基于HYCOM的珠江口海域表层海流特征分析

刘庆东，宋 鹏

(交通运输部南海航海保障中心广州海事测绘中心，广东 广州 300111)

引 言

珠江出海口位于广东省南部，是三角洲河网和残留河口湾并存的河口，主要为黄茅海、磨刀门和伶仃洋三部分[1]，拥有虎门、蕉门、洪奇门、横门、磨刀门、鸡啼门、虎跳门和崖门等八大口门。珠江口海湾的外型为喇叭状，其中湾顶宽约4 km，湾口宽约30 km，经向长达72 km，水域总面积2 110 km2。

珠江口海域地形地貌呈现为典型的“三滩两槽”格局[2]，东和西槽为伶仃洋主要的泄洪纳潮通道，在河流和季风作用下，常年存在较为显著的西南向沿岸流[3]。珠江河口动力条件复杂，周边的沿岸流一直是学界的研究热点。应秩甫[4]认为珠江口到湛江湾海域有一股常年存在的向西沿岸流，逯玲燕等[3]认为珠江口沿岸流冬季以粤西方向扩展为主，而夏季则主要向粤东方向扩展；杨士瑛等[5]发现夏季珠江口以西的近岸流大部分时间向西运动。由此可见，目前关于珠江口附近的海流存在不同的观点，少有人系统性的阐述珠江口海域的海流特征。但是，鉴于海流对泥沙输运、营养物输移以及鱼类产卵等的重要影响，系统性阐明该海域的海流时空分布特征具有重要意义。因此，本文以HYCOM 提供的2019年全年表层海流数据为基础，利用数学统计及EOF分析方法，探究该海域海流的时空分布特征。

1 数据与方法

1.1 数据介绍

本次海流研究数据来自于HYCOM再分析数据(Hybrid Coordinate Ocean Model reanalysis data)，HYCOM模式是基于等密度面模式(MICOM)发展起来的[6-7]HYCOM弥补了MICOM模型垂向单一等密度坐标的不足，融合了sigma坐标和z坐标，建立起更加实用的混合动力型垂向坐标。其垂向混合坐标的特点，比较适合西北太平洋复杂的地形。模型采用了3DVAR(three dimensional variational scheme)系统对模式数据进行了同化分析。数据下载于：https://www.hycom.org，时间范围为2019年1月1日00时—12月31日23时，时间分辨率为3 h。研究区域为113°～114.5°E，21.5°～23°N，空间分辨率为1/12°×1/12°。使用的数据包括海流东西分量U和南北分量V，数据垂向分为40层，模型选取表层。同时，本文选取3个站位作为代表，直观的研究了不同区域一年期表层海流的运动情况。

1.2 研究方法

经验正交函数(Empirical Orthogonal Function，简称EOF)[8]分析，是一种多元统计方法，其原理是利用数据的方差，把数据中有用的信息集中到少数几个空间分布和时间序列上，从而反映要素场的时空变化。目前已在气象和气候研究领域得到非常广泛的应用[9-10]。特征向量对应的是空间样本，也称空间特征向量或者空间模态，在一定程度上反映了要素场的空间分布特点。

2 研究结果

2.1 海流分布特征

2.1.1 海流年均分布特征

本文对一年期的表层海流取均值，得到2019年珠江口海域表层海流分布状态(见图2)，由图可知：珠江口表层海域年均海流呈现自东向西向，且流速值东测小于西侧，最大年均值不超过0.5 m/s；珠江口门处年均海流较小，可忽略不计，表现为自口门向外海运动，经伶仃洋海域汇入自东向西的海流中。在此背景下，可知物质输运全年呈现西向扩散的情况。

图1 珠江口海域及其水深(单位：m)

