2015年7—8月珠江沖淡水擴展特征的觀測與分析

陳希榮，朱 佳，孫振宇，胡建宇

(廈門大學 海洋與地球學院，近海海洋環境科學國家重點實驗室，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.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行大面觀測和定點時間序列觀測，獲取該區域基本的水文分布特征，是分析南海陸架環流和沖淡水的時空演變過程和機制及其對碳、營養鹽等物質輸運影響的基礎.

自20世紀80年代以來，珠江口及其沖淡水影響區域內的航次觀測結果及相關數據分析揭示了珠江沖淡水擴展模式的復雜性.早期關于珠江沖淡水擴展的研究主要是通過水團分析確定沖淡水的擴展路徑、范圍及形成的鋒面，發現在徑流量較大的1978年和1979年夏季，沖淡水存在顯著的東南向擴展，同時向粵西擴展的流幅達到約185 km，擴展的范圍達到湛江港外[3].而在1982年夏季，航次觀測結果顯示珠江沖淡水勢較弱，以西向擴展為主[4]；研究表明珠江沖淡水具備射流性質，在珠江口同時朝東、西兩側擴展，但因為沖淡水所受的地轉偏向力在北半球為偏右向，所以在河口區域有利于沖淡水向西擴展；與此同時，珠江沖淡水在西南季風作用下則會朝東南方向擴展[4-5].但在20世紀90年代的調查中，得出珠江沖淡水擴展路徑受風、近岸海面高度和徑流量的影響，當岸邊海平面顯著高于多年平均海面時，珠江沖淡水則朝西南方向運移的主要結論[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展范圍、路徑和強度主要受到季風、徑流量以及南海北部復雜的動力影響[7-19]，并給出了動力層面上的解釋.數值模式結果揭示了夏季珠江沖淡水的表層形態和擴展主要受到西南季風控制[7-12]，而徑流量主要影響沖淡水的覆蓋面積[13-14].夏季西南季風導致沖淡水的Ekman離岸輸運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展，可達臺灣海峽附近，且由于西南季風的風向存在2～5 d的脈動變化，導致沖淡水從主體中脫離而在南海陸架海域出現低鹽水團[15-19].近岸的環流影響沖淡水在陸架的擴展和混合[12]，而珠江沖淡水影響海域主要位于南海北部陸架區域等深線200 m以內，其環流主要受到南海上層的環流影響.南海北部的環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為主.珠江口東、西兩側陸架近岸上升流對夏季西南季風的不同響應是導致珠江沖淡水出現對稱擴展的主要原因[11]，而珠江口河口近岸沖淡水的垂向結構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年夏季珠江沖淡水擴展模式特征，并結合風場數據和通過漂流浮標計算的海表流場數據對影響珠江沖淡水擴展的主要動力因子進行討論，以期提高對夏季珠江沖淡水擴展特征的認識，為研究珠江口如何進行碳、營養鹽等物質的輸移、分布等過程提供基礎資料.

1 航次觀測數據

廈門大學2015年南海北部/珠江沖淡水航次由湛江東海廣興船務公司的“海調6號”科學考察船開展.本航次自2015年7月18日開始，8月8日結束，歷時22 d.該航次的主要調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.航次調查過程中溫鹽深剖面儀(CTD)共投放256次，作業165個站位，主要包括珠江口外及珠江沖淡水影響區等海區.調查過程中使用型號為SBE 917的CTD，其溫度傳感器的準確度為0.001 ℃，分辨率為0.000 2 ℃，電導率傳感器的準確度為3 μS/m，分辨率為0.4 μS/m，壓力傳感器準確度為10 kPa，分辨率為0.69 kPa.調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浮標以進行多參數的定點測量，本研究主要使用其采集的風場數據，數據的采集時間間隔為1 min.因為珠江河口的入海徑流量近似為其上游流經藤縣的西江、石角鎮的北江、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、石角鎮和博羅縣3個水文站的逐日徑流量數據進行研究.

在航次期間還投放了3組浮球(共計20個)用于觀察海表流場的拉格朗日運動狀態.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，球體內安裝衛星信號發射器和電池，球體下方由纜繩連接拖傘，長度總計約3 m.相關參數如下：GPS定位精度10 m，通信方式為GlobalStar衛星，采樣間隔1 h，數據接受率超過70%，數據獲取使用中國科學院海洋研究所服務器.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6個，實時流速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7個，實時流速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7個，實時流速0.5 m/s.

