基于遙感的南海北部夏季上升流對漁業資源的影響

王夢茵,胡啟偉

(1.華僑大學 旅游學院,福建 泉州362021; 2.上海海洋大學 海洋科學學院,上海201306)

基于遙感的南海北部夏季上升流對漁業資源的影響

王夢茵1,胡啟偉2

(1.華僑大學 旅游學院,福建 泉州362021; 2.上海海洋大學 海洋科學學院,上海201306)

根據2007-2009年夏季(6-8月)衛星遙感數據(海表溫度、葉綠素a濃度、Kd_490、PAR、海面風場等),通過VGPM模型和營養動態模型對2007-2009年夏季南海北部初級生產力和漁業資源量進行研究.結果表明,2008年夏季初級生產力及漁業資源量最高,分別為440.817 mg/(C·m2·d)、412.634 kg/(C·km2),2009年漁業資源量次之,2007年漁業資源量最低分別為364.898 kg/(C·km2)、310.831 kg/(C·km2).基于風速數據反演得到2007-2009年夏季南海北部風場，結果表明2008年夏季閩粵沿岸及臺灣海峽西側上升流強度最強、2009年夏季次之、2007夏季年最弱,這種變化和漁業資源量的變化趨勢具有一致性.通過各季節環境因素的相關性分析發現漁業資源量與風速呈顯著正相關關系,和溫度呈顯著負相關關系.

上升流; VGPM; 營養動態模型; 漁業資源; 遙感; 南海北部

0 引 言

南海北部陸架(18°N-26°N,108°E-122°E)指中國大陸南部,從海南島東岸到臺灣島的西岸(包括臺灣海峽南部)200 m等深線的寬闊海域.我國南海北部陸架海域主要包括兩個：廣東及海南島東部外海上升流和臺灣海峽南部上升流[1].本文主要研究閩粵沿岸及臺灣海峽西側海域上升流對整個南海北部陸架漁業資源量的影響.

上升流是表層以下的海水沿垂直方向涌上海表面的海流過程,并形成表面海水輻散的一種海洋現象.由于中層和深層海水溫度低于表層海水溫度,在上升流的過程中,使得海水表層溫度降低,海水中層、深層的營養類物質被攜帶到海表面,吸引浮游植物,從而導致魚類生物在此聚集,海洋生物量增長,從而為人類提供生產生活產品.目前,國內外學者對上升流與海洋生態環境要素進行了大量研究.Chu等在20世紀60年代初,對南海中西部上升流區存在金槍漁場進行了研究[2];Tang DL等將NOAA的海表溫度數據與CZCS的葉綠素a濃度數據相結合,討論上升流區域與葉綠素a的關系[3];Liu Y等研究南大洋的海洋水色及海表溫度的變化,并發現葉綠素a的時空變化[4];Liu KK討論了季風與葉綠素a的關系,指出在上升流海域季風與海表溫度呈負相關,而與葉綠素a的濃度呈正相關[5];陳金泉等指出西南季風對臺灣淺灘西南的上升流形成有重要影響[6];莊偉等將衛星遙感數據與實地航行考察資料相結合,分析出夏季上升流的強度與海面風場存在關系[7].綜上所述,目前,國內外學者對上升流海域與漁業資源關系的研究還處于初步階段,2007年8月形成的一次拉尼娜事件于2008年4月結束,且2008年年初拉尼娜導致了我國南方冰雪天氣,這些氣候的異常對海洋還環境有較大影響[8].本文選取2008-2009年夏季(6-8月)遙感數據，初步分析異常的天氣狀況對海洋水文要素及漁業資源的影響.

1 數據來源及處理

本文所需衛星遙感數據包括海表溫度、葉綠素a濃度、海表輻射度、真光層深度和海面風場數據及根據經緯度季節平均得到的光照周期.所有衛星數據均由MATLAB軟件處理,使用時截取南海北部陸架區域,數據分析及作圖由MATLAB、GrADS、SPSS共同完成.

