2015年7—8月珠江沖淡水?dāng)U展特征的觀測與分析

陳希榮，朱 佳，孫振宇，胡建宇

(廈門大學(xué) 海洋與地球?qū)W院，近海海洋環(huán)境科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，福建 廈門 361102)

南海是太平洋最大的邊緣海，其北部寬廣的陸架受珠江等大河輸入影響顯著，屬于河流主控型陸架[1](river dominated margin)，總體上是CO2匯區(qū).珠江口是中國在南海最為重要的入海河口，主要是指21°30′N～22°49′N，113°30′E～114°30′E范圍內(nèi)的海域，由黃茅海、磨刀門和伶仃洋三部分組成[2].通過對珠江口海域進(jìn)行大面觀測和定點(diǎn)時(shí)間序列觀測，獲取該區(qū)域基本的水文分布特征，是分析南海陸架環(huán)流和沖淡水的時(shí)空演變過程和機(jī)制及其對碳、營養(yǎng)鹽等物質(zhì)輸運(yùn)影響的基礎(chǔ).

自20世紀(jì)80年代以來，珠江口及其沖淡水影響區(qū)域內(nèi)的航次觀測結(jié)果及相關(guān)數(shù)據(jù)分析揭示了珠江沖淡水?dāng)U展模式的復(fù)雜性.早期關(guān)于珠江沖淡水?dāng)U展的研究主要是通過水團(tuán)分析確定沖淡水的擴(kuò)展路徑、范圍及形成的鋒面，發(fā)現(xiàn)在徑流量較大的1978年和1979年夏季，沖淡水存在顯著的東南向擴(kuò)展，同時(shí)向粵西擴(kuò)展的流幅達(dá)到約185 km，擴(kuò)展的范圍達(dá)到湛江港外[3].而在1982年夏季，航次觀測結(jié)果顯示珠江沖淡水勢較弱，以西向擴(kuò)展為主[4]；研究表明珠江沖淡水具備射流性質(zhì)，在珠江口同時(shí)朝東、西兩側(cè)擴(kuò)展，但因?yàn)闆_淡水所受的地轉(zhuǎn)偏向力在北半球?yàn)槠蚁颍栽诤涌趨^(qū)域有利于沖淡水向西擴(kuò)展；與此同時(shí)，珠江沖淡水在西南季風(fēng)作用下則會朝東南方向擴(kuò)展[4-5].但在20世紀(jì)90年代的調(diào)查中，得出珠江沖淡水?dāng)U展路徑受風(fēng)、近岸海面高度和徑流量的影響，當(dāng)岸邊海平面顯著高于多年平均海面時(shí)，珠江沖淡水則朝西南方向運(yùn)移的主要結(jié)論[6].

近年來的研究更加明確了在夏季，沖淡水在珠江口外的擴(kuò)展范圍、路徑和強(qiáng)度主要受到季風(fēng)、徑流量以及南海北部復(fù)雜的動力影響[7-19]，并給出了動力層面上的解釋.數(shù)值模式結(jié)果揭示了夏季珠江沖淡水的表層形態(tài)和擴(kuò)展主要受到西南季風(fēng)控制[7-12]，而徑流量主要影響沖淡水的覆蓋面積[13-14].夏季西南季風(fēng)導(dǎo)致沖淡水的Ekman離岸輸運(yùn)以及東北向沿岸流的平流輸送，使得沖淡水呈舌狀朝東北外海擴(kuò)展，可達(dá)臺灣海峽附近，且由于西南季風(fēng)的風(fēng)向存在2～5 d的脈動變化，導(dǎo)致沖淡水從主體中脫離而在南海陸架海域出現(xiàn)低鹽水團(tuán)[15-19].近岸的環(huán)流影響沖淡水在陸架的擴(kuò)展和混合[12]，而珠江沖淡水影響海域主要位于南海北部陸架區(qū)域等深線200 m以內(nèi)，其環(huán)流主要受到南海上層的環(huán)流影響.南海北部的環(huán)流具有以下主要特征：在南海北部陸坡與陸架之間是一支東北向的南海暖流，而近岸有一支冬、夏季反向的沿岸流，在夏季粵東沿岸流主要以東北向?yàn)橹?珠江口東、西兩側(cè)陸架近岸上升流對夏季西南季風(fēng)的不同響應(yīng)是導(dǎo)致珠江沖淡水出現(xiàn)對稱擴(kuò)展的主要原因[11]，而珠江口河口近岸沖淡水的垂向結(jié)構(gòu)主要受潮致混合所控制[12].

