易侃，龔文平*

（1.中山大學(xué)海洋學(xué)院近岸海洋科技研究中心，廣東廣州 510275）

伶仃洋河口橫向環(huán)流

易侃1，龔文平1*

（1.中山大學(xué)海洋學(xué)院近岸海洋科技研究中心，廣東廣州 510275）

橫向環(huán)流存在于大多數(shù)河口中，在河口的動(dòng)量平衡和物質(zhì)輸運(yùn)過(guò)程中起著重要的作用，其形成的機(jī)制眾多。本文利用三維水動(dòng)力模型EFDC（Environmental Fluid Dynamics Code），結(jié)合1989年和2002年的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)伶仃洋河口進(jìn)行研究，得到了伶仃洋河口在洪季和枯季時(shí)期不同的水動(dòng)力和鹽度分布結(jié)構(gòu)。在文中選取了具有代表性的兩個(gè)斷面，針對(duì)洪枯季、大小潮以及漲落潮等不同時(shí)期的橫向流結(jié)構(gòu)和鹽度剖面分布特點(diǎn)進(jìn)行比較和分析。結(jié)果顯示，受局地的徑、潮流條件和地形約束影響，橫向環(huán)流結(jié)構(gòu)并不能充分形成，在不同的區(qū)域表現(xiàn)出截然不同的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。伶仃洋河口橫向環(huán)流主要是在徑、潮流與地形三者之間的相互作用下形成的，不同的區(qū)域的形成機(jī)制存在差異。綜合分析后，本文認(rèn)為伶仃洋河口的橫向環(huán)流在該區(qū)域的動(dòng)力過(guò)程中相對(duì)較為次要。

伶仃洋河口；EFDC模型；河口橫向環(huán)流；水動(dòng)力

1 引言

河口橫向環(huán)流作為河口地區(qū)特有的動(dòng)力過(guò)程，能夠影響河口縱向擴(kuò)散速率［1—3］，引起強(qiáng)烈的垂向混合［4］，造成泥沙的橫向輸運(yùn)［5］，以及調(diào)整動(dòng)量收支平衡［6］，對(duì)于河口地區(qū)的動(dòng)量和物質(zhì)輸運(yùn)具有十分重要的意義。已有的研究表明，橫向環(huán)流的形成機(jī)理大致可以歸納為以下幾種：（1）彎道效應(yīng)［4—6］；（2）地球偏轉(zhuǎn)的科氏力效應(yīng)［7］；（3）在高度分層且具有陡峭橫剖面的河口的邊界混合［7—8］；（4）縱向密度梯度的差異平流輸運(yùn)［6］；（5）風(fēng)驅(qū)動(dòng)作用［9］；（6）潮汐與河道橫剖面水深變化的相互作用［10］。在實(shí)際的河口中，橫向環(huán)流的形成常常是各種機(jī)理共同作用的結(jié)果，而在不同的河口系統(tǒng)中由不同的機(jī)理產(chǎn)生的橫向環(huán)流的動(dòng)力特征以及各機(jī)理相對(duì)重要性都存在很大的差異。相較于國(guó)外的研究成果而言，國(guó)內(nèi)針對(duì)河口橫向環(huán)流的研究十分有限。

珠江口伶仃洋為珠江三角洲內(nèi)最大的河口灣，其動(dòng)力條件與地形均十分復(fù)雜。在不同的季節(jié)（洪季與枯季）與不同的潮汐條件（大潮與小潮）下，河口的分層與混合發(fā)生著變化，同時(shí)河口的縱向環(huán)流也發(fā)生相應(yīng)的變化［11］。但橫向環(huán)流的變化如何，目前還鮮有研究。本文即針對(duì)這一研究空白，采用EFDC模型進(jìn)行數(shù)值模擬研究。在對(duì)模型進(jìn)行較充分的驗(yàn)證后，選取伶仃洋的不同斷面，研究不同季節(jié)、不同潮汐條件下斷面的橫向環(huán)流的變化，探討橫向環(huán)流的形成機(jī)制。

珠江口伶仃洋是位于珠江三角洲東南側(cè)，呈NNW－SSE向的喇叭形河口灣，也是華南最大的河口灣。伶仃洋地勢(shì)由灣頂向?yàn)晨趦A斜，水深由西向東遞增，整個(gè)伶仃洋河口形似漏斗。灣口外島嶼棋布。東江、北江以及西江帶來(lái)的大量的淡水和泥沙由虎門(mén)、蕉門(mén)、洪奇瀝和橫門(mén)4個(gè)口門(mén)匯入伶仃洋，其中除虎門(mén)為潮流優(yōu)勢(shì)型河口外，其他3個(gè)口門(mén)都為徑流優(yōu)勢(shì)型。伶仃洋水下地形表現(xiàn)出“三灘兩槽”的基本格局，由西向東依次為西灘、西槽、中灘、東槽以及東灘（圖1）。

