基于遥感的南海北部夏季上升流对渔业资源的影响

王梦茵,胡启伟

(1.华侨大学 旅游学院,福建 泉州362021; 2.上海海洋大学 海洋科学学院,上海201306)

基于遥感的南海北部夏季上升流对渔业资源的影响

王梦茵1,胡启伟2

(1.华侨大学 旅游学院,福建 泉州362021; 2.上海海洋大学 海洋科学学院,上海201306)

根据2007-2009年夏季(6-8月)卫星遥感数据(海表温度、叶绿素a浓度、Kd_490、PAR、海面风场等),通过VGPM模型和营养动态模型对2007-2009年夏季南海北部初级生产力和渔业资源量进行研究.结果表明,2008年夏季初级生产力及渔业资源量最高,分别为440.817 mg/(C·m2·d)、412.634 kg/(C·km2),2009年渔业资源量次之,2007年渔业资源量最低分别为364.898 kg/(C·km2)、310.831 kg/(C·km2).基于风速数据反演得到2007-2009年夏季南海北部风场，结果表明2008年夏季闽粤沿岸及台湾海峡西侧上升流强度最强、2009年夏季次之、2007夏季年最弱,这种变化和渔业资源量的变化趋势具有一致性.通过各季节环境因素的相关性分析发现渔业资源量与风速呈显著正相关关系,和温度呈显著负相关关系.

上升流; VGPM; 营养动态模型; 渔业资源; 遥感; 南海北部

0 引 言

南海北部陆架(18°N-26°N,108°E-122°E)指中国大陆南部,从海南岛东岸到台湾岛的西岸(包括台湾海峡南部)200 m等深线的宽阔海域.我国南海北部陆架海域主要包括两个：广东及海南岛东部外海上升流和台湾海峡南部上升流[1].本文主要研究闽粤沿岸及台湾海峡西侧海域上升流对整个南海北部陆架渔业资源量的影响.

上升流是表层以下的海水沿垂直方向涌上海表面的海流过程,并形成表面海水辐散的一种海洋现象.由于中层和深层海水温度低于表层海水温度,在上升流的过程中,使得海水表层温度降低,海水中层、深层的营养类物质被携带到海表面,吸引浮游植物,从而导致鱼类生物在此聚集,海洋生物量增长,从而为人类提供生产生活产品.目前,国内外学者对上升流与海洋生态环境要素进行了大量研究.Chu等在20世纪60年代初,对南海中西部上升流区存在金枪渔场进行了研究[2];Tang DL等将NOAA的海表温度数据与CZCS的叶绿素a浓度数据相结合,讨论上升流区域与叶绿素a的关系[3];Liu Y等研究南大洋的海洋水色及海表温度的变化,并发现叶绿素a的时空变化[4];Liu KK讨论了季风与叶绿素a的关系,指出在上升流海域季风与海表温度呈负相关,而与叶绿素a的浓度呈正相关[5];陈金泉等指出西南季风对台湾浅滩西南的上升流形成有重要影响[6];庄伟等将卫星遥感数据与实地航行考察资料相结合,分析出夏季上升流的强度与海面风场存在关系[7].综上所述,目前,国内外学者对上升流海域与渔业资源关系的研究还处于初步阶段,2007年8月形成的一次拉尼娜事件于2008年4月结束,且2008年年初拉尼娜导致了我国南方冰雪天气,这些气候的异常对海洋还环境有较大影响[8].本文选取2008-2009年夏季(6-8月)遥感数据，初步分析异常的天气状况对海洋水文要素及渔业资源的影响.

1 数据来源及处理

本文所需卫星遥感数据包括海表温度、叶绿素a浓度、海表辐射度、真光层深度和海面风场数据及根据经纬度季节平均得到的光照周期.所有卫星数据均由MATLAB软件处理,使用时截取南海北部陆架区域,数据分析及作图由MATLAB、GrADS、SPSS共同完成.