本研究利用2015年7—8月的航次資料，分析2015年夏季珠江沖淡水?dāng)U展模式特征，并結(jié)合風(fēng)場數(shù)據(jù)和通過漂流浮標(biāo)計(jì)算的海表流場數(shù)據(jù)對影響珠江沖淡水?dāng)U展的主要動力因子進(jìn)行討論，以期提高對夏季珠江沖淡水?dāng)U展特征的認(rèn)識，為研究珠江口如何進(jìn)行碳、營養(yǎng)鹽等物質(zhì)的輸移、分布等過程提供基礎(chǔ)資料.

1 航次觀測數(shù)據(jù)

廈門大學(xué)2015年南海北部/珠江沖淡水航次由湛江東海廣興船務(wù)公司的“海調(diào)6號”科學(xué)考察船開展.本航次自2015年7月18日開始，8月8日結(jié)束，歷時(shí)22 d.該航次的主要調(diào)查范圍為珠江沖淡水的影響海域，其中第一航段為7月18—31日，第二航段為8月1—8日，站位分布如圖1所示.航次調(diào)查過程中溫鹽深剖面儀(CTD)共投放256次，作業(yè)165個站位，主要包括珠江口外及珠江沖淡水影響區(qū)等海區(qū).調(diào)查過程中使用型號為SBE 917的CTD，其溫度傳感器的準(zhǔn)確度為0.001 ℃，分辨率為0.000 2 ℃，電導(dǎo)率傳感器的準(zhǔn)確度為3 μS/m，分辨率為0.4 μS/m，壓力傳感器準(zhǔn)確度為10 kPa，分辨率為0.69 kPa.調(diào)查船配置船載多普勒聲速剖面儀(ADCP,600 kHz)和表層海水溫、鹽走航觀測儀(型號SBE 21).圖1中的黑色五角星位置布放了定點(diǎn)浮標(biāo)以進(jìn)行多參數(shù)的定點(diǎn)測量，本研究主要使用其采集的風(fēng)場數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)的采集時(shí)間間隔為1 min.因?yàn)橹榻涌诘娜牒搅髁拷茷槠渖嫌瘟鹘?jīng)藤縣的西江、石角鎮(zhèn)的北江、博羅縣的東江3個水文站的徑流量總和，所以從水利部珠江水利委員會水文局獲取了2015年夏季珠江流域藤縣、石角鎮(zhèn)和博羅縣3個水文站的逐日徑流量數(shù)據(jù)進(jìn)行研究.

在航次期間還投放了3組浮球(共計(jì)20個)用于觀察海表流場的拉格朗日運(yùn)動狀態(tài).漂流浮球外形如圖2所示：主浮球是半徑約為50 cm的圓形密閉球體，球體內(nèi)安裝衛(wèi)星信號發(fā)射器和電池，球體下方由纜繩連接拖傘，長度總計(jì)約3 m.相關(guān)參數(shù)如下：GPS定位精度10 m，通信方式為GlobalStar衛(wèi)星，采樣間隔1 h，數(shù)據(jù)接受率超過70%，數(shù)據(jù)獲取使用中國科學(xué)院海洋研究所服務(wù)器.3組浮球的投放方式如下：第1組為7月22日13:00投放于22.13° N，113.81° E，共計(jì)6個，實(shí)時(shí)流速0.3 m/s；第2組為7月24日03:00投放于22.03° N，114.40° E，共計(jì)7個，實(shí)時(shí)流速0.4 m/s；第3組為7月26日09:00投放于22.00° N，115.65° E，共計(jì)7個，實(shí)時(shí)流速0.5 m/s.

十字為第一航段站位，空心圓為第二航段站位，黑色五角星為定點(diǎn)浮標(biāo)布放位置.