圖1 伶仃洋河口平面示意圖Fig.1 The map of the Lingding Estuary

伶仃洋河口灣受潮流和徑流的相互作用，徑流年際變化不大，從北到南4個(gè)口門(mén)的年平均徑流量為1 910、1 790、663和1 158 m3／s［12］，總徑流量約1 741.1×108m3／a。洪、枯季流量變化較大，洪季的徑流量約占年徑流量的80%以上［13］。伶仃洋潮汐類型屬于不正規(guī)半日潮類型，平均潮差在1.1 m左右（橫門(mén)），潮差較小，潮差沿程逐漸增大，在灣頂最大可達(dá)3.7 m。由于伶仃洋的平均深度較淺，橫斷面較寬（7～40 km），且大于內(nèi)羅斯貝半徑（小于15 km），科氏力較為重要。在科氏力的作用下漲落潮流路分離，漲潮流主要從內(nèi)伶仃島東面的深槽入侵，加上珠江淡水入海的4個(gè)口門(mén)位于伶仃洋的西北，故東南部的鹽度比西北部高，東西橫向鹽度差最大可達(dá)20［14］。珠江徑流從西側(cè)注入和水流橫向密度差異等因素使得伶仃洋存在著由西向東傾斜的橫向水位比降，其水位差與潮汐漲落、潮流大小有關(guān)，最大值出現(xiàn)在潮流落急的前后［15］。

2 研究方法

2.1 資料

本文利用交通部廣州海上監(jiān)督局出版的1989年海圖以及中華人民共和國(guó)海事局出版的1998年海圖進(jìn)行數(shù)字化作為地形條件分別用于枯季和洪季的研究。在伶仃洋區(qū)域進(jìn)行了大量的現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)，由于1989年枯季與2002年洪季時(shí)觀測(cè)站位較多，且資料較為全面，在這里作為數(shù)據(jù)源，對(duì)模型加以驗(yàn)證，測(cè)站位置見(jiàn)圖1。

2.2 模型及計(jì)算條件

本文利用EFDC模型模擬伶仃洋河口的水動(dòng)力和鹽度輸運(yùn)過(guò)程。EFDC模型是由美國(guó)弗吉利亞海洋研究所（VIMS）的Hamrick開(kāi)發(fā)［16－17］。模型中水平方向采用正交曲線網(wǎng)格，垂向上采用sigma坐標(biāo)。對(duì)時(shí)間積分采用二階精度的三步蛙跳格式，并在一定時(shí)間間隔插以二步的歐拉格式，對(duì)平流項(xiàng)采取二階的迎風(fēng)格式。擴(kuò)散系數(shù)采用Mellor Yamada 2.5階的湍閉合模型進(jìn)行計(jì)算。

本文主要研究伶仃洋河口的水動(dòng)力過(guò)程，建立EFDC模型，為了使它能夠用于伶仃洋河口的多項(xiàng)問(wèn)題的研究，并且充分考慮鹽水入侵對(duì)河流上游的影響，因此計(jì)算區(qū)域的徑流邊界在伶仃洋河口的四大口門(mén)分別向上游延伸5～10 km不等，各支流岔口向上游延伸1～5 km不等。在水平方向上共81 081個(gè)網(wǎng)格單元，空間分辨率在橫向上平均為270 m，最小為20 m，縱向上平均為360 m，最小為16 m；垂向網(wǎng)格采用σ坐標(biāo)分為15層；時(shí)間步長(zhǎng)為10 s。模型網(wǎng)格如圖2所示，由于伶仃洋內(nèi)地形變化較大，我們分別采用1989年與1998年的地形進(jìn)行枯季與洪季的計(jì)算。邊界條件的給定（包括水位和鹽度）采用模型嵌套的方法，將包括整個(gè)珠三角的大模型的計(jì)算結(jié)果內(nèi)插到伶仃洋的開(kāi)邊界處，大模型在外海邊界的網(wǎng)格分辨率為10 km。在洪、枯季，上游的開(kāi)邊界條件利用西江的梧州、北江的石角、東江的博羅的實(shí)時(shí)流量序列，采用大模型計(jì)算所得。在本次模擬中，沒(méi)有考慮風(fēng)的影響?？菁镜挠?jì)算時(shí)間為1988年2月1日至3月31日，洪季的計(jì)算時(shí)間為2002年6月1日至7月31日。

圖2 研究區(qū)域枯季和洪季網(wǎng)格圖Fig.2 Model grid of the study area for the dry and flood season

