2018年澳門海域秋季水體溫鹽分布與層化特征

胡夢茜，甘華陽

（廣州海洋地質調查局，廣東廣州510000）

1 引言

澳門面朝南海，地處珠江口外緣西側，介于珠江河口灣與磨刀門河口間，毗鄰珠海。珠海-澳門附近水域是指珠海市橫琴島以東、澳門半島以南、大九洲島以西的水域。它是磨刀門河口區的組成部分，是磨刀門水道的支漢-洪灣水道的排洪出?？?，又是西江通往港澳地區航道的主要出口，地理位置十分重要。該水域由3 部分組成：一是洪灣水道出口至澳門外港這段水道，稱為“主干道”；二是位于珠海市大、小橫琴島及澳門氹仔島、路環島間的水域，稱為“十字門淺海區”；三是位于珠海市灣仔與澳門之間的水域，稱為“灣仔淺海區”[1]。上述3個部分的水流在洪灣水道出口處交匯，該區域稱為“匯流區”。匯流區內水動力復雜、岸線不規則、水流紊亂且流速緩慢、泥沙集中落淤、發育攔門沙[2]。

澳門海域所處地理位置特殊，受南海咸水和來自珠江口與磨刀門的徑流共同作用，水文條件復雜多變。在河口咸淡水混合區，水體可出現鹽度層化現象。層化是河口的主要特征之一。河口層化與混合過程往往對河口中各種物質的通量交換起控制作用，并對水體中營養物質、重金屬與生物的分布等產生重要影響[3-5]。當層結穩定時，海水混合會被限制在一定的區域，海水中的氧氣和營養鹽得不到及時補充，生物分泌的物質無法擴散與自凈。因此研究澳門海域的水文特性與海水層化混合結構，對了解該區域熱量、動量、泥沙和營養物質等的輸送條件具有重要意義。

受澳門特別行政區的地位影響，其海域調查工作難以開展。目前已有的水文調查程度較低。俞慕耕等[6]曾在澳門回歸初期進行了澳門島海域的水文氣象本底調查，此后該區域的水文調查長期處于空白。澳門一直以來存在咸潮入侵、水質惡化、水資源短缺等諸多水環境問題[7-10]。近年來，澳門興起大量的填海造陸工程，海岸線長度由1995年的43.17 km增長至2018 年的76.08 km，同時土地面積也成倍擴展，勢必對周圍的水文特性造成影響。本文調查了澳門海域的海水溫度、鹽度的平面與垂向分布特點，分析其層化與混合特性，并采用線性優化法確定相應的上混合層深度。海水垂向結構與上混合層深度的確定可為進一步研究該區域的物質與熱通量提供基礎支持[11]。

2 資料與研究方法

2.1 數據來源

2018 年10 月29 日——11 月6 日，廣州海洋地質調查局采用加拿大RBR 公司生產的淺水XR-420型溫鹽深儀（Conductivity Temperature Depth，CTD），在澳門海域內完成了29 個站位的溫、鹽、深度剖面觀測。采樣時間間隔為0.2 s，儀器收放速度約為0.4 m/s。站點分布如圖1 所示，圖中水深基準面為平均海平面，位于水位零點上1.8 m。澳門水域除了路環島大擔角附近海域與夾馬口外，水深一般不超過6 m，絕大部分區域水深都在4 m以下。等深線呈南北走向分布，大致與澳門東岸平行，海域堆積作用旺盛、水淺灘多。此外，9 月25——26 日在D015 與D140站位完成25 h潮流同步觀測。

2.2 海水層化系數與上混合層深度

圖1 2018年秋季澳門海域調查站位分布示意圖

潮汐河口海岸的水體中，徑流和海水之間的混合將會使水體在垂向上產生密度層化；由于湍流擴散作用，水體常常發生垂向紊動混合。層化與混合是潮汐河口海岸水體中重要的水動力過程，不僅決定了河口海岸水體的交換，還會對泥沙搬運、污染物擴散及水生生物分布產生重要影響。層化系數可按照式（1）進行計算[12]:

式中：N為鹽度層化系數，ΔS為表底層鹽（溫）度差，S0為垂線平均鹽（溫）度。當N＞1.0 時河口為高度層化型，0.1＜N＜1.0 時河口為緩混合型，N＜0.1時河口為強混合型。

海洋中的混合層是海洋的上界面，直接與大氣相接。海洋與大氣的能量、動量和物質的交換主要通過混合層進行，因此海洋混合層研究在海氣相互作用中占重要地位。常用來確定對應的上混合層深度的方法包括差值法、梯度法和曲率法。前兩種方法通過計算溫度或鹽度的差值與梯度，并與給定閾值進行比較來推算混合層深度，具有較大的人為誤差；曲率法則通過求溫度或鹽度隨深度的二階偏導來判斷上混合層深度，該方法較差值法與梯度法更為客觀，但是對噪聲敏感[13-15]。本文采用具有一定抗噪性能的線性優化法[15]來確定混合層深度。

