防城港湾以西海域水体输运及其机制研究*

2022-02-09张继云

广西科学 2022年6期

陈波，张继云，韦聪

(广西科学院，广西近海海洋环境科学重点实验室，广西南宁 530007)

北部湾内充满着各种中尺度涡，水动力环境复杂，东部有琼州海峡外海水入流，西部有巨大的越南红河径流流入，南部有外海水进出。湾内环流系统同时受到东部琼州海峡外海水和湾内入海径流两大驱动因子的影响，南部外海水进出是补偿性的。然而，在以往众多的研究中，对北部湾环流结构有着不同的认识。传统的观点认为，北部湾环流受季风控制，冬季为逆时针环流，海水从海南岛西岸的莺歌海附近海域沿岸向北流，一支流向琼州海峡，一支转向西流，然后沿中国广西、越南沿岸流出；夏季则为顺时针环流，海水由越南沿岸北上进入湾内，至中国广西沿岸由西向流转为东向流，其中一支从琼州海峡流出，另一支沿海南岛西岸南下流出。近20年来许多研究表明，在北部湾，气旋涡常年占主导地位，潮流是广西沿岸最主要的水动力因素之一，余流则控制着水体的运移和交换，对水体中的物质稀释、扩散和输运起重要作用，尤其是近岸及港湾。所以，研究近岸水流运动形态对于近岸物质输运及变化趋势更有意义[1-4]。

防城港湾位于广西沿海的西段，地理环境复杂，湾东部为企沙半岛，西部为珍珠湾、北仑河口，湾口南部为开阔海域；白龙半岛向西南插入北部湾，将防城港湾分割成东、西两部分；以白龙半岛为界，东有拦门沙，西有浅滩；防城港湾及其邻近海域的水体输运受地形、风、外海水、河流冲淡水等影响，呈现复杂的态势。2003年，邱绍芳等[5]基于周日连续海流观测资料对防城港附近水流运动形态展开分析，认为广西沿岸入海河口的水体是以河流冲淡水作为补充与外海水混合形成的环流模式所控制，这种环流模式终年存在，且从东向西流动；西向流于每年春季开始形成，随着沿岸径流增加，冲淡水在岸边堆积产生正压作用，迫使沿岸水向西运动；之后，夏季西南季风盛行，西向流紧贴沿岸；冬季东北季风增强，西向流再度加强，不同的是，在靠近河口海湾处，由于水深变浅和地形效应，西向流形态发生变化。2018年，陈波等[6,7]利用2011年5月1日至2012年4月30日广西防城港白龙半岛附近S1站表、中、底3层剖面海流观测数据进行潮流、余流特征分析，从余流流向分级图中发现：正常天气期间，S1站表层余流流向为WSW向，中层以下流向为NE向，余流流速小于20 cm/s；台风影响期间，表层、中层、底层余流流向均为SW向，余流流速日平均值分别为40.0 cm/s、32.2 cm/s、20.7 cm/s，最大值达60.9 cm/s，风应力对余流起主要作用；夏季以WSW向流为主，这是由于夏季西南季风造成沿岸水堆积产生正压梯度力使水流往西南流；冬季以NE向流为主，这是该站周围特殊地形所致。余流流速大小、方向的变化与风、地形、补偿流有密切关系。

本文以S1站资料为基础，结合2021年夏季(7月)、2022年冬季(1月)的周日连续观测结果进行对比分析，对防城港湾及其邻近海域的季节性环流结构进行垂向研究，深入了解该港湾及其以西海域水体输运状况及机制，找出水体输运形成原因。这将对海洋污染物迁移与扩散影响、海洋生态环境保护、海水养殖生产等具有重要的现实意义，也可以为广西沿岸高精度潮流数值模拟提供验证资料。