1.1 數據介紹

表1 數據來源

1.2 VGPM模型

VGPM模型是把浮游植物光合作用的生理學過程與經驗關系相結合所建立的半定量模型.基本建模過程包括:(Ⅰ)估計葉綠素的垂直分布;(Ⅱ)根據葉綠素分布模式或實測的表層光強以及基于光衰減的物理機制,來計算光譜強度的垂直分布;(Ⅲ)基于單位葉綠素的光合作用、 光強分布和光限制、光飽和條件下碳固定速率變化的經驗關系,計算出一定水深的初級生產力.Behrenfeld等[9]收集了 1971 年到 1994 年期間從北緯80°到南緯70°范圍內共169個站點包含Ⅰ類水體和Ⅱ類水體不同來源的實測資料,根據這些實測資料建立了海洋初級生產力計算的VGPM模型.VGPM模型經歷了長時期、大范圍、不同水域上千個站點的上萬個實測數據的驗證,不僅計算精確,而且應用廣泛.它的表達形式為:

(1)

進一步簡化后得到:

(2)

(3)

式中：

1.3 營養動態模型

(Ⅰ) 營養動態模型是根據食物鏈能量流動理論來對海域資源量進行估算[11].在海洋生態系統中,生產者主要是浮游植物,通過光合作用把營養物質轉變為有機物,把太陽能變為化學能儲藏在有機物中,其生產量的大小為初級生產力.能量由浮游植物固定后,沿食物鏈在整個系統中流動.但從一個營養級到另一個營養級,能量是逐步減少的,消費者最多只能把食物能量的4.5%-20%轉變為自身物質,營養級之間能量的轉化效率10%-20%.根據這一原理,將生態系統的消費者分為不同的營養層次,利用各層次之間的生態效率,可以估算研究對象的生產量.根據營養動態模型漁業資源量的計算公式估算南海北部陸架上升流區域單位面積漁業資源量:

(4)

其中:P為單位面積漁業資源生產量(mg/(C·m2·d)),P0為初級營養階層的生產量及浮游植物的生產量,E0為生態效率,n為營養階層的轉換級數.

(Ⅱ)參數的選擇

生態效率E:海洋生態效率基本在10%-20%之間,不同生態系統、不同營養級之間生態效率有很大的變化.中國近海水域生態效率一般取15%左右,本文研究的區域大致為水深小于200米等深線的海域,生態效率取16.10%來估算資源量[12].營養階層的轉換級數n的選取主要考慮到資源結構的改變,并參照其他作者的研究結果[13],故選取n=2.5.

圖1 2008年7月MODISA南海北部海表溫度分布

1.4 南海北部夏季上升流區域

本文中夏季上升流區域的定義均參照歷史研究資料，歷史研究表明南海北部主要存在四個上升流區域(圖1)，分別是臺灣淺灘上升流、粵東沿岸上升流、粵西沿岸上升流和瓊東上升流.其中臺灣淺灘上升流屬于離岸地形上升流，粵東和粵西沿岸上升流及瓊東上升流屬于沿岸風生上升流[14].

2 研究過程及結果

2.1 南海北部陸架區域夏季海表面溫度年際變化

根據遙感溫度數據得到南海北部陸架2007-2009年夏季海表面溫度分布(圖2).由圖1及圖2可見,在閩粵沿岸、臺灣海峽西側存在明顯的低溫區,參照前人的研究成果,此區域為夏季上升流中心區域[15],溫度明顯低于整個陸架夏季溫度.另外,從三年的時間序列來看,2008年夏季上升流區域平均溫度為29.143℃,低于2007年夏季平均溫度29.70℃及2009年夏季平均溫29.27℃(表4).由此可知2008年夏季該區域底層冷海水上泛較之2007、2009兩年份劇烈,即與其余兩個年份對比2008年夏季在閩粵沿岸、臺灣海峽西側上升流強度較強.