圖2 漂流浮球示意圖

2 結(jié)果與討論

2.1 珠江沖淡水垂直分布特征

圖3 站位F802溫、鹽的垂直分布

在航次期間共獲取了256次有效的溫、鹽剖面數(shù)據(jù).通過對航次過程中所有站點(diǎn)溫、鹽垂直分布情況的分析，結(jié)果顯示：在航次調(diào)查區(qū)域珠江沖淡水?dāng)U展范圍內(nèi)，上層鹽度低于32的沖淡水覆蓋厚度約為5～20 m，表層鹽度在28～32之間；其沖淡水的覆蓋厚度以及表層鹽度都和珠江沖淡水的主流軸位置密切相關(guān).以站位F802為例，其溫、鹽垂直分布特征具有3層結(jié)構(gòu)(圖3)：上層(深度<10 m)為沖淡水覆蓋層，具有溫、鹽垂直混合均勻且低鹽的特征；中層(深度范圍為10～20 m)為沖淡水和南海水的混合層，具有溫、鹽垂直變化梯度大的特征，鹽度梯度約為0.4 m-1，溫度梯度約為-0.9 ℃/m；下層(深度>20 m)主要受南海水控制，具有鹽度基本均勻的特征，該站位下層鹽度約為34.5，溫度梯度小于-0.05 ℃/m.整體上珠江沖淡水影響海域的溫、鹽垂直分布特征與站位F802大體一致，滿足上述3層結(jié)構(gòu)特征,不同站位間的主要差異在于沖淡水的覆蓋厚度和鹽度上，而覆蓋厚度與沖淡水和南海水的混合層深度成正比.沖淡水的覆蓋厚度和表層鹽度與珠江沖淡水的主流軸位置越接近，則覆蓋厚度越大，表層鹽度越小.

2.2 珠江沖淡水?dāng)U展模式特征

圖4 珠江口表層鹽度的平面分布

圖4為航次調(diào)查區(qū)域內(nèi)的表層鹽度平面分布圖，鹽度變化范圍為24.0～34.5.在20世紀(jì)60年代，毛漢禮等[20]提出設(shè)定鹽度32作為沖淡水與外海高鹽水的劃分界限.遵循此原則，本研究將鹽度32視作沖淡水與外海高鹽水的劃分界限.本研究中的兩個航段都主要為捕捉珠江口外的沖淡水形態(tài)而設(shè)計(jì)，當(dāng)測得表層鹽度大于32之后就不再繼續(xù)往外觀測.因此，可以通過表層的鹽度分布圖直接捕捉到航次期間珠江沖淡水完整的水平分布特征.本研究中航次的觀測記錄顯示：第一航段珠江口表層鹽度數(shù)據(jù)獲取的時(shí)間段為7月19—28日，其中鹽度為32的等鹽線基本與南海北部陸架50 m等深線一致，珠江沖淡水主要以離岸東向的擴(kuò)展模式為主，且水平擴(kuò)展范圍距珠江口超過350 km；而第二航段珠江口表層鹽度數(shù)據(jù)獲取的時(shí)間段為8月3—5日，珠江沖淡水在南海北部陸架區(qū)域的覆蓋范圍顯著減小，鹽度32的等鹽線基本與20 m的等深線一致，珠江沖淡水僅存在近岸并朝西運(yùn)動.

在兩個航段的大面觀測間隔期間，于7月29日22:00至7月31日12:00在站位2F801進(jìn)行了每小時(shí)一次CTD全剖面的連續(xù)觀測，得到鹽度垂直分布的時(shí)間變化圖(圖5).鹽度的時(shí)間序列顯示，在7月30日15:00，站位2F801表層開始被鹽度大于32的水團(tuán)所控制，因而導(dǎo)致了在第二航段的觀測中珠江沖淡水在粵東沿岸的區(qū)域發(fā)生脫離.

圖5 2F801站2015年7月29日22:00—7月31日12:00鹽度垂直分布的時(shí)間變化

2.3 珠江沖淡水?dāng)U展模式對風(fēng)場和徑流量的響應(yīng)

珠江沖淡水的覆蓋區(qū)域和范圍在兩個航段存在明顯的差異，從圖5的定點(diǎn)觀測中發(fā)現(xiàn)珠江沖淡水的擴(kuò)展模式主要在7月29—31日間發(fā)生改變.下文將結(jié)合遙感日平均風(fēng)場和定點(diǎn)浮標(biāo)的風(fēng)場數(shù)據(jù)，探討珠江沖淡水對風(fēng)場的響應(yīng).

