2018年澳门海域秋季水体温盐分布与层化特征

胡梦茜，甘华阳

（广州海洋地质调查局，广东广州510000）

1 引言

澳门面朝南海，地处珠江口外缘西侧，介于珠江河口湾与磨刀门河口间，毗邻珠海。珠海-澳门附近水域是指珠海市横琴岛以东、澳门半岛以南、大九洲岛以西的水域。它是磨刀门河口区的组成部分，是磨刀门水道的支汉-洪湾水道的排洪出海口，又是西江通往港澳地区航道的主要出口，地理位置十分重要。该水域由3 部分组成：一是洪湾水道出口至澳门外港这段水道，称为“主干道”；二是位于珠海市大、小横琴岛及澳门氹仔岛、路环岛间的水域，称为“十字门浅海区”；三是位于珠海市湾仔与澳门之间的水域，称为“湾仔浅海区”[1]。上述3个部分的水流在洪湾水道出口处交汇，该区域称为“汇流区”。汇流区内水动力复杂、岸线不规则、水流紊乱且流速缓慢、泥沙集中落淤、发育拦门沙[2]。

澳门海域所处地理位置特殊，受南海咸水和来自珠江口与磨刀门的径流共同作用，水文条件复杂多变。在河口咸淡水混合区，水体可出现盐度层化现象。层化是河口的主要特征之一。河口层化与混合过程往往对河口中各种物质的通量交换起控制作用，并对水体中营养物质、重金属与生物的分布等产生重要影响[3-5]。当层结稳定时，海水混合会被限制在一定的区域，海水中的氧气和营养盐得不到及时补充，生物分泌的物质无法扩散与自净。因此研究澳门海域的水文特性与海水层化混合结构，对了解该区域热量、动量、泥沙和营养物质等的输送条件具有重要意义。

受澳门特别行政区的地位影响，其海域调查工作难以开展。目前已有的水文调查程度较低。俞慕耕等[6]曾在澳门回归初期进行了澳门岛海域的水文气象本底调查，此后该区域的水文调查长期处于空白。澳门一直以来存在咸潮入侵、水质恶化、水资源短缺等诸多水环境问题[7-10]。近年来，澳门兴起大量的填海造陆工程，海岸线长度由1995年的43.17 km增长至2018 年的76.08 km，同时土地面积也成倍扩展，势必对周围的水文特性造成影响。本文调查了澳门海域的海水温度、盐度的平面与垂向分布特点，分析其层化与混合特性，并采用线性优化法确定相应的上混合层深度。海水垂向结构与上混合层深度的确定可为进一步研究该区域的物质与热通量提供基础支持[11]。

2 资料与研究方法

2.1 数据来源

2018 年10 月29 日——11 月6 日，广州海洋地质调查局采用加拿大RBR 公司生产的浅水XR-420型温盐深仪（Conductivity Temperature Depth，CTD），在澳门海域内完成了29 个站位的温、盐、深度剖面观测。采样时间间隔为0.2 s，仪器收放速度约为0.4 m/s。站点分布如图1 所示，图中水深基准面为平均海平面，位于水位零点上1.8 m。澳门水域除了路环岛大担角附近海域与夹马口外，水深一般不超过6 m，绝大部分区域水深都在4 m以下。等深线呈南北走向分布，大致与澳门东岸平行，海域堆积作用旺盛、水浅滩多。此外，9 月25——26 日在D015 与D140站位完成25 h潮流同步观测。

2.2 海水层化系数与上混合层深度

图1 2018年秋季澳门海域调查站位分布示意图

潮汐河口海岸的水体中，径流和海水之间的混合将会使水体在垂向上产生密度层化；由于湍流扩散作用，水体常常发生垂向紊动混合。层化与混合是潮汐河口海岸水体中重要的水动力过程，不仅决定了河口海岸水体的交换，还会对泥沙搬运、污染物扩散及水生生物分布产生重要影响。层化系数可按照式（1）进行计算[12]:

式中：N为盐度层化系数，ΔS为表底层盐（温）度差，S0为垂线平均盐（温）度。当N＞1.0 时河口为高度层化型，0.1＜N＜1.0 时河口为缓混合型，N＜0.1时河口为强混合型。

海洋中的混合层是海洋的上界面，直接与大气相接。海洋与大气的能量、动量和物质的交换主要通过混合层进行，因此海洋混合层研究在海气相互作用中占重要地位。常用来确定对应的上混合层深度的方法包括差值法、梯度法和曲率法。前两种方法通过计算温度或盐度的差值与梯度，并与给定阈值进行比较来推算混合层深度，具有较大的人为误差；曲率法则通过求温度或盐度随深度的二阶偏导来判断上混合层深度，该方法较差值法与梯度法更为客观，但是对噪声敏感[13-15]。本文采用具有一定抗噪性能的线性优化法[15]来确定混合层深度。

