防城港灣以西海域水體輸運及其機制研究*

陳 波，張繼云，韋 聰

(廣西科學院，廣西近海海洋環境科學重點實驗室，廣西南寧 530007)

北部灣內充滿著各種中尺度渦，水動力環境復雜，東部有瓊州海峽外海水入流，西部有巨大的越南紅河徑流流入，南部有外海水進出。灣內環流系統同時受到東部瓊州海峽外海水和灣內入海徑流兩大驅動因子的影響，南部外海水進出是補償性的。然而，在以往眾多的研究中，對北部灣環流結構有著不同的認識。傳統的觀點認為，北部灣環流受季風控制，冬季為逆時針環流，海水從海南島西岸的鶯歌海附近海域沿岸向北流，一支流向瓊州海峽，一支轉向西流，然后沿中國廣西、越南沿岸流出；夏季則為順時針環流，海水由越南沿岸北上進入灣內，至中國廣西沿岸由西向流轉為東向流，其中一支從瓊州海峽流出，另一支沿海南島西岸南下流出。近20年來許多研究表明，在北部灣，氣旋渦常年占主導地位，潮流是廣西沿岸最主要的水動力因素之一，余流則控制著水體的運移和交換，對水體中的物質稀釋、擴散和輸運起重要作用，尤其是近岸及港灣。所以，研究近岸水流運動形態對于近岸物質輸運及變化趨勢更有意義[1-4]。

防城港灣位于廣西沿海的西段，地理環境復雜，灣東部為企沙半島，西部為珍珠灣、北侖河口，灣口南部為開闊海域；白龍半島向西南插入北部灣，將防城港灣分割成東、西兩部分；以白龍半島為界，東有攔門沙，西有淺灘；防城港灣及其鄰近海域的水體輸運受地形、風、外海水、河流沖淡水等影響，呈現復雜的態勢。2003年，邱紹芳等[5]基于周日連續海流觀測資料對防城港附近水流運動形態展開分析，認為廣西沿岸入海河口的水體是以河流沖淡水作為補充與外海水混合形成的環流模式所控制，這種環流模式終年存在，且從東向西流動；西向流于每年春季開始形成，隨著沿岸徑流增加，沖淡水在岸邊堆積產生正壓作用，迫使沿岸水向西運動；之后，夏季西南季風盛行，西向流緊貼沿岸；冬季東北季風增強，西向流再度加強，不同的是，在靠近河口海灣處，由于水深變淺和地形效應，西向流形態發生變化。2018年，陳波等[6,7]利用2011年5月1日至2012年4月30日廣西防城港白龍半島附近S1站表、中、底3層剖面海流觀測數據進行潮流、余流特征分析，從余流流向分級圖中發現：正常天氣期間，S1站表層余流流向為WSW向，中層以下流向為NE向，余流流速小于20 cm/s；臺風影響期間，表層、中層、底層余流流向均為SW向，余流流速日平均值分別為40.0 cm/s、32.2 cm/s、20.7 cm/s，最大值達60.9 cm/s，風應力對余流起主要作用；夏季以WSW向流為主，這是由于夏季西南季風造成沿岸水堆積產生正壓梯度力使水流往西南流；冬季以NE向流為主，這是該站周圍特殊地形所致。余流流速大小、方向的變化與風、地形、補償流有密切關系。

本文以S1站資料為基礎，結合2021年夏季(7月)、2022年冬季(1月)的周日連續觀測結果進行對比分析，對防城港灣及其鄰近海域的季節性環流結構進行垂向研究，深入了解該港灣及其以西海域水體輸運狀況及機制，找出水體輸運形成原因。這將對海洋污染物遷移與擴散影響、海洋生態環境保護、海水養殖生產等具有重要的現實意義，也可以為廣西沿岸高精度潮流數值模擬提供驗證資料。

1 資料來源與處理方法

1.1 觀測資料來源

為了研究臺風與北部灣增減水的關系，2011年鄭斌鑫等[8]將單點ADCP聲學多普勒海流剖面儀錨定于白龍尾南面10 m水深、距岸約1 km處進行連續一周年的海流觀測(圖1，S1站)。觀測項目和時段見表1。其中水文觀測采用座底方式，由底層向上進行觀測，觀測層厚為0.5 m。儀器在1 min內等時發射60個脈沖信號對海流進行觀測，之后自動平均得到剖面各層次的海流數據。從剖面中選擇水面以下1.0 m處以及距海底高度約1.5 m處的數據分別作為表、底層數據，選擇表層、底層中間位置的數據作為中層數據，對表層、中層、底層3層數據進行分析。同時，結合2021年夏季(7月)、2022年冬季(1月)分別在防城港灣口及西面海域觀測的4個周日海流資料觀測站位為D1、D2、D3、D4，以及白龍半島附近F1站2011年9月至2012年8月的風速、風向資料進行水文特征分析(圖1)。

