粵西陽江海域春夏季沿岸激流現(xiàn)象及機(jī)理分析

陳宜展，曹永港*，羅士浩，廖世智，鄧丹，劉愉強(qiáng)，馬媛

( 1. 自然資源部南海調(diào)查中心，廣東 廣州 510300；2. 自然資源部海洋環(huán)境探測技術(shù)與應(yīng)用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州 510300)

1 引言

海洋激流由美國海洋地質(zhì)學(xué)家Hollister 和Mccave[1]提出，是一種在海洋內(nèi)觀測到的突發(fā)性異常高速流動。海洋激流是一種沖擊力極強(qiáng)的海流[2]。近年來，隨著我國近岸海域逐步開展的大量海洋水文觀測，海洋科學(xué)工作者[3–7]在河北灤河口近海海域、江蘇近海輻射沙脊、南黃海輻射沙脊北部水域、南海東部大陸架海域等近岸海域發(fā)現(xiàn)了激流現(xiàn)象。劉愛菊等[4，6]在對海洋激流的大量研究中形成了一定的共識，認(rèn)為流場輻合是激流形成的重要因素，并且海洋激流具有流速巨大、持續(xù)時(shí)間短暫、空間范圍小、具有很大的隨機(jī)性等特點(diǎn)。

方文東等[8]認(rèn)為南海北部大陸坡區(qū)存在突發(fā)性強(qiáng)流。尹遜福等[3]在南海東部西江油田XJ30-2 平臺周年觀測中多次觀測到海洋激流現(xiàn)象。嚴(yán)金輝[9]對粵西茂名海域進(jìn)行了長時(shí)間的多站海流觀測，認(rèn)為粵西海區(qū)海流主要受氣象條件的影響，周期性不好，且量值較大。目前，學(xué)者們對粵西沿岸流的夏季驅(qū)動機(jī)制仍存在不同的觀點(diǎn)[10]。伍伯瑜[11]認(rèn)為珠江徑流在地轉(zhuǎn)效應(yīng)和偏東風(fēng)作用下向西流動形成了粵西沿岸流。嚴(yán)金輝和陳達(dá)森[12]認(rèn)為夏季廣東沿岸堆積低密海水，在地轉(zhuǎn)作用下海水向西流動，并且夏季粵西海域高頻率的偏東風(fēng)加強(qiáng)了西向流。楊士瑛等[13]則認(rèn)為一方面夏季南海北部陸架區(qū)存在上升流，近岸水體增溫和沿岸徑流入海，造成近岸海平面升高、岸外海平面降低，離岸水平壓強(qiáng)梯度力導(dǎo)致近岸海水向西運(yùn)動；另一方面，夏季華南降雨量多，珠江沖淡水向西南方向運(yùn)動是粵西沿岸流形成的另一個(gè)重要原因。此外，不少數(shù)模結(jié)果也支持珠江沖淡水是夏季粵西沿岸流形成的主導(dǎo)因素[14–15]。有少數(shù)研究認(rèn)為，南海北部存在氣旋式環(huán)流是夏季粵西沿岸流的主要影響因素[16]。吳鋒和鐘萬勰[17]指出海洋激流經(jīng)常發(fā)生在淺水海域，實(shí)際上是一種內(nèi)機(jī)械激波。

海洋科學(xué)是基于現(xiàn)場調(diào)查資料驗(yàn)證發(fā)展的學(xué)科。因?yàn)榧ち餍纬蓵r(shí)間短并有一定的隨機(jī)性，所以需要長周期的海流觀測資料進(jìn)行驗(yàn)證分析，而同時(shí)間段多站位的水文觀測資料對揭示激流現(xiàn)象的機(jī)理尤為寶貴。本文通過分析粵西陽江近岸海域多站位實(shí)測風(fēng)、海流、波浪和潮汐數(shù)據(jù)，研究激流發(fā)生期間的海表面溫度、地轉(zhuǎn)流和余流規(guī)律，探討陽江沙扒海域激流現(xiàn)象特征以及發(fā)生機(jī)制。

