珠江河口環(huán)流季節(jié)性變化特征分析

黃春華,劉曉建*,郭輝群,侯 堋,陳 薇

(1.珠江水利委員會珠江水利科學(xué)研究院,廣東 廣州 510610;2.水利部珠江河口治理與保護(hù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,廣東 廣州 510610;3.河海大學(xué),江蘇 南京 210024)

珠江口是明顯的陸海相互作用區(qū),地貌演變廣泛、動力結(jié)構(gòu)多變,加之人類活動十分頻繁,該地區(qū)的各種動力現(xiàn)象更趨于復(fù)雜。受海洋、陸地、季風(fēng)和大氣的共同影響,河口環(huán)流十分活躍,控制區(qū)域動力格局,影響河口鹽度、懸沙和營養(yǎng)鹽的輸運(yùn),同時(shí)環(huán)流還具有控制魚類分布、判斷污染物質(zhì)流向等功能。

眾多學(xué)者已對中國南海大尺度環(huán)流的季節(jié)和尺度特征開展了大量工作。Wang等[1]利用WOA05 資料和高度計(jì)資料分析了南海渦動動能的季節(jié)變化;Hu等[2]分析了南海西南部冷渦的三維結(jié)構(gòu);結(jié)合衛(wèi)星高度計(jì)資料和Argo 資料,Chen等[3]深入探討了呂宋暖渦的垂向結(jié)構(gòu)特性及演變趨勢過程;舒業(yè)強(qiáng)等[4]總結(jié)了黑潮水、季風(fēng)、復(fù)雜地形、沖淡水浮力熱力效應(yīng)等因素在南海北部陸架流系中的作用。然而,以往的研究[5-7]多關(guān)注珠江口外南海大尺度環(huán)流,較少關(guān)注河口內(nèi)部環(huán)流結(jié)構(gòu)特征,導(dǎo)致相關(guān)運(yùn)轉(zhuǎn)規(guī)律尚不明晰。

珠江口是南海最大的半封閉河口,陸架環(huán)流活躍、海陸作用明顯,河口區(qū)域受到徑流、潮流和近岸環(huán)流的綜合影響,動力條件十分復(fù)雜,呈“三江匯流、八口出海、兩灣納潮、徑潮交匯”之勢。對于珠江口,環(huán)流變化主要受季風(fēng)、地形、漲落潮等多因素的疊加影響[8],然而此前針對珠江口環(huán)流的研究較多為鹽度鋒面方向,針對環(huán)流的季節(jié)性時(shí)空變化較少,因此,本文基于HYCOM模式的全球海洋再分析環(huán)流數(shù)據(jù),研究珠江口季節(jié)性環(huán)流特征,對深入研究珠江河口區(qū)域動力過程仍具有重要的科學(xué)意義。

1 數(shù)據(jù)來源

HYCOM (HYbrid Coordinate Ocean Model) 模式數(shù)據(jù)是一種全球海洋環(huán)流數(shù)值模式,中文稱為混合坐標(biāo)海洋模型,數(shù)據(jù)下載地址為http://ncss.hycom.org/thredds/catalogs/GLBy0.08/expt_93.0.html.HYCOM模式采用垂向混合坐標(biāo)模型,包括等深坐標(biāo)、sigma坐標(biāo)和等密度坐標(biāo),在穩(wěn)定層結(jié)海洋采用等密度坐標(biāo),如開闊的海域,在近岸海域采用sigma 坐標(biāo),對于混合層和層結(jié)不穩(wěn)定的海域采用等深坐標(biāo)。它的另一個(gè)特點(diǎn)是模式嵌入了多種湍混合模塊以供選擇,使用了3DVAR(Three Dimensional Variational Scheme)系統(tǒng)同化模式,提高了數(shù)據(jù)精度,時(shí)間分辨率均為3 h。相較其他方法,HYCOM全球再分析數(shù)據(jù)由于采用多種垂向坐標(biāo)混合模式,能準(zhǔn)確捕捉復(fù)雜海床起伏影響下的環(huán)流變化,近年來被大量學(xué)者運(yùn)用于大洋和區(qū)域海洋研究中[9-10]。