圖1 觀測站位位置

表1 觀測項目和時段

1.2 資料處理方法

實測海流資料中包含3部分，即高頻流(噪聲部分)、潮流(周期性分量)和定常余流(準定常分量)。在分析資料時，首先通過AWAC聲學多普勒海流剖面儀自帶的ExploreP.exe軟件對流速、流向原始數據進行高頻濾波處理，將實測數據中的高頻噪聲成分基本濾掉，得到以潮流和定常余流為主的流動；然后再將上述得到的流動分解成東、北分量，并采用Lanczos余弦濾波器[9]對其分別進行濾波，得出實測海流中低頻流動的部分，此濾波器的優點是對周期大于2 d的低頻振動只有微小的減弱。本研究采用截止頻率為1/25的海流連續記錄，其中包括流速和流向。根據上述得到的流速、流向數據，再計算余流值，對表層、中層、底層逐時實測流速、流向進行分級統計，并分季度對余流做出一系列流玫瑰圖，分析余流產生機制。

2 結果與分析

2.1 風速、風向

研究區域屬亞熱帶過渡帶季風區。對F1站10 m高度的一年風速、風向進行統計可知：該站年常風向為NNE向，其中冬、春兩季常風向為NNE向，夏季為SW向，秋季為N向。年平均風速為3.20 m/s，冬季平均風速最大，為3.98 m/s；春、夏、秋3季分別為3.02 m/s、2.95 m/s、2.85 m/s。

2.2 S1站周年實測海流流速、流向特征

對S1站表層、中層、底層3層逐時實測流速、流向進行分級統計，并分季度對余流做出一系列流玫瑰圖(圖2-5)，可以看出，春、夏、秋、冬的流玫瑰圖完全不同。冬季受反氣旋式環流控制，水體輸運主要為NE向；夏季受沿岸入海徑流和氣旋渦控制，水體輸運主要為WSW向；春季、秋季表層水體輸運為WSW向，中層以下水體輸運為NE向。同時，由于觀測點水淺(小于20 m)，表層流受風的影響比較明顯。

(1)冬季(12月至次年1-2月)。

2011年12月至2012年2月為冬季，將這3個月的實測資料，按不同流速間隔分級，做成流玫瑰圖。觀測期間海面盛行東北季風，風向和風速相對穩定，風速為7-15 m/s；表層仍然對東北季風響應顯著，表現為WSW向，而中層和底層的海流流向則表現為穩定的NE向，出現頻率分別為18.4%和19.7%(圖2)。

圖2 冬季實測表層(a)、中層(b)、底層(c)余流流速、流向玫瑰圖(2011.12-2012.02)

(2)春季(3-5月)。

2012年3月至5月為春季，觀測期間表層、中層海流流向出現頻率最多的方向為WSW向，分別為18.0%和15.5%；底層則為NE向，出現頻率為12.7%(圖3)。

圖3 春季實測表層(a)、中層(b)、底層(c)余流流速、流向玫瑰圖(2012.03-2012.05)

(3)夏季(6-8月)。

2012年6月至8月為夏季，觀測期間海面盛行西南季風，風向和風速相對穩定，風速為3-7 m/s；表層仍然對西南季風響應顯著，表現為NE向；表層、中層、底層海流流向出現頻率最多的方向均為WSW向，分別為13.1%、18.2%和14.0%(圖4)。

圖4 夏季實測表層(a)、中層(b)、底層(c)余流流速、流向玫瑰圖(2011.06-2011.08)

(4)秋季(9-11月)。

2011年9月至11月為秋季，其流玫瑰結構見圖5，表層海流流向出現頻率最多的方向為WSW向，為15.3%，中層、底層則為NE向，出現頻率分別為13.6%和16.9%(圖5)。

圖5 秋季實測表層(a)、中層(b)、底層(c)余流流速、流向玫瑰圖(2011.09-2011.11)

