海洋升降流動力學機制及其生態(tài)環(huán)境效應探討

劉金林 李崇翔 曹軒 喬橋 張馨予 王鈺珺 夏菁 張建恒 李娟英

摘 要：本文系統(tǒng)闡述了洋流及升降流的概念，從理論的角度探討其產生機制。此外介紹了海洋升降流動力學機制與生態(tài)環(huán)境效益之間的聯(lián)系，針對生態(tài)效應展開分析。分別闡述其與著名漁場形成的相關聯(lián)系以及在污染物擴散中所造成的影響等，具有重要的啟示意義。

關鍵詞：海洋; 洋流; 升降流; 生態(tài)效應; 漁場; 污染擴散; 核泄漏

中圖分類號：Q178? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? 文章編號：1006-3315（2021）7-102-002

1.洋流的概念

洋流又稱海流。指的是除了由引潮力引起的周期性潮汐運動外，海水沿著一定方向的大規(guī)模流動。洋流的成因主要有以下幾種：行星風系、大氣運動、海水密度差異、陸地地形和地轉偏向力等。暖流流經的海域和沿岸地區(qū)，一般氣溫高且空氣濕潤。例如歐洲的西部、北部地區(qū)氣溫均比同緯度地區(qū)高。寒流則會引起海區(qū)氣溫降低且降水減少。

引起海流運動的主要動力有兩種：直接作用于海面的風應力，以及熱鹽效應（造成海水密度分布不均勻性）形成的動力。其中，風海流的主要動力是盛行風。由于海岸及海底的阻隔作用，海流在近海（海表層及海底層）的情況與在開闊海洋處有著明顯的差別。

2.升降流的產生過程

升降流是海洋環(huán)流運動的重要環(huán)節(jié)。表層流場在水平方向輻散，此時表層海水缺失。這就使得表層以下的海水作垂直上升的流動以補充表層缺失的海水，該過程被稱為上升流。另一方面，因表層流場的水平輻合造成區(qū)域內表層海水過多，海水由此開始自海面做垂直下降的流動，該過程被稱為下降流。二者合稱升降流。

升降流的產生與風密切相關。在北半球海域，當風沿著與海岸平行（位于風向的左側）的方向吹刮時，由于地轉偏向力的作用，風吹刮形成的風飄流促使表層海水遠離海岸。此時下層海水上升形成上升流，并在遠海處形成下降流。而在迎風處的海岸地區(qū)升降流形成過程則與之相反，風力推動表層海水不斷涌向海岸，造成沿岸水位持續(xù)上升繼而產生增水現(xiàn)象。這迫使沿岸區(qū)域處海水下沉形成下降流，上升流也相應產生[1-2]。

南半球海域也存在著較為明顯的上升流現(xiàn)象。季風沿岸線吹刮會導致大面積上升流的形成，已知全球上升流最強海域，位于索馬里和阿拉伯半島東側海岸帶區(qū)域。

3.升降流的生態(tài)效應

3.1與漁場的形成息息相關

上升流顯著的海區(qū)容易形成著名的漁場。全球四大漁場形成的機制已知有兩種，一種是位于寒流和暖流交匯處，寒暖流交匯使得水體環(huán)境發(fā)生變化，魚類因擾動不敢貿然向前，于是在交匯處大量聚集。此外，寒暖流交匯促使海水攪動（產生升降流），深水區(qū)大量的海水營養(yǎng)物質（磷酸鹽、硝酸鹽等）被帶到表層，這為生態(tài)系統(tǒng)提供了充足的營養(yǎng)物質。例如，北海漁場、北海道漁場、紐芬蘭漁場均位于寒暖流交匯處。北海漁場是位于北大西洋暖流和東格陵蘭寒流的交匯處;北海道漁場是位于日本暖流和千島寒流交匯處;紐芬蘭漁場位于墨西哥灣暖流和拉布拉多寒流交匯處。

