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(zhì)調(diào)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(cè)，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(qū)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(qū)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(huán)島間的水域，稱為“十字門淺海區(qū)”；三是位于珠海市灣仔與澳門之間的水域，稱為“灣仔淺海區(qū)”[1]。上述3個部分的水流在洪灣水道出口處交匯，該區(qū)域稱為“匯流區(qū)”。匯流區(qū)內(nèi)水動力復(fù)雜、岸線不規(guī)則、水流紊亂且流速緩慢、泥沙集中落淤、發(fā)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(fù)雜多變。在河口咸淡水混合區(qū)，水體可出現(xiàn)鹽度層化現(xiàn)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(zhì)的通量交換起控制作用，并對水體中營養(yǎng)物質(zhì)、重金屬與生物的分布等產(chǎn)生重要影響[3-5]。當(dāng)層結(jié)穩(wěn)定時，海水混合會被限制在一定的區(qū)域，海水中的氧氣和營養(yǎng)鹽得不到及時補充，生物分泌的物質(zhì)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(jié)構(gòu)，對了解該區(qū)域熱量、動量、泥沙和營養(yǎng)物質(zhì)等的輸送條件具有重要意義。

受澳門特別行政區(qū)的地位影響，其海域調(diào)查工作難以開展。目前已有的水文調(diào)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(diào)查，此后該區(qū)域的水文調(diào)查長期處于空白。澳門一直以來存在咸潮入侵、水質(zhì)惡化、水資源短缺等諸多水環(huán)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(diào)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(yōu)化法確定相應(yīng)的上混合層深度。海水垂向結(jié)構(gòu)與上混合層深度的確定可為進一步研究該區(qū)域的物質(zhì)與熱通量提供基礎(chǔ)支持[11]。

2 資料與研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

2018 年10 月29 日——11 月6 日，廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局采用加拿大RBR 公司生產(chǎn)的淺水XR-420型溫鹽深儀（Conductivity Temperature Depth，CTD），在澳門海域內(nèi)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(zhǔn)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(huán)島大擔(dān)角附近海域與夾馬口外，水深一般不超過6 m，絕大部分區(qū)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(shù)與上混合層深度

圖1 2018年秋季澳門海域調(diào)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(chǎn)生密度層化；由于湍流擴散作用，水體常常發(fā)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(chǎn)生重要影響。層化系數(shù)可按照式（1）進行計算[12]:

式中：N為鹽度層化系數(shù)，ΔS為表底層鹽（溫）度差，S0為垂線平均鹽（溫）度。當(dāng)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(zhì)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(yīng)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(dǎo)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(yōu)化法[15]來確定混合層深度。

假設(shè)鹽度剖面可以用Szi來表示離散數(shù)據(jù)，線性擬合第一個點z1到zk深度的鹽度，實測數(shù)據(jù)與擬合值分別表示為（S1,S2,…,Sk）和（S1,S2,…,Sk），對應(yīng)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(guān)系計算擬合偏差的絕對值：

如果zk恰好在混合層內(nèi)，則線性擬合能夠很好地貼合數(shù)據(jù)點z1,z2,…,zk+n；更深的n個數(shù)據(jù)點擬合偏差絕對值E2(k)一般會比E1(k)小，因為各點觀測數(shù)據(jù)和擬合數(shù)據(jù)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??；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(biāo)準(zhǔn)如下：

圖2 線性優(yōu)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(shù)據(jù)，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(jié)果與討論

3.1 海水溫鹽平面特征

根據(jù)經(jīng)驗定義表層水深小于0.5 m，底層對應(yīng)最大水深Hmax，中層水深為1/2 Hmax。澳門氹環(huán)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(diào)查區(qū)域位于珠江口西側(cè)，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(cè)海域有兩條明顯的熱水舌向外海延伸。環(huán)島存在溫度高于外海區(qū)域的暖水帶，該處等溫線密集、溫度梯度較大。這類海水性質(zhì)差異較大的過渡帶對河口區(qū)流場變化、物質(zhì)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(cè)的高溫水舌明顯減弱，到達水體底部時已經(jīng)基本消失；而澳門離島東側(cè)的高溫水舌則隨水深增加繼續(xù)向東延伸，受其東南側(cè)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(xiàn)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(diào)查區(qū)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(qū)與珠江口海區(qū)的鹽度分布和變化密切相關(guān)。珠江口海區(qū)鹽度分布為口門外鹽度高，變化?。豢陂T內(nèi)鹽度低，變化較大。類似地，調(diào)查區(qū)各層鹽度的分布特點表現(xiàn)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(qū)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(qū)溫度平面分布圖

