江蘇近岸海域水文氣象要素的時空分布特征

何小燕, 胡 挺, 汪亞平, 鄒欣慶, 施曉鐘

(1. 南京大學 地理與海洋科學學院 海岸與海島開發教育部重點實驗室, 江蘇 南京 210093; 2. 大豐市港務管理局, 江蘇 大豐 224145)

江蘇近岸海域水文氣象要素的時空分布特征

何小燕1, 胡 挺1, 汪亞平1, 鄒欣慶1, 施曉鐘2

(1. 南京大學 地理與海洋科學學院 海岸與海島開發教育部重點實驗室, 江蘇 南京 210093; 2. 大豐市港務管理局, 江蘇 大豐 224145)

2006～2007年在江蘇近岸海域進行水文氣象要素(氣溫、濕度、風速風向、波浪、透明度、水色和海水溫鹽度等)大面觀測。數據分析表明, 各水文氣象要素具有較大的空間分異, 四季變化顯著。秋季氣溫明顯高于春季, 冬季氣溫較歷史數據偏高。整個海域風速較大, 風向受季風控制, 有效波高與風速之間顯著相關。如東附近海域波浪較大, 廢黃河口波浪較小; 春、夏季有效波高較小, 而夏、秋季近岸海域波高較小, 離岸波高增大。夏季海水透明度最大, 平均為 2.3 m; 冬季透明度最小, 平均只有0.6 m; 水色與透明度呈負指數相關。春、秋季水溫分布與氣溫分布基本一致, 冬季大致沿等深線分布。射陽河口與長江口為低鹽區, 輻射沙脊群外緣為高鹽區。與 20世紀 80年代的調查結果相比, 出現了一些新特點。這些新的調查成果可為江蘇近岸海域的海洋環境保護和可持續發展提供科學依據。

江蘇近岸海域; 水文氣象要素; 空間分布; 季節變化

江蘇海岸北起江蘇與山東交界的繡針河口, 南抵長江口北岸, 海岸線全長約 954 km。海岸大致分為兩段： 北部連云港附近的砂質海岸與中、南部的淤泥質海岸[1]。江蘇近岸海域處于南北氣候交匯區域,氣候資源多樣, 蘇北灌溉總渠以北屬于暖溫帶氣候,以南為北亞熱帶氣候[2]。1980～1984年江蘇省曾對海岸帶和海涂資源進行了一次大規模的綜合調查, 但氣象調查鮮有涉及海域, 主要基于陸地觀測資料進行分析, 也未進行過大面海域波浪觀測。此外, 近年來, 由于海岸帶各種人類活動日趨劇烈, 岸線由于大規模圍墾已經發生了很大變化, 相應的水文要素等基礎資料亟需更新。作者對江蘇近岸海域各水文氣象要素進行了全面調查, 分析了該海域各要素的新特點和變化, 為江蘇近岸海域的海洋環境保護和可持續發展提供科學依據。

1 研究方法

南京大學分別在夏、冬、春、秋4個季節(2006年 7～8月、2006年12月～2007年1月、2007年4～5月、2007年10～11月), 使用“海監59號”由南至北在江蘇近岸海域69個站位進行了水文氣象要素大面觀測(站位見圖1, 據2005年海圖), 空間范圍包括31°～35.5°N、119°～122.5°E, 站位位置使用差分GPS確定。在船上使用Vantage Pro2自動氣象站(美國 Davis公司產品)觀測氣溫、氣壓、濕度、降雨、風向風速(風向使用手持羅盤進行校核, 風速采用ADCP底跟蹤獲得的船速進行校正)等。波浪根據《海洋水文氣象調查技術規程》進行目測并作統計分析。海水溫鹽度采用SBE25型CTD(美國SeaBird公司生產)進行剖面觀測; 水色和透明度分別采用國產水色計和透明度盤測定。

圖1 研究區位置和調查站位圖Fig. 1 The research region and investigation sites

2 結果

2.1 天氣情況

由于觀測均在白天進行, 且在海洋上, 海水流動及水面熱力屬性不同, 白天海水溫度升溫慢, 大氣層結較穩定, 不易形成對流性降雨[3], 故調查數據總體上晴天偏多。調查結果顯示, 秋季晴天較多; 而冬季陰、雨天較多, 可達 9.6%; 其次是夏季和秋季,而春季則未出現雨天(表1)。此外, 春季海上多霧, 可能是由于晝夜溫差較大造成的; 大霧對航海會有一定影響。

表1 2006～2007年調查期間天氣情況統計Tab. 1 Weather conditions during the survey from 2006 to 2007