假設鹽度剖面可以用Szi來表示離散數據，線性擬合第一個點z1到zk深度的鹽度，實測數據與擬合值分別表示為（S1,S2,…,Sk）和（S1,S2,…,Sk），對應的均方根誤差為：

下一步從zk深度往下選擇n個點，利用以上線性關系計算擬合偏差的絕對值：

如果zk恰好在混合層內，則線性擬合能夠很好地貼合數據點z1,z2,…,zk+n；更深的n個數據點擬合偏差絕對值E2(k)一般會比E1(k)小，因為各點觀測數據和擬合數據間的差異可能相互抵消；若zk在混合層底部，則E2(k)較大，E1(k)較小；如果zk在混合層底部之下，E2(k)和E1(k)均較大。因此可以確定混合層深度的判定標準如下：

圖2 線性優化法確定上混合層深度過程

以D015 為例確定混合層深度，計算過程如圖2所示。其中a 為原始鹽度剖面數據，b、c 和d 分別為計算的E1( k )、E2( k )和Q( k )剖面，n取3，判定的混合層深度為3.44 m。

3 結果與討論

3.1 海水溫鹽平面特征

根據經驗定義表層水深小于0.5 m，底層對應最大水深Hmax，中層水深為1/2 Hmax。澳門氹環島表層溫度介于22.54～25.58 ℃之間，各站平均溫度為23.90 ℃；中層溫度介于22.67～25.58 ℃之間，各站平均溫度為23.97 ℃；底層溫度介于23.03～25.56 ℃之間，平均溫度為24.27 ℃。從表層至底層溫度總體呈上升趨勢，各層最高溫度和最低溫度的極差分別為3.04 ℃、2.91 ℃和2.53 ℃，有沿深變小的趨勢。

調查區域位于珠江口西側，其近岸海域的溫度較高，尤其在澳門半島東南與澳門離島東側海域有兩條明顯的熱水舌向外海延伸。環島存在溫度高于外海區域的暖水帶，該處等溫線密集、溫度梯度較大。這類海水性質差異較大的過渡帶對河口區流場變化、物質遷移、沉積過程、離子的吸附和解吸過程等都有著重要影響。中層和表層溫度平面分布特征基本一致，其中澳門半島東南側的高溫水舌明顯減弱，到達水體底部時已經基本消失；而澳門離島東側的高溫水舌則隨水深增加繼續向東延伸，受其東南側底部冷水侵入作用，寬度逐漸束窄（見圖3）。

海水表層鹽度介于3.15～20.53 之間，平均鹽度為15.22；中層鹽度介于2.19～23.19 之間，平均鹽度為16.04；底層鹽度介于2.5～30.08 之間，平均鹽度為20.16。從表層至底層平均鹽度值總體呈現上升趨勢；表層、中層和底層鹽度極差分別為17.38、21.00和27.58，隨著深度的增加而增大。

調查區海水鹽度的分布和變化主要受海流、徑流以及沿岸沖淡水的影響。由圖4 可見，各層鹽度的平面分布有差異但又有共通之處。整體來看，澳門海區與珠江口海區的鹽度分布和變化密切相關。珠江口海區鹽度分布為口門外鹽度高，變化小；口門內鹽度低，變化較大。類似地，調查區各層鹽度的分布特點表現為北低南高，東高西低。垂向上底層鹽度較表層鹽度更高，但是在匯流區垂向鹽度較低且分布均勻，均低于5‰。主要原因是受到洪灣水道下泄徑流作用，在觀測期間漲潮流作用較弱。

3.2 海水層化與混合特征

圖3 研究區溫度平面分布圖

圖4 研究區鹽度平面分布圖

圖5 研究區海水層化特征

澳門海域水溫垂向差異較小，因此本文主要考慮鹽度層化，其對應的層化系數如圖5a所示。由圖可見澳門離島海域的南部與東部鹽度層化系數大于0.5，較其他區域更高。這是由于該區域緊鄰開闊海域，潮汐暢通，受徑流和潮汐共同作用分層較明顯。但是兩者的溫鹽垂向分布形式不完全相同，并且東南向由于局部凸起的水下地形導致水流能量耗散較快，出現局部強混合區域。

總的來說觀測位點的溫鹽垂向分布可以分為Ⅰ——Ⅳ4 種模式。以D015、D140、D124 和D017 為代表，各站的溫鹽垂向分布如圖6 所示。東側D015站位的溫度和鹽度躍層梯度較大，具有明顯的3 層結構即上混合層、躍層與底部混合層，為Ⅰ類3層結構；南側D140 站位具有相似的分層系數，但是其躍層梯度不明顯，上混合層鹽度均勻分布，拐點以下鹽度隨水深緩慢增大，為Ⅱ類雙層結構；澳門離島東南向的D124 站位雖然受到潮汐作用，但是湍流混合作用非常強，鹽度隨深度基本不變化，平均鹽度為17‰，平均溫度為23 ℃，為Ⅲ類強混合結構；澳門東岸D017 站位的海水鹽度隨深度變化而增大，溫度隨深度減小，垂向無分層，為Ⅳ類線性結構。各站位垂向結構分類布局如圖5b所示。

