，1991；等等） 。然而学者们对于该海域上升流的成因说法不一，胡敦欣等（1980）认为风不是东海沿岸上升流的主要动力，而黑潮余脉沿东海北上陆架的抬升是主要的动力因素 6。潘玉球等（1985）认为台湾暖流底层水经过东海西岸的海底等深线发散区而产生深层海水上涌，同时认为地形和风对浙江近海的沿岸上升流有相当量级的贡献 2。刘先炳等（1991）认为，风应力对沿岸海域的上升流和沿岸锋面形成有重要作用，而在远岸区的上升流主要由向北的台湾暖流主导 5。颜廷壮（1991，1992）认为浙江沿岸上升流为海流-地形共同作用所致。黄祖珂等（1

14、996）认为潮汐、风、台湾暖流等因素共同作用产生闽浙沿岸上升流并影响其变化 6。总体而言，多数学者认为东海沿岸上升流现象，是由风、台湾暖流等因子在东海陆架特有地形的作用下共同诱导所致。对于该海域上升流流速的估算，可用 Sverdrup 方法、位移估算法等方法进行计算，其中 Sverdrup 方法在上升流稳定或者衰减期计算结果为 0 或负值，与实际情况不符；而位移估算法，是指假定岸线为经向，以岸线上某点为基准做垂直岸线的断面，然后以断面上垂向均化的水体物理特征来指示上升流垂直速度的强弱。但由于存在水体垂向混合，该方法测出的流速往往偏小。上升流强盛期最大流速的估算从8.410-4（颜廷壮，1991

15、） 、6.510-3（罗义勇，1998）到 7.010-3cms-1 （刘先炳，1991）不等，这些估算的流速值差别可达到一个数量级 1。前人主要基于数值模拟方法来研究舟山、长江口一带上升流的形成机理。本文在前人的研究基础上，利用多源卫星遥感资料检测东海海域的上升流，分析它们的物理特征、时空分布、短周期及长周期的变化等。随着传感器技术的不断发展以及遥感资料处理方法的日臻成熟，卫星遥感在反演各种海洋参数如海表温度、叶绿素浓度、海面风场等方面的精度越来越高。卫星遥感资料价格低廉、数据量丰富、数据处理方法简单且使用效率高等特点使得其在沿岸上升流的研究中发挥着越来越重要的作用。利用卫星遥感多年长时间序

16、列资料，我们能够更加深入地认识上升流，掌握上升流的规律和有利因素，并且进行开发利用。31 上升流现象及其研究意义1.1 上升流的研究状况现代海洋科学研究，从 20 世纪中叶至今已取得了许多成果，对于上升流，早在1964 年管秉贤等人提出长江口邻近海域存在上升流，之后许多学者均对该海域上升流进行了深入研究。经过多年的研究探索，上升流的产生机制和季节变化规律均有了较完整的分析和掌控。东海区域内长江口上升流区和舟山上升流区等均是重点研究海区。其中尤以舟山上升流为重，因舟山上升流是著名的舟山渔场渔场这一显著特点，吸引了一大批学者的眼球。其独特的浅海陆架地理形态和季风特点以及黑潮、台湾暖流的相互影响，均

17、是学者们勘察分析的重点。因季风是夏季较为显著的特征，而此期间上升流的强度也较大，对于季风的变化和上升流的强弱关系，将在以下季节变化章节中作进一步分析。1.2 上升流的研究意义上升流的研究意义主要体现在以下两方面:首先，渔场的分布与上升流海区有着重要的联系，因上升流为海洋生物的生存提供了优良的条件。上升流还有驱赶底层鱼的作用，有利于底层鱼的诱捕。它将深层低温，高营养盐海水输运至海洋表面透光层 ，该层内藻类等海洋初级生产者，利用水中溶解的二氧化碳和太阳光进行光合作用制造有机物，为海洋食物链的提供了原始的能量来源。海洋生物的有机物制造量成为有机碳的一大来源，随着食物链的传递，碳能量得以流通，转化，维

18、持着全球有机碳和无机碳的平衡转化，具勘测统计，上升流系统占据了全球新生产力的 67%，大约 4.8GtC yr-1（查韦斯，托格威尔，1995） ；另一方面，由于水体上涌过程中海水变暖，CO 2 的溶解度减小，部分将以气体形式逃逸，进入大气；这两方面均为全球碳循环提供了良好的渠道。有研究表明：赤道太平洋上升流区每年向大气排放的碳量约为 1Gt（费利等，1997） ；沃森（1995）还认为上升流系统在碳排放和碳吸收上是大气的源还是汇，并不能断定，还取决于上升流水体的来源。深层低温水上涌，也为世界大洋环流的提供动力基础和基本模式。其次，上升流的研究对赤潮的调查分析也有一定的帮助。因上升流为海洋表层