2.2 氣溫

統計結果表明, 江蘇近岸海域春季海面平均氣溫約為13.8℃。氣溫大致呈向海方向遞減的趨勢, 可能與觀測主要在白天, 陸地升溫較海洋迅速有關,導致近岸氣溫較高。因測量均由南至北依次進行, 因而出現春季從南到北氣溫不斷升高的現象, 但升溫要緩于沿岸; 黃沙港附近有一個高溫中心(圖2(a))。夏季平均氣溫約為 28.4℃, 也呈現向海方向遞減的趨勢, 且呂四和新洋港附近海域形成高溫中心(圖2(b))。秋季平均氣溫為 20.6℃。由于秋季存在氣溫逐漸降低的過程, 故呈現南高北低的現象; 在川東港附近海域有一個低溫中心(圖2(c))。由于秋季降溫和入冬比較緩慢, 氣候明顯偏暖, 海面氣溫明顯高于春季。冬天平均氣溫約為6.2℃。2006 ～2007年陸地氣溫觀測結果表明, 冬季全省平均氣溫異常偏高,為 1951年來同期最高值[4], 而近海的氣溫多是被動地隨陸地氣溫發生變化[5]。因此, 與20世紀80年代調查結果相比, 冬季海上氣溫偏高, 可能與該年度冬季陸地氣溫異常有關, 但其他季節相差不大。

2.3 相對濕度

相對濕度是反映水分條件的主要指標, 陸地相對濕度的季節變化與降水多寡有關。在降水集中季節, 濕度也大。而海面空氣濕度還與海水的蒸發作用有關; 在高溫季節, 蒸發作用很強, 濕度也相應較高,如夏季平均相對濕度達 97%(圖 3)。春季, 連云港海域相對濕度較高(可達 96%), 向南至長江口遞減至60%以下(圖 3(a))。夏季, 整個海域相對濕度大致相當, 均維持較高水平(圖 3(b))。冬季氣溫較低, 濕度也較小,相對濕度等值線基本沿岸線分布, 近岸濕度較大, 遠海相對濕度較小(圖 3(d))。20世紀80年代調查結果顯示, 冬季為全年相對濕度最小的季節,秋季次之, 夏季則是全年相對濕度最大的季節, 與本次調查結果大致相當。主要差異在于冬季相對濕度略大于秋季, 可能與冬季氣溫比往年偏高、降雨增多有關。

2.4 風向和風速

江蘇省近岸海域受季風控制, 風向及風速受季風及海岸走向影響顯著。總體上本海域平均風速較強, 風能資源豐富。春季, 控制中國的蒙古冷高壓勢力減弱北退, 主要為偏東南向, 局部區域為西南向(圖 4(a))。春季平均風速約為 4.4 m/s, 其中南部較大; 而北部海州灣, 北、西、南為陸地環繞, 風速偏小。夏季, 江蘇省海域處于大陸熱低壓的東北部,所以夏季風絕大部分為東南風, 其余為南風; 平均風速為2.8 m/s, 為四季中的最小值, 風向也較穩定(圖4(b))。這是因為夏季除有臺風或低壓活動外, 大部分時間為太平洋副熱帶高壓所控制, 氣壓場比較均勻, 氣壓梯度小。秋季平均風速約為2.8 m/s, 主要為東南風, 其余為東北風(圖4c)。冬季風速較大,平均風速為4.3 m/s, 主要是由于冬季海洋變為熱源,空氣相對不穩定, 而入侵的寒潮或冷空氣過程主要發生在冬春季或秋冬季, 也導致較大的平均風速[3]。20世紀80年代調查結果顯示, 風速最大月份為4月(或3, 5月), 最小月份出現在6～7月, 海洲灣海域風速較小, 與本次調查結果基本一致; 但風向方面略有差異, 本次調查結果顯示, 冬季偏南風增多。究其原因, 與2007年冬季大氣環流異常、緯向環流盛行、北方冷空氣較弱不易南下、西南暖濕空氣活躍有關[6]。

圖2 江蘇海域氣溫分布Fig.2 The seasonal temperature patterns in the offshore area of Jiangsu in 2006～2007(a)春季; (b)夏季; (c)秋季; (d)冬季; 圖3～圖9的圖解相同(a)spring; (b)summer; (c)autumn; and (d)winter; the same designation was used in Fig.3 to Fig.9

