珠江河口環流季節性變化特征分析

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研究院,廣東 廣州 510610;2.水利部珠江河口治理與保護重點實驗室,廣東 廣州 510610;3.河海大學,江蘇 南京 210024)

珠江口是明顯的陸海相互作用區,地貌演變廣泛、動力結構多變,加之人類活動十分頻繁,該地區的各種動力現象更趨于復雜。受海洋、陸地、季風和大氣的共同影響,河口環流十分活躍,控制區域動力格局,影響河口鹽度、懸沙和營養鹽的輸運,同時環流還具有控制魚類分布、判斷污染物質流向等功能。

眾多學者已對中國南海大尺度環流的季節和尺度特征開展了大量工作。Wang等[1]利用WOA05 資料和高度計資料分析了南海渦動動能的季節變化;Hu等[2]分析了南海西南部冷渦的三維結構;結合衛星高度計資料和Argo 資料,Chen等[3]深入探討了呂宋暖渦的垂向結構特性及演變趨勢過程;舒業強等[4]總結了黑潮水、季風、復雜地形、沖淡水浮力熱力效應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]多關注珠江口外南海大尺度環流,較少關注河口內部環流結構特征,導致相關運轉規律尚不明晰。

珠江口是南海最大的半封閉河口,陸架環流活躍、海陸作用明顯,河口區域受到徑流、潮流和近岸環流的綜合影響,動力條件十分復雜,呈“三江匯流、八口出海、兩灣納潮、徑潮交匯”之勢。對于珠江口,環流變化主要受季風、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流的研究較多為鹽度鋒面方向,針對環流的季節性時空變化較少,因此,本文基于HYCOM模式的全球海洋再分析環流數據,研究珠江口季節性環流特征,對深入研究珠江河口區域動力過程仍具有重要的科學意義。

1 數據來源

HYCOM (HYbrid Coordinate Ocean Model) 模式數據是一種全球海洋環流數值模式,中文稱為混合坐標海洋模型,數據下載地址為http://ncss.hycom.org/thredds/catalogs/GLBy0.08/expt_93.0.html.HYCOM模式采用垂向混合坐標模型,包括等深坐標、sigma坐標和等密度坐標,在穩定層結海洋采用等密度坐標,如開闊的海域,在近岸海域采用sigma 坐標,對于混合層和層結不穩定的海域采用等深坐標。它的另一個特點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)系統同化模式,提高了數據精度,時間分辨率均為3 h。相較其他方法,HYCOM全球再分析數據由于采用多種垂向坐標混合模式,能準確捕捉復雜海床起伏影響下的環流變化,近年來被大量學者運用于大洋和區域海洋研究中[9-10]。

2 結果與分析

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,分別在距離中點50 km的口內和口外各布置一個點,即在珠江河口口內、口外及交匯區共布置3個代表性采樣點,見圖1,對于典型時間,以2017年和2018年“天鴿”和“山竹”2場超強臺風作為基礎時間,并分別外延1 a,即選取2016年1月1日和2020年1月1日作為代表性時間序列研究范圍,各采樣點海流年際變化見圖2—4。從圖中可以看出,珠江口及其鄰近水域的海流(主要流向為東北向和西南向)呈現明顯的季節性變化,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時長小于偏西南向海流,表明珠江口沿岸海流大部分時間是西南向流(約占66.5%),小部分時間為東北向流(約占33.5%),這主要受季節性反轉的風場強迫影響,僅在西南季風強盛時沿岸流短時轉向東北向。此外,西南沿岸流的驅動機制除受東北季風強迫影響外,部分研究認為沖淡水浮力效應和科氏力作用、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生的重要原因[4]。此外,可以發現圖2—4中流速分量出現一些極值,這主要歸因于臺風過境的影響,例如:1713號超強臺風“天鴿”和1822號超強臺風“山竹”期間風速均超過了50 m/s以上,造成珠江口海流速度迅速增大。

