粵西陽江海域春夏季沿岸激流現象及機理分析

陳宜展，曹永港*，羅士浩，廖世智，鄧丹，劉愉強，馬媛

( 1. 自然資源部南海調查中心，廣東 廣州 510300；2. 自然資源部海洋環境探測技術與應用重點實驗室，廣東 廣州 510300)

1 引言

海洋激流由美國海洋地質學家Hollister 和Mccave[1]提出，是一種在海洋內觀測到的突發性異常高速流動。海洋激流是一種沖擊力極強的海流[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現了激流現象。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、持續時間短暫、空間范圍小、具有很大的隨機性等特點。

方文東等[8]認為南海北部大陸坡區存在突發性強流。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象。嚴金輝[9]對粵西茂名海域進行了長時間的多站海流觀測，認為粵西海區海流主要受氣象條件的影響，周期性不好，且量值較大。目前，學者們對粵西沿岸流的夏季驅動機制仍存在不同的觀點[10]。伍伯瑜[11]認為珠江徑流在地轉效應和偏東風作用下向西流動形成了粵西沿岸流。嚴金輝和陳達森[12]認為夏季廣東沿岸堆積低密海水，在地轉作用下海水向西流動，并且夏季粵西海域高頻率的偏東風加強了西向流。楊士瑛等[13]則認為一方面夏季南海北部陸架區存在上升流，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，離岸水平壓強梯度力導致近岸海水向西運動；另一方面，夏季華南降雨量多，珠江沖淡水向西南方向運動是粵西沿岸流形成的另一個重要原因。此外，不少數模結果也支持珠江沖淡水是夏季粵西沿岸流形成的主導因素[14–15]。有少數研究認為，南海北部存在氣旋式環流是夏季粵西沿岸流的主要影響因素[16]。吳鋒和鐘萬勰[17]指出海洋激流經常發生在淺水海域，實際上是一種內機械激波。

海洋科學是基于現場調查資料驗證發展的學科。因為激流形成時間短并有一定的隨機性，所以需要長周期的海流觀測資料進行驗證分析，而同時間段多站位的水文觀測資料對揭示激流現象的機理尤為寶貴。本文通過分析粵西陽江近岸海域多站位實測風、海流、波浪和潮汐數據，研究激流發生期間的海表面溫度、地轉流和余流規律，探討陽江沙扒海域激流現象特征以及發生機制。

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電場區T1 站和T2 站周年觀測的多要素海洋水文氣象定點連續性觀測數據，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，每次連續采樣60 s 取平均值；波浪觀測采用WAVE III 型波浪騎士浮標，每小時觀測1 次；潮汐觀測采用RBR 水位計，每10 min 記錄一次，每次連續采樣1 min 取平均值。S1 站為國家海洋局閘坡海洋環境觀測站。

表1 觀測站位經緯度、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象

3.1 實測每月最大流速

選取海面2 m 以下水深的海流數據進行分析。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，出現在2018 年26 號臺風“玉兔”（強熱帶風暴級）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，均出現在寒潮影響期間。2019 年5 月觀測最大流速為164.7 cm/s，流向為234°，2019 年8 月觀測最大流速為161.8 cm/s，流向為250°。以上分析的每月最大流速都出現在2 m 水深處。2019 年5 月和8 月最大流速出現期間T1 海域沒有受到臺風和寒潮影響，S1 站也沒有觀測到大風天氣。

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應力影響。

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 月的風矢量和海流矢量的時間序列可以看出，海洋表層流速值變化復雜且有激流現象。如表2 所示，2019 年5 月5 日6 時，T1 站流速急劇增大到164.7 cm/s，而激流發生前的流速僅為40.7 cm/s，激流與發生前流速之比為4.0，激流持續時間達2 h，隨后流速急劇下降，恢復到正常流速。海流的這種現象，與文獻[18]所述的海洋激流狀況相似，這也是一種海洋激流流態。從圖3 和圖4海流流態分析，陽江海域春、夏季激流有以下性質：（1）2019 年5 月激流發生兩次，分別發生在5 月5 日和5 月8 日；2019 年8 月激流發生1 次，發生在8 月1 日。激流現象發生時都盛行東北風，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，風應力作用明顯，東北風有利于陽江沿岸流海域發生強流。（2）激流現象發生時，近岸T1 站流速明顯大于T2 站流速，激流現象主要發生在近岸20～30 m水深海域。由于海岸的邊界條件作用，埃克曼層水體輻聚容易出現在近岸海域。（3）激流現象先發生在海表，隨后海洋次表層和底層流速逐漸增大，激流現象的最大流速都出現在海洋表層。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 時增大到123.9 cm/s，并在凌晨6 時達到最大值164.7 cm/s，9 m水深流速凌晨4 時增大到105.0 cm/s，在凌晨6 時達到最 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，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2 m水深達到流速最大值161.8 cm/s，9 m 水深流速在8 月1 日凌晨6 時達到流速最大值156.6 cm/s。