圖6給出了航次期間遙感日平均風(fēng)場的分布情況，其數(shù)據(jù)來源于Windsat提供的10 m風(fēng)場數(shù)據(jù)(http:∥www.remss.com/missions/windsat,數(shù)據(jù)空間分辨率0.25°×0.25°，時(shí)間分辨率1 d).其中7月1—3日具有典型的西南季風(fēng)特征，日平均風(fēng)速約6 m/s；7月4—5日西南季風(fēng)開始減弱，變成偏南風(fēng)；在7月6—10日期間，受臺風(fēng)“蓮花”影響，在呂宋海峽西北部出現(xiàn)風(fēng)場的氣旋結(jié)構(gòu)，其近中心的日平均最大風(fēng)速大于20 m/s；7月11—17日期間，臺風(fēng)影響結(jié)束，南海北部陸架區(qū)域逐漸恢復(fù)成典型的西南季風(fēng)特征；之后的7月18—21日期間，南海北部生成了一個熱帶氣旋，使得廣州沿岸風(fēng)場轉(zhuǎn)變?yōu)橐匀鯑|北風(fēng)為主；7月22日—8月1日期間，熱帶氣旋減弱直至消失后，南海整體風(fēng)場恢復(fù)成西南風(fēng)主導(dǎo)控制型，但是在南海北部的粵西沿岸，即珠江口附近，主要受偏南風(fēng)的控制，風(fēng)速較弱.這與航次調(diào)查區(qū)域定點(diǎn)浮標(biāo)站風(fēng)場的分布特征一致(圖7)，定點(diǎn)浮標(biāo)的觀測結(jié)果顯示：在第一航段的7月19—28日期間，對應(yīng)著南海北部海區(qū)夏季西南季風(fēng)階段，調(diào)查前一周至調(diào)查開始之后則主要以穩(wěn)定的西南風(fēng)為主，平均風(fēng)速6.6 m/s，使得沖淡水的擴(kuò)展范圍較大；而從7月29日至第二航段結(jié)束期間，西南季風(fēng)變得不穩(wěn)定，珠江口外部短時(shí)間以南風(fēng)或東南風(fēng)為主，使得沖淡水的離岸輸運(yùn)變?nèi)酰@與站位2F801所對應(yīng)的定點(diǎn)觀測的鹽度時(shí)間變化序列一致.而圖7中徑流量的數(shù)值顯示，珠江徑流量在珠江沖淡水?dāng)U展形態(tài)轉(zhuǎn)變期間并不存在顯著的波動，而是保持了相對穩(wěn)定的高值.因此可推知在夏季，徑流量并不是影響珠江沖淡水?dāng)U展形態(tài)發(fā)生轉(zhuǎn)變的主要因素，但在第二航段的8月3—5日期間，較小的珠江徑流量也對沖淡水的擴(kuò)展范圍產(chǎn)生一定的影響.

風(fēng)場的變化導(dǎo)致珠江沖淡水?dāng)U展模式發(fā)生改變，因而可以明顯看到兩個航段中同一斷面位置上鹽度分布的差異.如圖8所示：在第一航段期間，A斷面鹽度范圍為28～34的過渡區(qū)域?yàn)檎疚籄14—A18，區(qū)域?qū)挾燃s為60 km；而在第二航段期間，其過渡區(qū)域在站位A15附近，區(qū)域?qū)挾燃s為10 km.以上文提到的鹽度32作為沖淡水與外海高鹽水的劃分界限，比較兩個航段在斷面A處沖淡水與外海高鹽水的劃分界限，第一航段的界限在站位A18附近，第二航段則在站位A15—A16之間，兩斷面的水平距離相差約50 km.此外，第一航段A斷面32等鹽線的垂直混合深度達(dá)到10 m，而第二航段時(shí)僅為5 m左右.綜上所述，第一航段時(shí)沖淡水在珠江口外具有更大的水平擴(kuò)展距離和垂直影響深度，這主要是受到風(fēng)場的影響；同時(shí)從鹽度的斷面分布特征來看，在調(diào)查區(qū)域內(nèi)普遍出現(xiàn)了較明顯的層化現(xiàn)象，多為單躍層結(jié)構(gòu).