图2 珠江口海域年均表层流速分布

三个代表站位(见图1)的表层海流年过程矢量曲线见图3，由图可知，三个站位的表层海流情况并不相同，H1站位全年表层海流基本上呈现出NNE—SSW走向，夏季期间为NNE走向，其余时间均为SSW走向，因此全年表现出SEE走向。H2和H3全年表层海流走向比较杂乱，冬季以SSW向为主，晚冬和春季呈现出偏北方向，夏季以偏N向为主，秋季开始转向SSW向，因此全年而言，H2和H3表层海流为W向。

图3 特征点表层海流的年过程矢量曲线

2.1.2 海流季节分布特征

本文分别计算了四个季节的表层海流均值情况，由图4可知，除了夏季外，珠江口海域周边海域表层海流的均值均呈现自东向西的走向，其中春季和秋季流速均值较小，冬季流速均值较大。夏季以珠江口门为界，西侧海流均值呈现出自东向西向，东侧海流均值呈现出自南向北并转向东北分布。整体而言，表层海流均值冬季最大，最大可达0.86 m/s，其余三个季节相差不大。

图4 珠江口海域四季海流均值分布

前人研究中[1-12]指出，在冬季中，南海西部构成一个大尺度、强盛的气旋式西边界流，这个边界流沿广东沿岸西行，顺海南岛沿岸南下，贯穿南海整个西边缘，具有流速不断加强、流幅不断扩大和流量不断增加的特点。夏季在西南季风的作用下，整个南海又为海盆尺度的反气旋环流所控制，近岸处形成一个自东向西、自南向北的海面压强梯度，在与海面风应力平衡的条件下，形成一个自南向北的沿岸流。在珠江口海域，珠江冲淡水部分向西运动，并不是传统的冬季向西、夏季向东的简单模式。本文研究结果和前人研究基本一致。但是考虑到HYCOM中并没有添加陆地水文因素，珠江口处冲淡水产生的流速未被考虑，因此该区域海流结果偏小。

2.2 海流的EOF分解

本文对研究海域的表层海流进行了EOF分解，得到前3个模态(见图5)，U分量前3个模态方差贡献率分别为93.43%、2.84%和1.11%，V方向3个空间模态方差贡献率分别为92.43%，3.08%和1.62%(见表1)。U和V分量的第一模态的方差贡献率大于其他模态，占主导地位，其余模态共享量较小。第一模态为南海北部的西边界流，为自东向西走向，其值与水深走势类似，表明了深水区西边界流较大；第二和第三模态均揭示了斜压流，但是其值有正有负，代表了其斜压流的方向并不一致。第一模态为零阶模态，体现了准定常流的特征，其余各模态为不同阶数的高阶模态，体现了海流的斜压特征。

表1 前3个模态的方差贡献率

图5 EOF分解得到的U方向(上)和V方向(下)各成分结果

3 讨论与结论

珠江口海域作为我国重要经济区域，其海流特征对该海域的自然环境、社会发展和生态保护具有重要意义。本文利用HYCOM提供的2019年全年表层海流数据，开展该海域表层海流特征分析，从分析结果看，本文研究结果和前人基本一致，珠江口海域存在明显的西边界流，而且从年均海流均值来看，珠江口海域表层流速均值呈现出自东向西加强的状态。

代表站计算结果显示，虽然研究区域整体上呈现出西向流，但是三个站位的表层海流情况并不相同，H1站位全年表层海流基本上呈现出NNE—SSW走向，夏季期间为NNE走向，其余时间均为SSW走向；H2和H3全年表层海流走向比较杂乱，冬季以SSW向为主，晚冬和春季呈现出偏北方向；夏季以偏N向为主，秋季开始转向SSW向。

利用EOF对研究区域表层海流的U和V方向进行分解，得到3个模态的分解结果，表明，研究区域以第一模态为主，U和V分量均占90%以上。第一模态为南海北部的西边界流，为自东向西走向，其值与水深走势类似；第二和第三模态均揭示了斜压流特性，但是其值有正有负，代表了其斜压流的方向并不一致。