陳宜展，楊 威，曹永港，劉長建，李銳祥

北部灣北部環(huán)流的季節(jié)特征

陳宜展，楊 威，曹永港，劉長建，李銳祥

（國家海洋局南海調查技術中心// 自然資源部海洋環(huán)境探測技術與應用重點實驗室，廣東 廣州 510300）

【目的】研究北部灣環(huán)流的季節(jié)變化特征。【方法】利用2017 – 2018年防城港近岸海域4個航次的海流實測資料，結合衛(wèi)星遙感海表溫度數(shù)據(jù)和HYCOM海流再分析數(shù)據(jù)，分析北部灣環(huán)流的季節(jié)變化?！窘Y果與結論】1）觀測期間余流方向與風向基本一致，表現(xiàn)出風海流特征；2）夏季北部灣北部存在高溫水團，余流受風生流和密度流的共同作用，密度流流速約為10 cm/s；3）4個季節(jié)北部灣均為逆時針環(huán)流形態(tài)，主要受潮致余流、風生流和密度流的影響；4）冬季北部灣海域總體呈逆時針環(huán)流，但在防城港以東至北海的外海海域出現(xiàn)順時針環(huán)流。

北部灣；環(huán)流；防城港；余流

北部灣（105°40′ – 110°00′ E，17°00′ – 21°30′ N）位于南海西北部，東臨雷州半島和海南島，北為廣西壯族自治區(qū)，西為越南，南邊以海南島鶯歌嘴與越南來角之間連線海域為界[1]。北部灣由南側灣口海域和東側瓊州海峽連接南海，屬于大陸架上的淺海灣，水下地形平坦，平均水深46 m，最大水深不超過100 m?！吨性胶献鞅辈繛澈Ｑ缶C合調查報告》認為，北部灣夏季為順時針環(huán)流，冬季為逆時針環(huán)流[2]。但莊敏芝等①莊敏芝, 季林綺, 林吉勝. 南海北部的風、浪、流．地質部南海地質調查指揮部綜合研究大隊內部資料. 廣州, 1981.采用《海洋調查資料》及《全國海洋綜合調查資料》繪制的南海北部海區(qū)夏半年（5 ~ 9月）和冬半年（10 ~ 2月）平均海流模式圖指出，北部灣海流夏季和冬季均為逆時針環(huán)流模式。部分學者還對北部灣環(huán)流進行了數(shù)值模擬計算。夏華永等[3]將Casulli差分格式引入三維海洋模型，并模擬北部灣的風生流和密度流，表明夏季北部灣雖受西南風影響，但灣內海水密度梯度產生一個氣旋型環(huán)流，且密度流明顯強于風生流。俎婷婷[4]用海洋模式Ecom-si對北部灣進行的數(shù)值診斷計算表明，北部灣夏季和冬季均為逆時針環(huán)流結構，但北部灣北部不能形成明顯潮余流結構，風海流僅在沿岸和表層達到與密度流一樣的量級。陳振華[5]以MASNUM模型為基礎建立北部灣高分辨率海洋環(huán)流模式，模擬北部灣不同季節(jié)環(huán)流結構，認為北部灣四季均為氣旋型環(huán)流結構，但不同季節(jié)動力因子差別較大，潮致環(huán)流是主要影響因素，春季和夏季密度流是次要影響因素，風的影響作用最弱；而在秋季和冬季，風是次要影響因素，密度流較弱。侍茂崇等[1]根據(jù)北部灣北部河流徑流量、海流和溫鹽觀測結果計算的1988、1989年北部灣環(huán)流特征表明，雖然北部灣夏、冬季總體是逆時針環(huán)流，但從防城港向西到北侖河口夏季是逆時針環(huán)流，冬季為順時針環(huán)流。

現(xiàn)有研究多認為北部灣海流四季均為逆時針環(huán)流，但對其動力因子的研究有一定差異。目前對北部灣的研究也多集中在夏季和冬季，對季風轉換期的春季和秋季研究不多，并且多根據(jù)歷史資料和數(shù)值模式進行分析，采用實測海流觀測數(shù)據(jù)進行研究的較少，使分析結論存在一定差異。筆者利用國家海洋局南海調查技術中心2017 — 2018年在北部灣北部防城港灣口航道和近海海域進行的4個航次6站點定點海流觀測資料，對實測海流剔除周期性潮流作用和高頻隨機信號，并計算得到余流。采用4個航次觀測期間的GHRSST OSTIA (Operational Sea Surface Temperature and Sea Ice Analysis) 海表溫度衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)和HYCOM海流再分析數(shù)據(jù)對北部灣海表溫度和流場進行分析，探討北部灣北部海域的潮流影響因素與季節(jié)性變化規(guī)律。

1 數(shù)據(jù)來源

1.1 定點海流觀測數(shù)據(jù)

北部灣北部定點海流觀測數(shù)據(jù)來源于2017―2018年在防城港近海海域進行的第1航次（2017年9月29日10時至次日11時）、第2航次（2017年12月5日13時至次日14時）、第3航次（2018年2月1日14時至次日15時）、第4航次（2018年4月8日12時至次日13時）大潮海流連續(xù)觀測資料。每航次布設6個觀測站點（圖1），每個站點連續(xù)觀測26 h，采用Seaguard RCM型海流計進行海流觀測。防城港灣口站點S3水深較淺，采用3點法進行觀測，分別為表層、0.6層及底層，其中為觀測時的實際水深，表層為水面以下0.5 m處，0.6層即是水深乘以0.6的海表下水深處，底層為海底以上0.5 m處。其他近海站點水深較深，采用6點法進行觀測，分別為表層，0.2、0.4、0.6、0.8層，底層。Seaguard RCM型海流計觀測要素為流速、流向和水深壓力，采樣頻率為10 s，時間間隔1 min，即每1 min采集10 s數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)平均處理，每1 min輸出1組數(shù)據(jù)。海流觀測為每層觀測3 min。

