大亞灣及其鄰近海域冬季溫度、鹽度的分布及日變化特征

鄭哲昊，莊 偉，孫振宇，陳照章，朱 佳，梁浩亮

(1.廈門大學(xué)近海海洋環(huán)境科學(xué)國家重點實驗室，福建 廈門 361102；2.惠州市海洋技術(shù)中心，廣東 惠州 516000)

大亞灣位于廣東省粵東岸段，是一個半封閉海灣，一般水深在6～16 m[1]。大亞灣內(nèi)無大河流輸入，潮差一般小于2 m，屬于中等潮差海域[2]。大亞灣是廣東省重要的水產(chǎn)資源保護(hù)區(qū)，近20 a來隨著大亞灣沿岸經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，核電站溫排水的排入，大亞灣海域的生態(tài)環(huán)境發(fā)生了較大的變化[3-4]，其環(huán)境和水質(zhì)狀況已引起人們的廣泛關(guān)注。因此，了解大亞灣的水文特征，對于大亞灣及其鄰近海域的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

大亞灣在每個太陰日(約24.8 h)有2次高潮和2次低潮，2次高潮或2次低潮的潮位不同, 存在明顯的潮汐日不等現(xiàn)象，屬于不正規(guī)半日潮[2]。大亞灣海水溫度(T)隨著季節(jié)而變化，冬季(12至翌年2月)水溫最低，尤其是12月，最低水溫小于16 ℃；春季(3—5月)屬于增溫季節(jié)，平均溫度大約比冬季高5～7 ℃；夏季7月水溫達(dá)到最大值，可高達(dá)31 ℃以上；而秋季與春季對應(yīng)，為降溫季節(jié)[5]。曾剛等(1991)研究指出，影響大亞灣淺海區(qū)水溫日變化的因素主要是太陽輻射和潮流，但也不能忽視其他次要因素(比如內(nèi)波、風(fēng)、降水等)的影響[5]。大亞灣有12條主要入海河流，其中1月份淡澳河流量為2.62 m3/s，霞涌河流量為0.27 m3/s，其他河流的流量為0.02～0.17 m3/s[6]。Wu等(2007)指出：在冬季，大亞灣表層和底層海水溫度的水平分布規(guī)律是相似的[7]。Tang等(2003)通過分析衛(wèi)星遙感AVHRR的海表溫度數(shù)據(jù)，指出在大亞灣核電站建成以后，灣內(nèi)水溫從1997年11月到1999年6月增加了1～3 ℃[8]。吳傳慶等(2006)利用多個時相的TM影像，反演大亞灣核電站溫排水水域的水溫，分析指出大亞灣核電站排水的出口溫度比周圍水溫高，影響半徑為2.5 km；隨著2002年7月和2003年3月嶺澳核電的前兩臺機組投入運行，溫排水影響半徑提高到了7 km左右[9]。在2010年9月和2011年8月，嶺澳核電3號與4號機組也投入運行，這可能會進(jìn)一步增大溫排水的影響范圍。

前人關(guān)于大亞灣水文特征變化的研究并不多見。從現(xiàn)有的研究成果來看，許多工作都借助了模型分析[1-2]，且在時間尺度上多關(guān)注于季節(jié)和年際變化[7-8，10]，對于溫度、鹽度(S)的日變化特征尚缺少充分認(rèn)識。本研究采用冬季航次大潮期間6艘船定點同步觀測(1次/h)的結(jié)果進(jìn)行分析，高時空分辨率的同步觀測數(shù)據(jù)能夠更好地揭示該海區(qū)海水溫度、鹽度的日變化特征。

