2015年7—8月珠江冲淡水扩展特征的观测与分析

陈希荣，朱 佳，孙振宇，胡建宇

(厦门大学 海洋与地球学院，近海海洋环境科学国家重点实验室，福建 厦门 361102)

南海是太平洋最大的边缘海，其北部宽广的陆架受珠江等大河输入影响显著，属于河流主控型陆架[1](river dominated margin)，总体上是CO2汇区.珠江口是中国在南海最为重要的入海河口，主要是指21°30′N～22°49′N，113°30′E～114°30′E范围内的海域，由黄茅海、磨刀门和伶仃洋三部分组成[2].通过对珠江口海域进行大面观测和定点时间序列观测，获取该区域基本的水文分布特征，是分析南海陆架环流和冲淡水的时空演变过程和机制及其对碳、营养盐等物质输运影响的基础.

自20世纪80年代以来，珠江口及其冲淡水影响区域内的航次观测结果及相关数据分析揭示了珠江冲淡水扩展模式的复杂性.早期关于珠江冲淡水扩展的研究主要是通过水团分析确定冲淡水的扩展路径、范围及形成的锋面，发现在径流量较大的1978年和1979年夏季，冲淡水存在显著的东南向扩展，同时向粤西扩展的流幅达到约185 km，扩展的范围达到湛江港外[3].而在1982年夏季，航次观测结果显示珠江冲淡水势较弱，以西向扩展为主[4]；研究表明珠江冲淡水具备射流性质，在珠江口同时朝东、西两侧扩展，但因为冲淡水所受的地转偏向力在北半球为偏右向，所以在河口区域有利于冲淡水向西扩展；与此同时，珠江冲淡水在西南季风作用下则会朝东南方向扩展[4-5].但在20世纪90年代的调查中，得出珠江冲淡水扩展路径受风、近岸海面高度和径流量的影响，当岸边海平面显著高于多年平均海面时，珠江冲淡水则朝西南方向运移的主要结论[6].

近年来的研究更加明确了在夏季，冲淡水在珠江口外的扩展范围、路径和强度主要受到季风、径流量以及南海北部复杂的动力影响[7-19]，并给出了动力层面上的解释.数值模式结果揭示了夏季珠江冲淡水的表层形态和扩展主要受到西南季风控制[7-12]，而径流量主要影响冲淡水的覆盖面积[13-14].夏季西南季风导致冲淡水的Ekman离岸输运以及东北向沿岸流的平流输送，使得冲淡水呈舌状朝东北外海扩展，可达台湾海峡附近，且由于西南季风的风向存在2～5 d的脉动变化，导致冲淡水从主体中脱离而在南海陆架海域出现低盐水团[15-19].近岸的环流影响冲淡水在陆架的扩展和混合[12]，而珠江冲淡水影响海域主要位于南海北部陆架区域等深线200 m以内，其环流主要受到南海上层的环流影响.南海北部的环流具有以下主要特征：在南海北部陆坡与陆架之间是一支东北向的南海暖流，而近岸有一支冬、夏季反向的沿岸流，在夏季粤东沿岸流主要以东北向为主.珠江口东、西两侧陆架近岸上升流对夏季西南季风的不同响应是导致珠江冲淡水出现对称扩展的主要原因[11]，而珠江口河口近岸冲淡水的垂向结构主要受潮致混合所控制[12].

本研究利用2015年7—8月的航次资料，分析2015年夏季珠江冲淡水扩展模式特征，并结合风场数据和通过漂流浮标计算的海表流场数据对影响珠江冲淡水扩展的主要动力因子进行讨论，以期提高对夏季珠江冲淡水扩展特征的认识，为研究珠江口如何进行碳、营养盐等物质的输移、分布等过程提供基础资料.

1 航次观测数据

厦门大学2015年南海北部/珠江冲淡水航次由湛江东海广兴船务公司的“海调6号”科学考察船开展.本航次自2015年7月18日开始，8月8日结束，历时22 d.该航次的主要调查范围为珠江冲淡水的影响海域，其中第一航段为7月18—31日，第二航段为8月1—8日，站位分布如图1所示.航次调查过程中温盐深剖面仪(CTD)共投放256次，作业165个站位，主要包括珠江口外及珠江冲淡水影响区等海区.调查过程中使用型号为SBE 917的CTD，其温度传感器的准确度为0.001 ℃，分辨率为0.000 2 ℃，电导率传感器的准确度为3 μS/m，分辨率为0.4 μS/m，压力传感器准确度为10 kPa，分辨率为0.69 kPa.调查船配置船载多普勒声速剖面仪(ADCP,600 kHz)和表层海水温、盐走航观测仪(型号SBE 21).图1中的黑色五角星位置布放了定点浮标以进行多参数的定点测量，本研究主要使用其采集的风场数据，数据的采集时间间隔为1 min.因为珠江河口的入海径流量近似为其上游流经藤县的西江、石角镇的北江、博罗县的东江3个水文站的径流量总和，所以从水利部珠江水利委员会水文局获取了2015年夏季珠江流域藤县、石角镇和博罗县3个水文站的逐日径流量数据进行研究.