假设盐度剖面可以用Szi来表示离散数据，线性拟合第一个点z1到zk深度的盐度，实测数据与拟合值分别表示为（S1,S2,…,Sk）和（S1,S2,…,Sk），对应的均方根误差为：

下一步从zk深度往下选择n个点，利用以上线性关系计算拟合偏差的绝对值：

如果zk恰好在混合层内，则线性拟合能够很好地贴合数据点z1,z2,…,zk+n；更深的n个数据点拟合偏差绝对值E2(k)一般会比E1(k)小，因为各点观测数据和拟合数据间的差异可能相互抵消；若zk在混合层底部，则E2(k)较大，E1(k)较小；如果zk在混合层底部之下，E2(k)和E1(k)均较大。因此可以确定混合层深度的判定标准如下：

图2 线性优化法确定上混合层深度过程

以D015 为例确定混合层深度，计算过程如图2所示。其中a 为原始盐度剖面数据，b、c 和d 分别为计算的E1( k )、E2( k )和Q( k )剖面，n取3，判定的混合层深度为3.44 m。

3 结果与讨论

3.1 海水温盐平面特征

根据经验定义表层水深小于0.5 m，底层对应最大水深Hmax，中层水深为1/2 Hmax。澳门氹环岛表层温度介于22.54～25.58 ℃之间，各站平均温度为23.90 ℃；中层温度介于22.67～25.58 ℃之间，各站平均温度为23.97 ℃；底层温度介于23.03～25.56 ℃之间，平均温度为24.27 ℃。从表层至底层温度总体呈上升趋势，各层最高温度和最低温度的极差分别为3.04 ℃、2.91 ℃和2.53 ℃，有沿深变小的趋势。

调查区域位于珠江口西侧，其近岸海域的温度较高，尤其在澳门半岛东南与澳门离岛东侧海域有两条明显的热水舌向外海延伸。环岛存在温度高于外海区域的暖水带，该处等温线密集、温度梯度较大。这类海水性质差异较大的过渡带对河口区流场变化、物质迁移、沉积过程、离子的吸附和解吸过程等都有着重要影响。中层和表层温度平面分布特征基本一致，其中澳门半岛东南侧的高温水舌明显减弱，到达水体底部时已经基本消失；而澳门离岛东侧的高温水舌则随水深增加继续向东延伸，受其东南侧底部冷水侵入作用，宽度逐渐束窄（见图3）。

海水表层盐度介于3.15～20.53 之间，平均盐度为15.22；中层盐度介于2.19～23.19 之间，平均盐度为16.04；底层盐度介于2.5～30.08 之间，平均盐度为20.16。从表层至底层平均盐度值总体呈现上升趋势；表层、中层和底层盐度极差分别为17.38、21.00和27.58，随着深度的增加而增大。

调查区海水盐度的分布和变化主要受海流、径流以及沿岸冲淡水的影响。由图4 可见，各层盐度的平面分布有差异但又有共通之处。整体来看，澳门海区与珠江口海区的盐度分布和变化密切相关。珠江口海区盐度分布为口门外盐度高，变化小；口门内盐度低，变化较大。类似地，调查区各层盐度的分布特点表现为北低南高，东高西低。垂向上底层盐度较表层盐度更高，但是在汇流区垂向盐度较低且分布均匀，均低于5‰。主要原因是受到洪湾水道下泄径流作用，在观测期间涨潮流作用较弱。

3.2 海水层化与混合特征

图3 研究区温度平面分布图

图4 研究区盐度平面分布图

图5 研究区海水层化特征

澳门海域水温垂向差异较小，因此本文主要考虑盐度层化，其对应的层化系数如图5a所示。由图可见澳门离岛海域的南部与东部盐度层化系数大于0.5，较其他区域更高。这是由于该区域紧邻开阔海域，潮汐畅通，受径流和潮汐共同作用分层较明显。但是两者的温盐垂向分布形式不完全相同，并且东南向由于局部凸起的水下地形导致水流能量耗散较快，出现局部强混合区域。

总的来说观测位点的温盐垂向分布可以分为Ⅰ——Ⅳ4 种模式。以D015、D140、D124 和D017 为代表，各站的温盐垂向分布如图6 所示。东侧D015站位的温度和盐度跃层梯度较大，具有明显的3 层结构即上混合层、跃层与底部混合层，为Ⅰ类3层结构；南侧D140 站位具有相似的分层系数，但是其跃层梯度不明显，上混合层盐度均匀分布，拐点以下盐度随水深缓慢增大，为Ⅱ类双层结构；澳门离岛东南向的D124 站位虽然受到潮汐作用，但是湍流混合作用非常强，盐度随深度基本不变化，平均盐度为17‰，平均温度为23 ℃，为Ⅲ类强混合结构；澳门东岸D017 站位的海水盐度随深度变化而增大，温度随深度减小，垂向无分层，为Ⅳ类线性结构。各站位垂向结构分类布局如图5b所示。