2.3 周日觀測站實測海流流速、流向特征

為了進一步研究防城港灣鄰近海域水體輸運狀況，2021年夏季(7月)、2022年冬季(1月)分別在防城港灣及以西海域布設了4個周日海流觀測站進行25 h的同步連續觀測(圖1)。觀測期間，夏季海面為偏南風，風速為3-5 m/s，冬季海面為東北風，風速為5-7 m/s。

從周日觀測站實測海流觀測結果(圖6-9)看，夏季，觀測點D1表層、底層余流為WSW向；觀測點D2表層余流為NE-WSW向，底層余流為NE向；觀測點D3表層、底層余流為NE向；觀測點D4表層、底層為NE向。冬季，觀測點D1表層余流為穩定的NE向，底層余流向較零亂；觀測點D2表層、底層余流為NE向；觀測點D3表層、底層余流為穩定的WSW向，觀測站D4表層、底層余流為NE向。

2021年夏季(7月)、2022年冬季(1月)的周日觀測資料分析結果表明，防城港灣以西海域水體輸運趨勢與歷史同期冬、夏季觀測資料分析結果基本一致。冬季余流流向為NE向，夏季余流流向為WSW向。尤其是接近S1站的D2站，無論是冬季或是夏季，余流方向均與歷史同期觀測資料分析的余流方向相同。灣口海域水體輸運則與以西海域不同，冬季余流方向為WSW向，夏季余流方向為NE向。

圖6 D1站夏季實測表層(a)、底層(b)和冬季表層(c)、底層(d)余流流速、流向玫瑰圖

圖7 D2站夏季實測表層(a)、底層(b)和冬季表層(c)、底層(d)余流流速、流向玫瑰圖

圖8 D3站夏季實測表層(a)、底層(b)和冬季表層(c)、底層(d)余流流速、流向玫瑰圖

圖9 D4站夏季實測表層(a)、底層(b)和冬季表層(c)、底層(d)余流流速、流向玫瑰圖

3 水體輸運形成機制分析

北部灣是一個半封閉的陸架淺海，西、北、東三面為陸地和島嶼，通過南部灣口和東部瓊州海峽與南海相通。北部灣處于亞熱帶地區，季風特征明顯，冬半年盛行東北季風，夏半年則盛行西南季風，東北季風期長于西南季風期。全年總降水量為1 100-1 700 mm，5-9月為雨季，雨量充沛，月平均降水量都在100 mm以上。灣內環流受瓊州海峽西向流、地形、風、河流沖淡水等影響，呈現復雜態勢，對北部灣內海水的長期輸送起著重要作用[10]。

3.1 冬、夏季不同形式的環流對防城港灣鄰近海域水體輸運的響應

根據丁揚[11]數值計算結果分析，北部灣北部終年受氣旋式和反氣旋式兩種不同形式的環流控制。正是這兩種不同形式的環流，導致廣西防城港灣鄰近海域水體輸運的復雜性。冬季，表層、中層、底層為NE向；夏季，表層、中層、底層則為WSW向；春季、秋季，表層為WSW向，底層則為NE向。水體輸運形成自己的特點且有別于其他海灣。

(1)冬半年北部灣北部為反氣旋式環流形式。

冬半年(10月至次年3月)，北部灣被橫貫全域的氣旋式環流占據。來自南部灣口的南海水，沿海南島西側向北，到20°30′ N 附近轉向西，然后從距離海南海岸約100 km(約占海灣寬度1/3)處，折轉向南流出灣口，從而形成與海南島西部岸線近似平行的、弧狀的、南北長250 km、東西寬約50 km的氣旋式環流。在沿岸部分，受岬角地形影響，又產生眾多渦旋。廣西近海21° N以北的區域，從西向東分別被兩個反氣旋渦占據：一個是從北侖河口向東到北海的入海岬角處，東西尺度約100 km的大尺度反氣旋渦，其形成與北海的入海岬角有關；另一個是鐵山灣外一個只有20 km的小型反氣旋渦。越南北部近海，從北侖河口向西南到紅河口，基本被氣旋渦和反氣旋渦占據，中間以姑蘇群島作為分界，它們的形成與姑蘇群島的岬角地形有關。在冬半年6個月的時間中，環流中心的北緣基本在20°20′ N附近，即與瓊州海峽的中心線一致；20°20′ N以北的廣西近海，受來自瓊州海峽東部南海水與廣西沿海的入海徑流控制；20°20′ N以南，來自南部灣口的南海水沿著北部灣60 m深槽，先是西北、然后東北流向海南島洋浦的西緣，構成這個氣旋環流的東界。