1 材料與方法

2018年1月在大亞灣及其灣口和惠東東部近海進(jìn)行了6條船準(zhǔn)同步的溫度、鹽度定點連續(xù)觀測，所采用的溫鹽深剖面儀為OS 304plus(溫度分辨率為0.000 1 ℃，精度為±0.002 ℃；電導(dǎo)率分辨率為0.000 3 mS/cm，精度為±0.003 mS/cm；壓力分辨率為0.001 5% FS，精度為±0.05% FS)、CTD 48M(溫度分辨率為0.000 6 ℃，精度為±0.005 ℃；電導(dǎo)率分辨率為0.001 mS/cm，精度為±0.01 mS/cm；壓力分辨率為0.002% FS，精度為±0.1% FS)、AML BaseX(溫度分辨率為0.001 ℃，精度為±0.003 ℃；電導(dǎo)率分辨率為0.001 mS/cm，精度為±0.003 mS/cm；壓力分辨率為0.02% FS，精度為±0.03% FS)，一般每小時進(jìn)行1次的溫度、鹽度、深度剖面觀測。在航次之前，這些觀測儀器均經(jīng)過比測、檢定，觀測數(shù)據(jù)也經(jīng)過嚴(yán)格的質(zhì)量控制，以確保數(shù)據(jù)的真實性和可靠性。

本研究著重分析2018年1月17日—19日大亞灣及其鄰近海域的溫度、鹽度分布及日變化特征。調(diào)查期間為大潮期，大亞灣的天氣無較大的變化，氣溫約在13～22 ℃之間。本次調(diào)查共設(shè)站點12個(圖1)，其中C01、C08～C12站的位置位于大亞灣灣口以外及惠東東部近海(簡稱灣外站點)，C02～C07站位于大亞灣灣內(nèi)(簡稱灣內(nèi)站點)。C01、C08、C09(灣外)和C02、C03、C04(灣內(nèi))的調(diào)查時間為1月17日10：00至1月18日11：00。C10、C11、C12(灣外)和C05、C06、C07(灣內(nèi))的調(diào)查時間為1月18日13：00至1月19日14：00。所有站點數(shù)據(jù)的時間跨度都約為25 h，均大于一個太陰日。另外，本次調(diào)查期間還在T01站(圖1)進(jìn)行定點潮位觀測，所使用的壓力式儀器型號為Keller DCX-22，壓力精度為0.02% FS，分辨率為0.002 5% FS，量程為4.9×105Pa。我們選取1月17日—19日的潮位數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

圖1 大亞灣及鄰近海域2018年冬季航次觀測站位示意圖

2 結(jié)果與討論

表1是各站點表層(距表1 m)、底層(距底1 m)海水溫度、鹽度平均值以及標(biāo)準(zhǔn)差，可以看出，表層的海水相對于底層是高溫低鹽的特性；此外，不管是溫度還是鹽度，表層的變化幅度都比底層大。C02站點表層海水溫度始終維持一個較高的狀態(tài)，應(yīng)是受到核電站溫排水的影響。

表1 各站點表層、底層海水溫度、鹽度日平均值及標(biāo)準(zhǔn)差

2.1 底層溫度、鹽度日變化與潮汐的關(guān)系

圖2a、b與圖2c-f中黑色曲線分別是1月17日10：00至1月18日11：00、1月18日13：00至1月19日13：00站位潮位變化曲線。圖2表明：大亞灣在一個太陰日里出現(xiàn)兩個高潮和兩個低潮，且高、低潮的潮位差別較大；在12：00前后出現(xiàn)低高潮，在14：00—15：00前后出現(xiàn)高低潮，在20：00—22：00前后出現(xiàn)高高潮，在次日04：00—05：00前后出現(xiàn)低低潮，呈現(xiàn)明顯的不正規(guī)半日潮特性。

由于不同站點的水深不一致，不適合對所有站點的溫度、鹽度求平均，因此選取C02、C05、C06站以及C01、C10、C11站作為灣內(nèi)、灣外水體的代表性站點，分析灣內(nèi)、灣外海水的溫度、鹽度隨時間的變化。為了探究海水溫度、鹽度的日變化與潮汐的關(guān)系，我們用近底層(距底1 m)海水的溫度、鹽度與潮位變化進(jìn)行對比(圖2)，從而盡量減少太陽輻射的直接影響。