影響河口水體層化的3個主要動力過程包括底層潮汐混合、徑流摻混及風擾動。底層潮汐混合引起潮汐能量的不斷向上層傳遞，破壞水體的分層穩定性；而徑流攜帶較輕的淡水浮于較重的鹽水上面，使水體向穩定層化方向發展；風應力的主要作用為引起水面擾動，能量不斷向下層水體傳遞，導致分層不穩定[4]。三者的相對強弱決定溫鹽的垂向結構。與Qiu等[16]的結果對比，本文Ⅰ類3層垂向分布對應其B 型分布，在一年當中都可能存在。較厚的上混合層主要由海氣界面浮力通量引起，同時該類溫鹽垂向結構的底層潮致混合效應一般，受底部摩擦作用具有一定厚度的下混合層，被限制在躍層之下。Ⅱ類雙層結構則介于A-β 型與B 型分布之間，無明顯的下混合層，潮汐作用較強，底部混合層與躍層趨于消失，在表層風作用下，發育一定厚度的上混合層。研究區缺乏實測風場與徑流量數據，受資料限制。本文僅探討兩類溫鹽結構的潮致混合作用強弱及其對底層海水溫鹽的影響。底層潮汐混合對水體層化的貢獻FT計算式為[17]：

式中：h為水深；ε為潮汐混合系數，取0.003 8；kb為底拖曳系數，取0.002 5；ρw為底層水體密度，根據海水狀態方程計算得到；Ub為底層主流向流速。D015 與D140 站位分別對應Ⅰ類與Ⅱ類溫鹽結構，兩者，對應的潮汐混合貢獻時間序列如圖7 所示。結果表明，澳門氹環島東北向D015 站的潮汐混合作用整體小于東南側D140 站位，Ⅱ類雙層結構對應的潮致混合效應更強，不利于海水分層，動量不斷向上傳遞，與前述推測吻合。

圖6 溫度與鹽度垂向分布類型

圖7 潮汐混合作用

表1 溫鹽垂向結構類型統計參數

溫鹽垂向結構分布特征的統計結果見表1。Ⅰ、Ⅱ類溫鹽垂向類型為分層結構，主要分布于緊鄰開闊水域的東、南海域。整個澳門海域以Ⅰ類溫鹽結構為主；Ⅱ類數量僅為3 個，占比為10%，主要存在于澳門南部海域。由于面臨南海，南海潮波可直接到達該區域，因此潮致混合效應較其他區域更強。兩種類型都有明顯的上混合層，混合層深度比（Hˉmix/Hˉmax）約為0．6，風力較強，但作用深度有限。Ⅲ、Ⅳ類為混合型結構，集中分布在主干道、澳門機場周邊以及東南淺灘等近岸或水淺的區域。兩處成因可能不同：主干道靠近上游，水體完全被徑流控制；而東南淺灘由于地形抬高風力作用或可直接到達床底，強于徑流的層化效應?？傮w而言，澳門海域水體垂向交換條件良好，溫鹽垂向結構以混合型居多。

范中亞等[18]計算發現除磨刀門外，珠江口各口門的大小潮混合差異均為較低水平，因此溫鹽垂向分布主要受潮汐漲落的變化，大小潮導致的差異較弱。而潮汐漲落對垂向分布的影響主要表現在潮汐剪切上，潮汐剪切對鹽度層化影響較大。漲潮時水體混合良好，退潮時水體層化增強，潮汐應變將導致海水周期性層化[17]。潮汐應變只發生在底邊界層[19]，因此Ⅰ、Ⅱ類溫鹽結構可隨潮漲潮落相互轉換，其上邊界層厚度受潮汐影響相對較小。

4 結論

澳門氹環島海區2018年溫鹽調查結果顯示：近岸海域具有更高的溫度，環島存在溫度高于外海區域的暖水帶，溫度梯度較大；澳門機場附近存在向外伸展的高溫水舌；秋季澳門水道的海水混合強烈，主要受洪灣水道下泄徑流作用，整體鹽度較低。

溫鹽具有Ⅰ——Ⅳ4種典型的垂直結構類型。其中Ⅰ類具有明顯的3層結構：上混合層、躍層與底部混合層，集中分布在緊鄰開闊水域的東、南海域。Ⅱ類為雙層結構，躍層梯度小，無明顯底部混合層，水體潮致混合效應大于Ⅰ類，主要存在于澳門南部海域，毗鄰南海。Ⅰ、Ⅱ類分層結構對應的上混合層深度比約為0.6，海氣熱量交換充分。Ⅲ、Ⅳ類結構為混合型結構，集中分布在主干道、澳門機場周邊及東南淺灘等近岸水淺的區域。

總體來說，澳門水體層化系數低，以強混合和緩混合為主。水體垂向交換條件良好，對海氣熱傳導、泥沙與營養物質通量的屏障作用微弱，利于大氣復氧與水體自凈。海水平流輸運條件對水環境的影響仍有待進一步研究。