(2)夏半年北部灣北部為復雜結構氣旋式環流形式。

夏半年(4-9月)，4-6月，南海水從北部灣南部灣口進入，經灣中心向西北運動，在19° N以北水域分別形成東部氣旋渦、西部反氣旋渦；到20° N附近，一部分水體開始做反氣旋式運動，在海南島西岸昌江-洋浦的西部深水區形成反氣旋渦，只是5月，在反氣旋渦上緣還有一個氣旋渦存在。7-8月，由于西南風增強，北部灣北部仍然保持氣旋渦與反氣旋渦的東西對應結構；除了在海南島西南部近岸有一個反氣旋渦之外，在北部灣中部還有一個狹長的、尺度約200 km的氣旋渦；受南向季風驅動，以越南紅河為代表的入海徑流沿著海岸向西北方向運動，到欽州灣南面轉而向北流，形成反氣旋渦。9月是過渡月，與8月的環流結構類似，但是在廣西近海海域受單一反氣旋渦控制，靠近海南島一側的反氣旋環流也消失。

在冬半年反氣旋式環流和夏半年氣旋式環流的影響下，防城港灣及其鄰近海域水體輸運具有與其他海域不同的特點。冬季，受地形影響，西北部水域出現一個從北侖河口到防城港的反氣旋式環流。從2011年的周年海流觀測資料表層、中層、底層余流玫瑰圖可以看出，表層受東北季風的影響，余流為WSW向，但中層和底層的余流則指向NE，特別是底層更加明顯。表層與底層余流方向不同的主要原因是風應力，表層受風的控制，隨著水深的增加，風應力對水體的作用迅速減小，中層和底層則受冬半年存在的反氣旋式環流控制。除此之外，東部沿岸水持續向西流，引起外海底層水流向近岸加以補償。2021年7月、2022年1月白龍半島附近的D1站、D2站周日海流觀測資料分析中，也同樣證實冬季這個反氣旋式環流影響的存在。夏季，這里受氣旋式環流控制，同時西南季風和入海徑流增強，觀測點表層、中層、底層水體形成穩定的WSW向流動。上述觀測結果與侍茂崇等[12]的分析結果基本相符。白龍半島沿岸西南向流形成的原因，一是風的作用，夏季西南風向北岸吹刮，使得外海水在廣西近岸堆積，岸邊海平面高于遠岸，按照地轉流計算方法，由岸向外海面傾斜的正壓效應將驅使沿岸水向西南方向流動；二是地形的作用，白龍半島向西南插入北部灣，外海水在向白龍半島移動時受阻，來自沿岸的入海徑流與外海水相遇，外海水受到徑流沖淡水沖擊后，不得不改變原來的流動方向，故在白龍半島西南處構成一個逆向流模式，受地形走向的制約，主流向發生了改變，從而由NE轉向SW向流。

3.2 瓊州海峽水向西輸入對防城港灣鄰近海域水體輸運的貢獻

瓊州海峽是北部灣與東部南海水交換的重要通道。根據Shi等[13]實測資料研究結果，瓊州海峽終年有一向西流，冬季和春季以0.2-0.4 Sv (Sv=106m3·s-1)向北部灣輸入，夏季以0.1-0.2 Sv向北部灣輸入。這對于北部灣季節性環流的形成有著不可忽視的作用。冬季，瓊州海峽的月平均輸入水量約為北部灣水量的1/30-1/15；夏季，瓊州海峽西向平均輸運水量約為北部灣水量的1/60-1/30。瓊州海峽水體輸送全年都是自東向西，冬季多于夏季，雖然水量不完全一致，但均是進入北部灣。瓊州海峽東部南海水進入北部灣對廣西近海環流有重要影響，即加強了北部灣北部氣旋式環流的形成，產生較強的北部灣西岸北向沿岸流，促使低鹽沖淡水向外海輸運[14]。