圖2 南海北部陸架夏季海表面溫度(2007-2009)

2.2 南海北部陸架葉綠素a濃度年際變化

將獲得的月平均葉綠素a數據用MATLAB進行季節平均處理得到2007-2009年夏季南海北部陸架葉綠素a濃度分布(圖3).由圖3可見南海北部陸架區葉綠素整體濃度較高.一方面可能是沿岸人口經濟活動強度高且多條河流的注入導致大量的營養物質在沿岸積聚;另一方面也可能是由于沿岸含有大量的懸浮泥沙造成的遙感數據誤差較大.由于在閩粵沿岸、臺灣海峽西側葉綠素濃度a變化較大,因此認為該區域數據仍有一定的可靠性.從圖3可知,在閩粵沿岸及臺灣海峽西側區域2008年夏季平均葉綠素a濃度為0.851 mg/m3高于2007年夏季平均葉綠素a濃度0.700 mg/m3及2009年夏季平均葉綠素a濃度高0.743 mg/m3(表4),對比圖2可知,2008年夏季此區域上升流較劇烈,可能是造成此現象的主要原因.

圖3 南海北部陸架夏季葉綠素a(2007-2009)

2.3 南海北部陸架初級生產力

將獲得的相關遙感數據按照VGPM模型進行計算,得到2007-2009年夏季初級生產力分布(圖4).由圖4可見,整個南海北部陸架區域3年夏季變化并不是很明顯,但在閩粵沿岸、臺灣海峽西側的上升流區域變化較顯著.2008年夏季南海北部陸架平均初級生產力為440.817 mg/(C·m2·d)(表2)高于2007年的平均初級生產力332.060 mg/(C·m2·d)及2009年的平均初級生產力389.820 mg/(C·m2·d) (表4).主要原因由表2可知,2008年夏季的葉綠素濃度、光合輻照度及漫衰減系數均高于其余兩年份.但2008年的夏季平均溫度低于其余兩年,因此,上升流的強度可能是影響該區域初級生產力的主要原因之一.

圖4 南海北部陸架夏季初級生產力(2007-2009)

2.4 南海北部陸架風場

根據所得遙感月平均風場數據,進行季節平均得到2007-2009年夏季風場(圖5).由圖5可見南海北部陸架夏季盛行西南風,整體來看2008年平均風速為6.693 m/s高于2007年夏季平均風速6.414 m/s及2009年平均風速6.313 m/s(表4).現在一般認為西南季風是閩粵沿岸上升流的動力因素[16].因此,2008年夏季風的強度高于其余兩年,可能是造成2008年夏季上升流強度高于其余兩年的主要動力因素.

圖5 南海北部陸架夏季風場(2007-2009)

2.5 南海北部陸架漁業資源量

根據所得遙感數據和營養動態模型,得到南海北部陸架區域2007-2009年夏季漁業資源

估計量(圖6).由圖6可知從季節平均來看三年中2008年夏季的漁業資源最高為412.634 kg/(C·km2),2009年夏季次之為364.898 kg/(C·km2),2007年夏季季節平均漁業資源量最少為310.831 kg/(C·km2).由于2008年夏季南海北部陸架西南季風較其余兩年強度大,2009年次之,2007年最低(圖5),不同風速強度引起閩粵沿岸及臺灣海峽上升流強弱變化,上下水體交換速率及強弱的不同,進而影響到浮游動植物及初級生產力的大小變化,這可能是導致南海北部陸架區域漁業資源量在不同年份相同季節(夏季)出現變化的主要原因.另外,從月平均漁業資源量變化趨勢來看,三年有著同樣的規律,6月份出現最高值,7月份次之,8月份最低.由于南海夏季西南季風6月份強度較強,7、8月份開始逐月減弱,這可能是導致月平均漁業資源量變化的主要原因之一.

