黄海锋区环流与鳀鱼卵的聚集_魏皓

第37卷　第3期　2007年5月　

中国海洋大学学报

PERIODICALOFOCEANUNIVERSITYOFCHINA

37(3):512～516May,2007

译文选登

黄海锋区环流与

1

1

鱼卵的聚集

2

1

魏　皓,王玉衡,万瑞景,苏　健

(1.中国海洋大学物理海洋教育部重点实验室,山东青岛266100;2.中国水产科学院黄海水产研究所,山东青岛266071)

摘　要:　鱼的补充量决定了黄海渔业产量以及资源的可持续开发。海州湾是

鱼传统的产卵场和育肥场。研究表明,

鱼生活史早期阶段在该海域的存留与观测到的海洋锋有关,海上观测证实了

鱼卵的分布有高密度的斑块,并且多存在于潮汐锋区;在夏季,锋区和鱼卵的高密度斑块都会向近岸移动。采用HAMSOM水动力模式(HamburgShelfOceanMod-el)对黄东海的锋区环流及颗粒物输运进行了研究,以月平均风场及实测温度作为强迫。结果表明,锋区的射流和上升流都对鱼卵的输运有重要影响。锋区的剪切不稳定以及地形作用下的位涡平衡经常会产生辐聚和辐散的区域。数值实验的结果表明,对于鱼卵一类颗粒物的聚集,潮混合锋起了重要作用。当鱼卵进入辐聚区后,会被聚集到一起形成斑块。辐聚区有良好的觅食条件,有利于鱼卵的孵化和仔鱼的生长。关键词:　鱼卵;辐聚;涡旋;潮汐锋;黄海中图法分类号:　S913　　　　　　文献标识码:　A　　　　　　文章编号:　1672-5174(2007)03-512-05

　　黄海是西北太平洋的一个边缘海,位于中国大陆与朝鲜半岛之间(见图1)。西北与渤海相接,南部与东海相连。平均深度44m,东侧有一深海槽(最大深度

2

Engraulisjaponicus)140m),总面积48万km。鱼(

是1种生活在近表层水中的小型上层鱼类。每年春季,鱼会从越冬的深海槽洄游到西北岸的近海区域产卵,产卵盛期从5月持续到7月。海州湾是

鱼传统的产卵场和育肥场。因此,从动力学的角度,文中研究了物理过程对

鱼卵存留的影响

。

　　对于像爱尔兰海和黄海这样的近岸海区,潮汐锋是有重要意义的物理现象[1-4]。在这些近岸海区存在季节性的温跃层,形成于春末,在夏季达到最强,并于秋末消失,而在浅海高能潮波造成充分的混合。这样,在层结和均匀混合的水体之间就形成了潮汐锋。由于位涡守恒,在锋区会产生射流;由于剪切不稳定,在锋区两侧还会产生小的涡旋[5]。前人曾对潮汐锋区的辐聚、辐散进行过研究

[6-8]

。Lough和Manning

[9]

建立了

一个潮汐锋区仔鱼输运的概念模型,并讨论了乔治滩南侧育肥场的补充量,该海区鱼卵和仔鱼有在海表密度跃层以上辐聚区聚集的倾向。基于IBM模式(indi-vidual-basedmodel),Werner等[10]认为颗粒物日平均的垂向位置决定了鱼卵和仔鱼输运的方向。

在鱼产卵期,潮汐锋是黄海显著的水文特征之一,本文着重探讨潮汐锋对鱼早期生活史的影响。

1　观测与分析

作为黄东海生态动力学和渔业资源可持续利用研究计划的一部分,在2000～2002年5～7月利用北斗号调查船组织了7个航次的观测。调查区域位于黄海西南岸(34.5°N～37.25°N,120°E～124°E),测站布设在6个断面上,在海州湾加大了采样密度。温盐剖面由1台Seabird19CTD测得,流速剖面由2001年5月布设于35.5°N,121.5°E处锚系站的RDI300kHzAD-图1　研究海域及地形

Fig.1　Mapofthestudyareaandbottomtopography

CP提供。采用直径0.8m、网目47μm的浮游生物网进行水平和垂直拖网,在现场完成

鱼卵从样品中的

基金项目:国家基础研究发展规划(G1999043703);国际合作重点计划(2001CB711004)资助

收稿日期:2007-03-17;修订日期:2007-04-20

(-),女,,博导,。@http://wendang.chazidian.com

3期魏　皓,等:黄海锋区环流与鱼卵的聚集513

分离、计数工作。

图2是2001年5～7月35°N的温度垂向剖面图,从中可以看出层化和潮汐锋的形成过程。5月份,温跃层强度为0.5℃m

-1

,厚度10m,深度15m;到7月,

温跃层强度增至1℃m-1,厚度5m,跃层中心约位于10m深度。在这个过程中,海表温度从16℃增至23℃,但海底温度一直维持在10℃,即黄海冷水团的典型值。潮汐锋可以看作黄海冷水团近海底的边界。锋面的水平梯度,5月35m水深处为0.063℃nmile锋变强并逐渐向浅水移动