1.1 数据介绍

表1 数据来源

1.2 VGPM模型

VGPM模型是把浮游植物光合作用的生理学过程与经验关系相结合所建立的半定量模型.基本建模过程包括:(Ⅰ)估计叶绿素的垂直分布;(Ⅱ)根据叶绿素分布模式或实测的表层光强以及基于光衰减的物理机制,来计算光谱强度的垂直分布;(Ⅲ)基于单位叶绿素的光合作用、 光强分布和光限制、光饱和条件下碳固定速率变化的经验关系,计算出一定水深的初级生产力.Behrenfeld等[9]收集了 1971 年到 1994 年期间从北纬80°到南纬70°范围内共169个站点包含Ⅰ类水体和Ⅱ类水体不同来源的实测资料,根据这些实测资料建立了海洋初级生产力计算的VGPM模型.VGPM模型经历了长时期、大范围、不同水域上千个站点的上万个实测数据的验证,不仅计算精确,而且应用广泛.它的表达形式为:

(1)

进一步简化后得到:

(2)

(3)

式中：

1.3 营养动态模型

(Ⅰ) 营养动态模型是根据食物链能量流动理论来对海域资源量进行估算[11].在海洋生态系统中,生产者主要是浮游植物,通过光合作用把营养物质转变为有机物,把太阳能变为化学能储藏在有机物中,其生产量的大小为初级生产力.能量由浮游植物固定后,沿食物链在整个系统中流动.但从一个营养级到另一个营养级,能量是逐步减少的,消费者最多只能把食物能量的4.5%-20%转变为自身物质,营养级之间能量的转化效率10%-20%.根据这一原理,将生态系统的消费者分为不同的营养层次,利用各层次之间的生态效率,可以估算研究对象的生产量.根据营养动态模型渔业资源量的计算公式估算南海北部陆架上升流区域单位面积渔业资源量:

(4)

其中:P为单位面积渔业资源生产量(mg/(C·m2·d)),P0为初级营养阶层的生产量及浮游植物的生产量,E0为生态效率,n为营养阶层的转换级数.

(Ⅱ)参数的选择

生态效率E:海洋生态效率基本在10%-20%之间,不同生态系统、不同营养级之间生态效率有很大的变化.中国近海水域生态效率一般取15%左右,本文研究的区域大致为水深小于200米等深线的海域,生态效率取16.10%来估算资源量[12].营养阶层的转换级数n的选取主要考虑到资源结构的改变,并参照其他作者的研究结果[13],故选取n=2.5.

图1 2008年7月MODISA南海北部海表温度分布

1.4 南海北部夏季上升流区域

本文中夏季上升流区域的定义均参照历史研究资料，历史研究表明南海北部主要存在四个上升流区域(图1)，分别是台湾浅滩上升流、粤东沿岸上升流、粤西沿岸上升流和琼东上升流.其中台湾浅滩上升流属于离岸地形上升流，粤东和粤西沿岸上升流及琼东上升流属于沿岸风生上升流[14].

2 研究过程及结果

2.1 南海北部陆架区域夏季海表面温度年际变化

根据遥感温度数据得到南海北部陆架2007-2009年夏季海表面温度分布(图2).由图1及图2可见,在闽粤沿岸、台湾海峡西侧存在明显的低温区,参照前人的研究成果,此区域为夏季上升流中心区域[15],温度明显低于整个陆架夏季温度.另外,从三年的时间序列来看,2008年夏季上升流区域平均温度为29.143℃,低于2007年夏季平均温度29.70℃及2009年夏季平均温29.27℃(表4).由此可知2008年夏季该区域底层冷海水上泛较之2007、2009两年份剧烈,即与其余两个年份对比2008年夏季在闽粤沿岸、台湾海峡西侧上升流强度较强.