圖6 南海北部陸架夏季漁業資源量(2007-2009)

3 分析與討論

3.1 上升流強度與風場的關系

南海北部陸架上升流的強度和多種影響因素有關,例如海底地形,大陸架寬度等[17].本文主要討論上升流強度與風場的關系,其余因素暫不考慮.現在普遍認為南海北部陸架上升流的動力因素是西南季風[1].由埃克曼漂流理論可知,當風向與岸線平行時,海岸位于風的左側.在北半球將會出現海水的離岸運動,岸邊海水的空缺將由底層溫度低的海水上涌來補償,形成上升流[15].本文采用QuikScat傳感器數據,風羽圖來量化2007-2009夏季南海北部陸架月平均風場強度(圖7).由圖7可知在2008年夏季季節平均風速總體最高達到6.690 m/s,2007年夏季季節平均風速次之為6.490m/s,2009年最低為6.31 m/s(表4),2007年和2009年間風速差別較小.由圖8中南海北部陸架夏季海表溫趨勢圖可知,2009年最高為29.27℃,2007年次之為29.70℃,2008年夏季海表溫度最低為29.14℃(表4),2007年和2009年溫差較小.另外,由圖7可知南海北部陸架三年中每年6月份風最高,7、8月份次之;由圖8可知溫度在6月份達到最低,7、8月份開始升高.因此,可認為或許西南季風的強弱是造成北部陸架上升流強弱變化的主要原因之一.

圖7 南海北部陸架夏季風場強度(2007-2009)

3.2 上升流強度對漁業資源的影響

由圖8可知,2007年夏季海表溫度最高為29.70℃,上升流強度最低(圖2);2009年夏季海表溫度次之為29.27℃,上升流強度較強(圖2);2008年夏季海表溫度最低為29.143℃,南海北部陸架閩粵沿岸及臺灣海峽西側上升流強度最強(圖2).由于上升流強度的影響,2008年夏季的葉綠素a、初級生產力均達到三年夏季同要素的最高值;同樣2009年夏季的葉綠素a、初級生產力次之;2007年夏季的葉綠素a、初級生產力最低.根據營養動態模型估算的漁業資源量2008年夏季的漁業資源最高412.634kg/(C·km2),2009年夏季次之為364.898 kg/(C·km2),2007年夏季最少為310.831 kg/(C·km2).因此南海北部陸架上升流的強弱對該區漁業資源量的多少有密切的相關性.

圖8 南海北部陸架夏季海表溫度、葉綠素a、初級生產力(2007-2009)

3.3 影響漁業資源量各環境因素相關性探討

本部分主要按照月和季不同時間序列,運用SPSS軟件對影響漁業資源的個環境因素做因子分析,量化各環境因子間的相關性.

3.3.1 基于時間序列月平均數據

根據表2及表3可知風速和SST、Chl_a呈現較弱顯著性的負相關,其值分別為-0.282、-0.258,這可能是因為風速的增大加劇了南海北部陸架海水的交換運動,深層冷海水被帶到海表降低海表溫度,同時海水的劇烈運動不利于浮游動植物的生長,造成葉綠素含量隨風速增加而下降.另外風速與PP、漁業資源量呈現較弱顯著性的正相關,其值分別為0.224、0.224,這可能是因為海水的劇烈運動雖然不利于浮游動植物的生長,但卻帶來了陸架底部豐富的營養物質,這為魚類提供了大量的餌料.風速的增大會帶來天氣狀況的惡化,所以風速會和PAR呈現顯著的負相關,其值達-0.928.

漁業資源量和溫度呈現顯著性的負相關,其相關系數達到-0.96,這可能和上升流的強度有關.此外漁業資源量和Chl_a及Kd_490呈現較弱的正相關關系，其相關系數別為0.273、0.275.這可能主要是因為當風速減弱,浮游動植物獲得相對穩定生活環境有利于葉綠素a的增加,同時也為魚類提供了食物.Kd_490的增加會增加海水的真光層深度,一方面有利于浮游植物進行光合作用,另一方面,也會增加魚類的覓食范圍.