2 資料來源

粵西陽江海域海流、波浪、潮汐資料為陽江海上風(fēng)電場區(qū)T1 站和T2 站周年觀測的多要素海洋水文氣象定點(diǎn)連續(xù)性觀測數(shù)據(jù)，觀測位置和站位水深如圖1 和表1 所示，海流觀測采用AWAC“浪龍”聲波式剖面流速波浪儀，每30 min 工作一次，每次連續(xù)采樣60 s 取平均值；波浪觀測采用WAVE III 型波浪騎士浮標(biāo)，每小時(shí)觀測1 次；潮汐觀測采用RBR 水位計(jì)，每10 min 記錄一次，每次連續(xù)采樣1 min 取平均值。S1 站為國家海洋局閘坡海洋環(huán)境觀測站。

表1 觀測站位經(jīng)緯度、水深及觀測要素Table 1 Longitude and latitude water depth and observation elements of observation stations

圖1 陽江海域長周期觀測站位置Fig. 1 Location map of long-term observation stations in Yangjiang sea area

3 2019 年春夏季陽江海域激流現(xiàn)象

3.1 實(shí)測每月最大流速

選取海面2 m 以下水深的海流數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。T1 站2018 年10 月至2019 年9 月觀測期間每月最大流速如圖2 所示，2018 年11 月觀測最大流速為107.4 cm/s，出現(xiàn)在2018 年26 號臺風(fēng)“玉兔”（強(qiáng)熱帶風(fēng)暴級）影響期間；2018 年12 月觀測最大流速為96.4 cm/s，2019 年2 月觀測最大流速為74.0 cm/s，2019 年3 月觀測最大流速為138.0 cm/s，均出現(xiàn)在寒潮影響期間。2019 年5 月觀測最大流速為164.7 cm/s，流向?yàn)?34°，2019 年8 月觀測最大流速為161.8 cm/s，流向?yàn)?50°。以上分析的每月最大流速都出現(xiàn)在2 m 水深處。2019 年5 月和8 月最大流速出現(xiàn)期間T1 海域沒有受到臺風(fēng)和寒潮影響，S1 站也沒有觀測到大風(fēng)天氣。

圖2 T1 站2018 年10 月至2019 年9 月觀測期間每月最大流速Fig. 2 Maximum monthly current velocity of T1 Station during observation period from October 2018 to September 2019

除了2019 年6 月最大流速為偏東北向，其他各月份最大流速都是偏西南向，T1 站海域明顯受到粵西沿岸流影響。T1 站春季（3-5 月）和夏季（6-8 月）的每月最大流速普遍比東北季風(fēng)作用下的冬季（12 月至翌年2 月）每月最大流速大，說明T1 站海域最大流速并不只是受到風(fēng)應(yīng)力影響。