3 模型驗(yàn)證

采用實(shí)際觀測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)模型進(jìn)行驗(yàn)證，枯季時(shí)為1988年3月初在伶仃洋進(jìn)行的定點(diǎn)觀測(cè)數(shù)據(jù)，共18個(gè)測(cè)站；洪季時(shí)為2002年6月在伶仃洋東西槽進(jìn)行的定點(diǎn)觀測(cè)，共12個(gè)站，觀測(cè)分別在大小潮期進(jìn)行，各站點(diǎn)的地理位置如圖1所示。本文中挑選具有代表性的站點(diǎn)將模型計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)值進(jìn)行比較，如圖3、4，圖中點(diǎn)線表示實(shí)測(cè)值，實(shí)線表示模擬值。

圖3 枯季大潮期間比對(duì)情況Fig.3 Model calibration during the spring tide in the dry season

圖4 洪季大潮期間對(duì)比情況Fig.4 Model calibration during the spring tide in the flood season

從對(duì)比的結(jié)果來(lái)看，枯季時(shí)模擬的水位、流速流向及鹽度與實(shí)測(cè)情況基本吻合。洪季時(shí)大潮期模擬的水位、流速流向與實(shí)測(cè)值比對(duì)結(jié)果良好，模擬的鹽度的量值和變化趨勢(shì)與實(shí)測(cè)情況較為一致。模型計(jì)算中還存在一定誤差，如枯季時(shí)流速的模擬值與實(shí)測(cè)值相比，還存在振幅與相位上的差別。由于伶仃洋的地形與邊界條件異常復(fù)雜，總體而言，本次模型模擬的結(jié)果與實(shí)測(cè)情況吻合良好，各變量在量值上和變化趨勢(shì)上都與實(shí)際情況基本一致，可以認(rèn)為，模擬的結(jié)果具有較高的可信度。

4 結(jié)果與分析

4.1 伶仃洋水動(dòng)力和鹽度分布特征

為更加直觀地了解伶仃洋的水動(dòng)力結(jié)構(gòu)及鹽分輸運(yùn)的特點(diǎn)，本文中選取了幾個(gè)有代表性的時(shí)刻，描述其垂向平均的流速和鹽度在整個(gè)伶仃洋河口的分布（圖5，圖6）。

模擬的結(jié)果顯示，伶仃洋河口的鹽度分布存在橫向差異，由于4個(gè)大口門(mén)的位置偏西，再加上科氏力的作用，上游來(lái)的徑流主要從西邊流入，由外海輸入的高鹽水在科氏力作用下向東偏移，形成鹽度東高西低的分布特征。水動(dòng)力在橫向上存在差異，深槽的流速大于淺灘，高鹽水主要沿深槽上溯，深槽的鹽度大于淺灘。等鹽度線基本上成東北—西南向排列，并且在東部沿著深槽處具有雙峰結(jié)構(gòu)。在枯季（圖5），鹽水入侵的距離較遠(yuǎn)，在4個(gè)口門(mén)處，鹽度在15～20之間，其中，虎門(mén)的鹽水入侵情況最為顯著，鹽度可達(dá)25?？菁敬笮〕逼陂g的鹽度分布也存在差異，在小潮期間，由于鹽度的分層加強(qiáng)，重力環(huán)流更為顯著，有利于底部的高鹽水入侵（未用圖顯示）。洪季時(shí)（見(jiàn)圖6），大量的徑流從4個(gè)口門(mén)注入伶仃洋，在河口的上段，內(nèi)伶仃島以北區(qū)域主要受淡水控制，鹽度整體偏低。在河口的下段，鹽度的分布同樣表現(xiàn)出東高西低，深槽高淺灘低的特征。

圖5 枯季大潮時(shí)期漲急（a）和落急（b）垂向平均的流速和鹽度分布圖Fig.5 The distribution of the vertically averaged current and salinity for the maximum flood tide（a）and the maximum ebb tide（b）during the spring tide in the dry season

伶仃洋地區(qū)的水動(dòng)力受到徑流和海洋相互作用的影響，同時(shí)受到地形的約束，因此十分復(fù)雜。漲潮時(shí)，由外海傳入的潮流在進(jìn)入伶仃洋后，由于地形的展寬以及科氏力的作用，在內(nèi)伶仃島處分成東西兩支，西分支沿著伶仃水道向北流動(dòng)，東分支與從香港暗士頓水道流入的潮流匯合后沿礬石水道上溯，最后兩股水流匯于川鼻水道，流入虎門(mén)內(nèi)。落潮時(shí)的流路相反。

4.2 伶仃洋橫向水流結(jié)構(gòu)

圖6 洪季大潮時(shí)期漲急（a）和落急（b）垂向平均流速和鹽度分布圖Fig.6 The distribution of the vertically averaged current and salinity for the maximum flood tide（a）and the maximum ebb tide（b）during the spring tide in the flood season