图2 南海北部陆架夏季海表面温度(2007-2009)

2.2 南海北部陆架叶绿素a浓度年际变化

将获得的月平均叶绿素a数据用MATLAB进行季节平均处理得到2007-2009年夏季南海北部陆架叶绿素a浓度分布(图3).由图3可见南海北部陆架区叶绿素整体浓度较高.一方面可能是沿岸人口经济活动强度高且多条河流的注入导致大量的营养物质在沿岸积聚;另一方面也可能是由于沿岸含有大量的悬浮泥沙造成的遥感数据误差较大.由于在闽粤沿岸、台湾海峡西侧叶绿素浓度a变化较大,因此认为该区域数据仍有一定的可靠性.从图3可知,在闽粤沿岸及台湾海峡西侧区域2008年夏季平均叶绿素a浓度为0.851 mg/m3高于2007年夏季平均叶绿素a浓度0.700 mg/m3及2009年夏季平均叶绿素a浓度高0.743 mg/m3(表4),对比图2可知,2008年夏季此区域上升流较剧烈,可能是造成此现象的主要原因.

图3 南海北部陆架夏季叶绿素a(2007-2009)

2.3 南海北部陆架初级生产力

将获得的相关遥感数据按照VGPM模型进行计算,得到2007-2009年夏季初级生产力分布(图4).由图4可见,整个南海北部陆架区域3年夏季变化并不是很明显,但在闽粤沿岸、台湾海峡西侧的上升流区域变化较显著.2008年夏季南海北部陆架平均初级生产力为440.817 mg/(C·m2·d)(表2)高于2007年的平均初级生产力332.060 mg/(C·m2·d)及2009年的平均初级生产力389.820 mg/(C·m2·d) (表4).主要原因由表2可知,2008年夏季的叶绿素浓度、光合辐照度及漫衰减系数均高于其余两年份.但2008年的夏季平均温度低于其余两年,因此,上升流的强度可能是影响该区域初级生产力的主要原因之一.

图4 南海北部陆架夏季初级生产力(2007-2009)

2.4 南海北部陆架风场

根据所得遥感月平均风场数据,进行季节平均得到2007-2009年夏季风场(图5).由图5可见南海北部陆架夏季盛行西南风,整体来看2008年平均风速为6.693 m/s高于2007年夏季平均风速6.414 m/s及2009年平均风速6.313 m/s(表4).现在一般认为西南季风是闽粤沿岸上升流的动力因素[16].因此,2008年夏季风的强度高于其余两年,可能是造成2008年夏季上升流强度高于其余两年的主要动力因素.

图5 南海北部陆架夏季风场(2007-2009)

2.5 南海北部陆架渔业资源量

根据所得遥感数据和营养动态模型,得到南海北部陆架区域2007-2009年夏季渔业资源

估计量(图6).由图6可知从季节平均来看三年中2008年夏季的渔业资源最高为412.634 kg/(C·km2),2009年夏季次之为364.898 kg/(C·km2),2007年夏季季节平均渔业资源量最少为310.831 kg/(C·km2).由于2008年夏季南海北部陆架西南季风较其余两年强度大,2009年次之,2007年最低(图5),不同风速强度引起闽粤沿岸及台湾海峡上升流强弱变化,上下水体交换速率及强弱的不同,进而影响到浮游动植物及初级生产力的大小变化,这可能是导致南海北部陆架区域渔业资源量在不同年份相同季节(夏季)出现变化的主要原因.另外,从月平均渔业资源量变化趋势来看,三年有着同样的规律,6月份出现最高值,7月份次之,8月份最低.由于南海夏季西南季风6月份强度较强,7、8月份开始逐月减弱,这可能是导致月平均渔业资源量变化的主要原因之一.

