北部湾北部环流的季节特征

陈宜展，杨 威，曹永港，刘长建，李锐祥

北部湾北部环流的季节特征

陈宜展，杨 威，曹永港，刘长建，李锐祥

（国家海洋局南海调查技术中心// 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）

【目的】研究北部湾环流的季节变化特征。【方法】利用2017 – 2018年防城港近岸海域4个航次的海流实测资料，结合卫星遥感海表温度数据和HYCOM海流再分析数据，分析北部湾环流的季节变化。【结果与结论】1）观测期间余流方向与风向基本一致，表现出风海流特征；2）夏季北部湾北部存在高温水团，余流受风生流和密度流的共同作用，密度流流速约为10 cm/s；3）4个季节北部湾均为逆时针环流形态，主要受潮致余流、风生流和密度流的影响；4）冬季北部湾海域总体呈逆时针环流，但在防城港以东至北海的外海海域出现顺时针环流。

北部湾；环流；防城港；余流

北部湾（105°40′ – 110°00′ E，17°00′ – 21°30′ N）位于南海西北部，东临雷州半岛和海南岛，北为广西壮族自治区，西为越南，南边以海南岛莺歌嘴与越南来角之间连线海域为界[1]。北部湾由南侧湾口海域和东侧琼州海峡连接南海，属于大陆架上的浅海湾，水下地形平坦，平均水深46 m，最大水深不超过100 m。《中越合作北部湾海洋综合调查报告》认为，北部湾夏季为顺时针环流，冬季为逆时针环流[2]。但庄敏芝等①庄敏芝, 季林绮, 林吉胜. 南海北部的风、浪、流．地质部南海地质调查指挥部综合研究大队内部资料. 广州, 1981.采用《海洋调查资料》及《全国海洋综合调查资料》绘制的南海北部海区夏半年（5 ~ 9月）和冬半年（10 ~ 2月）平均海流模式图指出，北部湾海流夏季和冬季均为逆时针环流模式。部分学者还对北部湾环流进行了数值模拟计算。夏华永等[3]将Casulli差分格式引入三维海洋模型，并模拟北部湾的风生流和密度流，表明夏季北部湾虽受西南风影响，但湾内海水密度梯度产生一个气旋型环流，且密度流明显强于风生流。俎婷婷[4]用海洋模式Ecom-si对北部湾进行的数值诊断计算表明，北部湾夏季和冬季均为逆时针环流结构，但北部湾北部不能形成明显潮余流结构，风海流仅在沿岸和表层达到与密度流一样的量级。陈振华[5]以MASNUM模型为基础建立北部湾高分辨率海洋环流模式，模拟北部湾不同季节环流结构，认为北部湾四季均为气旋型环流结构，但不同季节动力因子差别较大，潮致环流是主要影响因素，春季和夏季密度流是次要影响因素，风的影响作用最弱；而在秋季和冬季，风是次要影响因素，密度流较弱。侍茂崇等[1]根据北部湾北部河流径流量、海流和温盐观测结果计算的1988、1989年北部湾环流特征表明，虽然北部湾夏、冬季总体是逆时针环流，但从防城港向西到北仑河口夏季是逆时针环流，冬季为顺时针环流。

现有研究多认为北部湾海流四季均为逆时针环流，但对其动力因子的研究有一定差异。目前对北部湾的研究也多集中在夏季和冬季，对季风转换期的春季和秋季研究不多，并且多根据历史资料和数值模式进行分析，采用实测海流观测数据进行研究的较少，使分析结论存在一定差异。笔者利用国家海洋局南海调查技术中心2017 — 2018年在北部湾北部防城港湾口航道和近海海域进行的4个航次6站点定点海流观测资料，对实测海流剔除周期性潮流作用和高频随机信号，并计算得到余流。采用4个航次观测期间的GHRSST OSTIA (Operational Sea Surface Temperature and Sea Ice Analysis) 海表温度卫星遥感数据和HYCOM海流再分析数据对北部湾海表温度和流场进行分析，探讨北部湾北部海域的潮流影响因素与季节性变化规律。

