粤西阳江海域春夏季沿岸激流现象及机理分析

陈宜展，曹永港*，罗士浩，廖世智，邓丹，刘愉强，马媛

( 1. 自然资源部南海调查中心，广东 广州 510300；2. 自然资源部海洋环境探测技术与应用重点实验室，广东 广州 510300)

1 引言

海洋激流由美国海洋地质学家Hollister 和Mccave[1]提出，是一种在海洋内观测到的突发性异常高速流动。海洋激流是一种冲击力极强的海流[2]。近年来，随着我国近岸海域逐步开展的大量海洋水文观测，海洋科学工作者[3–7]在河北滦河口近海海域、江苏近海辐射沙脊、南黄海辐射沙脊北部水域、南海东部大陆架海域等近岸海域发现了激流现象。刘爱菊等[4，6]在对海洋激流的大量研究中形成了一定的共识，认为流场辐合是激流形成的重要因素，并且海洋激流具有流速巨大、持续时间短暂、空间范围小、具有很大的随机性等特点。

方文东等[8]认为南海北部大陆坡区存在突发性强流。尹逊福等[3]在南海东部西江油田XJ30-2 平台周年观测中多次观测到海洋激流现象。严金辉[9]对粤西茂名海域进行了长时间的多站海流观测，认为粤西海区海流主要受气象条件的影响，周期性不好，且量值较大。目前，学者们对粤西沿岸流的夏季驱动机制仍存在不同的观点[10]。伍伯瑜[11]认为珠江径流在地转效应和偏东风作用下向西流动形成了粤西沿岸流。严金辉和陈达森[12]认为夏季广东沿岸堆积低密海水，在地转作用下海水向西流动，并且夏季粤西海域高频率的偏东风加强了西向流。杨士瑛等[13]则认为一方面夏季南海北部陆架区存在上升流，近岸水体增温和沿岸径流入海，造成近岸海平面升高、岸外海平面降低，离岸水平压强梯度力导致近岸海水向西运动；另一方面，夏季华南降雨量多，珠江冲淡水向西南方向运动是粤西沿岸流形成的另一个重要原因。此外，不少数模结果也支持珠江冲淡水是夏季粤西沿岸流形成的主导因素[14–15]。有少数研究认为，南海北部存在气旋式环流是夏季粤西沿岸流的主要影响因素[16]。吴锋和钟万勰[17]指出海洋激流经常发生在浅水海域，实际上是一种内机械激波。

海洋科学是基于现场调查资料验证发展的学科。因为激流形成时间短并有一定的随机性，所以需要长周期的海流观测资料进行验证分析，而同时间段多站位的水文观测资料对揭示激流现象的机理尤为宝贵。本文通过分析粤西阳江近岸海域多站位实测风、海流、波浪和潮汐数据，研究激流发生期间的海表面温度、地转流和余流规律，探讨阳江沙扒海域激流现象特征以及发生机制。

2 资料来源

粤西阳江海域海流、波浪、潮汐资料为阳江海上风电场区T1 站和T2 站周年观测的多要素海洋水文气象定点连续性观测数据，观测位置和站位水深如图1 和表1 所示，海流观测采用AWAC“浪龙”声波式剖面流速波浪仪，每30 min 工作一次，每次连续采样60 s 取平均值；波浪观测采用WAVE III 型波浪骑士浮标，每小时观测1 次；潮汐观测采用RBR 水位计，每10 min 记录一次，每次连续采样1 min 取平均值。S1 站为国家海洋局闸坡海洋环境观测站。

表1 观测站位经纬度、水深及观测要素Table 1 Longitude and latitude water depth and observation elements of observation stations

图1 阳江海域长周期观测站位置Fig. 1 Location map of long-term observation stations in Yangjiang sea area

3 2019 年春夏季阳江海域激流现象

3.1 实测每月最大流速

选取海面2 m 以下水深的海流数据进行分析。T1 站2018 年10 月至2019 年9 月观测期间每月最大流速如图2 所示，2018 年11 月观测最大流速为107.4 cm/s，出现在2018 年26 号台风“玉兔”（强热带风暴级）影响期间；2018 年12 月观测最大流速为96.4 cm/s，2019 年2 月观测最大流速为74.0 cm/s，2019 年3 月观测最大流速为138.0 cm/s，均出现在寒潮影响期间。2019 年5 月观测最大流速为164.7 cm/s，流向为234°，2019 年8 月观测最大流速为161.8 cm/s，流向为250°。以上分析的每月最大流速都出现在2 m 水深处。2019 年5 月和8 月最大流速出现期间T1 海域没有受到台风和寒潮影响，S1 站也没有观测到大风天气。

图2 T1 站2018 年10 月至2019 年9 月观测期间每月最大流速Fig. 2 Maximum monthly current velocity of T1 Station during observation period from October 2018 to September 2019