以江蘇中部海域大豐港2007年觀測到的一年統計資料為例, 春季SE, SSE, NNW和WNW向風占優勢, 風向頻率達 49.5%(圖 5)。夏季風向則以 NW,NNW, WNW, N為主, 特別是NW和NNW風向頻率達42.8%。N, E向風主要在秋季盛行, W, WNW, NW,NNW則主要在冬季盛行。大豐海域SSW, SW, WSW向風在4個季節幾乎都沒有出現。就平均風速而言,冬季最大, 其次是春季, 而秋季、夏季平均風速較小。在夏、秋、冬季NNE, NE, ENE向的平均風速普遍要比別的方向的小, 如夏季, 這3個方位的平均風速僅有1.9 m/s; 但在春季卻相反, 這3個方向的平均風速可達4.2 m/s。

2.5 波浪

圖3 江蘇海域相對濕度分布Fig. 3 The seasonal distributions of relative humidity in the offshore area of Jiangsu in 2006～2007

觀測結果表明, 江蘇近岸海域秋季平均有效波高最大, 其次為春、夏季(圖 6)。如東外海常出現較大波浪, 其次是海洲灣及川東港口海域, 廢黃河口海域波浪相對較小。熱帶季風和副熱帶季風對中國近海海浪影響顯著, 季風的發展和變化過程決定了各個海區的海浪變化特征[7]。春季大范圍的天氣系統活動過程較少, 有效波高也比較小[8]。除了海洲灣附近海域有效波高曾達到1.5 m外, 其他大部分地區有效波高均小于1.0 m, 從川東港口到廢黃河口海域有效波高普遍小于0.5 m(圖6(a))。夏、秋兩季有效波高均為近岸海域較小, 離岸則增大(圖6(b), 6(c))。如東到川東港外海域為有效波高最大的海區, 最大值在秋季可達 2.9 m, 其他海區的有效波高普遍低于1.0 m。夏季是有效波高全年最小的季節, 這與前人的觀測結果一致[8]。冬季有效波高分布由北向南逐漸增大, 大部分海域有效波高小于1.0 m; 但如東及川東港口附近離岸海域波浪較大, 有效波高大于1.0 m,向岸方向波高顯著降低(圖6(d)), 可能與波浪在淺水區因摩擦效應能量損耗所致。20世紀80年代調查顯示, 由于輻射沙脊群的存在, 弶港近岸僅能出現越過沙洲的破碎波浪[3], 因此波高較小, 最大不會超過2.0 m, 與本次調查結果基本一致。在冬季和春季, 風速與有效波高具有一定的相關性。

2.6 透明度與水色

海水透明度和水色是描述海水光學性質的基本參數, 它們與海水中懸浮體和溶解物質成分和含量有關, 同時也與氣象、海況等因素有關[9]。江蘇岸段大部分為淤泥質海岸, 懸浮體含量常年都很高[10],因此海水透明度值低, 水色值較高。統計結果表明,水色與透明度呈負指數關系。

圖4 江蘇海域風向、風速分布Fig. 4 The seasonal wind patterns over the sea area of Jiangsu in 2006～2007

從空間分布上看, 透明度等值線基本呈傾斜狀向北進入山東海域, 近岸海水透明度低, 外海透明度相對較高。連云港附近海域透明度等值線密集, 其岸外海域透明度明顯高于江蘇中、南部海域(圖7)。總體而言, 夏季海水透明度較大, 平均值為2.2 m; 其次為秋季和春季, 透明度均值分別為 1.1 m和1.0 m。海水透明度最小的季節是冬季, 均值只有0.6 m。這主要是由于冬季風浪較大, 海水溫度較低、黏滯性較高, 懸沙濃度較大且分布范圍廣,而夏季情況正好相反[10,11]。另外, 風海流及臺灣暖流造成冬季渾濁水向東擴展范圍大, 夏季向東擴展范圍小[12], 從而影響到透明度與水色的空間分布趨勢。

春季, 新洋港附近海域海水透明度明顯增大,渾濁水體范圍向西萎縮(圖 7(a))。夏季, 透明度等值線幾乎與岸線平行, 渾濁水體范圍最小, 扁擔港口附近海域透明度顯著增大, 最大值達 12.0 m(圖7(b))。秋季, 渾濁水向東擴展, 透明度等值線呈彎曲狀, 其中射陽河口附近海域透明度僅有 0.1 m(圖7(c))。冬季, 渾濁水體向東擴展范圍較大, 連云港以南近岸海域水體透明度均小于0.5 m(圖7(d))。

圖5 大豐港海域風向、風速玫瑰圖Fig. 5 Rose diagrams of wind direction and speed frequency in the offshore area of Dafeng in 2007

表2 大豐港海域四季風向頻率與平均風速統計表Tab. 2 Statistics of seasonal wind direction and average wind velocity in the offshore area of Dafeng

2.7 海水溫、鹽度分布

圖6 江蘇海域有效波高分布Fig. 6 The seasonal distributions of significant wave height in the offshore area of Jiangsu in 2006～2007