19、带来低温高盐水，夏季强上升流时期有时会出现逆增温或逆减盐的情况，往往会导致赤潮的发生，夜光虫，硅藻，甲藻等出现大量繁殖的现象，导致水体状况恶化，对某些海洋渔业而言无疑是场大灾难。因此，研究上升流以了解赤潮的产生和发展规律有一定的帮助。风生上升流的基本理论41.3 Ekman 无限深海漂流理论1.3.1 基本假设通常认为风、地形和海流均是上升流形成的重要因素，其中风场是一大作用因素，即以风生上升流为主。以下内容将对风生上升流的作用机制进行一定的理论分析。对风生沿岸上升流的形成起本质作用是风场作用表层海水，海水漂流造成的上层水体运输，用 Ekman 无限深海理论可解释其中的运动机理。Ekman 风

20、生海流理论假设在北半球稳定风场长时间作用在无限广阔、无限深海的海面上，海水密度均匀，海面（等压面）是水平的；不考虑科氏力随纬度的变化；只考虑由铅直湍流导致的水平湍切应力，且假定铅直湍流粘滞系数 Kz 为常量。在上述假定条件下，排除了引起地转流的水平压强梯度力和 海洋陆地边界的影响，这种流动仅由风应力通过海面，借助于水平湍切应力传递动量而引起的海水运动，在运动过程中同时受到科氏力的作用，由于海面无限宽广，风场稳定且长时间作用，因此，当湍切应力与科氏力取得平衡时，海流将趋于稳定状态。1.3.2 运动方程及其解的形式运动方程极其解的形式按照上述的假定，运动方程形式简化为：； ， （2.1）2zu02

21、wsinvK2zv0wsinuK设风只沿 y 轴方向吹，则海面边界条件，即风应力为：， （2.2）yxz；在无限深处：， （2.3）uv0联合式的解为： ； ， （2.4）0uoexpazcs45azV（ ） （ +） 0oexpazsin45azV（ ） （ +）式中： ; ， （2.5）2winK2yyuv2wiK1.3.3 方程解的讨论式（4）给出了当风沿 y 方向吹所引起的海流在 x 与 y 方向的速度分量，它们都是深度 z 的函数。式中 表示流速，辐角 为流矢量与 x 轴的夹角，表示流向。oexpaV（ ） oaz（ 5+）流速随深度的增大而减小，在科氏力作用下流向也随之变化，偏离流

22、速方向向右。当深度增大时，流速迅速减小，流向相对风矢量逐渐右偏。Ekman 漂流说明只在垂5直风向的方向上有水体输运。基于 Ekman 深海漂流理论，北半球沿岸上升流发生的情况是风沿着海岸线吹，并且岸线在风向的左侧，并且等深线与岸线平行的海区。夏季盛行的西南季风持续在海面上通过湍切应力向海输送能量，带动海水水平运动，由 Ekman 理论得知，海水在运动的过程中偏离海岸，表层海水离岸后，底层海水补充上涌。形成了简单的上升流模式。见图 2.1：图 2.1 (Ian S.Robinson；Discovering the Ocean from Space :The unique Application

23、 of Satellite Oceanograph) 121.4 Ekman 抽吸1.4.1 Ekman 抽吸与上升流关系在开阔海域上也可产生上升流，相当于“没有岸线”的 Ekman 风生海流，以Ekman 抽吸为理论依据。典型的以赤道上升流最为显著，赤道流域盛行偏东信风，北半球太平洋赤道流域在信风的作用下根据 Ekman 理论产生向北的体积运输，而赤道以南的海域在信风作用下产生向南的水体运输，这使得赤道表层海水发生辐散，分别向南北方向偏离赤道运输，表层以下的海水便上涌以填充上层的空缺（见下图） 。这种上升流的形成也造成了中东太平洋冷水带和叶绿素富集海域的形成。6图 2.2(Ian S.Rob

24、inson；Discovering the Ocean from Space :The unique Application of Satellite Oceanograph121.4.2 Ekman 抽吸速度开阔海域中的上升流流速一般情况下由 Ekman 抽吸速度决定：（2.6）fyx/yWe）（ 其中 为风应力， 为海水密度，f 为科氏参数。其中风应力的水平涡度：Rot= （2.7）/-/决定海水辐散或者辐聚，当散度为正值时，海水辐散，产生上升流；当散度为负值时，海水辐聚，产生下降流。在东太平洋赤道流海域信风吹过赤道流上空，使得海水发生辐散，继而产生上升流， ，虽然在赤道上为零，然而在偏sin2f离赤道的海域所受科氏力逐渐增大，又赤道特殊的地理位置，分别想南北方向偏离运输。由于赤道流常年不断，和边界条件的满足，赤道上升流的强度较大，在赤道上升流一带，通过 Modis 传感器监测的数据反演得出该海域海水叶绿素含量出现大片的高浓度带，正是赤道上升流区。1.4.3 气旋和反气旋的作用大洋上空的气旋与反气旋也同样能引起海水的上升流和下降流，同样可用Ekman 抽吸可以解释。台风，即热带气旋，能带动过境海域表层水的辐散，深层低温水上涌，可产生上升流，这也正是台风过后，海表产生的“冷尾迹”现象的原因。表征上升流和影响上升流的因素