為了研究伶仃洋的橫向水流結(jié)構(gòu)特征，探討橫向環(huán)流的形成特點(diǎn)，在伶仃洋河口中選取了兩個(gè)具有代表性的橫剖面進(jìn)行研究，剖面的位置如圖1所示，C1表示剖面1，C2表示剖面2。橫剖面1位于虎門(mén)口門(mén)附近，該地區(qū)受虎門(mén)流入的徑流和外海傳入的潮流兩方面的影響較為顯著，且只有單個(gè)深槽。橫剖面2位于伶仃洋河口的中段，包括伶仃水道和礬石水道兩個(gè)深槽，并且橫向鹽度差異明顯。由于縱向水流主要沿深槽流動(dòng)，而伶仃洋中兩條深槽向北不斷輻聚，成“八”字形結(jié)構(gòu)，單一的橫剖面無(wú)法同時(shí)與兩條水槽垂直，由此得到的橫向流速分量實(shí)際上包含縱向流速投影到橫剖面所產(chǎn)生的誤差。為了減少這種誤差，剖面2并不是一條直線，而是由分別垂直于兩個(gè)深槽的折線組成。根據(jù)選取的橫剖面，得到不同時(shí)期的橫向水流結(jié)構(gòu)和鹽度分布的結(jié)構(gòu)（見(jiàn)圖7～10，圖中垂向流速放大100倍）。

在枯季（見(jiàn)圖7），由于鹽水入侵的距離較遠(yuǎn)，剖面1的鹽度較高，并且在漲落潮都表現(xiàn)出深槽鹽度高，淺灘鹽度低，底層鹽度高，表層鹽度低的特征。在小潮漲急時(shí)（見(jiàn)圖7a），鹽度垂向混合較好，在深槽的上部存在一個(gè)逆時(shí)針的橫向環(huán)流，其他區(qū)域的橫向流基本表現(xiàn)為從左右兩邊指向深槽，并且表底層的流速流向一致；在小潮落急時(shí)（見(jiàn)圖7b），鹽度在深槽處出現(xiàn)分層，在深槽的左上方存在一個(gè)順時(shí)針的橫向環(huán)流，在深槽的右邊，橫向水流指向右側(cè)淺灘，表底層流向一致?？菁敬蟪睗q急時(shí)期（見(jiàn)圖7c），鹽度的垂向混合增強(qiáng)，在深槽的右上方存在一個(gè)小的順時(shí)針的環(huán)流圈，其他區(qū)域橫向流速在表底層都由淺灘指向深槽；在大潮落急時(shí)（見(jiàn)圖7d），深槽的左上方存在順時(shí)針的橫向環(huán)流結(jié)構(gòu)，其他區(qū)域流向與漲潮時(shí)相反。在洪季小潮時(shí)期（見(jiàn)圖8a、8b），整個(gè)剖面1的鹽度基本為零，只在右邊界附近鹽度大于0.5，無(wú)論漲落潮時(shí)期，橫向流速在表底層基本一致，漲落潮流向相反，沒(méi)有發(fā)現(xiàn)橫向環(huán)流。在洪季大潮期（見(jiàn)圖8c、8d），鹽水入侵有所增強(qiáng)，在剖面1存在橫向的鹽度差異，在漲急時(shí)期在深槽的左上方存在逆時(shí)針的環(huán)流，而在落急時(shí)期，環(huán)流結(jié)構(gòu)消失，整個(gè)剖面的橫向水流流向基本一致，表現(xiàn)為從深槽指向淺灘。

橫剖面2的橫向動(dòng)力結(jié)構(gòu)與剖面1不同，在枯季（見(jiàn)圖9），鹽度的垂向混合強(qiáng)烈，表底層鹽度基本一致，表底層橫向流速流向也基本一致，在漲急時(shí)都指向西，落急時(shí)都指向東，在東槽左側(cè)的斜坡上一段小區(qū)域出現(xiàn)表底層相反的水流。洪季小潮時(shí)期（見(jiàn)圖10a、10b），高鹽度出現(xiàn)在深槽的底部，在淺灘區(qū)域鹽度混合充分。洪季小潮漲急時(shí)，在東槽存在一個(gè)順時(shí)針的橫向環(huán)流，在西槽的底層，圍繞著高鹽度區(qū)域也存在一個(gè)小的順時(shí)針環(huán)流；在落急時(shí)，環(huán)流結(jié)構(gòu)消失，表底層流向一致。在洪季大潮時(shí)期（見(jiàn)如圖10c、10d），鹽度的垂向混合增強(qiáng)，在漲急時(shí)，在深槽處同樣出現(xiàn)表底層流向相反的橫向水流結(jié)構(gòu)，而在落急時(shí)，表底層流向又重新恢復(fù)一致。