十字為第一航段站位，空心圓為第二航段站位，黑色五角星為定點浮標布放位置.

圖2 漂流浮球示意圖

2 結果與討論

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、鹽剖面數據.通過對航次過程中所有站點溫、鹽垂直分布情況的分析，結果顯示：在航次調查區域珠江沖淡水擴展范圍內，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.以站位F802為例，其溫、鹽垂直分布特征具有3層結構(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層結構特征,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 珠江沖淡水擴展模式特征

圖4 珠江口表層鹽度的平面分布

圖4為航次調查區域內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60年代，毛漢禮等[20]提出設定鹽度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而設計，當測得表層鹽度大于32之后就不再繼續往外觀測.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據獲取的時間段為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展模式為主，且水平擴展范圍距珠江口超過350 km；而第二航段珠江口表層鹽度數據獲取的時間段為8月3—5日，珠江沖淡水在南海北部陸架區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進行了每小時一次CTD全剖面的連續觀測，得到鹽度垂直分布的時間變化圖(圖5).鹽度的時間序列顯示，在7月30日15:00，站位2F801表層開始被鹽度大于32的水團所控制，因而導致了在第二航段的觀測中珠江沖淡水在粵東沿岸的區域發生脫離.

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

2.3 珠江沖淡水擴展模式對風場和徑流量的響應

珠江沖淡水的覆蓋區域和范圍在兩個航段存在明顯的差異，從圖5的定點觀測中發現珠江沖淡水的擴展模式主要在7月29—31日間發生改變.下文將結合遙感日平均風場和定點浮標的風場數據，探討珠江沖淡水對風場的響應.

圖6給出了航次期間遙感日平均風場的分布情況，其數據來源于Windsat提供的10 m風場數據(http:∥www.remss.com/missions/windsat,數據空間分辨率0.25°×0.25°，時間分辨率1 d).其中7月1—3日具有典型的西南季風特征，日平均風速約6 m/s；7月4—5日西南季風開始減弱，變成偏南風；在7月6—10日期間，受臺風“蓮花”影響，在呂宋海峽西北部出現風場的氣旋結構，其近中心的日平均最大風速大于20 m/s；7月11—17日期間，臺風影響結束，南海北部陸架區域逐漸恢復成典型的西南季風特征；之后的7月18—21日期間，南海北部生成了一個熱帶氣旋，使得廣州沿岸風場轉變為以弱東北風為主；7月22日—8月1日期間，熱帶氣旋減弱直至消失后，南海整體風場恢復成西南風主導控制型，但是在南海北部的粵西沿岸，即珠江口附近，主要受偏南風的控制，風速較弱.這與航次調查區域定點浮標站風場的分布特征一致(圖7)，定點浮標的觀測結果顯示：在第一航段的7月19—28日期間，對應著南海北部海區夏季西南季風階段，調查前一周至調查開始之后則主要以穩定的西南風為主，平均風速6.6 m/s，使得沖淡水的擴展范圍較大；而從7月29日至第二航段結束期間，西南季風變得不穩定，珠江口外部短時間以南風或東南風為主，使得沖淡水的離岸輸運變弱，這與站位2F801所對應的定點觀測的鹽度時間變化序列一致.而圖7中徑流量的數值顯示，珠江徑流量在珠江沖淡水擴展形態轉變期間并不存在顯著的波動，而是保持了相對穩定的高值.因此可推知在夏季，徑流量并不是影響珠江沖淡水擴展形態發生轉變的主要因素，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展范圍產生一定的影響.

風場的變化導致珠江沖淡水擴展模式發生改變，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的過渡區域為站位A14—A18，區域寬度約為60 km；而在第二航段期間，其過渡區域在站位A15附近，區域寬度約為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到10 m，而第二航段時僅為5 m左右.綜上所述，第一航段時沖淡水在珠江口外具有更大的水平擴展距離和垂直影響深度，這主要是受到風場的影響；同時從鹽度的斷面分布特征來看，在調查區域內普遍出現了較明顯的層化現象，多為單躍層結構.

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，推測該區域的上升流作用主要集中于次表層，當低溫高鹽水被帶到次表層10 m處后，進入到珠江沖淡水團的影響區域，沖淡水團在上層的覆蓋直接阻礙了下層高鹽海水的向上輸運，使得無法在表層觀測到高鹽現象.