在航次期间还投放了3组浮球(共计20个)用于观察海表流场的拉格朗日运动状态.漂流浮球外形如图2所示：主浮球是半径约为50 cm的圆形密闭球体，球体内安装卫星信号发射器和电池，球体下方由缆绳连接拖伞，长度总计约3 m.相关参数如下：GPS定位精度10 m，通信方式为GlobalStar卫星，采样间隔1 h，数据接受率超过70%，数据获取使用中国科学院海洋研究所服务器.3组浮球的投放方式如下：第1组为7月22日13:00投放于22.13° N，113.81° E，共计6个，实时流速0.3 m/s；第2组为7月24日03:00投放于22.03° N，114.40° E，共计7个，实时流速0.4 m/s；第3组为7月26日09:00投放于22.00° N，115.65° E，共计7个，实时流速0.5 m/s.

十字为第一航段站位，空心圆为第二航段站位，黑色五角星为定点浮标布放位置.

图2 漂流浮球示意图

2 结果与讨论

2.1 珠江冲淡水垂直分布特征

图3 站位F802温、盐的垂直分布

在航次期间共获取了256次有效的温、盐剖面数据.通过对航次过程中所有站点温、盐垂直分布情况的分析，结果显示：在航次调查区域珠江冲淡水扩展范围内，上层盐度低于32的冲淡水覆盖厚度约为5～20 m，表层盐度在28～32之间；其冲淡水的覆盖厚度以及表层盐度都和珠江冲淡水的主流轴位置密切相关.以站位F802为例，其温、盐垂直分布特征具有3层结构(图3)：上层(深度<10 m)为冲淡水覆盖层，具有温、盐垂直混合均匀且低盐的特征；中层(深度范围为10～20 m)为冲淡水和南海水的混合层，具有温、盐垂直变化梯度大的特征，盐度梯度约为0.4 m-1，温度梯度约为-0.9 ℃/m；下层(深度>20 m)主要受南海水控制，具有盐度基本均匀的特征，该站位下层盐度约为34.5，温度梯度小于-0.05 ℃/m.整体上珠江冲淡水影响海域的温、盐垂直分布特征与站位F802大体一致，满足上述3层结构特征,不同站位间的主要差异在于冲淡水的覆盖厚度和盐度上，而覆盖厚度与冲淡水和南海水的混合层深度成正比.冲淡水的覆盖厚度和表层盐度与珠江冲淡水的主流轴位置越接近，则覆盖厚度越大，表层盐度越小.

2.2 珠江冲淡水扩展模式特征

图4 珠江口表层盐度的平面分布

图4为航次调查区域内的表层盐度平面分布图，盐度变化范围为24.0～34.5.在20世纪60年代，毛汉礼等[20]提出设定盐度32作为冲淡水与外海高盐水的划分界限.遵循此原则，本研究将盐度32视作冲淡水与外海高盐水的划分界限.本研究中的两个航段都主要为捕捉珠江口外的冲淡水形态而设计，当测得表层盐度大于32之后就不再继续往外观测.因此，可以通过表层的盐度分布图直接捕捉到航次期间珠江冲淡水完整的水平分布特征.本研究中航次的观测记录显示：第一航段珠江口表层盐度数据获取的时间段为7月19—28日，其中盐度为32的等盐线基本与南海北部陆架50 m等深线一致，珠江冲淡水主要以离岸东向的扩展模式为主，且水平扩展范围距珠江口超过350 km；而第二航段珠江口表层盐度数据获取的时间段为8月3—5日，珠江冲淡水在南海北部陆架区域的覆盖范围显著减小，盐度32的等盐线基本与20 m的等深线一致，珠江冲淡水仅存在近岸并朝西运动.

在两个航段的大面观测间隔期间，于7月29日22:00至7月31日12:00在站位2F801进行了每小时一次CTD全剖面的连续观测，得到盐度垂直分布的时间变化图(图5).盐度的时间序列显示，在7月30日15:00，站位2F801表层开始被盐度大于32的水团所控制，因而导致了在第二航段的观测中珠江冲淡水在粤东沿岸的区域发生脱离.