從兩個航段的鹽度分布來看，在表層均未觀測到鹽度的極大值，但在10 m處可以觀測到站位A12和A16附近等鹽線向上拱起.因此，推測該區(qū)域的上升流作用主要集中于次表層，當(dāng)?shù)蜏馗啕}水被帶到次表層10 m處后，進(jìn)入到珠江沖淡水團(tuán)的影響區(qū)域，沖淡水團(tuán)在上層的覆蓋直接阻礙了下層高鹽海水的向上輸運(yùn)，使得無法在表層觀測到高鹽現(xiàn)象.

圖6 遙感海表風(fēng)場分布

圖7 定點(diǎn)浮標(biāo)站海表風(fēng)場及珠江徑流量時(shí)間序列

圖8 A斷面的鹽度分布

2.4 珠江沖淡水?dāng)U展模式對背景流場的響應(yīng)

在對珠江沖淡水的溫鹽分布特征和風(fēng)場數(shù)據(jù)的初步分析后，結(jié)合浮球的觀測數(shù)據(jù)進(jìn)一步對珠江沖淡水的擴(kuò)展模式進(jìn)行分析.在此計(jì)算浮球途經(jīng)區(qū)域的平均流速，從而補(bǔ)充說明珠江沖淡水?dāng)U展模式對珠江沖淡水主要影響區(qū)域內(nèi)的海洋表層流場的響應(yīng).

第1組浮球布放后不久，6個浮球均被在附近作業(yè)的漁船所打撈，其中1個浮球?qū)せ睾笥?月3日20:00重新投放，投放時(shí)海表的實(shí)時(shí)流速為0.7 m/s，也是第1組浮球中唯一的有效數(shù)據(jù)，其運(yùn)動軌跡如圖9(a)所示，根據(jù)黑色虛線，左起依次為區(qū)域Z1-1、Z1-2、Z1-3.第2組共計(jì)7個浮球，其中1個浮球被打撈，剩下的6個浮球順利工作到電池耗盡為止，所有浮球的運(yùn)動軌跡合成如圖9(b)所示，航次調(diào)查集中于區(qū)域Z2-1內(nèi).第3組的7個浮球于7月26日09:00 投放，并且都順利工作到了電池耗盡為止，所有浮球的運(yùn)動軌跡合成如圖9(c)所示，航次調(diào)查集中于區(qū)域Z3-1內(nèi).

(a)第1組；(b)第2組；(c)第3組；其中紅色十字為浮球投放點(diǎn)；黑色虛線為不同區(qū)域的分界線.

第1組浮球投放后，在區(qū)域Z1-1內(nèi)運(yùn)動的主要時(shí)間范圍是8月3—8日，主要位于20 m等深線以內(nèi)，流速為0.25 m/s.這是因?yàn)樵诤涌趨^(qū)域的海水在地轉(zhuǎn)偏向力的作用下，在出海口會存在朝出口方向右側(cè)的偏轉(zhuǎn)，且形成一個逆時(shí)針的氣旋.在區(qū)域Z1-2，其運(yùn)動軌跡與50 m等深線一致，計(jì)算得出流速約為0.48 m/s，運(yùn)動時(shí)間為8月8—15日.區(qū)域Z1-3的流速約為0.81 m/s，浮球途經(jīng)時(shí)間為8月15—20日，該時(shí)間段內(nèi)西南風(fēng)穩(wěn)定，用該時(shí)間段該區(qū)域內(nèi)的日平均風(fēng)場的遙感數(shù)據(jù)計(jì)算得平均風(fēng)速約為7 m/s.第2組浮球投放后，在區(qū)域Z2-1內(nèi)浮球的運(yùn)動軌跡基本與20 m等深線一致，其平均流速為0.34 m/s，途經(jīng)時(shí)間為7月26日—8月1日，定點(diǎn)浮標(biāo)的風(fēng)場數(shù)據(jù)(圖6)顯示西南季風(fēng)不穩(wěn)定，短時(shí)間出現(xiàn)東南風(fēng)或南風(fēng).第3組浮球投放后，在區(qū)域Z3-1的平均流速為0.52 m/s，途經(jīng)時(shí)間為7月27—31日，其觀測時(shí)間與區(qū)域Z2-1一致，但是運(yùn)動范圍與區(qū)域Z1-3一致.