春季, 表層水溫在 11.3～18℃之間, 其中海洲灣附近海域水溫最高, 離岸方向水溫逐漸降低。由于海域中部的輻射沙脊群水域具有淺水區特征, 升溫過程也較其他水域快[2]。因此, 弶大豐至 港岸外沙脊海域有一較大范圍的暖區(圖 8(a))。此外, 表層水溫的分布情況與氣溫分布大體吻合。春季蒸發減弱, 鹽度較其他季節低, 全海域表層鹽度在27～32之間, 射陽河口附近、長江口附近為低鹽區, 離岸方向鹽度逐漸升高(圖 9(a))。垂直結構看, 底層溫鹽度分布與表層基本一致, 垂向分布均勻。

夏季, 江蘇中部淺水海域表層為一個大范圍高溫區, 水溫均在24℃以上(圖8(b))。南部呂四岸外海域為低溫中心, 表層水溫約 24℃。夏季鹽度較其他季節低, 可能與江淮流域梅雨季節降雨量較大有關,在長江口、射陽河口均存在表層低鹽區。由于長江沖淡水的影響, 長江口附近鹽度最低, 在24～26之間,且鹽度梯度較大(圖9(b))。海州灣附近海域表層鹽度較高, 基本在28以上, 鹽度梯度很小。秋季, 表層水溫與氣溫分布相當, 數值也較為接近,但高于春季和冬季, 低于夏季(圖 8(c))。北部表層水溫顯著偏低, 水溫梯度較小。表層鹽度等值線基本與岸線平行, 低鹽水體仍分布在射陽河口和長江口海域, 但鹽度較夏季顯著增高(＞27), 整個海域大于 30的表層高鹽水范圍較夏季也明顯擴大(圖9(c))。

圖7 江蘇海域透明度及水色分布Fig.7 The seasonal distributions of transparency and water color in the offshore area of Jiangsu in 2006～2007

冬季, 表層水溫等值線幾乎與岸線平行, 近岸水域表層水溫較低, 遠岸水域水溫變高, 低溫中心出現在 弶 港附近, 表層水溫為 5℃左右(圖 8(d))。海州灣遠岸海域表層水溫最高, 達 11℃。表層水溫分布與氣溫分布差別較大, 但與等深線走向大體一致。可見, 近岸水域水溫除受大氣影響外, 還與地形分布有關。冬季風較大, 海水蒸發旺盛, 長江口淡水補給減少, 且在偏北風及南下沿岸流和臺灣暖流的共同作用下, 長江沖淡水自長江南下[13], 江蘇海域長江口附近低鹽水團幾近消失, 而高鹽水體范圍顯著擴大, 鹽度＞30的水體由北到南覆蓋整個江蘇海域(圖9(d))。值得注意的是, 調查期間表層有多個局部低鹽區, 可能與調查時的天氣狀況(有較多降雨)有關。從底層鹽度分布則可看出, 離岸方向鹽度增加,鹽度梯度小, 整個海域鹽度多在27.4以上。

綜上所述, 江蘇海域表層水溫四季變化顯著,春、秋季節表層水溫分布與氣溫分布大體一致, 冬季水溫沿等深線分布。輻射沙脊附近的淺水海域受氣溫影響較強, 在夏季為高溫極值區, 冬季為低溫極值區。統計結果顯示, 表層水溫與氣溫、水深都具有顯著相關性, 表明江蘇海域表層水溫分布受氣溫、水深影響較大。

江蘇海域表層鹽度分布受降雨、蒸發影響較大。此外, 由于蘇北沿岸流、長江沖淡水和黃海暖流等環流系統的影響, 鹽度的空間分布更為復雜。當蘇北沿岸流強盛期間, 長江沖淡水不易北上[14], 可造成鹽度等值線大致與岸線平行的趨勢。長江沖淡水存在顯著的季節變化, 夏季長江徑流量較大, 在偏南風和臺灣暖流共同作用下, 長江沖淡水向東北方向擴展[13], 在長江口外海域形成低鹽區, 并沿東北方向擴展, 鹽度梯度較大。相反, 秋冬季節長江徑流量小, 沖淡水自長江口南下, 長江口海域低鹽區范圍顯著縮小。冬季至初春,由對馬暖流和東海陸架水交匯形成的黃海暖流是黃海唯一的一支輸運外海高鹽水的環流[15], 造成江蘇遠岸海域的高溫高鹽的分布狀況(圖9(a))。