圖1 河口取樣點位置

a)東向速度

a)東向速度

a)東向速度

2.2 珠江口外環流特征

研究區域海流存在顯著的季節性特征,參考相關研究成果[11-13],冬季和夏季季節性特征顯著,而冬季和秋季環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月中旬作為典型時間分析珠江口外環流運移態勢,圖5、6分別給出了包括珠江口在內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,夏季在西南季風的作用下,在北部灣北部環流形成一氣旋式環流,洋流沿著海南島東北方向一路向上。在南海北部,底層動力向岸運動,輸運深層水爬坡,形成上升流,這主要歸因于夏季沿岸西南風的驅動[14]。在呂宋海峽,有較強的黑潮海水流入現象,其是南海北部陸坡陸架流的外在驅動,是溝通南海與大洋之間動力聯系的主要載體。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,中尺度渦不易穿越黑潮進入南海。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流中,而向北流動部分進入臺灣海峽[16]。

a)夏季

冬季,受東北季風的作用,海水主要流動方向為西南方向,在南海的北部和西部均出現明顯的西邊界流。在南海北部,東北季風驅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的作用,相對于夏季,黑潮在冬季入侵南海較強,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入南海。對于流經珠江口的西南向沿岸流,受海南島阻隔影響海流產生分支[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向西南方向移動,兩者在越南東部海域匯聚,進入南海大的環流中。

2.3 珠江河口海流季節性規律

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,導致鹽度分布不均、出現環流[19],同時河口區的風場、潮汐、徑流量、沖淡水等是影響沿岸流在陸架擴展的重要因子[20],且其在擴展過程中與南海近岸環流相互作用,調制珠江口局部沿岸流變化。圖7、8分別給出了河口區夏季和冬季海流特征,可以看出珠江河口海流結構同樣具有顯著的季節性變化,受伶仃洋東西兩側岸線形成的喇叭形邊界和海床地形變化影響,河口內外海流特征具有一定的差異性,具體而言:冬季受東北季風影響,河口外沿岸流呈西南向,河口內一個潮周期伶仃洋海流特征呈東岸上溯、西岸回落的逆時針旋轉流;夏季受西南季風影響,河口外沿岸流呈東北向,河口內一個潮周期伶仃洋海流特征呈東北—西南向往復流,其中冬季河口區西南沿岸流明顯比夏季流速強、流幅窄;交匯區海流兼具河口內、外海流特征,但受河口島嶼群影響,交匯區海流流場較紊亂。

a)夏季-底層

a)夏季-底層

綜上可知,珠江口外海盆常年被環流控制,冬季表現為西南向沿岸流,而夏季受南海暖流作用,反轉為東北向上升流。對于河口區,沖淡水始終存在,在河口以及陸架海區形成低鹽、低密度水團,其浮力效應以及風、潮汐、大尺度背景環流等外界強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合作用共同構成了珠江口典型的環流特征,其中伶仃洋冬季動力表現為逆時針環流特征,即漲潮期海流沿東部海岸上溯、落潮期沿西部海岸下降;而夏季動力表現為東北—西南往復流特征,即漲潮期沿東北向上溯,落潮期沿西南向回落。珠江河口環流季節性運轉路線見圖9。

3 結論

珠江口陸海交互作用,環流運動活躍,影響河口鹽度、泥沙和營養鹽的輸運。本研究系統分析了珠江口環流的季節變化特點及其演變特征,主要結論如下。

a)珠江口及其鄰近水域常年被外海環流控制,海流運動呈季節性變化,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,夏季反轉為東北向,其中西南向沿岸流出現的時間(約占66.5%)大于東北向沿岸流(約占33.5%),且前者流速強、流幅窄。

c)珠江河口內環流冬季為逆時針,即漲潮期沿東岸上溯、落潮期沿西部下降,夏季為東北—西南向往復流,即漲潮期沿東北向上溯,落潮期向西南向回落。