圖6 遙感海表風場分布

圖7 定點浮標站海表風場及珠江徑流量時間序列

圖8 A斷面的鹽度分布

2.4 珠江沖淡水擴展模式對背景流場的響應

在對珠江沖淡水的溫鹽分布特征和風場數據的初步分析后，結合浮球的觀測數據進一步對珠江沖淡水的擴展模式進行分析.在此計算浮球途經區域的平均流速，從而補充說明珠江沖淡水擴展模式對珠江沖淡水主要影響區域內的海洋表層流場的響應.

第1組浮球布放后不久，6個浮球均被在附近作業的漁船所打撈，其中1個浮球尋回后于8月3日20:00重新投放，投放時海表的實時流速為0.7 m/s，也是第1組浮球中唯一的有效數據，其運動軌跡如圖9(a)所示，根據黑色虛線，左起依次為區域Z1-1、Z1-2、Z1-3.第2組共計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，所有浮球的運動軌跡合成如圖9(b)所示，航次調查集中于區域Z2-1內.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，所有浮球的運動軌跡合成如圖9(c)所示，航次調查集中于區域Z3-1內.

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

第1組浮球投放后，在區域Z1-1內運動的主要時間范圍是8月3—8日，主要位于20 m等深線以內，流速為0.25 m/s.這是因為在河口區域的海水在地轉偏向力的作用下，在出海口會存在朝出口方向右側的偏轉，且形成一個逆時針的氣旋.在區域Z1-2，其運動軌跡與50 m等深線一致，計算得出流速約為0.48 m/s，運動時間為8月8—15日.區域Z1-3的流速約為0.81 m/s，浮球途經時間為8月15—20日，該時間段內西南風穩定，用該時間段該區域內的日平均風場的遙感數據計算得平均風速約為7 m/s.第2組浮球投放后，在區域Z2-1內浮球的運動軌跡基本與20 m等深線一致，其平均流速為0.34 m/s，途經時間為7月26日—8月1日，定點浮標的風場數據(圖6)顯示西南季風不穩定，短時間出現東南風或南風.第3組浮球投放后，在區域Z3-1的平均流速為0.52 m/s，途經時間為7月27—31日，其觀測時間與區域Z2-1一致，但是運動范圍與區域Z1-3一致.

通過比較3組浮球在區域Z1-3、Z2-1和Z3-1內的運動速度和相對應時間內的風場條件，得出以下結論：在2015年夏季，風向的轉變主要影響調查區域內表層流場的流速大小而不改變其主要流向，西南季風的穩定會直接加強調查區域內的表層流速大小，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.

綜合上述研究結果對2015年7—8月影響珠江沖淡水擴展特征的動力機制提出如下解釋：穩定的西南季風有利于珠江沖淡水的離岸運動而被帶離河口，進而跨越20 m等深線并進入南海北部陸架，使得粵東沿岸20～100 m等深線區域內表層海水的東向流速增大.因此當珠江沖淡水被帶離20 m等深線之外的南海北部陸架區域之后，受到離岸輸運和東北向海流的共同影響，以東向擴展為主；但是當西南風轉變為東南風時，沖淡水離岸運動受到阻礙，沖淡水主要集中于20 m 等深線以內的珠江口形成堆積，在地轉偏向力的作用下更有利于珠江沖淡水沿岸西向的擴展.

3 結 論

本研究在2015年7—8月通過對珠江口區域的大面觀測，結合定點浮標的風場數據和漂流浮球數據，對2015年夏季珠江沖淡水的擴展模式特征和影響因素進行了分析，得到如下主要結論：

1) 2015年7—8月珠江沖淡水主要存在兩種擴展形態：離岸東向擴展和沿岸西向擴展.在西南季風穩定的第一航段的7月19—28日期間，珠江沖淡水以東向擴展為主，其水平擴展的距離超過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日期間珠江沖淡水擴展模式轉換為以沿岸西向為主.

2) 漂流浮球的數據顯示在2015年7—8月期間，珠江口外20～100 m等深線之間的粵東沿岸，穩定地存在著東北向海流，夏季風向的轉變主要影響調查區域內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) 當西南季風穩定時，大部分珠江沖淡水會被持續地帶離河口而進入20 m等深線之外的粵東沿岸，在表層背景環流的影響下持續向東擴展，少部分沖淡水在地轉偏向力的作用下沿岸向西擴展.當風向由西南向轉變為南向或東南向時，珠江沖淡水會集中于20 m等深線以內堆積，進而在地轉偏向力的作用下主要以沿岸的西向擴展為主.