1 资料来源与处理方法

1.1 观测资料来源

为了研究台风与北部湾增减水的关系，2011年郑斌鑫等[8]将单点ADCP声学多普勒海流剖面仪锚定于白龙尾南面10 m水深、距岸约1 km处进行连续一周年的海流观测(图1，S1站)。观测项目和时段见表1。其中水文观测采用座底方式，由底层向上进行观测，观测层厚为0.5 m。仪器在1 min内等时发射60个脉冲信号对海流进行观测，之后自动平均得到剖面各层次的海流数据。从剖面中选择水面以下1.0 m处以及距海底高度约1.5 m处的数据分别作为表、底层数据，选择表层、底层中间位置的数据作为中层数据，对表层、中层、底层3层数据进行分析。同时，结合2021年夏季(7月)、2022年冬季(1月)分别在防城港湾口及西面海域观测的4个周日海流资料观测站位为D1、D2、D3、D4，以及白龙半岛附近F1站2011年9月至2012年8月的风速、风向资料进行水文特征分析(图1)。

图1 观测站位位置

表1 观测项目和时段

1.2 资料处理方法

实测海流资料中包含3部分，即高频流(噪声部分)、潮流(周期性分量)和定常余流(准定常分量)。在分析资料时，首先通过AWAC声学多普勒海流剖面仪自带的ExploreP.exe软件对流速、流向原始数据进行高频滤波处理，将实测数据中的高频噪声成分基本滤掉，得到以潮流和定常余流为主的流动；然后再将上述得到的流动分解成东、北分量，并采用Lanczos余弦滤波器[9]对其分别进行滤波，得出实测海流中低频流动的部分，此滤波器的优点是对周期大于2 d的低频振动只有微小的减弱。本研究采用截止频率为1/25的海流连续记录，其中包括流速和流向。根据上述得到的流速、流向数据，再计算余流值，对表层、中层、底层逐时实测流速、流向进行分级统计，并分季度对余流做出一系列流玫瑰图，分析余流产生机制。

2 结果与分析

2.1 风速、风向

研究区域属亚热带过渡带季风区。对F1站10 m高度的一年风速、风向进行统计可知：该站年常风向为NNE向，其中冬、春两季常风向为NNE向，夏季为SW向，秋季为N向。年平均风速为3.20 m/s，冬季平均风速最大，为3.98 m/s；春、夏、秋3季分别为3.02 m/s、2.95 m/s、2.85 m/s。

2.2 S1站周年实测海流流速、流向特征

对S1站表层、中层、底层3层逐时实测流速、流向进行分级统计，并分季度对余流做出一系列流玫瑰图(图2-5)，可以看出，春、夏、秋、冬的流玫瑰图完全不同。冬季受反气旋式环流控制，水体输运主要为NE向；夏季受沿岸入海径流和气旋涡控制，水体输运主要为WSW向；春季、秋季表层水体输运为WSW向，中层以下水体输运为NE向。同时，由于观测点水浅(小于20 m)，表层流受风的影响比较明显。

(1)冬季(12月至次年1-2月)。

2011年12月至2012年2月为冬季，将这3个月的实测资料，按不同流速间隔分级，做成流玫瑰图。观测期间海面盛行东北季风，风向和风速相对稳定，风速为7-15 m/s；表层仍然对东北季风响应显著，表现为WSW向，而中层和底层的海流流向则表现为稳定的NE向，出现频率分别为18.4%和19.7%(图2)。

图2 冬季实测表层(a)、中层(b)、底层(c)余流流速、流向玫瑰图(2011.12-2012.02)

(2)春季(3-5月)。

2012年3月至5月为春季，观测期间表层、中层海流流向出现频率最多的方向为WSW向，分别为18.0%和15.5%；底层则为NE向，出现频率为12.7%(图3)。

图3 春季实测表层(a)、中层(b)、底层(c)余流流速、流向玫瑰图(2012.03-2012.05)

(3)夏季(6-8月)。

2012年6月至8月为夏季，观测期间海面盛行西南季风，风向和风速相对稳定，风速为3-7 m/s；表层仍然对西南季风响应显著，表现为NE向；表层、中层、底层海流流向出现频率最多的方向均为WSW向，分别为13.1%、18.2%和14.0%(图4)。

图4 夏季实测表层(a)、中层(b)、底层(c)余流流速、流向玫瑰图(2011.06-2011.08)