此外，大型漁場的另一種形成機制是直接受到升降流的影響。例如秘魯漁場。由于受東南信風的影響，風從岸邊吹向太平洋，導致岸邊海水不斷減少。底層的海水上升補充產生上升補償流，將大量的營養(yǎng)物質帶至表層，繼而促進海域浮游生物的生長與繁殖。這為魚群提供了豐富的餌料。

3.2加速污染物擴散——以福島核泄漏事件為例

2011年3月，日本近海發(fā)生9.0級地震并引發(fā)大規(guī)模海嘯。海浪損毀了福島核電站的防護設施，造成電網中斷。隨后核反應堆溫度迅速上升并引發(fā)劇烈爆炸。由此大量放射性粉塵被拋灑至環(huán)境之中。此外，日本政府早期對反應堆進行降溫時使用了大量海水并直排入海，這也造成大量放射性污水泄漏。

大量泄露的放射性污水對海洋生態(tài)影響嚴重。法國科研團隊研究發(fā)現(xiàn)，福島附近海域（約360平方海里范圍內）出現(xiàn)放射性異常。海域內可檢測到多種放射性同位素，海水中放射性活度達到10000貝可/升[3]。而事故發(fā)生之前，福島附近海域的銫-137放射性活度背景值僅為0.003貝可/升，且無法檢測到碘-131[4]。福島核事故不僅影響日本周圍海域生態(tài)環(huán)境，還直接威脅到國際海洋生態(tài)安全。由于生態(tài)系統(tǒng)的整體性，世界任何海域都難以獨善其身。日本沿岸洋流會將受核輻射污染的海洋生物等帶至其余海域。此外，放射性核素會進入食物鏈，進而參與海洋生態(tài)循環(huán)，影響生態(tài)系統(tǒng)結構和功能，對海洋生態(tài)健康和安全造成難以清除的危害。

也有中國學者通過海洋環(huán)流模型展開預測，結果表明在核泄漏物質進入海洋的前提下，其通過海洋表層通道向東輸運緩慢得多，50天后到達150°E左右，且影響范圍僅在一條狹窄條帶內。德國學者也對此開展預測，核泄漏事故發(fā)生10年后，放射性物質在洋流等作用下基本擴散至整個大洋[5]，雖然濃度不會處于較高水平，但在考慮“生物富集作用”的前提下，仍需慎重食用相關海域產出的海產品，尤其是慎重食用處于較高營養(yǎng)級的海洋生物[6-8]。

4.結語

雖然海洋升降流動力機制十分簡單，但其與漁場等的形成息息相關，為人類帶來了寶貴的財富。此外升降流（環(huán)流）的存在與地球的生態(tài)環(huán)境息息相關，也使得污染物的擴散十分迅速且持久，保護地球生態(tài)，從降低污染做起。

基金項目：自然資源部大都市區(qū)國土空間生態(tài)修復工程技術創(chuàng)新中心開放課題（CXZX202006）;自然資源部海洋生態(tài)監(jiān)測與修復技術重點實驗室2020年度專項和開放基金（202008;202003）;國家重點研發(fā)計劃“藍色糧倉科技創(chuàng)新”專項（2018YFD0901500）;國家自然科學基金（41576163）;國家海洋局公益性科研專項（201205010）;駱肇蕘科創(chuàng)基金（A1200400201328）

參考文獻：

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[2]劉興泉，侯一筠，尹寶樹，等.長江口及其鄰近海區(qū)環(huán)流和溫、鹽結構動力學研究Ⅲ溫度結構[J]海洋與湖沼，2015，46（3）：526-533

[3]方陵生.核泄漏將給海洋生物帶來重大影響[J]世界科學，2011，5：57-58

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[6]唐峰華，張勝茂，吳祖立，等.核素137Cs在北太平洋典型生物體內的分布與富集[J]生態(tài)環(huán)境學報，2016，25（10）：1684-1692

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[8]朱國念，郭江峰，孫錦荷.應用14C核素研究草甘膦在水域生態(tài)系中的遷移、生物富集與消失動態(tài)[J]核農學報，2002，3：185-190