影响河口水体层化的3个主要动力过程包括底层潮汐混合、径流掺混及风扰动。底层潮汐混合引起潮汐能量的不断向上层传递，破坏水体的分层稳定性；而径流携带较轻的淡水浮于较重的盐水上面，使水体向稳定层化方向发展；风应力的主要作用为引起水面扰动，能量不断向下层水体传递，导致分层不稳定[4]。三者的相对强弱决定温盐的垂向结构。与Qiu等[16]的结果对比，本文Ⅰ类3层垂向分布对应其B 型分布，在一年当中都可能存在。较厚的上混合层主要由海气界面浮力通量引起，同时该类温盐垂向结构的底层潮致混合效应一般，受底部摩擦作用具有一定厚度的下混合层，被限制在跃层之下。Ⅱ类双层结构则介于A-β 型与B 型分布之间，无明显的下混合层，潮汐作用较强，底部混合层与跃层趋于消失，在表层风作用下，发育一定厚度的上混合层。研究区缺乏实测风场与径流量数据，受资料限制。本文仅探讨两类温盐结构的潮致混合作用强弱及其对底层海水温盐的影响。底层潮汐混合对水体层化的贡献FT计算式为[17]：

式中：h为水深；ε为潮汐混合系数，取0.003 8；kb为底拖曳系数，取0.002 5；ρw为底层水体密度，根据海水状态方程计算得到；Ub为底层主流向流速。D015 与D140 站位分别对应Ⅰ类与Ⅱ类温盐结构，两者，对应的潮汐混合贡献时间序列如图7 所示。结果表明，澳门氹环岛东北向D015 站的潮汐混合作用整体小于东南侧D140 站位，Ⅱ类双层结构对应的潮致混合效应更强，不利于海水分层，动量不断向上传递，与前述推测吻合。

图6 温度与盐度垂向分布类型

图7 潮汐混合作用

表1 温盐垂向结构类型统计参数

温盐垂向结构分布特征的统计结果见表1。Ⅰ、Ⅱ类温盐垂向类型为分层结构，主要分布于紧邻开阔水域的东、南海域。整个澳门海域以Ⅰ类温盐结构为主；Ⅱ类数量仅为3 个，占比为10%，主要存在于澳门南部海域。由于面临南海，南海潮波可直接到达该区域，因此潮致混合效应较其他区域更强。两种类型都有明显的上混合层，混合层深度比（Hˉmix/Hˉmax）约为0．6，风力较强，但作用深度有限。Ⅲ、Ⅳ类为混合型结构，集中分布在主干道、澳门机场周边以及东南浅滩等近岸或水浅的区域。两处成因可能不同：主干道靠近上游，水体完全被径流控制；而东南浅滩由于地形抬高风力作用或可直接到达床底，强于径流的层化效应。总体而言，澳门海域水体垂向交换条件良好，温盐垂向结构以混合型居多。

范中亚等[18]计算发现除磨刀门外，珠江口各口门的大小潮混合差异均为较低水平，因此温盐垂向分布主要受潮汐涨落的变化，大小潮导致的差异较弱。而潮汐涨落对垂向分布的影响主要表现在潮汐剪切上，潮汐剪切对盐度层化影响较大。涨潮时水体混合良好，退潮时水体层化增强，潮汐应变将导致海水周期性层化[17]。潮汐应变只发生在底边界层[19]，因此Ⅰ、Ⅱ类温盐结构可随潮涨潮落相互转换，其上边界层厚度受潮汐影响相对较小。

4 结论

澳门氹环岛海区2018年温盐调查结果显示：近岸海域具有更高的温度，环岛存在温度高于外海区域的暖水带，温度梯度较大；澳门机场附近存在向外伸展的高温水舌；秋季澳门水道的海水混合强烈，主要受洪湾水道下泄径流作用，整体盐度较低。

温盐具有Ⅰ——Ⅳ4种典型的垂直结构类型。其中Ⅰ类具有明显的3层结构：上混合层、跃层与底部混合层，集中分布在紧邻开阔水域的东、南海域。Ⅱ类为双层结构，跃层梯度小，无明显底部混合层，水体潮致混合效应大于Ⅰ类，主要存在于澳门南部海域，毗邻南海。Ⅰ、Ⅱ类分层结构对应的上混合层深度比约为0.6，海气热量交换充分。Ⅲ、Ⅳ类结构为混合型结构，集中分布在主干道、澳门机场周边及东南浅滩等近岸水浅的区域。

总体来说，澳门水体层化系数低，以强混合和缓混合为主。水体垂向交换条件良好，对海气热传导、泥沙与营养物质通量的屏障作用微弱，利于大气复氧与水体自净。海水平流输运条件对水环境的影响仍有待进一步研究。