圖7 橫剖面1枯季小潮潮期間漲急（a）、落急（b）以及大潮期間漲急（c）和落急（d）橫向流速（矢量）和鹽度（等值線）分布圖Fig.7 The distribution of current（vector arrows）and salinity（contours）for the maximum flood（a），the maximum ebb（b）during the neap tide and the maximum flood（c），the maximum ebb（d）during the spring tide in the dry season in cross section 1

參照Lerczak和Rockwell［7］的研究方法，根據(jù)公式（1）將橫向流速的大小沿橫剖面平均得到的橫向流速振幅用來(lái)度量橫向流的大小：

式中，｜v｜是橫向流速v的絕對(duì)值，A是橫剖面的面積。從計(jì)算得到的不同時(shí)期的橫向流速振幅在一個(gè)潮周期內(nèi)的變化過(guò)程中（見(jiàn)圖11）可以看到，在枯季，剖面1的橫向水流的振幅在一個(gè)潮周期內(nèi)的變化沒(méi)有明顯的規(guī)律，并且大小潮時(shí)都在0.06 m／s左右，最大值達(dá)0.08 m／s。在洪季小潮期，剖面1的橫向水流的振幅變化呈周期性變化，在落潮期間出現(xiàn)最大值，可達(dá)0.075 m／s，最小值在漲潮期間（0.02 m／s）；在洪季大潮期，這種周期性的變化特征明顯減弱，橫向水流的振幅較小潮期更大，最大可達(dá)0.08 m／s，最小為0.03 m／s左右。剖面2的橫向流振幅相比于剖面1表現(xiàn)出完全不同的變化特征，無(wú)論是洪季大小潮還是枯季大小潮都具有明顯的周期性?？菁敬蟪睍r(shí)期的最大振幅為0.08 m／s，大于小潮時(shí)期（0.07 m／s）；洪季的情況則相反，小潮時(shí)期的振幅大于大潮時(shí)期，落潮時(shí)期的振幅大于漲潮期，然而變化的相位基本一致。

圖8 橫剖面1洪季小潮期間漲急（a）、落急（b）以及大潮期間漲急（c）和落急（d）橫向流速（矢量）和鹽度（等值線）分布圖Fig.8 The distribution of current（vector arrows）and salinity（contours）for the maximum flood（a），the maximum ebb（b）during the neap tide and the maximum flood（c），the maximum ebb（d）during the spring tide in the flood season in cross section 1

從剖面1和剖面2的模擬結(jié)果可以看到，由于伶仃洋復(fù)雜的地形和水動(dòng)力條件的影響，模擬得到的橫向環(huán)流的形成并不充分，只在剖面的局部區(qū)域出現(xiàn)環(huán)流結(jié)構(gòu)。在剖面的大部分區(qū)域，橫向水流在表底層流向一致，并且隨漲落潮變化。顯然，這些表底層流向一致的橫向流其實(shí)是縱向流沿剖面投影的分量，主要是由于潮流受地形的影響，流路發(fā)生變化。在剖面1，漲潮流隨著深槽向上游收縮變窄而向中間匯聚，流速投影在剖面1上，則產(chǎn)生表底層都指向深槽中間的橫向分量，落潮時(shí)結(jié)果相反。剖面2處，由于深槽的地形變化，潮流也會(huì)在剖面上投影出表底層流向一致的流速分量。橫向流速的振幅隨漲落潮變化的特征與縱向流速的變化特征相似，也可反映出其中的相關(guān)聯(lián)性。接下來(lái)，我們將通過(guò)對(duì)不同剖面中具有明顯橫向環(huán)流結(jié)構(gòu)的時(shí)段進(jìn)行研究分析，探究其形成的機(jī)制。

圖9 橫剖面2枯季小潮期間漲急（a）和落急（b）、大潮期間漲急（c）和落急（d）橫向流速（矢量）和鹽度（等值線）分布圖Fig.9 The distribution of current（vector arrows）and salinity（contours）for the maximum flood（a），the maximum ebb（b）during the neap tide and the maximum flood（c），the maximum ebb（d）during the spring tide in the dry season in cross section 2

圖10 橫剖面2洪季小潮期間漲急（a）和落急（b）、大潮期間漲急（c）和落急（d）橫向流速（矢量）和鹽度（等值線）分布圖Fig.10 The distribution of current（vector arrows）and salinity（contours）for the maximum flood（a），the maximum ebb（b）during the neap tide and the maximum flood（c），the maximum ebb（d）during the spring tide in the flood season in cross section 2

圖11 橫向流速振幅在潮周期內(nèi)從漲憩開(kāi)始隨時(shí)間變化過(guò)程圖Fig.11 The intertidal amplitude variation of the transverse velocity beginning from the high slack water