圖3 2019 年5 月S1 站風矢量圖（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 激流現象發生時的風、潮汐、波浪

海洋表層動力過程復雜，近岸表層海流容易受風應力、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，或者激流發生后與激流發生前流速比值大。T1 站海流流速絕對值大于1.6 m/s，具有明顯的強流特征。（2）持續時間短。粵西海域激流都發生在漲急時刻，持續2～4 h，具有流速突變和持續時間極短的特征。漲潮時刻海水向岸運動，在近岸容易形成海水幅聚帶，這也是激流發生在漲急時刻的原因。（3）空間范圍狹小。粵西激流主要發生在近岸20～30 m 水深海域，具有明顯的沿岸流特征。（4）具有很大的隨機性。一般而言，風是影響近岸海流的最主要因素。從圖7 和圖8 可以看出，粵西激流發生時風速較小，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 站兩個流速峰值期間風速并不大。2019 年8 月流速值與風速值變化趨勢基本一致。T1站海域夏季風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象機制分析

為了探討粵西春季和夏季典型激流發生前后南海北部的環境要素變化特征，采用衛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 衛星高度計數據資料分析海表面高度異常（SLA）和海表地轉流特征；采用T1 站和T2 站海流實測數據進行余流計算。余流通常指實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、風海流和密度流等非周期性流動。通過對實測定點潮流時間序列作兩個半日潮周期（25 h）矢量平均合成計算，求取觀測位置的歐拉余流[19]。

4.1 粵西海域春季激流發生機制

2019 年4 月下旬到5 月上旬，南海北部持續的東北風促使粵西海域余流由東北轉向西南，南海東北部冷水水團也逐漸向南運動，在南海北部近岸形成冷水帶（圖9b）。珠江沖淡水在東北風和地轉作用下向西南方向流動加強（圖10）。在5 月5 日到5 月8 日期間，南海中部的暖水團向北移動（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梯度力，迫使近岸海水向西運動，因此激流發生在近岸海域。

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生機制

2019 年8 月1 日，此時陽江海域盛行東北風，有利于激流產生（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。結合圖10a 海表地轉流分布，此時在地轉流作用下的海水由粵西外海向岸流動形成氣旋式環流，向岸運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流輸運到粵西沿岸海域（圖12）。與春季激流發生的機制相似，夏季激流發生期間近岸海域海平面上升，外海海域海平面下降，水平壓強梯度力自岸向外，迫使近岸海域海水向西運動。

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

上述現象表明，粵西海域大量海水幅聚形成強勁的自岸向外水平壓強梯度力是陽江海域激流產生的主導機制。春夏季珠江入海徑流量大，而春夏季東北風和西南季風的不穩定性導致了激流產生的隨機性。春季，持續東北風作用下珠江沖淡水向西運動加強，南海暖水團向北運動使得粵西近岸海域流場輻合。夏季，西南季風在海南島以南形成東北向流導致粵西沿岸的補償流往西南流動，在短暫東北風作用下沿岸流向西流動加強，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生流場輻合，并且西向強流都發生在漲潮時刻。

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

5 結論

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

（2）粵西陽江近岸20～30 m 水深海域在春夏季存在激流現象。激流發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。春夏季東北風有利于激流現象發生。2019 年5 月5 日凌晨6 時，陽江沙扒海域2 m 水深處流速達到164.7 cm/s，9 m 水深處流速 達 到127.6 cm/s。2019 年8 月1 日 凌 晨4 時 至5 時，陽江沙扒海域2 m 水深處流速達到161.8 cm/s，9 m 水深處流速達到156.6 cm/s。陽江沙扒海域激流現象出現在海洋表層，發生在漲潮的漲急時刻，持續2～4 h。激流發生時，沒有出現顯著大風。

（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東北風作用下容易在粵西近岸海域輻聚。夏季，在西南季風作用下外海海域水體向東北運動，近岸海域形成西南向補償流，粵西沿岸海域生成海水幅聚帶。因此在春季和夏季，粵西海域東北風和西南季風交匯時沿岸流最大流速明顯大于在風海流作用下的冬季沿岸流最大流速。