图6 南海北部陆架夏季渔业资源量(2007-2009)

3 分析与讨论

3.1 上升流强度与风场的关系

南海北部陆架上升流的强度和多种影响因素有关,例如海底地形,大陆架宽度等[17].本文主要讨论上升流强度与风场的关系,其余因素暂不考虑.现在普遍认为南海北部陆架上升流的动力因素是西南季风[1].由埃克曼漂流理论可知,当风向与岸线平行时,海岸位于风的左侧.在北半球将会出现海水的离岸运动,岸边海水的空缺将由底层温度低的海水上涌来补偿,形成上升流[15].本文采用QuikScat传感器数据,风羽图来量化2007-2009夏季南海北部陆架月平均风场强度(图7).由图7可知在2008年夏季季节平均风速总体最高达到6.690 m/s,2007年夏季季节平均风速次之为6.490m/s,2009年最低为6.31 m/s(表4),2007年和2009年间风速差别较小.由图8中南海北部陆架夏季海表温趋势图可知,2009年最高为29.27℃,2007年次之为29.70℃,2008年夏季海表温度最低为29.14℃(表4),2007年和2009年温差较小.另外,由图7可知南海北部陆架三年中每年6月份风最高,7、8月份次之;由图8可知温度在6月份达到最低,7、8月份开始升高.因此,可认为或许西南季风的强弱是造成北部陆架上升流强弱变化的主要原因之一.

图7 南海北部陆架夏季风场强度(2007-2009)

3.2 上升流强度对渔业资源的影响

由图8可知,2007年夏季海表温度最高为29.70℃,上升流强度最低(图2);2009年夏季海表温度次之为29.27℃,上升流强度较强(图2);2008年夏季海表温度最低为29.143℃,南海北部陆架闽粤沿岸及台湾海峡西侧上升流强度最强(图2).由于上升流强度的影响,2008年夏季的叶绿素a、初级生产力均达到三年夏季同要素的最高值;同样2009年夏季的叶绿素a、初级生产力次之;2007年夏季的叶绿素a、初级生产力最低.根据营养动态模型估算的渔业资源量2008年夏季的渔业资源最高412.634kg/(C·km2),2009年夏季次之为364.898 kg/(C·km2),2007年夏季最少为310.831 kg/(C·km2).因此南海北部陆架上升流的强弱对该区渔业资源量的多少有密切的相关性.

图8 南海北部陆架夏季海表温度、叶绿素a、初级生产力(2007-2009)

3.3 影响渔业资源量各环境因素相关性探讨

本部分主要按照月和季不同时间序列,运用SPSS软件对影响渔业资源的个环境因素做因子分析,量化各环境因子间的相关性.

3.3.1 基于时间序列月平均数据

根据表2及表3可知风速和SST、Chl_a呈现较弱显著性的负相关,其值分别为-0.282、-0.258,这可能是因为风速的增大加剧了南海北部陆架海水的交换运动,深层冷海水被带到海表降低海表温度,同时海水的剧烈运动不利于浮游动植物的生长,造成叶绿素含量随风速增加而下降.另外风速与PP、渔业资源量呈现较弱显著性的正相关,其值分别为0.224、0.224,这可能是因为海水的剧烈运动虽然不利于浮游动植物的生长,但却带来了陆架底部丰富的营养物质,这为鱼类提供了大量的饵料.风速的增大会带来天气状况的恶化,所以风速会和PAR呈现显著的负相关,其值达-0.928.

渔业资源量和温度呈现显著性的负相关,其相关系数达到-0.96,这可能和上升流的强度有关.此外渔业资源量和Chl_a及Kd_490呈现较弱的正相关关系，其相关系数别为0.273、0.275.这可能主要是因为当风速减弱,浮游动植物获得相对稳定生活环境有利于叶绿素a的增加,同时也为鱼类提供了食物.Kd_490的增加会增加海水的真光层深度,一方面有利于浮游植物进行光合作用,另一方面,也会增加鱼类的觅食范围.