5 討論

如前所述，河口橫向環(huán)流主要的形成機(jī)制包括：彎道效應(yīng)，地轉(zhuǎn)偏向力，邊界層混合，差異對(duì)流，風(fēng)以及潮流與橫剖面地形相互作用等。其中，彎道效應(yīng)，地轉(zhuǎn)偏向力以及差異對(duì)流在充分混合的水流中能夠驅(qū)動(dòng)橫向環(huán)流［7］，而邊界層混合只有在鹽度分層較強(qiáng)的系統(tǒng)中才顯得重要［8］。本文研究的伶仃洋河口成喇叭形，且在模擬的過(guò)程中沒(méi)有考慮風(fēng)的因素，可排除彎道效應(yīng)和風(fēng)的影響。模擬的結(jié)果顯示，在枯季鹽度的垂向混合較充分，在洪季則為部分混合，不符合邊界混合機(jī)制形成的條件，且得到的環(huán)流結(jié)構(gòu)與該機(jī)制的結(jié)果不符，也可排除。

模擬結(jié)果中，剖面1的鹽度結(jié)構(gòu)在枯季的漲落潮都表現(xiàn)為深槽更大，并且在漲潮期間在深槽處形成的橫向環(huán)流的流向與差異對(duì)流產(chǎn)生的斜壓梯度力和地轉(zhuǎn)偏向力驅(qū)動(dòng)的橫向流方向相反，由此可以判斷斜壓梯度力和地轉(zhuǎn)偏向力也不是其最主要的驅(qū)動(dòng)力。已有的研究表明［7］，橫向動(dòng)量平衡方程中主要是橫向壓力梯度與垂向剪切擴(kuò)散之間的平衡，因此在垂向混合較強(qiáng)的河口，由差異對(duì)流產(chǎn)生的橫向流的大小滿足：

式中，g表示重力加速度，H表示河口的平均深度，Av表示垂向渦動(dòng)黏性系數(shù)，B表示河口寬度，Δρ（y）表示由差異對(duì)流引起的橫向密度差異，ρo表示平均密度。潮流的橫向剪切大小uy可表示成2Δu（y）／B作用在一個(gè)潮周期（σ－1）內(nèi)，σ表示半日潮頻率。由公式（2）可知，隨著河口的寬度增大，由差異對(duì)流產(chǎn)生的橫向流相應(yīng)減小。由此可見(jiàn)，在伶仃洋河口較寬闊的特征不利于橫向環(huán)流的形成。

在此，本文主要針對(duì)剖面1枯季小潮和剖面2洪季小潮期間這兩個(gè)橫向環(huán)流結(jié)構(gòu)較為顯著的時(shí)期進(jìn)行分析。研究區(qū)域的水流結(jié)構(gòu)在整個(gè)潮周期內(nèi)的變化過(guò)程（見(jiàn)圖12）顯示，枯季小潮時(shí)期剖面1的水流在淺灘和深槽出現(xiàn)漲落潮不對(duì)稱現(xiàn)象，深槽的漲落潮相對(duì)滯后；表底層也存在漲落潮不對(duì)稱的現(xiàn)象，表層由于受到徑流的影響，漲潮歷時(shí)短而落潮歷時(shí)長(zhǎng)。在落潮時(shí)期，深槽的水流向兩邊擴(kuò)散，淺灘的水流則向深槽匯聚；在漲潮時(shí)期則相反?？紤]到在表底層橫向流表現(xiàn)出流向基本一致的特點(diǎn)，可判定淺灘的橫向流主要是由潮流的漫灘和歸槽引起，深槽的橫向流則主要是由于槽道向陸收縮所致。

如前面求取橫向流振幅的方法一樣，求得橫向動(dòng)量方程中各項(xiàng)絕對(duì)值的面積平均值（〈｜φ｜〉，其中φ表示動(dòng)量方程中的任意項(xiàng)），由此來(lái)表示各動(dòng)量項(xiàng)在動(dòng)量平衡中的相對(duì)重要性，得到的各橫向動(dòng)量分量在潮周期內(nèi)的變化過(guò)程如圖13［7］，圖中Fu表示科氏力項(xiàng)，UVx表示縱向?qū)α黜?xiàng)，VVy＋WVz表示橫向?qū)α黜?xiàng)，Pay／ρo表示橫向正壓梯度，Pcy／ρo表示橫向斜壓梯度，AvVzz表示摩擦項(xiàng)。

圖12 剖面1枯季小潮（a）和剖面2洪季小潮（b）期間從漲憩開(kāi)始表層（淺色）和底層（深色）平面流在潮周期內(nèi)的變化過(guò)程Fig.12 The intertidal variation of plane flows for the surface layer（light color）and the bottom layer（dark）beginning from the high slack water during the neap tide in the dry season（a）and in the flood season（b）in cross section 1 and section 2