除了2019 年6 月最大流速为偏东北向，其他各月份最大流速都是偏西南向，T1 站海域明显受到粤西沿岸流影响。T1 站春季（3-5 月）和夏季（6-8 月）的每月最大流速普遍比东北季风作用下的冬季（12 月至翌年2 月）每月最大流速大，说明T1 站海域最大流速并不只是受到风应力影响。

3.2 阳江海域2019 年5 月和8 月海流矢量变化过程

通过图3 和图4 比较2019 年5 月、8 月的风矢量和海流矢量的时间序列可以看出，海洋表层流速值变化复杂且有激流现象。如表2 所示，2019 年5 月5 日6 时，T1 站流速急剧增大到164.7 cm/s，而激流发生前的流速仅为40.7 cm/s，激流与发生前流速之比为4.0，激流持续时间达2 h，随后流速急剧下降，恢复到正常流速。海流的这种现象，与文献[18]所述的海洋激流状况相似，这也是一种海洋激流流态。从图3 和图4海流流态分析，阳江海域春、夏季激流有以下性质：（1）2019 年5 月激流发生两次，分别发生在5 月5 日和5 月8 日；2019 年8 月激流发生1 次，发生在8 月1 日。激流现象发生时都盛行东北风，并且激流流向都偏西南向，与粤西沿岸流流向一致。在水深较小海域，风应力作用明显，东北风有利于阳江沿岸流海域发生强流。（2）激流现象发生时，近岸T1 站流速明显大于T2 站流速，激流现象主要发生在近岸20～30 m水深海域。由于海岸的边界条件作用，埃克曼层水体辐聚容易出现在近岸海域。（3）激流现象先发生在海表，随后海洋次表层和底层流速逐渐增大，激流现象的最大流速都出现在海洋表层。从图5 可以看出，2019 年5 月5 日，T1 站2 m 水深流速从凌晨4 时增大到123.9 cm/s，并在凌晨6 时达到最大值164.7 cm/s，9 m水深流速凌晨4 时增大到105.0 cm/s，在凌晨6 时达到最 大 值127.6 cm/s。图6 为T1 站2019 年7 月31 日17:00 至8 月1 日18:00 海 流 矢 量 图，T1 站2019 年7 月31 日 晚 上20 时，2 m 水 深 流 速 为101.7 cm/s，9 m 水深流速为93.3 cm/s，在8 月1 日凌晨5 时2 m水深达到流速最大值161.8 cm/s，9 m 水深流速在8 月1 日凌晨6 时达到流速最大值156.6 cm/s。

图3 2019 年5 月S1 站风矢量图（a）和T1 站（b）、T2 站（c）不同水深海流矢量变化过程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

图4 2019 年8 月S1 站（a）风矢量和T1 站（b）、T2 站（c）不同水深海流矢量变化过程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

图5 T1 站 2019 年5 月4 日17:00 至5 月5 日18:00 海 流矢量图Fig. 5 Current vector diagram of T1 Station from 17:00 on May 4 to 18:00 on May 5, 2019

图6 T1 站 2019 年7 月31 日17:00 至8 月1 日18:00 海流矢量图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 月典型激流流况Table 2 Typical shock current conditions in May and August, 2019

3.3 激流现象发生时的风、潮汐、波浪

海洋表层动力过程复杂，近岸表层海流容易受风应力、波浪、潮汐等动力因素影响。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绝对值大，或者激流发生后与激流发生前流速比值大。T1 站海流流速绝对值大于1.6 m/s，具有明显的强流特征。（2）持续时间短。粤西海域激流都发生在涨急时刻，持续2～4 h，具有流速突变和持续时间极短的特征。涨潮时刻海水向岸运动，在近岸容易形成海水幅聚带，这也是激流发生在涨急时刻的原因。（3）空间范围狭小。粤西激流主要发生在近岸20～30 m 水深海域，具有明显的沿岸流特征。（4）具有很大的随机性。一般而言，风是影响近岸海流的最主要因素。从图7 和图8 可以看出，粤西激流发生时风速较小，波高也没有明显增大，流速随涨潮过程快速增大。2019 年5 月5 日和5 月8 日T1 站两个流速峰值期间风速并不大。2019 年8 月流速值与风速值变化趋势基本一致。T1站海域夏季风海流特征比春季明显。

图7 2019 年5 月1 日至10 日激流期间S1 站风速和T1 站流速、潮高、平均波高变化过程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

图8 2019 年8 月1 日至10 日激流期间S1 站风速和T1 站流速、潮高、平均波高变化过程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 粤西海域春夏季激流现象机制分析