受瓊州海峽東部南海水輸入的影響，廣西近岸水從東向西流動，因此又稱這股環流為西向沿岸流[15]。西向沿岸流于每年春季開始形成，隨沿岸徑流逐漸增強，沖淡水在岸邊堆積產生正壓作用，促使沿岸水向西運動。夏季(6-8月)，觀測點水體自表至底層向WSW輸運，這是因為夏季西南季風造成沿岸水的堆積產生正壓梯度力使水體往西南向流。冬季(12月至次年2月)，由于受地形的影響，外海水在向岸推進過程中淺灘處水深突然變淺，受底摩擦作用的影響，水質點向前移動速度減慢，故該外海水仍基本停留在白龍半島附近，向西推進的范圍不大，加之冬季偏北季風強盛，入海徑流減少，以河流沖淡水作為補充的西向風浪流大為減弱。所以，在東北季風作用下的離岸水與外海水在白龍半島附近構成一個逆時針環流，正是這一環流模式改變了水體原來的流動方向，從而形成了觀測點水體穩定的NE向流，且自表層至底層。春季開始，入海徑流逐步加強，表層水體以與夏季相同的西南方向輸運，而此時底層水作為補償，需要向岸輸運。因此，中層以下水體為穩定的NE向流。有所不同的是，在靠近河口海灣區域，由于水深變淺和地形效應，水流形態發生變化[16]。

從觀測點的水體輸運可以看出，在白龍半島至北侖河口海域并未構成獨立的環流系統，而是受以河流沖淡水作為補充的西向風浪流以及白龍半島附近的混合環流影響所致。夏季，由于受到西南季風推進的影響，這股混合環流在靠近海岸時得到加強，從而形成NE -WSW與海岸平行的西向沿岸流。瓊州海峽東部南海水的輸入是維持西向沿岸流水體輸運的重要基礎。

3.3 風對防城港灣鄰近海域水體輸運的影響

北部灣處于熱帶和亞熱帶，季風特征明顯，常風向以N向為主，S向次之。風向的季節性變化明顯：冬半年盛行偏北風氣流，風向以N向為主；夏半年盛行偏南風氣流，風向以SW向為主。季風交替期間的風向多變，平均風速也較小。

F1站10 m高度的一年風速、風向的統計結果表明，該站年常風向為NNE向，其中，冬、春兩季常風向為NNE向，夏季為SW向，秋季為N向。年平均風速為3.20 m/s，以冬季風速最大，為3.98 m/s，春、夏、秋3季平均風速為2.94 m/s。

從對應的S1站海流觀測資料余流結果分析看出，冬、春、秋3季，表層流向為WSW向，中層及底層流向為NE向；夏季，表層、中層、底層流向均為WSW向。風對觀測點S1站水體輸運的影響，只是在冬季東北季風對表層水體輸運的響應較為顯著，余流流向呈西南向，但中層和底層的余流則指向東北，特別是底層更加明顯。這與夏季余流方向相反，表明這里夏季是氣旋式環流，與高勁松等[17,18]所得的冬季是反氣旋環流的分析結果一致。也就是說，風對水體輸運的影響是存在的，但不起主導作用。首先西南季風是不穩定和不持續的，在北部灣北部西南季風的平均風力比東北季風小，對氣旋式環流的形成有其局限性[19]。

2021年夏季(7月)和2022年冬季(1月)，防城港灣及其以西海域4個周日連續海流觀測結果同樣證實風的影響是存在的，如夏季表層水體輸運余流流向呈SW向是因為西南季風向岸推進產生正壓梯度力使水體向西南輸運(圖6)，而冬季表層水體輸運則取決于反氣旋式環流的作用(圖9)，但水體輸運余流流向則呈NE向，說明風不起主導作用。

4 結論

(1)對S1站一周年表層、中層、底層3層逐時實測流速、流向進行各季節分級統計可知，冬半年受反氣旋式環流控制，水體輸運自西向東；夏半年受氣旋渦控制，水體輸運自東向西。風對表層水體的輸運響應，主要體現在夏季西南季風造成沿岸水的堆積產生正壓梯度力使表層水體往西南向輸運。

(2)2021年夏季(7月)和2022年冬季(1月)，周日海流連續觀測資料分析結果表明，防城港灣以西海域水體輸運總體趨勢，夏季(7月)余流為WSW向，冬季(1月)余流為NE向。水體輸運趨勢與2011年9月至2012年8月同期觀測資料分析的結果基本一致。

(3)防城港灣及其鄰近海域水體輸運受北部灣北部氣旋式、反氣旋式兩種不同的環流形式控制，呈現復雜性特征，且有別于其他海灣。除此之外，瓊州海峽西向流、入海徑流、地形等對水體輸運也產生重要的影響。風對港灣及其鄰近海域水體輸運有影響，但不起主導作用。