由圖2a、c、e可以看出，就灣內(nèi)站點而言，C02站溫度變化幅度很小，在0.1 ℃之內(nèi)；而其他站的溫度變化幅度在0.2～0.5 ℃之間。除了C02站溫度隨時間的變化有較大差異以外，灣內(nèi)其他站溫度隨時間的變化規(guī)律基本一致且與潮位變化有很好的對應(yīng)關(guān)系：13：00—19：00為漲潮期，溫度上升；19：00—20：00潮位變低，海水溫度下降；20：00—23：00潮位升高，海水溫度上升；次日03：00—05：00為落潮期，海水溫度下降；05：00—11：00為漲潮期，海水溫度總體上升。灣內(nèi)底層鹽度變化與潮位變化對應(yīng)關(guān)系更好，并且灣內(nèi)各站點鹽度隨時間的變化規(guī)律一致，其區(qū)別在于鹽度的變化幅度。C02站與其他站溫度變化規(guī)律不一致，而鹽度變化卻是一致的，可能是由于該站點受到了核電站溫排水的影響。由圖2b、d、f可知，灣外底層海水的溫度、鹽度與潮位變化對應(yīng)關(guān)系沒有灣內(nèi)好，尤其是C11站點。但是總的來看，無論灣內(nèi)還是灣外，溫度與鹽度的變化趨勢基本一致。

2.2 灣內(nèi)、外整層海水的溫度、鹽度日變化特征

為了進(jìn)一步揭示全水深的溫度、鹽度變化，本研究選取C03和C01站點作為灣內(nèi)和灣外的代表性站位，分別展示了其溫度、鹽度剖面隨時間的變化(圖3)。

圖2 大亞灣灣內(nèi)、灣外底層溫度、鹽度與潮位的變化

圖3a、b是灣內(nèi)C03站海水溫度、鹽度隨時間的變化。從圖3a可以看出，從12：00—18：00(白天)，灣內(nèi)表層海水有一個明顯的高溫區(qū)，等溫線密集，梯度為0.2 ℃/m左右，溫度在15：00—16：00達(dá)到最大值。因此，從10：00—15：00是增溫過程，對應(yīng)著太陽輻射的增強；從16：00—21：00是降溫過程，對應(yīng)著太陽輻射的減弱。從21：00以后，由于沒有太陽輻射的影響，整層海水垂直混合比較均勻，溫度隨時間的變化也不大。此外，圖3a還表明太陽輻射對灣內(nèi)海水溫度的影響主要局限于近表層的3～4 m范圍內(nèi)。相對于溫度的強垂向?qū)踊Y(jié)構(gòu)，該站點鹽度的垂向分布十分均勻(圖3b)。圖3c是灣外C01站海水溫度隨時間的變化。與灣內(nèi)相似，太陽輻射對灣外海水溫度的影響也主要局限于上層3～4 m。此處上層海水在12：00—16：00有一個明顯的增溫過程；在16：00—22：00則有一個明顯的降溫過程，升溫和降溫過程形成了0.2 ℃/m左右的溫度梯度。從00：00以后，整層海水垂直混合均勻，溫度幾乎不隨時間變化。當(dāng)然，灣內(nèi)、外的溫度、鹽度特征除了上述類似的變化特征之外，也呈現(xiàn)出一些不同之處。主要表現(xiàn)為灣內(nèi)的溫度比灣外要高，而鹽度則相反；灣內(nèi)、外的海水在夜間都呈現(xiàn)垂直均一的特征，但是灣內(nèi)海水溫度在夜間隨時間的變化幅度比灣外大。灣外C01站的鹽度隨時間的變化很小，且近底層的鹽度明顯高于上層(圖3d)，意味著觀測期間南海的相對高鹽水可能入侵到了灣外陸架區(qū)的底層。C02站和灣內(nèi)其他站點的溫度隨時間的變化不一致，主要區(qū)別在于，其他站點的層化現(xiàn)象消失在21：00之后，而C02站點層化現(xiàn)象沒有消失(圖3e)；由于夜間太陽輻射加熱的作用已經(jīng)消失，出現(xiàn)這個現(xiàn)象的原因應(yīng)與大亞灣核電站的溫排水過程有關(guān)。值得一提的是，Yu等(2010)通過分析研究衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)和實測數(shù)據(jù)得出，大亞灣核電站建成后，導(dǎo)致當(dāng)?shù)氐暮Ｋ疁囟茸兏撸?985—2005年的海表溫度上升速度為0.07 ℃/a[10]。與C03站相似，此處鹽度的垂向分布也較為均勻(圖3f)。