從結(jié)果（見(jiàn)圖13a）中可以看出，剖面1在枯季小潮時(shí)期整個(gè)潮周期內(nèi)基本上都是正壓梯度和斜壓梯度在動(dòng)量平衡中占主導(dǎo)作用，在漲急時(shí)，正壓梯度項(xiàng)〈｜Pay／ρo｜〉最大，斜壓梯度項(xiàng)〈｜Pcy／ρo｜〉和科氏力項(xiàng)〈｜Fu｜〉都相對(duì)較小。剖面1的水位在枯季小潮時(shí)期漲急時(shí)，表現(xiàn)出兩邊高，中間低，而在落急時(shí)則為西高東低（見(jiàn)圖14），由于從虎門(mén)河口流出的淡水主要位于剖面的西側(cè)，而外海傳入的潮流受到地轉(zhuǎn)偏向力的影響出現(xiàn)漲潮時(shí)偏東，因而導(dǎo)致漲潮時(shí)橫剖面的兩側(cè)水位較高，而落潮時(shí)西高東低。由此可見(jiàn)，由于徑流、潮流與地形的相互作用，在漲潮時(shí)，由于槽道向北收縮兩側(cè)的水流在正壓梯度力作用下向中間流動(dòng)，在深槽處兩股水流匯聚，由于東側(cè)的水位梯度較大，驅(qū)動(dòng)?xùn)|側(cè)的表層橫向流向西越過(guò)深槽，故在深槽的上端偏西的位置產(chǎn)生環(huán)流圈。落潮時(shí)，由于槽道向海方向變寬，水流沿槽道輻散，在深槽產(chǎn)生向兩側(cè)的橫向流分量，在表層，由于正壓梯度的作用，產(chǎn)生自西向東的橫向流，故在深槽的上層產(chǎn)生一個(gè)小的橫向環(huán)流。從圖13a可以看到，由于深槽的表底層潮汐相位的不一致，在轉(zhuǎn)流階段，同樣可以形成表底層流向不一致的橫向環(huán)流。

圖13 各動(dòng)量項(xiàng)的絕對(duì)值（10－4）沿面積平均從漲憩開(kāi)始在潮周期內(nèi)的變化過(guò)程Fig.13 The intertidal variation of the absolute value of momentum terms beginning from the high slack water

圖14 剖面1在枯季小潮漲急和落急的相對(duì)平均水位分布圖，圖中橫坐標(biāo)表示距剖面西邊界的距離Fig.14 The distribution of the relative average water level for the maximum flood and maximum ebb during the neap tide in the dry season in cross section 1，x axis denotes the distance from the western boundary of the cross section

剖面2在洪季小潮時(shí)期的結(jié)果（圖12b）與剖面1一樣，受徑流影響同樣存在淺灘與深槽漲落潮不一致以及深槽的表底層漲落潮不一致。在洪季小潮的漲急時(shí)期，縱向流速的分布（見(jiàn)圖15a）顯示中底層大，表層小的特點(diǎn)，而在落急時(shí)期（見(jiàn)圖15b）表層流速更大。通過(guò)與枯季時(shí)期漲急時(shí)的橫向水流結(jié)構(gòu)（見(jiàn)圖9a、9c）進(jìn)行比較后發(fā)現(xiàn)，在枯季時(shí)期，剖面2在漲急時(shí)橫向流整體指向西側(cè)，而在洪季，剖面2的橫向流分布（見(jiàn)圖10a、10c）表現(xiàn)出在剖面西側(cè)指向西，東側(cè)指向東，同時(shí)深槽底層指向西的特征。進(jìn)行動(dòng)量分析后發(fā)現(xiàn)，在整個(gè)潮周期內(nèi)，正壓梯度項(xiàng)〈｜Pay／ρo｜〉在整個(gè)潮周期內(nèi)在動(dòng)量平衡中占據(jù)主導(dǎo)地位，其變化的規(guī)律與橫向流振幅的變化規(guī)律基本一致，摩擦力項(xiàng)〈｜AvVzz｜〉變化趨勢(shì)與正壓梯度項(xiàng)基本一致，但在量值上較正壓梯度項(xiàng)小，主要在落潮時(shí)才起一定的作用，在漲潮期明顯減小，斜壓梯度項(xiàng)〈｜Pcy／ρo｜〉在整個(gè)潮周期內(nèi)都很小（圖13b）。由于剖面2的位置靠近口門(mén)，在漲潮時(shí)期，在剖面2的西北側(cè)（見(jiàn)圖7），從口門(mén)流出的大量徑流受到潮汐的頂托作用出現(xiàn)壅水現(xiàn)象，水位抬高，流速減小，由此形成的正壓梯度力促使?jié)q潮流向東偏轉(zhuǎn)，并且在之后提前進(jìn)入落潮階段，而在剖面2深槽底層的潮汐受影響較小，繼續(xù)沿河道上溯，形成指向西側(cè)的橫向流分量，由于表底層水流流向的不一致從而形成橫向環(huán)流。在洪季大潮期，隨著潮汐動(dòng)力的增強(qiáng)，在剖面2的東側(cè)深槽區(qū)的中底層，更多的橫向流開(kāi)始指向西側(cè)。