3.2 陽江海域2019 年5 月和8 月海流矢量變化過程

通過圖3 和圖4 比較2019 年5 月、8 月的風(fēng)矢量和海流矢量的時(shí)間序列可以看出，海洋表層流速值變化復(fù)雜且有激流現(xiàn)象。如表2 所示，2019 年5 月5 日6 時(shí)，T1 站流速急劇增大到164.7 cm/s，而激流發(fā)生前的流速僅為40.7 cm/s，激流與發(fā)生前流速之比為4.0，激流持續(xù)時(shí)間達(dá)2 h，隨后流速急劇下降，恢復(fù)到正常流速。海流的這種現(xiàn)象，與文獻(xiàn)[18]所述的海洋激流狀況相似，這也是一種海洋激流流態(tài)。從圖3 和圖4海流流態(tài)分析，陽江海域春、夏季激流有以下性質(zhì)：（1）2019 年5 月激流發(fā)生兩次，分別發(fā)生在5 月5 日和5 月8 日；2019 年8 月激流發(fā)生1 次，發(fā)生在8 月1 日。激流現(xiàn)象發(fā)生時(shí)都盛行東北風(fēng)，并且激流流向都偏西南向，與粵西沿岸流流向一致。在水深較小海域，風(fēng)應(yīng)力作用明顯，東北風(fēng)有利于陽江沿岸流海域發(fā)生強(qiáng)流。（2）激流現(xiàn)象發(fā)生時(shí)，近岸T1 站流速明顯大于T2 站流速，激流現(xiàn)象主要發(fā)生在近岸20～30 m水深海域。由于海岸的邊界條件作用，?？寺鼘铀w輻聚容易出現(xiàn)在近岸海域。（3）激流現(xiàn)象先發(fā)生在海表，隨后海洋次表層和底層流速逐漸增大，激流現(xiàn)象的最大流速都出現(xiàn)在海洋表層。從圖5 可以看出，2019 年5 月5 日，T1 站2 m 水深流速從凌晨4 時(shí)增大到123.9 cm/s，并在凌晨6 時(shí)達(dá)到最大值164.7 cm/s，9 m水深流速凌晨4 時(shí)增大到105.0 cm/s，在凌晨6 時(shí)達(dá)到最 大 值127.6 cm/s。圖6 為T1 站2019 年7 月31 日17:00 至8 月1 日18:00 海 流 矢 量 圖，T1 站2019 年7 月31 日 晚 上20 時(shí)，2 m 水 深 流 速 為101.7 cm/s，9 m 水深流速為93.3 cm/s，在8 月1 日凌晨5 時(shí)2 m水深達(dá)到流速最大值161.8 cm/s，9 m 水深流速在8 月1 日凌晨6 時(shí)達(dá)到流速最大值156.6 cm/s。

圖3 2019 年5 月S1 站風(fēng)矢量圖（a）和T1 站（b）、T2 站（c）不同水深海流矢量變化過程Fig. 3 Wind vector diagram of Station S1 (a) and current vector change process of different water depth at Station T1 (b) and Station T2 (c) in May, 2019

圖4 2019 年8 月S1 站（a）風(fēng)矢量和T1 站（b）、T2 站（c）不同水深海流矢量變化過程Fig. 4 Variation process of wind vector at Station S1 (a) and current vector at different water depths at Station T1 (b) and Station T2 (c) in August 2019

圖5 T1 站 2019 年5 月4 日17:00 至5 月5 日18:00 海 流矢量圖Fig. 5 Current vector diagram of T1 Station from 17:00 on May 4 to 18:00 on May 5, 2019

圖6 T1 站 2019 年7 月31 日17:00 至8 月1 日18:00 海流矢量圖Fig. 6 Current vector diagram of T1 Station from 17:00 on July 31 to 18:00 on August 1, 2019

表2 2019 年5 月和8 月典型激流流況Table 2 Typical shock current conditions in May and August, 2019

3.3 激流現(xiàn)象發(fā)生時(shí)的風(fēng)、潮汐、波浪

海洋表層動力過程復(fù)雜，近岸表層海流容易受風(fēng)應(yīng)力、波浪、潮汐等動力因素影響。T1 站海域春季和夏季流速最大值具有激流的典型特征[17]：（1）流速巨大。激流流速大指的是流速的絕對值大，或者激流發(fā)生后與激流發(fā)生前流速比值大。T1 站海流流速絕對值大于1.6 m/s，具有明顯的強(qiáng)流特征。（2）持續(xù)時(shí)間短?；浳骱Ｓ蚣ち鞫及l(fā)生在漲急時(shí)刻，持續(xù)2～4 h，具有流速突變和持續(xù)時(shí)間極短的特征。漲潮時(shí)刻海水向岸運(yùn)動，在近岸容易形成海水幅聚帶，這也是激流發(fā)生在漲急時(shí)刻的原因。（3）空間范圍狹小?；浳骷ち髦饕l(fā)生在近岸20～30 m 水深海域，具有明顯的沿岸流特征。（4）具有很大的隨機(jī)性。一般而言，風(fēng)是影響近岸海流的最主要因素。從圖7 和圖8 可以看出，粵西激流發(fā)生時(shí)風(fēng)速較小，波高也沒有明顯增大，流速隨漲潮過程快速增大。2019 年5 月5 日和5 月8 日T1 站兩個(gè)流速峰值期間風(fēng)速并不大。2019 年8 月流速值與風(fēng)速值變化趨勢基本一致。T1站海域夏季風(fēng)海流特征比春季明顯。