2.3 溫度、鹽度平面分布的日變化特征

因為灣內(nèi)、外的溫度、鹽度變化規(guī)律比較類似，為了更清晰地展示整個觀測海區(qū)的晝夜變化特征，我們利用所有站點的溫度、鹽度數(shù)據(jù)，分析了整個海區(qū)溫度、鹽度分布的三維結(jié)構(gòu)(圖4)。

圖4 白天、夜間期間大亞灣的不同層次的溫度、鹽度水平分布

圖4顯示的是大亞灣白天與夜間的溫度、鹽度平面分布，其中白天溫度、鹽度采用12:00—18:00的平均值，夜間溫度、鹽度采用00:00—06:00的平均值。從圖4a、b可以看出，灣內(nèi)的海表溫度在白天和夜間都比灣外的要高。除了東北部灣頂存在小范圍的低溫水體外，表層溫度由灣內(nèi)向灣外逐漸降低：白天從18.0 ℃變化到16.6 ℃，變化幅度為1.4 ℃；夜間從17.4 ℃降到16.6 ℃，變化幅度為0.8 ℃。此外，在C02站附近始終存在一個高溫中心，這與核電站很近，水平方向的影響范圍大約為15 km，周圍海水之間形成了明顯的溫度梯度。5 m層的溫度水平分布特征與表層大體相近，均呈現(xiàn)“內(nèi)高外低”的特征，但在該深度上夜間海水整體溫度比白天溫度要高，這和表層海水情況剛好相反。10 m層海水溫度無論在白天還是在夜間的差異都很小，水平的溫度梯度也弱得多，這意味著該深度上的海水受太陽輻射和核電站溫排水的影響都較小。從圖4c、d可看出，無論白天或夜間，灣內(nèi)的海表鹽度都低于灣外，且表層鹽度由灣內(nèi)向灣外逐漸升高，變化幅度為0.2左右。無論白天還是夜間，在C01、C10站都觀測到一個明顯的高鹽中心，C09站則存在低鹽中心，導(dǎo)致灣口鹽度從西到東呈現(xiàn)“高低高”的分布特征。C01站的高鹽和C09站的低鹽中心白天比夜間更明顯，而C10站高鹽中心則是夜間比白天更明顯。大亞灣東北部有白云河、竹園河等小河流注入[6]，導(dǎo)致灣頂區(qū)域形成沿岸低鹽水。由于上層鹽度的垂向?qū)踊苋酰? m和10 m層的鹽度水平分布特征與表層相似。

2.4 溫度、鹽度日變化特征與潮汐的關(guān)系

為了更好的探究潮流與大亞灣海域溫度、鹽度的關(guān)系，我們分析了漲急、高潮、落急以及低潮4個潮時大亞灣溫度、鹽度的平面分布特征(圖5、6)。

圖5 2018年冬季不同潮時大亞灣不同層次的海水溫度水平分布

從圖5可以看出，漲急時灣內(nèi)西部的表層海水溫度較高，在17.4～17.8 ℃之間；東部的海水溫度較低，在16.8～17.0 ℃之間。高潮時的海表溫度仍呈西高東低的分布特征，溫度鋒面呈現(xiàn)更加規(guī)則的南北走向。高溫中心仍位于核電站附近，溫度大約為18.0 ℃。落急時核電站附近高溫水體的溫度略微降低至17.6 ℃，并向NE向延伸，而灣口附近形成了NE—SW向的溫度鋒面，溫度由灣內(nèi)向灣外遞減，等溫線分布比較均勻。低潮時核電站附近的高溫中心依舊朝NE向延伸，灣內(nèi)外海水之間的溫度梯度變大。5 m和10 m層的溫度水平分布特征與表層有一定的相似性，但由于受太陽輻射和核電站溫排水的影響較小，溫度的水平梯度隨水深增加而逐漸減小。