2 結(jié)果與分析

2.1 珠江口海流年際變化

為了探究珠江口海流變化特征,對于典型點(diǎn)位置,以《珠江河口管理辦法》提及的河口管理范圍外邊線萬山島附近為中點(diǎn),分別在距離中點(diǎn)50 km的口內(nèi)和口外各布置一個(gè)點(diǎn),即在珠江河口口內(nèi)、口外及交匯區(qū)共布置3個(gè)代表性采樣點(diǎn),見圖1,對于典型時(shí)間,以2017年和2018年“天鴿”和“山竹”2場超強(qiáng)臺風(fēng)作為基礎(chǔ)時(shí)間,并分別外延1 a,即選取2016年1月1日和2020年1月1日作為代表性時(shí)間序列研究范圍,各采樣點(diǎn)海流年際變化見圖2—4。從圖中可以看出,珠江口及其鄰近水域的海流(主要流向?yàn)闁|北向和西南向)呈現(xiàn)明顯的季節(jié)性變化,變化周期約為1 a,且越靠近外海變化周期越顯著,其中偏東北向海流值及其出現(xiàn)時(shí)長小于偏西南向海流,表明珠江口沿岸海流大部分時(shí)間是西南向流(約占66.5%),小部分時(shí)間為東北向流(約占33.5%),這主要受季節(jié)性反轉(zhuǎn)的風(fēng)場強(qiáng)迫影響,僅在西南季風(fēng)強(qiáng)盛時(shí)沿岸流短時(shí)轉(zhuǎn)向東北向。此外,西南沿岸流的驅(qū)動機(jī)制除受東北季風(fēng)強(qiáng)迫影響外,部分研究認(rèn)為沖淡水浮力效應(yīng)和科氏力作用、淡水以及上升流引起的溫鹽分布差異、雷州半島東部的氣旋式渦旋等也可能是西向沿岸流產(chǎn)生的重要原因[4]。此外,可以發(fā)現(xiàn)圖2—4中流速分量出現(xiàn)一些極值,這主要?dú)w因于臺風(fēng)過境的影響,例如:1713號超強(qiáng)臺風(fēng)“天鴿”和1822號超強(qiáng)臺風(fēng)“山竹”期間風(fēng)速均超過了50 m/s以上,造成珠江口海流速度迅速增大。

圖1 河口取樣點(diǎn)位置

a)東向速度

a)東向速度

a)東向速度

2.2 珠江口外環(huán)流特征

研究區(qū)域海流存在顯著的季節(jié)性特征,參考相關(guān)研究成果[11-13],冬季和夏季季節(jié)性特征顯著,而冬季和秋季環(huán)流以及渦動多處于過渡階段,因此,本研究選用夏季7月和冬季12月中旬作為典型時(shí)間分析珠江口外環(huán)流運(yùn)移態(tài)勢,圖5、6分別給出了包括珠江口在內(nèi)的南海北部夏季和冬季的海流流速、海流場特征,從圖中可知,夏季在西南季風(fēng)的作用下,在北部灣北部環(huán)流形成一氣旋式環(huán)流,洋流沿著海南島東北方向一路向上。在南海北部,底層動力向岸運(yùn)動,輸運(yùn)深層水爬坡,形成上升流,這主要?dú)w因于夏季沿岸西南風(fēng)的驅(qū)動[14]。在呂宋海峽,有較強(qiáng)的黑潮海水流入現(xiàn)象,其是南海北部陸坡陸架流的外在驅(qū)動,是溝通南海與大洋之間動力聯(lián)系的主要載體。在夏季,黑潮直接跨過呂宋海峽向北流動[15],其位勢渦度很強(qiáng),中尺度渦不易穿越黑潮進(jìn)入南海。黑潮水在珠江口外受到多種因素的影響,在該位置分為向西和向北兩部分,其中,向西流動部分匯入南海大的氣旋式環(huán)流中,而向北流動部分進(jìn)入臺灣海峽[16]。

a)夏季

冬季,受東北季風(fēng)的作用,海水主要流動方向?yàn)槲髂戏较?在南海的北部和西部均出現(xiàn)明顯的西邊界流。在南海北部,東北季風(fēng)驅(qū)動下表層動力向岸輸送,底層海水離岸輸送,上層海水在沿岸堆積下沉,形成下降流[17]。由于反向的冬夏季季風(fēng)的作用,相對于夏季,黑潮在冬季入侵南海較強(qiáng),這主要由于冬季黑潮向南海彎曲,其位勢渦度小,中尺度渦容易穿越黑潮進(jìn)入南海。對于流經(jīng)珠江口的西南向沿岸流,受海南島阻隔影響海流產(chǎn)生分支[18],一部分自瓊州海峽流入北部灣,在東南亞沿岸形成明顯的東北向離岸流,一部分沿海南島南部繼續(xù)向西南方向移動,兩者在越南東部海域匯聚,進(jìn)入南海大的環(huán)流中。