1 数据来源

1.1 定点海流观测数据

北部湾北部定点海流观测数据来源于2017―2018年在防城港近海海域进行的第1航次（2017年9月29日10时至次日11时）、第2航次（2017年12月5日13时至次日14时）、第3航次（2018年2月1日14时至次日15时）、第4航次（2018年4月8日12时至次日13时）大潮海流连续观测资料。每航次布设6个观测站点（图1），每个站点连续观测26 h，采用Seaguard RCM型海流计进行海流观测。防城港湾口站点S3水深较浅，采用3点法进行观测，分别为表层、0.6层及底层，其中为观测时的实际水深，表层为水面以下0.5 m处，0.6层即是水深乘以0.6的海表下水深处，底层为海底以上0.5 m处。其他近海站点水深较深，采用6点法进行观测，分别为表层，0.2、0.4、0.6、0.8层，底层。Seaguard RCM型海流计观测要素为流速、流向和水深压力，采样频率为10 s，时间间隔1 min，即每1 min采集10 s数据进行数据平均处理，每1 min输出1组数据。海流观测为每层观测3 min。

1.2 海表温度卫星遥感数据

所用GHRSST OSTIA (Operational Sea Surface Temperature and Sea Ice Analysis) 海表温度卫星遥感数据是全球海洋数据同化实验（GODAE）高分辨率海表温度（Group for High-resolution Sea Surface Temperature, GHRSST）项目提供的4个航次期间融合日平均海表温度数据（http://apdrc. soest.hawaii.edu/las/v6/constrain?var=12591），资料水平分辨率为0.05°×0.05°。

1.3 HYCOM海流再分析数据

用HYCOM海流再分析数据对观测期间北部湾流场结构进行分析，该数据是迈阿密大学和美国海军研究实验室合作的HYCOM模式同化数据资料。HYCOM是一个采用混合坐标的原始方程海洋模式，可根据不同的地形条件采用不同的垂向坐标系。在层化明显的开放大洋采用等位势密度坐标，在层化相对较弱的海洋混合层上层中采用坐标，在较浅水域使用地形坐标，在极浅水域则使用坐标系。该坐标系优势是在近表层和海岸附近浅水区域有更高的垂向分辨率，可很好地表达上层海洋物理特性[6]。资料水平分辨率为0.05°×0.05°。

图1 防城港近海海域大潮观测站位和水深

Fig. 1 Locations of observational sites and water depth in the Fangchenggang nearshore sea

2 海流观测结果分析

2.1 海流观测期间风速、风向

根据防城港海洋站在各航次观测期间风资料进行统计并绘制风矢量图，统计结果见表1，风矢量图见图2。第1、2、3航次期间观测海域盛行偏东北风，第4航次盛行偏西南风。第3航次风速最大，观测期间最大风速达11.6 m/s，对应风向为18°。总体而言，各航次海况良好，适合海洋观测。

表1 观测期间的风速和风向

2.2 余流结果分析

余流通常指实测海流资料中扣除周期性潮流（天文潮）影响后，剩余部分流动（欧拉余流），其中包括潮汐余流、风海流和密度流等非周期性流动，可客观反映观测海域的海水输运方向。观测海流由以下部分组成：

total=tidal+r+′，

其中，total表示观测海流，tidal表示潮流，′表示观测海流出现的各种随机高频信号，r表示余流。利用各航次连续观测的海流数据算得余流。

由表2 ~ 表5可得，观测海区的余流介于0.1～21.4 cm/s，其中各站位各层余流大部分不大于10.0 cm/s。而各航次实测海流的最大流速分别为71.6、66.0、66.5、47.7 cm/s。说明调查海域的余流较小，潮流作用较强。

由图2和图3可知，第1、2、3航次观测期间盛行东北风，调查海区的余流基本自东向西，由此推断第1、2、3航次北部湾北部存在逆时针环流。第4航次主要为西南风，其次为北风，调查海区余流方向为偏东北至西南。第4航次风向变化较大，其中西南风占42%，偏北风占38%，偏西风占19%，余流方向变化也较大，在西南风影响下的余流流速为0.5～6.1 cm/s。调查海区海表层余流方向和风向基本一致，说明观测期间余流明显受到风的影响，观测期间防城港近岸余流表现出风海流特征。

垂向上看，各航次观测期间调查海区表层余流和底层余流方向并不一致，因为表层余流流向受季风影响，为保持质量守恒，中底层余流对表层流出海水进行补偿。因此，底层余流流向与表层余流流向发生偏离。

第1航次的东北风风速比第3航次的风速小，但第1航次西向余流流速明显大于第3航次的余流流速。说明观测海域的余流不只受风的作用影响。

图2 各航次观测期间风矢量图

表2 第1航次各站位各层余流统计

表3 第2航次各站位各层余流统计

表4 第3航次各站位各层余流统计

表5 第4航次各站位各层余流统计

3 北部湾北部环流的季节性特征

3.1 HYCOM海流再分析数据与定点海流观测结果比较

本研究利用HYCOM海流再分析数据和海表温度卫星遥感数据（GHRSST）。为验证观测期间北部湾HYCOM海流再分析数据的可靠性，将各航次观测期间防城港近岸观测海域位置（108°28.8′E，21°26.4′N）的HYCOM海流再分析数据与表2 ~ 5各航次余流进行对比（表6）。