。

-1

,

7月为0.25℃nmile-1。随着表层水温的上升,潮汐

图2　2001年5～7月35.5°N断面的温度分布图Fig.2　Temperatureprofilesalong35.5°Nin2001

((a)5月,断面从120°35′E～123°30′E;(b)6月,断面从120°30′E

～122°30′E;(c)7月,断面从120°E～120°45′E

(a)May,(b)Juneand(c)July.Thesectionisfrom120°35′Eto123°30′EinMay,from120°30′Eto122°30′EinJuneandfrom

120°Eto120°45′EinJuly)

图3　2001年5～7月卵(圆形标记)和仔鱼(鱼形标记)的分布图

Fig.3　Distributionsofeggs(circles)andlarvae(fishes)in2001

(以10min拖网的计数表示,(a)5月,(b)6月,(c)7月,同时显示了测站的位置(a中的船形标记)。通过底层温度梯度的计算确定潮汐锋的位置,5月到7月,潮汐锋向浅海移动,而卵浓度的最大值一直维持在锋区附近

(a)May,(b)Juneand(c)July,expressedasnumberper10mintrawl.Thestationgridsarealsoshown(a,ships).Thetidalfrontisdeterminedbytemperaturegradients.ThefrontshiftstoshallowareasfromMaytoJunewithmaximumeggconcentrationnearthefront.Thetidalfrontiscalculatedbyusingbottomtemperaturegradients)

图3反映了温度锋在海面的分布,圆形标记代表各航次鱼卵的聚集区。从5～7月,潮汐锋在海州湾内向西最大推进30nmile,而随着潮汐锋向浅水区的推移,

鱼卵的聚集区也会向岸移动

。

514中　国　海　洋　大　学　学　报2007年

　　为了研究鱼卵浓度极大值随潮汐锋移动的原因

以及维持锋区附近高密度斑块的机制,本文采用HAMSOM水动力模式对锋区环流和颗粒物输运进行了数值实验。

2.3HAMSOM模式的校验

虽然判断潮汐锋位置的标准有很多,应用最广泛的还是Simpson和Hunter[19]提出的标准,Simpson-Hunter(SH)参数定义如下:

SH=log10U

其中,U在半日潮海区代表25h平均的潮流流速,H代表水深,SH在1.8～2.0之间的区域定义为潮汐锋区[17]。

采用HAMSOM模式计算了黄、东海的潮波系统。

[18]

M2分潮的同潮时线和等振幅线(图略)与历史观测吻合得很好。黄海有2个半日分潮无潮点,潮波从东海向西北传入黄海并在海州湾内绕无潮点逆时针旋转,水位约为1m。由于Kelvin波传播的原因,黄海东侧振幅大于西侧。潮流类型为规则半日潮,ADCP资料也验证了这一点。

SH参数由诊断模式在黄海中的结果经平均而得(见图5)。SH参数1.8和2.0等值线之间的部分构成了潮汐锋区。图5还显示了滤去潮流以后得到的夏季余流。在黄海南部,存在一气旋式环流,沿潮汐锋存在一射流由北向南,锋面内侧流动较弱。在射流区,最大流速约为20cms,在2天的时间内可以将悬浮颗粒物输送34km。这意味着,在锋面射流区,卵在孵化之前可以被输送到20nmile之外。对夏季环流的模拟与ARGOS浮标轨迹得到的结果[19]在趋势上是一致的。

-1

2　模式的描述和校验

2.1HAMSOM概述

HAMSOM是1个三维斜压动力学模式,采用ArakawaC网格,以有限差分法解原始运动方程。模式的细节及应用见参考文献[11-15],这里只给出将该模式应用于中国近海时的主要特点及所作的一些修改。为了精确的模拟潮汐锋区环流,本文采用了诊断模式。为了排除稳定性对时间步长的限制,自由海面起伏(ζ)和垂向湍切应力采用半隐格式离散,柯氏项采用二阶时间精度差分。2.2黄、东海计算的模式安排

为提高黄海中流场的计算精度,将东海也包含在计算域内。采用球面坐标系,经向纬向水平网格均取5′(见图4)。垂向离散的层次依次为10,20,30,60,100,150,200,250,350,600,1000和2500m。时间步长设为6min以确保潮的精度。开边界选用5个分潮作为强迫(M2,S2,N2,K1,O1)。月平均风场以及温盐资料来源于Levitus数据库,当有出海航次时,采用现场调查资料。在海表和海底,采用相应的运动学边界条件和二次律的应力条件

。

[16]