图5 2F801站2015年7月29日22:00—7月31日12:00盐度垂直分布的时间变化

2.3 珠江冲淡水扩展模式对风场和径流量的响应

珠江冲淡水的覆盖区域和范围在两个航段存在明显的差异，从图5的定点观测中发现珠江冲淡水的扩展模式主要在7月29—31日间发生改变.下文将结合遥感日平均风场和定点浮标的风场数据，探讨珠江冲淡水对风场的响应.

图6给出了航次期间遥感日平均风场的分布情况，其数据来源于Windsat提供的10 m风场数据(http:∥www.remss.com/missions/windsat,数据空间分辨率0.25°×0.25°，时间分辨率1 d).其中7月1—3日具有典型的西南季风特征，日平均风速约6 m/s；7月4—5日西南季风开始减弱，变成偏南风；在7月6—10日期间，受台风“莲花”影响，在吕宋海峡西北部出现风场的气旋结构，其近中心的日平均最大风速大于20 m/s；7月11—17日期间，台风影响结束，南海北部陆架区域逐渐恢复成典型的西南季风特征；之后的7月18—21日期间，南海北部生成了一个热带气旋，使得广州沿岸风场转变为以弱东北风为主；7月22日—8月1日期间，热带气旋减弱直至消失后，南海整体风场恢复成西南风主导控制型，但是在南海北部的粤西沿岸，即珠江口附近，主要受偏南风的控制，风速较弱.这与航次调查区域定点浮标站风场的分布特征一致(图7)，定点浮标的观测结果显示：在第一航段的7月19—28日期间，对应着南海北部海区夏季西南季风阶段，调查前一周至调查开始之后则主要以稳定的西南风为主，平均风速6.6 m/s，使得冲淡水的扩展范围较大；而从7月29日至第二航段结束期间，西南季风变得不稳定，珠江口外部短时间以南风或东南风为主，使得冲淡水的离岸输运变弱，这与站位2F801所对应的定点观测的盐度时间变化序列一致.而图7中径流量的数值显示，珠江径流量在珠江冲淡水扩展形态转变期间并不存在显著的波动，而是保持了相对稳定的高值.因此可推知在夏季，径流量并不是影响珠江冲淡水扩展形态发生转变的主要因素，但在第二航段的8月3—5日期间，较小的珠江径流量也对冲淡水的扩展范围产生一定的影响.

风场的变化导致珠江冲淡水扩展模式发生改变，因而可以明显看到两个航段中同一断面位置上盐度分布的差异.如图8所示：在第一航段期间，A断面盐度范围为28～34的过渡区域为站位A14—A18，区域宽度约为60 km；而在第二航段期间，其过渡区域在站位A15附近，区域宽度约为10 km.以上文提到的盐度32作为冲淡水与外海高盐水的划分界限，比较两个航段在断面A处冲淡水与外海高盐水的划分界限，第一航段的界限在站位A18附近，第二航段则在站位A15—A16之间，两断面的水平距离相差约50 km.此外，第一航段A断面32等盐线的垂直混合深度达到10 m，而第二航段时仅为5 m左右.综上所述，第一航段时冲淡水在珠江口外具有更大的水平扩展距离和垂直影响深度，这主要是受到风场的影响；同时从盐度的断面分布特征来看，在调查区域内普遍出现了较明显的层化现象，多为单跃层结构.

从两个航段的盐度分布来看，在表层均未观测到盐度的极大值，但在10 m处可以观测到站位A12和A16附近等盐线向上拱起.因此，推测该区域的上升流作用主要集中于次表层，当低温高盐水被带到次表层10 m处后，进入到珠江冲淡水团的影响区域，冲淡水团在上层的覆盖直接阻碍了下层高盐海水的向上输运，使得无法在表层观测到高盐现象.

图6 遥感海表风场分布

图7 定点浮标站海表风场及珠江径流量时间序列

图8 A断面的盐度分布

2.4 珠江冲淡水扩展模式对背景流场的响应

在对珠江冲淡水的温盐分布特征和风场数据的初步分析后，结合浮球的观测数据进一步对珠江冲淡水的扩展模式进行分析.在此计算浮球途经区域的平均流速，从而补充说明珠江冲淡水扩展模式对珠江冲淡水主要影响区域内的海洋表层流场的响应.