表2 渔业资源量各环境因子月平均数据

单位：SST,℃;Chl_a,mg/m3;PP,mg/(C·m2·d);PAR,Ein/(m2·d);Kd_490,m-1;wind speed,m/s;渔业资源量(月),kg/(C·km2)

表3 月时间尺度下渔业资源量与环境因子相关性分析

单位：SST,℃;Chl_a,mg/m3;PP,mg/(C·m2·d);PAR,Ein/(m2·d);Kd_490,m-1;wind speed,m/s;渔业资源量(月),kg/(C·km2)

3.3.2 基于时间序列季节平均数据

增加数据跨度以季节为单位(表4),用三个月的数据的融合平均平滑了局部数据变异.因此,总体来说风速和Chl_a有较强显著性的正相关性,其值达到0.713(表5),这可能是因为数据得到平滑,削弱了以月平均数据局部风速过大限制浮游动植物生长的负面影响,加之上升流带来丰富的营养物质,致使Chl_a浓度的增加.同样,渔业资源量和风速也有较强显著性的正相关,其值达到0.961(表5).因此,以季节为时间跨度的时间序列很好的说明了上升流的强度和渔业资源量有着高显著性的正相关性,其值达到0.961.

表4 渔业资源量各环境因子季节平均数据

单位：SST,℃;Chl_a,mg/m3;PP,mg/(C·m2·d);PAR,Ein/(m2·d);Kd_490,m-1;wind speed,m/s;渔业资源量(月),kg/(C·km2)

表5 季节时间尺度下渔业资源量与环境因子相关性分析

单位：SST,℃;Chl_a,mg/m3;PP,mg/(C·m2·d);PAR,Ein/(m2·d);Kd_490,m-1;wind speed,m/s;渔业资源量(月),kg/(C·km2)

4 结论

从对南海北部陆架夏季风速、海表温度、叶绿素a、初级生产力及渔业资源量的时空变化来看,闽粤沿岸及台湾海峡西侧上升流强弱变动对该区域的渔业资源量有显著性的正相关性.选取的2007-2009三年夏季时间中,2008年夏季西南季风季节平均风速为6.693 m/s,海表温度最低为29.14℃,上升流最强相应的季节平均叶绿素a、初级生产力及渔业资源量含量最高依次为0.851 mg/m3、440.817 mg/(C·m2·d)、412.634 kg/(C·km2);2009年夏季次之,西南季风季节平均风速为 6.3127m/s,海表温度29.27℃,上升流强度次之相应的季节平均叶绿素a、初级生产力及渔业资源量含量依次为0.743 mg/m3、389.820 mg/(C·m2·d)、364.898 kg/(C·km2);2007年夏季季节平均海表温度最高为29.7℃,风速为6.490 m/s相应的季节平均叶绿素a、初级生产力及渔业资源量含量最低,依次为0.700 mg/m3、332.060 mg/(C·m2·d)、310.831 kg/(C·km2).由于本文是基于遥感资料反演得到的初级生产力、营养动态模型估算的渔业资源量来进行分析研究,结果可能和实测值之间会有一定的差异.本文只是初步探讨了南海北部陆架闽粤沿岸、台湾海峡西侧上升流与渔业资源量的关系,具体机制还有待进一步研究.

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(编校：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：王梦茵,胡启伟.基于遥感的南海北部夏季上升流对渔业资源的影响[J].海南热带海洋学院学报，2017，24(2)：22-29.

2017-02-23

华侨大学海上丝绸之路专项研究(HSYB2014-08)

王梦茵(1993-),女,河南南阳人,华侨大学旅游学院2015级人文地理专业硕士研究生,主要研究方向为旅游地理学.

胡启伟(1992-),男,河南信阳人,上海海洋大学海洋科学学院2015级海洋渔业遥感专业硕士研究生,主要研究方向海洋生态遥感.

S931.1;P76;TP79

A

2096-3122(2017) 02-0022-08

10.13307/j.issn.2096-3122.2017.02.05