圖7 2019 年5 月1 日至10 日激流期間S1 站風(fēng)速和T1 站流速、潮高、平均波高變化過程Fig. 7 Variation process of wind speed at Station S1 and flow velocity, tide height and average wave height at Station T1 during shock current period from May 1 to 10, 2019

圖8 2019 年8 月1 日至10 日激流期間S1 站風(fēng)速和T1 站流速、潮高、平均波高變化過程Fig. 8 Variation process of wind speed at Station S1 and flow velocity, tide height and average wave height at Station T1 during shock current period from August 1 to 10, 2019

4 粵西海域春夏季激流現(xiàn)象機(jī)制分析

為了探討粵西春季和夏季典型激流發(fā)生前后南海北部的環(huán)境要素變化特征，采用衛(wèi)星遙感高分辨率資料GHRSST（Group for High Resolution Sea Surface Temperature）分析海表面溫度（SST）特征，GHRSST 資料水平分辨率為0.05°×0.05°；采用AVISO 衛(wèi)星高度計(jì)數(shù)據(jù)資料分析海表面高度異常（SLA）和海表地轉(zhuǎn)流特征；采用T1 站和T2 站海流實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行余流計(jì)算。余流通常指實(shí)測海流資料中扣除周期性（天文潮）海水流動外，剩余的那部分流動，包括潮汐余流、風(fēng)海流和密度流等非周期性流動。通過對實(shí)測定點(diǎn)潮流時(shí)間序列作兩個(gè)半日潮周期（25 h）矢量平均合成計(jì)算，求取觀測位置的歐拉余流[19]。

4.1 粵西海域春季激流發(fā)生機(jī)制

2019 年4 月下旬到5 月上旬，南海北部持續(xù)的東北風(fēng)促使粵西海域余流由東北轉(zhuǎn)向西南，南海東北部冷水水團(tuán)也逐漸向南運(yùn)動，在南海北部近岸形成冷水帶（圖9b）。珠江沖淡水在東北風(fēng)和地轉(zhuǎn)作用下向西南方向流動加強(qiáng)（圖10）。在5 月5 日到5 月8 日期間，南海中部的暖水團(tuán)向北移動（圖9），大量海水在粵西近岸海域輻聚。近岸海域海平面上升，外海海域海平面下降，形成了自岸向外的水平壓強(qiáng)梯度力，迫使近岸海水向西運(yùn)動，因此激流發(fā)生在近岸海域。

圖9 2019 年春季南海北部海表面溫度和T1、T2 站余流分布Fig. 9 Distribution of sea surface temperature and residual current at stations T1 and T2 in the northern South China Sea in the spring of 2019

4.2 粵西海域夏季激流發(fā)生機(jī)制

2019 年8 月1 日，此時(shí)陽江海域盛行東北風(fēng)，有利于激流產(chǎn)生（圖5a）。由圖5b、圖5c 和圖11 都可見，T1 站表層海水向西南流動，T2 站海水向西北向岸流動。結(jié)合圖10a 海表地轉(zhuǎn)流分布，此時(shí)在地轉(zhuǎn)流作用下的海水由粵西外海向岸流動形成氣旋式環(huán)流，向岸運(yùn)動的海水在粵西近岸海域幅聚。圖11a 顯示了2019 年8 月1 日粵西沿岸流強(qiáng)流期間的南海北部海表面溫度，粵西海域存在高溫水帶。南海中部的高溫海水沿著海南島東部和雷州半島東部的氣旋式環(huán)流輸運(yùn)到粵西沿岸海域（圖12）。與春季激流發(fā)生的機(jī)制相似，夏季激流發(fā)生期間近岸海域海平面上升，外海海域海平面下降，水平壓強(qiáng)梯度力自岸向外，迫使近岸海域海水向西運(yùn)動。