(4)秋季(9-11月)。

2011年9月至11月为秋季，其流玫瑰结构见图5，表层海流流向出现频率最多的方向为WSW向，为15.3%，中层、底层则为NE向，出现频率分别为13.6%和16.9%(图5)。

图5 秋季实测表层(a)、中层(b)、底层(c)余流流速、流向玫瑰图(2011.09-2011.11)

2.3 周日观测站实测海流流速、流向特征

为了进一步研究防城港湾邻近海域水体输运状况，2021年夏季(7月)、2022年冬季(1月)分别在防城港湾及以西海域布设了4个周日海流观测站进行25 h的同步连续观测(图1)。观测期间，夏季海面为偏南风，风速为3-5 m/s，冬季海面为东北风，风速为5-7 m/s。

从周日观测站实测海流观测结果(图6-9)看，夏季，观测点D1表层、底层余流为WSW向；观测点D2表层余流为NE-WSW向，底层余流为NE向；观测点D3表层、底层余流为NE向；观测点D4表层、底层为NE向。冬季，观测点D1表层余流为稳定的NE向，底层余流向较零乱；观测点D2表层、底层余流为NE向；观测点D3表层、底层余流为稳定的WSW向，观测站D4表层、底层余流为NE向。

2021年夏季(7月)、2022年冬季(1月)的周日观测资料分析结果表明，防城港湾以西海域水体输运趋势与历史同期冬、夏季观测资料分析结果基本一致。冬季余流流向为NE向，夏季余流流向为WSW向。尤其是接近S1站的D2站，无论是冬季或是夏季，余流方向均与历史同期观测资料分析的余流方向相同。湾口海域水体输运则与以西海域不同，冬季余流方向为WSW向，夏季余流方向为NE向。

图6 D1站夏季实测表层(a)、底层(b)和冬季表层(c)、底层(d)余流流速、流向玫瑰图

图7 D2站夏季实测表层(a)、底层(b)和冬季表层(c)、底层(d)余流流速、流向玫瑰图

图8 D3站夏季实测表层(a)、底层(b)和冬季表层(c)、底层(d)余流流速、流向玫瑰图

图9 D4站夏季实测表层(a)、底层(b)和冬季表层(c)、底层(d)余流流速、流向玫瑰图

3 水体输运形成机制分析

北部湾是一个半封闭的陆架浅海，西、北、东三面为陆地和岛屿，通过南部湾口和东部琼州海峡与南海相通。北部湾处于亚热带地区，季风特征明显，冬半年盛行东北季风，夏半年则盛行西南季风，东北季风期长于西南季风期。全年总降水量为1 100-1 700 mm，5-9月为雨季，雨量充沛，月平均降水量都在100 mm以上。湾内环流受琼州海峡西向流、地形、风、河流冲淡水等影响，呈现复杂态势，对北部湾内海水的长期输送起着重要作用[10]。

3.1 冬、夏季不同形式的环流对防城港湾邻近海域水体输运的响应

根据丁扬[11]数值计算结果分析，北部湾北部终年受气旋式和反气旋式两种不同形式的环流控制。正是这两种不同形式的环流，导致广西防城港湾邻近海域水体输运的复杂性。冬季，表层、中层、底层为NE向；夏季，表层、中层、底层则为WSW向；春季、秋季，表层为WSW向，底层则为NE向。水体输运形成自己的特点且有别于其他海湾。