由表6可知，各航次观测期间HYCOM海流再分析数据在定点观测海域的流速为2.8 ~ 8.9 cm/s，与各航次余流大小基本一致，HYCOM海流再分析数据流向也在实测流向范围内。HYCOM海流再分析数据在第1、第2和第3航次的海流流向偏西，也与定点海流观测的余流流向一致。HYCOM海流再分析数据第4航次的海流流向偏北，而第4航次定点海流观测的余流流向范围较大，为东北至西南，HYCOM海流再分析数据仅可反映天气瞬时变化较大状况下流场的局部特征。总体而言，HYCOM海流再分析数据在空间结构上与各航次海流观测结果极为相似。

3.2 各航次观测期间北部湾环流结构和海表温度

根据《中越合作-北部湾海洋综合调查报告》[2]和侍茂崇等[1]对北部湾水文季节的划分，北部湾水文的冬季为1 ~ 3月，春季为4 ~ 6月，夏季为7 ~ 9月，秋季为10 ~ 12月。因此，定点海流观测的第1航次观测期间为夏季，第2航次观测期间为秋季，第3航次观测期间为冬季，第4航次观测期间为春季。

通过各航次海表温度卫星遥感数据的对比（图4），第1航次北部湾北部海域水温高，南部海域水温低，温差约1 ℃，余流自东向西运动最明显。第2、3、4航次北部湾南部海域水温高，北部海域水温低，温差为4 ~ 8 ℃，余流流速较小。说明当夏季北部湾北部海域形成高温水团时，对北部湾北部沿岸海水自东向西运动有增强作用。

表6 各航次观测期间防城港近岸位置的实测海流与HYCOM海流再分析数据对比

图4 基于卫星遥感和HYCOM同化资料的各航次期间北部湾的海表温度和流场

夏华永等[3]认为，根据斜压流体动力学，冷水团周边易形成一个逆时针环流结构，北部湾的环流结构基本受制于湾中冷水团的存在，夏季北部湾环流的主导因素应该是密度梯度，而不是风应力。第1航次观测期间的偏东风风速比第3航次小，第1航次西向余流流速最大为21.4 cm/s，第3航次西向余流流速最大为10.7 cm/s，鉴于北部湾环流主要受密度梯度、风应力和科氏力的作用，第1航次西向余流比第3航次更强主要由第1航次北部湾北部暖水团产生的密度梯度力作用所致，由此推断北部湾北部的密度流流速约为10 cm/s。

春季是北部湾海域季风转换期，海表温度逐渐升高，越南沿岸出现低温水团，密度流对环流的影响逐渐加强。根据1960年和1962年的水文统计资料，流入北部湾的河流径流量94%位于西岸的越南一侧，仅6%来自我国沿岸的河流[7]。第4航次观测期间风向变化较大，东北风向西南风转换，北部湾北部水深较浅海域主要受到风生流影响。北部湾西南部冷水水团周边海流大致呈逆时针环流结构。

夏季，西南季风是不持续和不稳定的[3]。北部湾环流结构总体为逆时针环流。从第1航次观测期间的海表温度和流场结构可见，琼州海峡和海南岛西南海域存在低温高盐水团，形成高密度区，南海海水经琼州海峡进入北部湾向西北向输运，北部湾北部海域海表温度较高，越南沿岸由于河流冲淡水作用，盐度梯度大，形成低密度区，这种密度分布所生成密度流导致北部湾形成逆时针环流结构[3]。

秋季，北部湾盛行东风和东北风，海表温度逐渐降低，北部湾北部暖水水团消失，越南沿岸径流量因枯季减小，密度流减弱。第2航次观测期间北部湾海流系统主要为风生流，呈逆时针环流结构。

冬季，北部湾海表温度从南到北逐渐降低，南部海水温度较高，北部海水温度较低。北部湾北部流场结构受到冷水水团作用。第3航次观测期间盛行东北季风，北部湾环流主要受风影响大致呈逆时针形式。在北部湾北部防城港向西海域，HYCOM海流再分析资料的流场与定点海流观测站点的余流方向一致，均为西向流，这与侍茂崇等[1]认为防城港到北仑河海域冬季出现顺时针环流的观点不一致。在防城港向东至北海的外海海域，位于两个冷水水团之间，因斜压作用产生顺时针环流。