为了探讨粤西春季和夏季典型激流发生前后南海北部的环境要素变化特征，采用卫星遥感高分辨率资料GHRSST（Group for High Resolution Sea Surface Temperature）分析海表面温度（SST）特征，GHRSST 资料水平分辨率为0.05°×0.05°；采用AVISO 卫星高度计数据资料分析海表面高度异常（SLA）和海表地转流特征；采用T1 站和T2 站海流实测数据进行余流计算。余流通常指实测海流资料中扣除周期性（天文潮）海水流动外，剩余的那部分流动，包括潮汐余流、风海流和密度流等非周期性流动。通过对实测定点潮流时间序列作两个半日潮周期（25 h）矢量平均合成计算，求取观测位置的欧拉余流[19]。

4.1 粤西海域春季激流发生机制

2019 年4 月下旬到5 月上旬，南海北部持续的东北风促使粤西海域余流由东北转向西南，南海东北部冷水水团也逐渐向南运动，在南海北部近岸形成冷水带（图9b）。珠江冲淡水在东北风和地转作用下向西南方向流动加强（图10）。在5 月5 日到5 月8 日期间，南海中部的暖水团向北移动（图9），大量海水在粤西近岸海域辐聚。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压强梯度力，迫使近岸海水向西运动，因此激流发生在近岸海域。

图9 2019 年春季南海北部海表面温度和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 粤西海域夏季激流发生机制

2019 年8 月1 日，此时阳江海域盛行东北风，有利于激流产生（图5a）。由图5b、图5c 和图11 都可见，T1 站表层海水向西南流动，T2 站海水向西北向岸流动。结合图10a 海表地转流分布，此时在地转流作用下的海水由粤西外海向岸流动形成气旋式环流，向岸运动的海水在粤西近岸海域幅聚。图11a 显示了2019 年8 月1 日粤西沿岸流强流期间的南海北部海表面温度，粤西海域存在高温水带。南海中部的高温海水沿着海南岛东部和雷州半岛东部的气旋式环流输运到粤西沿岸海域（图12）。与春季激流发生的机制相似，夏季激流发生期间近岸海域海平面上升，外海海域海平面下降，水平压强梯度力自岸向外，迫使近岸海域海水向西运动。

图10 2019 年春季南海北部激流期间AVISO 表面高度异常和海表地转流Fig. 10 AVISO surface level anomaly and surface geostrophic current during the torrent in the northern South China Sea in spring 2019

图11 2019 年夏季南海北部海表面温度和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

图12 2019 年夏季南海北部激流期间AVISO 表面高度异常和海表地转流Fig. 12 AVISO surface level anomaly and surface geostrophic current during the torrent in the northern South China Sea in summer 2019

上述现象表明，粤西海域大量海水幅聚形成强劲的自岸向外水平压强梯度力是阳江海域激流产生的主导机制。春夏季珠江入海径流量大，而春夏季东北风和西南季风的不稳定性导致了激流产生的随机性。春季，持续东北风作用下珠江冲淡水向西运动加强，南海暖水团向北运动使得粤西近岸海域流场辐合。夏季，西南季风在海南岛以南形成东北向流导致粤西沿岸的补偿流往西南流动，在短暂东北风作用下沿岸流向西流动加强，海水在粤西海域幅聚。此外，雷州半岛向海伸突的地形使得春夏季南海北部幅聚海水容易在粤西海域产生流场辐合，并且西向强流都发生在涨潮时刻。

本文通过实测海流数据比较了向岸强流的大小，激流现象主要发生在粤西沿岸流近岸强流段。但由于缺乏同时期沿岸海流的观测数据，尚不能确定粤西海域激流现象的沿岸段影响范围。其它海域的激流现象主要发生在海洋底层，而阳江海域的激流发生在海洋表层。

5 结论

（1）春夏季粤西沿岸海域流场辐合，形成强劲的自岸向外水平压强梯度力，迫使沿岸流向西流动加强。

（2）粤西阳江近岸20～30 m 水深海域在春夏季存在激流现象。激流发生海域也是粤西阳江沿岸流作用海域，激流具有沿岸流性质。春夏季东北风有利于激流现象发生。2019 年5 月5 日凌晨6 时，阳江沙扒海域2 m 水深处流速达到164.7 cm/s，9 m 水深处流速 达 到127.6 cm/s。2019 年8 月1 日 凌 晨4 时 至5 时，阳江沙扒海域2 m 水深处流速达到161.8 cm/s，9 m 水深处流速达到156.6 cm/s。阳江沙扒海域激流现象出现在海洋表层，发生在涨潮的涨急时刻，持续2～4 h。激流发生时，没有出现显著大风。

（3）粤西海域位于南海西北边缘，雷州半岛向海伸突。春季，珠江入海径流量大，珠江冲淡水和南海中部向北移动水体在持续东北风作用下容易在粤西近岸海域辐聚。夏季，在西南季风作用下外海海域水体向东北运动，近岸海域形成西南向补偿流，粤西沿岸海域生成海水幅聚带。因此在春季和夏季，粤西海域东北风和西南季风交汇时沿岸流最大流速明显大于在风海流作用下的冬季沿岸流最大流速。