從圖6可以看出，大亞灣4個潮時的表層鹽度分布大體一致，在C01和C10站附近存在高鹽中心，C08站附近存在低鹽中心。不同之處在于，C01站附近的鹽度值在高潮時最低，漲急時鹽度值最高；而C10站附近的高鹽中心鹽度值在落急時較高。此外，相對于其它時刻，低潮時灣內(nèi)的鹽度等值線分布呈現(xiàn)更加明顯的NW—SE向分布。垂直方向上，5 m和10 m層的鹽度水平分布特征與表層相近。

圖6 2018年冬季不同潮時大亞灣不同層次的鹽度水平分布

2.5 溫度、鹽度斷面分布日變化特征及其與潮汐的關(guān)系

我們選取C05～C08站的斷面，分析該斷面在4個潮時的溫度、鹽度垂直結(jié)構(gòu)(圖7、8)。圖7、8證實了大亞灣海水溫度“內(nèi)高外低”、鹽度“內(nèi)低外高”的分布特征，與對應(yīng)的水平分布特征相吻合。落急時，在C06站附近出現(xiàn)一個相對高溫中心，且在低潮時，高溫水的深度相比落急時加深，達(dá)到了7 m左右的深度。從鹽度的斷面圖看，也能發(fā)現(xiàn)在C08站附近存在一個低鹽中心，這與對應(yīng)的鹽度水平分布也相吻合。此外，圖7、8也表明近岸低鹽水的影響范圍隨潮汐的變化而變化，但是溫度隨著潮汐的變化卻沒有鹽度那么明顯，可能是因為溫度更容易受到太陽輻射以及核電站溫排水的影響。

圖7 C05～C08站溫度斷面分布特征

圖8 C05～C08站鹽度斷面分布特征

圖9是C04～C01站日平均溫度、鹽度斷面分布。由圖9可知，C02站附近存在一個高溫中心，這與核電站很近，水平方向的影響范圍大約為15 km，這與圖4a、b對應(yīng)的水平分布特征相吻合，垂直方向的影響范圍大約為3 m。本研究觀測到的核電站溫排水影響范圍明顯大于吳傳慶等的報道結(jié)果[9]，這應(yīng)該是由于核電站新機組(嶺澳核電3號與4號)的投入運行后溫排水增加的結(jié)果。

圖9 C04～C01站日平均溫度、鹽度斷面分布

3 結(jié)論

本研究根據(jù)大亞灣及其鄰近海域2018年1月冬季航次溫度、鹽度的觀測資料，系統(tǒng)刻畫了觀測期間灣內(nèi)和灣口的溫度、鹽度分布及日變化特征，結(jié)果表明：

(1)大亞灣灣內(nèi)的海水是高溫低鹽的特征，灣外的海水則是低溫高鹽的特征，海表海水相對于海底是高溫低鹽的特征；核電站的溫排水是造成灣內(nèi)平均水溫偏高的重要原因之一。

(2)太陽輻射是影響大亞灣海水溫度的一個主要因素，作用的深度大約在表層3～4 m范圍內(nèi)。此外，潮流也會影響大亞灣海水的時空分布特征。灣內(nèi)海水的溫度、鹽度隨著潮汐的變化而周期性變化，二者呈現(xiàn)很好的對應(yīng)關(guān)系，而灣外海水溫度、鹽度和潮流變化的對應(yīng)關(guān)系則不明顯。

(3)觀測期間，大亞灣西部存在一個高溫水區(qū)，此處的平均鹽度也相對較高；大亞灣灣口東西兩側(cè)附近也存在明顯的高鹽中心，低鹽中心位于觀測海區(qū)北部的灣頂和南部灣口中間區(qū)域。

致謝：感謝參加調(diào)查航次的所有調(diào)查隊員、匿名審稿專家及編輯部提出寶貴修改意見，謹(jǐn)在此一并感謝。