第1组浮球布放后不久，6个浮球均被在附近作业的渔船所打捞，其中1个浮球寻回后于8月3日20:00重新投放，投放时海表的实时流速为0.7 m/s，也是第1组浮球中唯一的有效数据，其运动轨迹如图9(a)所示，根据黑色虚线，左起依次为区域Z1-1、Z1-2、Z1-3.第2组共计7个浮球，其中1个浮球被打捞，剩下的6个浮球顺利工作到电池耗尽为止，所有浮球的运动轨迹合成如图9(b)所示，航次调查集中于区域Z2-1内.第3组的7个浮球于7月26日09:00 投放，并且都顺利工作到了电池耗尽为止，所有浮球的运动轨迹合成如图9(c)所示，航次调查集中于区域Z3-1内.

(a)第1组；(b)第2组；(c)第3组；其中红色十字为浮球投放点；黑色虚线为不同区域的分界线.

第1组浮球投放后，在区域Z1-1内运动的主要时间范围是8月3—8日，主要位于20 m等深线以内，流速为0.25 m/s.这是因为在河口区域的海水在地转偏向力的作用下，在出海口会存在朝出口方向右侧的偏转，且形成一个逆时针的气旋.在区域Z1-2，其运动轨迹与50 m等深线一致，计算得出流速约为0.48 m/s，运动时间为8月8—15日.区域Z1-3的流速约为0.81 m/s，浮球途经时间为8月15—20日，该时间段内西南风稳定，用该时间段该区域内的日平均风场的遥感数据计算得平均风速约为7 m/s.第2组浮球投放后，在区域Z2-1内浮球的运动轨迹基本与20 m等深线一致，其平均流速为0.34 m/s，途经时间为7月26日—8月1日，定点浮标的风场数据(图6)显示西南季风不稳定，短时间出现东南风或南风.第3组浮球投放后，在区域Z3-1的平均流速为0.52 m/s，途经时间为7月27—31日，其观测时间与区域Z2-1一致，但是运动范围与区域Z1-3一致.

通过比较3组浮球在区域Z1-3、Z2-1和Z3-1内的运动速度和相对应时间内的风场条件，得出以下结论：在2015年夏季，风向的转变主要影响调查区域内表层流场的流速大小而不改变其主要流向，西南季风的稳定会直接加强调查区域内的表层流速大小，即在珠江口外20 ～100 m等深线之间的粤东沿岸，稳定地存在着东北向海流，平均流速在0.34～0.81 m/s之间.

综合上述研究结果对2015年7—8月影响珠江冲淡水扩展特征的动力机制提出如下解释：稳定的西南季风有利于珠江冲淡水的离岸运动而被带离河口，进而跨越20 m等深线并进入南海北部陆架，使得粤东沿岸20～100 m等深线区域内表层海水的东向流速增大.因此当珠江冲淡水被带离20 m等深线之外的南海北部陆架区域之后，受到离岸输运和东北向海流的共同影响，以东向扩展为主；但是当西南风转变为东南风时，冲淡水离岸运动受到阻碍，冲淡水主要集中于20 m 等深线以内的珠江口形成堆积，在地转偏向力的作用下更有利于珠江冲淡水沿岸西向的扩展.

3 结 论

本研究在2015年7—8月通过对珠江口区域的大面观测，结合定点浮标的风场数据和漂流浮球数据，对2015年夏季珠江冲淡水的扩展模式特征和影响因素进行了分析，得到如下主要结论：

1) 2015年7—8月珠江冲淡水主要存在两种扩展形态：离岸东向扩展和沿岸西向扩展.在西南季风稳定的第一航段的7月19—28日期间，珠江冲淡水以东向扩展为主，其水平扩展的距离超过350 km，垂直盐度低于32的覆盖厚度约为5～20 m之间；第二航段的8月3—5日期间珠江冲淡水扩展模式转换为以沿岸西向为主.

2) 漂流浮球的数据显示在2015年7—8月期间，珠江口外20～100 m等深线之间的粤东沿岸，稳定地存在着东北向海流，夏季风向的转变主要影响调查区域内表层流场的流速大小而不改变其主要流向，其流速的变化范围在0.34～0.81 m/s之间.

3) 当西南季风稳定时，大部分珠江冲淡水会被持续地带离河口而进入20 m等深线之外的粤东沿岸，在表层背景环流的影响下持续向东扩展，少部分冲淡水在地转偏向力的作用下沿岸向西扩展.当风向由西南向转变为南向或东南向时，珠江冲淡水会集中于20 m等深线以内堆积，进而在地转偏向力的作用下主要以沿岸的西向扩展为主.