與20世紀80年代的調查結果相比, 冬季的水溫明顯偏高, 且因降雨造成表層鹽度局部偏低, 其余溫鹽分布皆變化不大。

3 結論

圖8 江蘇海域表層及底層水溫分布(℃)Fig. 8 The seasonal distributions of surface and bottom water temperature in the offshore area of Jiangsu in 2006～2007

圖9 江蘇海域表層及底層鹽度分布Fig. 9 The seasonal distributions of surface and bottom salinity in the offshore area of Jiangsu during 2006～2007

根據 2006～2007年間在江蘇近岸海域進行了四季水文氣象要素調查, 調查結果與20世紀80年代相比出現了一些新特點, 如冬季氣溫、水溫增高, 相對濕度增加等。具體來講, 秋季晴天最多, 而冬季陰、雨天最多, 春季多霧。夏季相對濕度最大, 平均值達96.7%, 冬季、秋季相對濕度均較小, 平均相對濕度為 60%左右。濕度的空間分布主要受氣溫和降雨影響。江蘇海域風力資源較為豐富, 風向及風速的變化,均體現了季風氣候及海岸走向等特點。冬季平均風速可達4.3 m/s; 長江口區風速較大, 海州灣北、西、南為陸地環繞, 風速偏小。以江蘇中部大豐港海域統計資料為例, 春季 SE, SSE風占優; 夏季以 NW,NNW 為主, 風向頻率達 42.8%; 秋季盛行 N, E風,冬季盛行W, NW風。從空間分布上看, 如東附近離岸海域長期有較大波浪, 秋季最大可達 2.9 m, 其次是海洲灣及川東港口海域, 而廢黃河口海域波浪較小。此外, 夏、秋兩季有效波高的分布均為近岸海域波高較小, 離岸則波高增大。透明度等值線基本呈傾斜狀進入山東海面, 從岸向海方向透明度顯著增加。夏季海水透明度最大, 冬季透明度最小。江蘇近岸海域底層溫鹽分布趨勢與表層相近, 溫、鹽的垂直分布較均勻。春、秋季水溫與氣溫分布基本一致, 冬季大致沿等深線分布, 輻射沙脊淺水區對氣溫的響應最為顯著。鹽度分布主要受蒸發、降雨及環流的影響。長江口和射陽河口常年為低鹽區, 輻射沙脊外緣為高鹽區。

致謝： 南京大學張永戰、吳祥柏、王華強、王元磊、劉運令、閔鳳陽、王寧、冉琦、丁艷峰、葛松等參加了野外觀測, 謹致謝忱。

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Seasonal distributions of hydrometeor parameters in the offshore sea of Jiangsu

HE Xiao-yan1, HU Ting1, WANG Ya-ping1, ZOU Xin-qing1, SHI Xiao-zhong2
(1. Ministry of Education Key Laboratory for Coast and Island Development, Nanjing University, Nanjing 210093,China; 2. Dafeng Harbor Administration Bureau, Dafeng 224145, China)

Apr., 3, 2009

Jiangsu offshore sea;hydrometeor parameter; spatial distribution pattern; seasonal variations

Based on the seasonal hydrometeor parameters measured in the offshore sea along Jiangsu coasts from 2006 to 2007, we analyzed the distributions of the sea surface air temperature, relative humidity, wind speeds, significant wave height, water temperature and salinity. We found that the spatial distributions of these parameters varied remarkable among different seasons. The fine weather was mostly observed in autumn, and the rainy or snowy in winter. The sea fog usually occurred in spring. The air temperature is higher in autumn than in spring. The winter air temperature was higher than the historical data. The relative humidity reached the peak value in summer due to the high evaporation. The wind was very strong over the offshore sea of Jiangsu and mainly controlled by the monsoon. In addition, a significant correlation was present between the wind speed and significant wave height. The strong waves were observed in the Rudong offshore area. We also found that there was a negative exponential relationship between the seawater transparency and watercolor. In addition, the seawater temperature contours were consistent with the air temperature patterns in spring and autumn, and were parallel along the isobath in winter.Furthermore, the low salinity occurred in the Sheyang River mouth and Changjiang River mouth due to river discharges in the flood season, but high in the outer margin of radial sand ridges.

Q958.15

A

1000-3096(2010)09-0044-11

2009-04-03;

2009-12-25

江蘇省908專項(JS-908-01-01); 國家自然科學基金(40876043);江蘇省“六大人才高峰”項目(2006027); 江蘇省自然科學基金(BK2006131)

何小燕(1983-), 女, 江蘇鹽城人, 碩士, 主要從事河口海岸動力學方向研究; 汪亞平, 通信作者, E-mail： ypwang@nju.edu.cn

(本文編輯： 劉珊珊)