由图4和以上分析可知，4个航次定点海流观测期间北部湾流场均为逆时针环流结构。

4 结论

1）北部湾环流系统季节性特征为防城港近岸海域的余流介于0.1～21.4 cm/s，4个航次实测海流最大流速分别为71.6、66.0、66.5、47.7 cm/s，调查海域余流较小，潮流作用较强。4个航次调查期间，观测海域表层余流的方向和风向基本一致，观测期间余流明显受到风的影响，观测期间防城港近岸海域余流表现出风海流特征。中底层余流与表层余流方向不一致，观测海域存在补偿流。

2）观测海域海流除风海流外，还受其他因素的明显作用。在第1航次观测期间，北部湾北部海高温水团，对北部湾北部沿岸海水自东向西运动有增强作用。第1航次期间的余流受风生流和密度流的共同作用。密度流流速约为10 cm/s。

3）HYCOM海流再分析数据在空间结构上与各航次海流观测结果极为相似。北部湾海流系统全年基本是逆时针结构。

4）冬季观测期间，从防城港向东直至北海的外海海域位于两个冷水水团之间，因斜压作用出现顺时针环流。

[1] 侍茂崇, 陈波, 丁扬, 等. 风对北部湾入海径流扩散影响的研究[J]. 广西科学, 2016, 23(6): 485-491.

[2] 中华人民共和国科学技术委员会海洋组海洋综合调查办公室．中越合作北部湾海洋综合调查报告[R]．北京：中华人民共和国科学技术委员会, 1964．

[3] 夏华永, 李树华, 侍茂崇. 北部湾三维风生流及密度流模拟[J]. 海洋学报, 2001, 23（6）：11-23.

[4] 俎婷婷. 北部湾环流及其机制的分析[D]. 青岛：中国海洋大学, 2005.

[5] 陈振华. 北部湾环流季节变化的数值模拟与动力机制分析[D]. 青岛：中国海洋大学, 2014.

[6] 陈俊尧, 杜岩, 张玉红. 基于HYCOM和遥感资料研究障碍层在促进台风海燕发展过程中的作用[J]. 热带海洋学报, 2015, 34(4): 23-30.

[7] 孙湘平. 中国近海区域海洋[M]. 北京：海洋出版社, 2006: 106-109.

Seasonal Characteristics of Circulation in the Northern Beibu Gulf

CHEN Yi-zhan, YANG Wei, CAO Yong-gang, LIU Chang-jian, LI Rui-xiang

（,510300,）

【Objective】 To study the seasonal circulation characteristics in the northern Beibu Gulf.【Method】Based on current data from four voyages in Fangchenggang coastal waters from 2017 to 2018 and combined with the satellite remote sensing data of the sea surface temperature and the HYCOM current re-analysis data，the characteristics of the Beibu Gulf residual currents were analyzed. Meanwhile, the seasonal variation characteristics of the circulation in Beibu Gulf were studied by using satellite remote sensing sea surface temperature data and HYCOM current reanalysis data. 【Result and Conclusion】 1) During the observation period, the direction of residual current was the same as that of wind, showing the current characteristics of wind-sea current; 2) During the summer observation period, there was a high temperature water mass in the northern Beibu Gulf, which was affected by both wind-driven current and density current, and the velocity of density current was about 10 cm/s; 3) During the four seasons, the current in the Beibu Gulf was in counterclockwise circulation, mainly affected by tide-induced residual current, residual current and gravity current. 4) In winter, the Beibu Gulf was generally in counterclockwise circulation, but clockwise circulation appeared in the offshore waters from the Fangchenggang eastward to the Beihai.

Beibu Gulf; current circulation;Fangchenggang; residual current

P731.27；P722.7

A

1673-9159（2020）04-0068-07

10.3969/j.issn.1673-9159.2020.04.010

2019-12-14

国家海洋局南海维权技术与应用重点实验室开放基金重点项目（SCS1606）；国家海洋局南海分局海洋科学技术局长基金（180106）；水沙科学与水灾害防治湖南省重点实验室开放基金（2017SS04）

陈宜展（1984―），男，博士，工程师，研究方向为海洋调查、物理海洋。E-mail:chenyizhan@smst.gz.cn

陈宜展，杨威，曹永港，等. 北部湾北部环流的季节特征[J]. 广东海洋大学学报，2020，40（4）：68-74.

（责任编辑：刘庆颖）