图5　潮汐锋区及沿锋的射流

Fig.5　Thetidalfrontareaandthejetalongthefront

图4　计算网格

Fig.4　Mapofthecomputationalgrid

(模式计算区域主要是粗线之间的部分,主要有4个开边界:台湾海峡、

台湾以东黑潮区、吐噶喇海峡和对马海峡

Modelfocusesontheareabetweentheboldlines.Therearefouropen

boundarieswithfilledgrid,intheTaiwanStrait,theKuroshioarea

,S,(用阴影表示的等温线代表底层水温,等值线代表SH参数。可以看出,由底层温度梯度反映的锋区,正好落在SH参数1.8～2.0的范围内

图中矢量代表黄海环流TheshadedisothermsindicatebottomlayertemperaturesinJuly.TheisolinesreflecttheSimpson-Hunterparameter.Thefrontarea,asrevealedbythetemperaturegradients,isconsistentwithSHvalueofbetween1.8

the)

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3期魏　皓,等:黄海锋区环流与鱼卵的聚集515

当等深线弯曲剧烈时,必然会产生涡旋以达成新的平

衡,从而产生斑块状的辐聚、辐散区域。鱼卵和仔鱼的高密度区,总是在点2(见图6)附近被观测到,说明进入这些涡旋的鱼卵和仔鱼被滞留了下来

。

图6　潮汐锋区不同深度的质点追踪试验

Fig.6　Trackingexperimentsofdifferentlayersinthetidalfrontarea

(沿锋面(由SH参数定义)自西向东在锋两侧布置带有标记的颗粒物。图中斑点代表初始位置。细线、中等粗细的线和粗线分别代表表层、

15m和25m层的轨迹

Taggedparticlesaredistributedonbothsidesofthefrontarea(accordingtoSHparameter)fromwesttoeast.Themaculaeareinitialpositions.Thethinnestlines,thinnerlinesandthicklinesshowthetracksin

differentlayers,surface,15and25m,respectively)

3　讨论

本文以质点追踪法模拟了锋区附近5个点上颗粒物在20d内的轨迹,结果如图6所示。在1和2两点上的颗粒物,与初始位置相比位移都很小,并且都在锋面的层化一侧辐聚。对其他的点,在表层都可以有穿越锋面的输运,但在底层,仍会保持在锋区内。这意味着在锋区不同位置,辐聚、辐散的类型是不同的。从位涡守恒的观点来看,锋区的剪切与地形涡度达成平衡。

图7　35°N断面温度(℃)和水平速度梯度(m/s/5′E)分布Fig.7　Verticaltemperature(℃)andhorizontalvelocity

gradient(m/s/5′E)at35°N

(等值线代表温度,以阴影表示的等值线代表水平流速梯度,锋区大约位于120°30′E和125°E。从流速梯度可以看出,在锋

区两侧都存在辐聚区Theisotherms(marks)showtheverticaltemperaturedistribution,andtheisolines(shades)denotehorizontalvelocitygradients.Thefrontareaisapproximatelyat120°30′Eand125°E.Thevelocitygradientshowsthat

thereareconvergenceareasonbothsidesofthefrontalarea

)

图8　质点追踪实验Fig.8　Particletrackingexperiment

(三角形代表鱼卵密度最大值的初始位置;五星代表20天后示踪物的位置。(a)只考虑风海流和热盐环流;(b)风海流、热盐环流以及潮共同作用

Trianglesshowtheinitialpositionsofthemaximumeggsconcentration,andthestarsshowthepositionsofthetracersafter20days

a,

516中　国　海　洋　大　学　学　报

SocLond,2000,A456:1217-1280.

2007年

　　从35°N断面的温度剖面(见图7)可以看到在潮汐锋混合一侧的上升流以及锋区的辐聚。鱼卵在深层孵化出来以后,被带到表层的辐聚区;在产卵期,

成年鱼在海州湾产卵,潮汐锋附近的卵,很快被沿锋面的射

流输送到辐聚的涡旋区域。这些区域有利于卵的存留和仔鱼的生长。而辐散的区域则很少看到

样,就形成了沿潮汐锋分布的鱼卵斑块。

潮混合锋在

鱼卵的辐聚和存活过程中起了重要作用,质点追踪数值实验显示,如果只考虑风海流和热盐环流的水平输运,质点阵列仍然会保持初始的矩形分布(见图8a),但是如果同时考虑潮混合和潮汐余流,质点阵列会重新排列,并在锋区附近聚集(见图8b)。

鱼卵。这

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4　结语

每年从晚春到秋末黄海都存在潮汐锋

。

鱼产卵

盛期,在黄海西南部的海州湾中,会出现沿潮汐锋分布的鱼卵高密度斑块。基于数值实验,

本文提出了鱼卵的聚集与潮汐锋之间密切相关的一种假说。锋区的环流,如沿锋面的射流以及混合一侧的上升流可以实现对深层和附近海域鱼卵的输运;在等深线弯曲的地方锋区会产生涡旋,颗粒物进入这些涡旋以后会滞留下来。这些可以解释卵的存留和高密度斑块的形成。为了完善这一假说,还需要对辐聚区和涡旋进行更多的直接观测。参考文献:

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原文“TidalFrontandtheConvergenceofAnchovy(Engraulisjaponicus)EggsintheYellowSea”刊载于《FISHERIESCLEANOGRAPHY》2003,(12):4～5,434-442.