圖4 研究區(qū)鹽度平面分布圖

圖5 研究區(qū)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(yīng)的層化系數(shù)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(shù)大于0.5，較其他區(qū)域更高。這是由于該區(qū)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(dǎo)致水流能量耗散較快，出現(xiàn)局部強混合區(qū)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(cè)D015站位的溫度和鹽度躍層梯度較大，具有明顯的3 層結(jié)構(gòu)即上混合層、躍層與底部混合層，為Ⅰ類3層結(jié)構(gòu)；南側(cè)D140 站位具有相似的分層系數(shù)，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(jié)構(gòu)；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(jié)構(gòu)；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(jié)構(gòu)。各站位垂向結(jié)構(gòu)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(fēng)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(wěn)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(wěn)定層化方向發(fā)展；風(fēng)應(yīng)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(dǎo)致分層不穩(wěn)定[4]。三者的相對強弱決定溫鹽的垂向結(jié)構(gòu)。與Qiu等[16]的結(jié)果對比，本文Ⅰ類3層垂向分布對應(yīng)其B 型分布，在一年當(dāng)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(jié)構(gòu)的底層潮致混合效應(yīng)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(jié)構(gòu)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(fēng)作用下，發(fā)育一定厚度的上混合層。研究區(qū)缺乏實測風(fēng)場與徑流量數(shù)據(jù)，受資料限制。本文僅探討兩類溫鹽結(jié)構(gòu)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(shù)，取0.003 8；kb為底拖曳系數(shù)，取0.002 5；ρw為底層水體密度，根據(jù)海水狀態(tài)方程計算得到；Ub為底層主流向流速。D015 與D140 站位分別對應(yīng)Ⅰ類與Ⅱ類溫鹽結(jié)構(gòu)，兩者，對應(yīng)的潮汐混合貢獻時間序列如圖7 所示。結(jié)果表明，澳門氹環(huán)島東北向D015 站的潮汐混合作用整體小于東南側(cè)D140 站位，Ⅱ類雙層結(jié)構(gòu)對應(yīng)的潮致混合效應(yīng)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(jié)構(gòu)類型統(tǒng)計參數(shù)

溫鹽垂向結(jié)構(gòu)分布特征的統(tǒng)計結(jié)果見表1。Ⅰ、Ⅱ類溫鹽垂向類型為分層結(jié)構(gòu)，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(jié)構(gòu)為主；Ⅱ類數(shù)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(qū)域，因此潮致混合效應(yīng)較其他區(qū)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(fēng)力較強，但作用深度有限。Ⅲ、Ⅳ類為混合型結(jié)構(gòu)，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(qū)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(fēng)力作用或可直接到達床底，強于徑流的層化效應(yīng)?？傮w而言，澳門海域水體垂向交換條件良好，溫鹽垂向結(jié)構(gòu)以混合型居多。

范中亞等[18]計算發(fā)現(xiàn)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(dǎo)致的差異較弱。而潮汐漲落對垂向分布的影響主要表現(xiàn)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(yīng)變將導(dǎo)致海水周期性層化[17]。潮汐應(yīng)變只發(fā)生在底邊界層[19]，因此Ⅰ、Ⅱ類溫鹽結(jié)構(gòu)可隨潮漲潮落相互轉(zhuǎn)換，其上邊界層厚度受潮汐影響相對較小。

4 結(jié)論

澳門氹環(huán)島海區(qū)2018年溫鹽調(diào)查結(jié)果顯示：近岸海域具有更高的溫度，環(huán)島存在溫度高于外海區(qū)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(jié)構(gòu)類型。其中Ⅰ類具有明顯的3層結(jié)構(gòu)：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(jié)構(gòu)，躍層梯度小，無明顯底部混合層，水體潮致混合效應(yīng)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(jié)構(gòu)對應(yīng)的上混合層深度比約為0.6，海氣熱量交換充分。Ⅲ、Ⅳ類結(jié)構(gòu)為混合型結(jié)構(gòu)，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(qū)域。

總體來說，澳門水體層化系數(shù)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(dǎo)、泥沙與營養(yǎng)物質(zhì)通量的屏障作用微弱，利于大氣復(fù)氧與水體自凈。海水平流輸運條件對水環(huán)境的影響仍有待進一步研究。