2.3 珠江河口海流季節(jié)性規(guī)律

珠江口具有寬闊的陸架以及陡峭狹長的陸坡,造成河口存在斜壓作用,導(dǎo)致鹽度分布不均、出現(xiàn)環(huán)流[19],同時(shí)河口區(qū)的風(fēng)場、潮汐、徑流量、沖淡水等是影響沿岸流在陸架擴(kuò)展的重要因子[20],且其在擴(kuò)展過程中與南海近岸環(huán)流相互作用,調(diào)制珠江口局部沿岸流變化。圖7、8分別給出了河口區(qū)夏季和冬季海流特征,可以看出珠江河口海流結(jié)構(gòu)同樣具有顯著的季節(jié)性變化,受伶仃洋東西兩側(cè)岸線形成的喇叭形邊界和海床地形變化影響,河口內(nèi)外海流特征具有一定的差異性,具體而言:冬季受東北季風(fēng)影響,河口外沿岸流呈西南向,河口內(nèi)一個(gè)潮周期伶仃洋海流特征呈東岸上溯、西岸回落的逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)流;夏季受西南季風(fēng)影響,河口外沿岸流呈東北向,河口內(nèi)一個(gè)潮周期伶仃洋海流特征呈東北—西南向往復(fù)流,其中冬季河口區(qū)西南沿岸流明顯比夏季流速強(qiáng)、流幅窄;交匯區(qū)海流兼具河口內(nèi)、外海流特征,但受河口島嶼群影響,交匯區(qū)海流流場較紊亂。

a)夏季-底層

a)夏季-底層

綜上可知,珠江口外海盆常年被環(huán)流控制,冬季表現(xiàn)為西南向沿岸流,而夏季受南海暖流作用,反轉(zhuǎn)為東北向上升流。對于河口區(qū),沖淡水始終存在,在河口以及陸架海區(qū)形成低鹽、低密度水團(tuán),其浮力效應(yīng)以及風(fēng)、潮汐、大尺度背景環(huán)流等外界強(qiáng)迫共同作用會形成近似羽狀流[21],與夏季上升流和冬季下降流等聯(lián)合作用共同構(gòu)成了珠江口典型的環(huán)流特征,其中伶仃洋冬季動力表現(xiàn)為逆時(shí)針環(huán)流特征,即漲潮期海流沿東部海岸上溯、落潮期沿西部海岸下降;而夏季動力表現(xiàn)為東北—西南往復(fù)流特征,即漲潮期沿東北向上溯,落潮期沿西南向回落。珠江河口環(huán)流季節(jié)性運(yùn)轉(zhuǎn)路線見圖9。

3 結(jié)論

珠江口陸海交互作用,環(huán)流運(yùn)動活躍,影響河口鹽度、泥沙和營養(yǎng)鹽的輸運(yùn)。本研究系統(tǒng)分析了珠江口環(huán)流的季節(jié)變化特點(diǎn)及其演變特征,主要結(jié)論如下。

a)珠江口及其鄰近水域常年被外海環(huán)流控制,海流運(yùn)動呈季節(jié)性變化,變化周期約為1年,且越靠近外海變化周期越顯著。

b)珠江河口沿岸流冬季為西南向,夏季反轉(zhuǎn)為東北向,其中西南向沿岸流出現(xiàn)的時(shí)間(約占66.5%)大于東北向沿岸流(約占33.5%),且前者流速強(qiáng)、流幅窄。

c)珠江河口內(nèi)環(huán)流冬季為逆時(shí)針,即漲潮期沿東岸上溯、落潮期沿西部下降,夏季為東北—西南向往復(fù)流,即漲潮期沿東北向上溯,落潮期向西南向回落。