通過比較3組浮球在區(qū)域Z1-3、Z2-1和Z3-1內(nèi)的運(yùn)動速度和相對應(yīng)時(shí)間內(nèi)的風(fēng)場條件，得出以下結(jié)論：在2015年夏季，風(fēng)向的轉(zhuǎn)變主要影響調(diào)查區(qū)域內(nèi)表層流場的流速大小而不改變其主要流向，西南季風(fēng)的穩(wěn)定會直接加強(qiáng)調(diào)查區(qū)域內(nèi)的表層流速大小，即在珠江口外20 ～100 m等深線之間的粵東沿岸，穩(wěn)定地存在著東北向海流，平均流速在0.34～0.81 m/s之間.

綜合上述研究結(jié)果對2015年7—8月影響珠江沖淡水?dāng)U展特征的動力機(jī)制提出如下解釋：穩(wěn)定的西南季風(fēng)有利于珠江沖淡水的離岸運(yùn)動而被帶離河口，進(jìn)而跨越20 m等深線并進(jìn)入南海北部陸架，使得粵東沿岸20～100 m等深線區(qū)域內(nèi)表層海水的東向流速增大.因此當(dāng)珠江沖淡水被帶離20 m等深線之外的南海北部陸架區(qū)域之后，受到離岸輸運(yùn)和東北向海流的共同影響，以東向擴(kuò)展為主；但是當(dāng)西南風(fēng)轉(zhuǎn)變?yōu)闁|南風(fēng)時(shí)，沖淡水離岸運(yùn)動受到阻礙，沖淡水主要集中于20 m 等深線以內(nèi)的珠江口形成堆積，在地轉(zhuǎn)偏向力的作用下更有利于珠江沖淡水沿岸西向的擴(kuò)展.

3 結(jié) 論

本研究在2015年7—8月通過對珠江口區(qū)域的大面觀測，結(jié)合定點(diǎn)浮標(biāo)的風(fēng)場數(shù)據(jù)和漂流浮球數(shù)據(jù)，對2015年夏季珠江沖淡水的擴(kuò)展模式特征和影響因素進(jìn)行了分析，得到如下主要結(jié)論：

1) 2015年7—8月珠江沖淡水主要存在兩種擴(kuò)展形態(tài)：離岸東向擴(kuò)展和沿岸西向擴(kuò)展.在西南季風(fēng)穩(wěn)定的第一航段的7月19—28日期間，珠江沖淡水以東向擴(kuò)展為主，其水平擴(kuò)展的距離超過350 km，垂直鹽度低于32的覆蓋厚度約為5～20 m之間；第二航段的8月3—5日期間珠江沖淡水?dāng)U展模式轉(zhuǎn)換為以沿岸西向?yàn)橹?

2) 漂流浮球的數(shù)據(jù)顯示在2015年7—8月期間，珠江口外20～100 m等深線之間的粵東沿岸，穩(wěn)定地存在著東北向海流，夏季風(fēng)向的轉(zhuǎn)變主要影響調(diào)查區(qū)域內(nèi)表層流場的流速大小而不改變其主要流向，其流速的變化范圍在0.34～0.81 m/s之間.

3) 當(dāng)西南季風(fēng)穩(wěn)定時(shí)，大部分珠江沖淡水會被持續(xù)地帶離河口而進(jìn)入20 m等深線之外的粵東沿岸，在表層背景環(huán)流的影響下持續(xù)向東擴(kuò)展，少部分沖淡水在地轉(zhuǎn)偏向力的作用下沿岸向西擴(kuò)展.當(dāng)風(fēng)向由西南向轉(zhuǎn)變?yōu)槟舷蚧驏|南向時(shí)，珠江沖淡水會集中于20 m等深線以內(nèi)堆積，進(jìn)而在地轉(zhuǎn)偏向力的作用下主要以沿岸的西向擴(kuò)展為主.