表2 漁業資源量各環境因子月平均數據

單位：SST,℃;Chl_a,mg/m3;PP,mg/(C·m2·d);PAR,Ein/(m2·d);Kd_490,m-1;wind speed,m/s;漁業資源量(月),kg/(C·km2)

表3 月時間尺度下漁業資源量與環境因子相關性分析

單位：SST,℃;Chl_a,mg/m3;PP,mg/(C·m2·d);PAR,Ein/(m2·d);Kd_490,m-1;wind speed,m/s;漁業資源量(月),kg/(C·km2)

3.3.2 基于時間序列季節平均數據

增加數據跨度以季節為單位(表4),用三個月的數據的融合平均平滑了局部數據變異.因此,總體來說風速和Chl_a有較強顯著性的正相關性,其值達到0.713(表5),這可能是因為數據得到平滑,削弱了以月平均數據局部風速過大限制浮游動植物生長的負面影響,加之上升流帶來豐富的營養物質,致使Chl_a濃度的增加.同樣,漁業資源量和風速也有較強顯著性的正相關,其值達到0.961(表5).因此,以季節為時間跨度的時間序列很好的說明了上升流的強度和漁業資源量有著高顯著性的正相關性,其值達到0.961.

表4 漁業資源量各環境因子季節平均數據

單位：SST,℃;Chl_a,mg/m3;PP,mg/(C·m2·d);PAR,Ein/(m2·d);Kd_490,m-1;wind speed,m/s;漁業資源量(月),kg/(C·km2)

表5 季節時間尺度下漁業資源量與環境因子相關性分析

單位：SST,℃;Chl_a,mg/m3;PP,mg/(C·m2·d);PAR,Ein/(m2·d);Kd_490,m-1;wind speed,m/s;漁業資源量(月),kg/(C·km2)

4 結論

從對南海北部陸架夏季風速、海表溫度、葉綠素a、初級生產力及漁業資源量的時空變化來看,閩粵沿岸及臺灣海峽西側上升流強弱變動對該區域的漁業資源量有顯著性的正相關性.選取的2007-2009三年夏季時間中,2008年夏季西南季風季節平均風速為6.693 m/s,海表溫度最低為29.14℃,上升流最強相應的季節平均葉綠素a、初級生產力及漁業資源量含量最高依次為0.851 mg/m3、440.817 mg/(C·m2·d)、412.634 kg/(C·km2);2009年夏季次之,西南季風季節平均風速為 6.3127m/s,海表溫度29.27℃,上升流強度次之相應的季節平均葉綠素a、初級生產力及漁業資源量含量依次為0.743 mg/m3、389.820 mg/(C·m2·d)、364.898 kg/(C·km2);2007年夏季季節平均海表溫度最高為29.7℃,風速為6.490 m/s相應的季節平均葉綠素a、初級生產力及漁業資源量含量最低,依次為0.700 mg/m3、332.060 mg/(C·m2·d)、310.831 kg/(C·km2).由于本文是基于遙感資料反演得到的初級生產力、營養動態模型估算的漁業資源量來進行分析研究,結果可能和實測值之間會有一定的差異.本文只是初步探討了南海北部陸架閩粵沿岸、臺灣海峽西側上升流與漁業資源量的關系,具體機制還有待進一步研究.

[1]吳日升,李立.南海上升流研究概述[J].臺灣海峽,2003(2):269-277.

[2]Chu T V.Study on biology of tuna in the South China Sea, Area IV; Vietnamese Waters[C]// Proceedings of the SEAFDEC Seminar on Fishery Resources in the South China Sea.Area IV: Vietnamese Waters, 1998: 146-168.

[3]Tang D L, Kestrel, D R, Ni I H, et al.Upwelling in the Taiwan Strait during the summer monsoon detected by satellite and shipboard measurements[J].Remote Sensing of Environment, 2002, 83: 457-471.

[4]Liu Y, Dai M, Chen W, et al.Distribution of biogenic silica in the upwelling zones in the South China Sea[J].Advances in Geosciences, 2012, 29: 55-65.

[5]Liu KK, Chao SY, Shaw PT, Gong GC, Chen CC, Tang TY.Monsoon-forced chlorophyll distribution and primary production in the South China Sea: observations and a numerical study[J].Deep Sea Research Part I: Oceanographic Research Papers .2002,49(8):1387-1412.

[6]陳金泉,傅子瑯,李法西.關于閩南—臺灣淺灘漁場上升流的研究[J].臺灣海峽,1982(2):5-13.