(1)冬半年北部湾北部为反气旋式环流形式。

冬半年(10月至次年3月)，北部湾被横贯全域的气旋式环流占据。来自南部湾口的南海水，沿海南岛西侧向北，到20°30′ N 附近转向西，然后从距离海南海岸约100 km(约占海湾宽度1/3)处，折转向南流出湾口，从而形成与海南岛西部岸线近似平行的、弧状的、南北长250 km、东西宽约50 km的气旋式环流。在沿岸部分，受岬角地形影响，又产生众多涡旋。广西近海21° N以北的区域，从西向东分别被两个反气旋涡占据：一个是从北仑河口向东到北海的入海岬角处，东西尺度约100 km的大尺度反气旋涡，其形成与北海的入海岬角有关；另一个是铁山湾外一个只有20 km的小型反气旋涡。越南北部近海，从北仑河口向西南到红河口，基本被气旋涡和反气旋涡占据，中间以姑苏群岛作为分界，它们的形成与姑苏群岛的岬角地形有关。在冬半年6个月的时间中，环流中心的北缘基本在20°20′ N附近，即与琼州海峡的中心线一致；20°20′ N以北的广西近海，受来自琼州海峡东部南海水与广西沿海的入海径流控制；20°20′ N以南，来自南部湾口的南海水沿着北部湾60 m深槽，先是西北、然后东北流向海南岛洋浦的西缘，构成这个气旋环流的东界。

(2)夏半年北部湾北部为复杂结构气旋式环流形式。

夏半年(4-9月)，4-6月，南海水从北部湾南部湾口进入，经湾中心向西北运动，在19° N以北水域分别形成东部气旋涡、西部反气旋涡；到20° N附近，一部分水体开始做反气旋式运动，在海南岛西岸昌江-洋浦的西部深水区形成反气旋涡，只是5月，在反气旋涡上缘还有一个气旋涡存在。7-8月，由于西南风增强，北部湾北部仍然保持气旋涡与反气旋涡的东西对应结构；除了在海南岛西南部近岸有一个反气旋涡之外，在北部湾中部还有一个狭长的、尺度约200 km的气旋涡；受南向季风驱动，以越南红河为代表的入海径流沿着海岸向西北方向运动，到钦州湾南面转而向北流，形成反气旋涡。9月是过渡月，与8月的环流结构类似，但是在广西近海海域受单一反气旋涡控制，靠近海南岛一侧的反气旋环流也消失。

在冬半年反气旋式环流和夏半年气旋式环流的影响下，防城港湾及其邻近海域水体输运具有与其他海域不同的特点。冬季，受地形影响，西北部水域出现一个从北仑河口到防城港的反气旋式环流。从2011年的周年海流观测资料表层、中层、底层余流玫瑰图可以看出，表层受东北季风的影响，余流为WSW向，但中层和底层的余流则指向NE，特别是底层更加明显。表层与底层余流方向不同的主要原因是风应力，表层受风的控制，随着水深的增加，风应力对水体的作用迅速减小，中层和底层则受冬半年存在的反气旋式环流控制。除此之外，东部沿岸水持续向西流，引起外海底层水流向近岸加以补偿。2021年7月、2022年1月白龙半岛附近的D1站、D2站周日海流观测资料分析中，也同样证实冬季这个反气旋式环流影响的存在。夏季，这里受气旋式环流控制，同时西南季风和入海径流增强，观测点表层、中层、底层水体形成稳定的WSW向流动。上述观测结果与侍茂崇等[12]的分析结果基本相符。白龙半岛沿岸西南向流形成的原因，一是风的作用，夏季西南风向北岸吹刮，使得外海水在广西近岸堆积，岸边海平面高于远岸，按照地转流计算方法，由岸向外海面倾斜的正压效应将驱使沿岸水向西南方向流动；二是地形的作用，白龙半岛向西南插入北部湾，外海水在向白龙半岛移动时受阻，来自沿岸的入海径流与外海水相遇，外海水受到径流冲淡水冲击后，不得不改变原来的流动方向，故在白龙半岛西南处构成一个逆向流模式，受地形走向的制约，主流向发生了改变，从而由NE转向SW向流。

3.2 琼州海峡水向西输入对防城港湾邻近海域水体输运的贡献

琼州海峡是北部湾与东部南海水交换的重要通道。根据Shi等[13]实测资料研究结果，琼州海峡终年有一向西流，冬季和春季以0.2-0.4 Sv (Sv=106m3·s-1)向北部湾输入，夏季以0.1-0.2 Sv向北部湾输入。这对于北部湾季节性环流的形成有着不可忽视的作用。冬季，琼州海峡的月平均输入水量约为北部湾水量的1/30-1/15；夏季，琼州海峡西向平均输运水量约为北部湾水量的1/60-1/30。琼州海峡水体输送全年都是自东向西，冬季多于夏季，虽然水量不完全一致，但均是进入北部湾。琼州海峡东部南海水进入北部湾对广西近海环流有重要影响，即加强了北部湾北部气旋式环流的形成，产生较强的北部湾西岸北向沿岸流，促使低盐冲淡水向外海输运[14]。