圖10 2019 年春季南海北部激流期間AVISO 表面高度異常和海表地轉(zhuǎn)流Fig. 10 AVISO surface level anomaly and surface geostrophic current during the torrent in the northern South China Sea in spring 2019

圖11 2019 年夏季南海北部海表面溫度和T1、T2 站余流分布Fig. 11 Distribution of sea surface temperature and residual current at stations T1 and T2 in the northern South China Sea in the summer of 2019

圖12 2019 年夏季南海北部激流期間AVISO 表面高度異常和海表地轉(zhuǎn)流Fig. 12 AVISO surface level anomaly and surface geostrophic current during the torrent in the northern South China Sea in summer 2019

上述現(xiàn)象表明，粵西海域大量海水幅聚形成強(qiáng)勁的自岸向外水平壓強(qiáng)梯度力是陽江海域激流產(chǎn)生的主導(dǎo)機(jī)制。春夏季珠江入海徑流量大，而春夏季東北風(fēng)和西南季風(fēng)的不穩(wěn)定性導(dǎo)致了激流產(chǎn)生的隨機(jī)性。春季，持續(xù)東北風(fēng)作用下珠江沖淡水向西運(yùn)動加強(qiáng)，南海暖水團(tuán)向北運(yùn)動使得粵西近岸海域流場輻合。夏季，西南季風(fēng)在海南島以南形成東北向流導(dǎo)致粵西沿岸的補(bǔ)償流往西南流動，在短暫東北風(fēng)作用下沿岸流向西流動加強(qiáng)，海水在粵西海域幅聚。此外，雷州半島向海伸突的地形使得春夏季南海北部幅聚海水容易在粵西海域產(chǎn)生流場輻合，并且西向強(qiáng)流都發(fā)生在漲潮時(shí)刻。

本文通過實(shí)測海流數(shù)據(jù)比較了向岸強(qiáng)流的大小，激流現(xiàn)象主要發(fā)生在粵西沿岸流近岸強(qiáng)流段。但由于缺乏同時(shí)期沿岸海流的觀測數(shù)據(jù)，尚不能確定粵西海域激流現(xiàn)象的沿岸段影響范圍。其它海域的激流現(xiàn)象主要發(fā)生在海洋底層，而陽江海域的激流發(fā)生在海洋表層。

5 結(jié)論

（1）春夏季粵西沿岸海域流場輻合，形成強(qiáng)勁的自岸向外水平壓強(qiáng)梯度力，迫使沿岸流向西流動加強(qiáng)。

（2）粵西陽江近岸20～30 m 水深海域在春夏季存在激流現(xiàn)象。激流發(fā)生海域也是粵西陽江沿岸流作用海域，激流具有沿岸流性質(zhì)。春夏季東北風(fēng)有利于激流現(xiàn)象發(fā)生。2019 年5 月5 日凌晨6 時(shí)，陽江沙扒海域2 m 水深處流速達(dá)到164.7 cm/s，9 m 水深處流速 達(dá) 到127.6 cm/s。2019 年8 月1 日 凌 晨4 時(shí) 至5 時(shí)，陽江沙扒海域2 m 水深處流速達(dá)到161.8 cm/s，9 m 水深處流速達(dá)到156.6 cm/s。陽江沙扒海域激流現(xiàn)象出現(xiàn)在海洋表層，發(fā)生在漲潮的漲急時(shí)刻，持續(xù)2～4 h。激流發(fā)生時(shí)，沒有出現(xiàn)顯著大風(fēng)。

（3）粵西海域位于南海西北邊緣，雷州半島向海伸突。春季，珠江入海徑流量大，珠江沖淡水和南海中部向北移動水體在持續(xù)東北風(fēng)作用下容易在粵西近岸海域輻聚。夏季，在西南季風(fēng)作用下外海海域水體向東北運(yùn)動，近岸海域形成西南向補(bǔ)償流，粵西沿岸海域生成海水幅聚帶。因此在春季和夏季，粵西海域東北風(fēng)和西南季風(fēng)交匯時(shí)沿岸流最大流速明顯大于在風(fēng)海流作用下的冬季沿岸流最大流速。