[7]莊偉,王東曉,吳日升,等.2000年夏季福建、廣東沿海上升流的遙感與船舶觀測分析[J].大氣科學 2005,29(3):438-444.

[8]占志明.厄爾尼諾(EI Nino)和拉尼娜(La Nina)事件及其對南中國海和華南地區的氣候異常影響[D].廣州：中山大學,2001.

[9]Michael J.Behrenfeld ,Paul G.Falkowski,Photosynthetic rates derived from satellite-based chorophyll concentration:Limnology and Oceanography[J].1997,42(1):1-19.

[10]郝鏘,寧修仁,劉誠剛,等.南海北部初級生產力遙感反演及其環境調控機制[J].海洋學報(中文版), 2007, 29(3):58-68.

[11]沈國英,施并章.海洋生態學[M].廈門:廈門大學出版社,1990.

[12]王增煥,李純厚,賈曉平.應用初級生產力估算南海北部的漁業資源量[J].海洋水產研究, 2005,26(3):9-15.

[13]肖方森.閩南-臺灣淺灘海域生態系統漁業資源容納量[J].臺灣海峽,2003,22(4):449-456.

[14]鄧松,鐘歡良,王名文,等.瓊海沿岸上升流及其與漁場的關系[J].應用海洋學學報, 1995(1):51-56.

[15]劉羿,彭子成,韋剛健,等.南海北部夏季沿岸上升流近百年的強度變化[J].地球化學,2009,38(4):314-319.

[16]張云翼.南海北部陸架區夏季冷水向岸輸送地形機制研究[D].廈門:廈門大學,2012.

[17]李繁華,孔祥德.近海上升流與海底地形關系的初步探討[J].黃渤海海洋,1988(2):39-46.

(編校：李由明)

Impact of Summer Upwelling on the Fisheries Resources inthe Northern South China Sea Based on Remote Sensing Data

WANG Meng-yin, HU Qi-wei

(1.College of Tourism, Huaqiao University, Quanzhou Fujian 362021, China;2 .College of Marine Science，Shanghai Ocean University，Shanghai 201306, China)

Variations of primary productivity and fisheries resources in the northern South China Sea were studied during the summer (July to August) from 2007 to 2009, by using VGPM model and nutritional dynamic models ,based on the remote sensing data—including sea surface temperature (SST), chlorophyll concentration (Chla)，Kd_490, PAR and sea surface wind (SSW) et al.Results showed that primary productivity—440.817 mg/ (C·m2·d)—and fisheries resources—412.634kg / (C·km2)— were the highest in the summer of 2008, and the second highest in 2009, the lowest—364.898mg/ (C·m2·d) and 310.831kg/ (C·km2)—in 2007.Graphs of the wind files showed that the upwelling intensity was the strongest in the shore of Guangdong and west of the Taiwan Strait in the summer of 2008, and the second strongest in 2009, the weakest in 2007.With the trend of the upwelling intensity, the trend of fisheries resources synchronized.The analysis of environment factors and fisheries resources showed that the correlation between the speed of the sea surface wind and fisheries resources is significantly positive, while the correlation between the sea surface temperature and fisheries resources is negative.

upwelling; VGPM; nutritional dynamic models ; fishery resources; remote sensing;the Northern South China Sea

格式：王夢茵,胡啟偉.基于遙感的南海北部夏季上升流對漁業資源的影響[J].海南熱帶海洋學院學報，2017，24(2)：22-29.

2017-02-23

華僑大學海上絲綢之路專項研究(HSYB2014-08)

王夢茵(1993-),女,河南南陽人,華僑大學旅游學院2015級人文地理專業碩士研究生,主要研究方向為旅游地理學.

胡啟偉(1992-),男,河南信陽人,上海海洋大學海洋科學學院2015級海洋漁業遙感專業碩士研究生,主要研究方向海洋生態遙感.

S931.1;P76;TP79

A

2096-3122(2017) 02-0022-08

10.13307/j.issn.2096-3122.2017.02.05