受琼州海峡东部南海水输入的影响，广西近岸水从东向西流动，因此又称这股环流为西向沿岸流[15]。西向沿岸流于每年春季开始形成，随沿岸径流逐渐增强，冲淡水在岸边堆积产生正压作用，促使沿岸水向西运动。夏季(6-8月)，观测点水体自表至底层向WSW输运，这是因为夏季西南季风造成沿岸水的堆积产生正压梯度力使水体往西南向流。冬季(12月至次年2月)，由于受地形的影响，外海水在向岸推进过程中浅滩处水深突然变浅，受底摩擦作用的影响，水质点向前移动速度减慢，故该外海水仍基本停留在白龙半岛附近，向西推进的范围不大，加之冬季偏北季风强盛，入海径流减少，以河流冲淡水作为补充的西向风浪流大为减弱。所以，在东北季风作用下的离岸水与外海水在白龙半岛附近构成一个逆时针环流，正是这一环流模式改变了水体原来的流动方向，从而形成了观测点水体稳定的NE向流，且自表层至底层。春季开始，入海径流逐步加强，表层水体以与夏季相同的西南方向输运，而此时底层水作为补偿，需要向岸输运。因此，中层以下水体为稳定的NE向流。有所不同的是，在靠近河口海湾区域，由于水深变浅和地形效应，水流形态发生变化[16]。

从观测点的水体输运可以看出，在白龙半岛至北仑河口海域并未构成独立的环流系统，而是受以河流冲淡水作为补充的西向风浪流以及白龙半岛附近的混合环流影响所致。夏季，由于受到西南季风推进的影响，这股混合环流在靠近海岸时得到加强，从而形成NE -WSW与海岸平行的西向沿岸流。琼州海峡东部南海水的输入是维持西向沿岸流水体输运的重要基础。

3.3 风对防城港湾邻近海域水体输运的影响

北部湾处于热带和亚热带，季风特征明显，常风向以N向为主，S向次之。风向的季节性变化明显：冬半年盛行偏北风气流，风向以N向为主；夏半年盛行偏南风气流，风向以SW向为主。季风交替期间的风向多变，平均风速也较小。

F1站10 m高度的一年风速、风向的统计结果表明，该站年常风向为NNE向，其中，冬、春两季常风向为NNE向，夏季为SW向，秋季为N向。年平均风速为3.20 m/s，以冬季风速最大，为3.98 m/s，春、夏、秋3季平均风速为2.94 m/s。

从对应的S1站海流观测资料余流结果分析看出，冬、春、秋3季，表层流向为WSW向，中层及底层流向为NE向；夏季，表层、中层、底层流向均为WSW向。风对观测点S1站水体输运的影响，只是在冬季东北季风对表层水体输运的响应较为显著，余流流向呈西南向，但中层和底层的余流则指向东北，特别是底层更加明显。这与夏季余流方向相反，表明这里夏季是气旋式环流，与高劲松等[17,18]所得的冬季是反气旋环流的分析结果一致。也就是说，风对水体输运的影响是存在的，但不起主导作用。首先西南季风是不稳定和不持续的，在北部湾北部西南季风的平均风力比东北季风小，对气旋式环流的形成有其局限性[19]。

2021年夏季(7月)和2022年冬季(1月)，防城港湾及其以西海域4个周日连续海流观测结果同样证实风的影响是存在的，如夏季表层水体输运余流流向呈SW向是因为西南季风向岸推进产生正压梯度力使水体向西南输运(图6)，而冬季表层水体输运则取决于反气旋式环流的作用(图9)，但水体输运余流流向则呈NE向，说明风不起主导作用。