通過(guò)上述分析發(fā)現(xiàn)，無(wú)論是剖面1的枯季小潮時(shí)期還是剖面2的洪季小潮時(shí)期形成的橫向環(huán)流，都是徑流、潮汐以及地形三者共同作用的結(jié)果。橫向流在河口動(dòng)力的重要性的判定可以參照公式（3）［7］，當(dāng)橫向流能夠驅(qū)動(dòng)水質(zhì)點(diǎn)在一個(gè)潮周期內(nèi)運(yùn)動(dòng)的距離超過(guò)半個(gè)河道寬度時(shí)，便可認(rèn)為橫向流在河口動(dòng)力中是重要的，

式中，〈｜v｜〉表示橫向流速絕對(duì)值在橫剖面上的平均，σ表示半日潮頻率，B表示河道寬度。根據(jù)計(jì)算顯示，剖面1和剖面2的任何時(shí)刻，橫向輸送的規(guī)模都小于河口的半個(gè)寬度，可認(rèn)為橫向流在伶仃洋河口動(dòng)力中相對(duì)較為次要。

圖15 剖面2洪季小潮漲急（a）和落急時(shí)期（b）縱向流速分布圖，圖中等值線表示縱向流速，單位為m／sFig.15 The distribution of the vertical velocity for the maximum flood（a）and maximum ebb（b）during the neap tide in the flood season in cross section 2，and contours denote velocity with the unit of m／s

6 結(jié)論

（1）伶仃洋河口的地形變化，包括河口的向陸收縮以及槽道的彎曲等使得水流的流路復(fù)雜，影響橫向流的結(jié)構(gòu)，使其具有明顯的局地特征。

（2）在不同的徑流和潮汐條件下，伶仃洋河口的橫向流隨著漲落潮變化而變化，環(huán)流結(jié)構(gòu)只在部分時(shí)間存在，如剖面1的枯季時(shí)期以及剖面2的洪季小潮期的部分區(qū)域，總體上橫向流表現(xiàn)出表底層流向一致的特征。

（3）伶仃洋河口的橫向環(huán)流結(jié)構(gòu)與經(jīng)典的差異對(duì)流產(chǎn)生的斜壓驅(qū)動(dòng)以及地轉(zhuǎn)偏向力驅(qū)動(dòng)的環(huán)流結(jié)構(gòu)存在明顯的差異。經(jīng)研究分析，其形成機(jī)理主要是徑流、潮流以及地形三者之間的相互作用形成的，具有明顯的局地特征。

（4）伶仃洋內(nèi)的橫向環(huán)流相對(duì)較弱，在伶仃洋的河口動(dòng)力中較為次要。

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Lateral circulation in the Lingding Estuary

Yi Kan1，Gong Wenping1
（1.Center for Coastal Ocean Science and Technology Research，School of Marine Science，Sun Yat-sen University，Guangzhou 510275，China）

Lateral circulation，which can be generated in estuarine systems by a variety of mechanisms，plays an important role in the momentum balance and mass transport in estuaries.A three-dimensional hydrodynamic model（EFDC），combined with field measurement data in 1989 and 2002，is used to investigate the lateral circulation in the Lingding Estuary.The model have successfully reproduced the hydrodynamics and salinity distribution during the flood and dry seasons.Two cross-sectional profiles in two different regions are chosen to examine the lateral circulation and salinity dynamics in different periods.The results show that lateral circulation is poorly developed in the Lingding Estuary and features more local characteristics because of its special bathymetry and hydrodynamic conditions.The lateral circulationin the Lingding Estuary is generated by theinteraction among river flow，tidal currents and bathymetry，and the mechanisms in two sections are different.In this study，we conclude that lateral circulation is not significant for the dynamics of Lingding Estuary.

Lingding Estuary；EFDC model；lateral circulation；estuarine hydrodynamics

P731.2

A

0253-4193（2015）03-0001-14

，龔文平.伶仃洋河口橫向環(huán)流［J］.海洋學(xué)報(bào)，2015，37（3）：1—14，

10.3969／j.issn.0253-4193.2015.03.001

Yi Kan，Gong Wenping.Lateral circulation in the Lingding Estuary［J］.Haiyang Xuebao，2015，37（3）：1—14，doi：10.3969／j.issn.0253-4193.2015.03.001

2014-05-12；

2014-10-03。

國(guó)家自然科學(xué)基金（41061130542）。

易侃（1992—），男，江西省宜春市人，從事河口動(dòng)力學(xué)研究。E-mail：yikan302＠foxmail.com

*通信作者：龔文平。E-mail：gongwp＠m(xù)ail.sysu.edu.cn