1.2 海表溫度衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)

所用GHRSST OSTIA (Operational Sea Surface Temperature and Sea Ice Analysis) 海表溫度衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)是全球海洋數(shù)據(jù)同化實驗（GODAE）高分辨率海表溫度（Group for High-resolution Sea Surface Temperature, GHRSST）項目提供的4個航次期間融合日平均海表溫度數(shù)據(jù)（http://apdrc. soest.hawaii.edu/las/v6/constrain?var=12591），資料水平分辨率為0.05°×0.05°。

1.3 HYCOM海流再分析數(shù)據(jù)

用HYCOM海流再分析數(shù)據(jù)對觀測期間北部灣流場結構進行分析，該數(shù)據(jù)是邁阿密大學和美國海軍研究實驗室合作的HYCOM模式同化數(shù)據(jù)資料。HYCOM是一個采用混合坐標的原始方程海洋模式，可根據(jù)不同的地形條件采用不同的垂向坐標系。在層化明顯的開放大洋采用等位勢密度坐標，在層化相對較弱的海洋混合層上層中采用坐標，在較淺水域使用地形坐標，在極淺水域則使用坐標系。該坐標系優(yōu)勢是在近表層和海岸附近淺水區(qū)域有更高的垂向分辨率，可很好地表達上層海洋物理特性[6]。資料水平分辨率為0.05°×0.05°。

圖1 防城港近海海域大潮觀測站位和水深

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

2 海流觀測結果分析

2.1 海流觀測期間風速、風向

根據(jù)防城港海洋站在各航次觀測期間風資料進行統(tǒng)計并繪制風矢量圖，統(tǒng)計結果見表1，風矢量圖見圖2。第1、2、3航次期間觀測海域盛行偏東北風，第4航次盛行偏西南風。第3航次風速最大，觀測期間最大風速達11.6 m/s，對應風向為18°。總體而言，各航次海況良好，適合海洋觀測。

表1 觀測期間的風速和風向

2.2 余流結果分析

余流通常指實測海流資料中扣除周期性潮流（天文潮）影響后，剩余部分流動（歐拉余流），其中包括潮汐余流、風海流和密度流等非周期性流動，可客觀反映觀測海域的海水輸運方向。觀測海流由以下部分組成：

total=tidal+r+′，

其中，total表示觀測海流，tidal表示潮流，′表示觀測海流出現(xiàn)的各種隨機高頻信號，r表示余流。利用各航次連續(xù)觀測的海流數(shù)據(jù)算得余流。

由表2 ~ 表5可得，觀測海區(qū)的余流介于0.1～21.4 cm/s，其中各站位各層余流大部分不大于10.0 cm/s。而各航次實測海流的最大流速分別為71.6、66.0、66.5、47.7 cm/s。說明調查海域的余流較小，潮流作用較強。

由圖2和圖3可知，第1、2、3航次觀測期間盛行東北風，調查海區(qū)的余流基本自東向西，由此推斷第1、2、3航次北部灣北部存在逆時針環(huán)流。第4航次主要為西南風，其次為北風，調查海區(qū)余流方向為偏東北至西南。第4航次風向變化較大，其中西南風占42%，偏北風占38%，偏西風占19%，余流方向變化也較大，在西南風影響下的余流流速為0.5～6.1 cm/s。調查海區(qū)海表層余流方向和風向基本一致，說明觀測期間余流明顯受到風的影響，觀測期間防城港近岸余流表現(xiàn)出風海流特征。

垂向上看，各航次觀測期間調查海區(qū)表層余流和底層余流方向并不一致，因為表層余流流向受季風影響，為保持質量守恒，中底層余流對表層流出海水進行補償。因此，底層余流流向與表層余流流向發(fā)生偏離。

第1航次的東北風風速比第3航次的風速小，但第1航次西向余流流速明顯大于第3航次的余流流速。說明觀測海域的余流不只受風的作用影響。

圖2 各航次觀測期間風矢量圖

表2 第1航次各站位各層余流統(tǒng)計

表3 第2航次各站位各層余流統(tǒng)計

表4 第3航次各站位各層余流統(tǒng)計

表5 第4航次各站位各層余流統(tǒng)計

3 北部灣北部環(huán)流的季節(jié)性特征

3.1 HYCOM海流再分析數(shù)據(jù)與定點海流觀測結果比較

本研究利用HYCOM海流再分析數(shù)據(jù)和海表溫度衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)（GHRSST）。為驗證觀測期間北部灣HYCOM海流再分析數(shù)據(jù)的可靠性，將各航次觀測期間防城港近岸觀測海域位置（108°28.8′E，21°26.4′N）的HYCOM海流再分析數(shù)據(jù)與表2 ~ 5各航次余流進行對比（表6）。

由表6可知，各航次觀測期間HYCOM海流再分析數(shù)據(jù)在定點觀測海域的流速為2.8 ~ 8.9 cm/s，與各航次余流大小基本一致，HYCOM海流再分析數(shù)據(jù)流向也在實測流向范圍內。HYCOM海流再分析數(shù)據(jù)在第1、第2和第3航次的海流流向偏西，也與定點海流觀測的余流流向一致。HYCOM海流再分析數(shù)據(jù)第4航次的海流流向偏北，而第4航次定點海流觀測的余流流向范圍較大，為東北至西南，HYCOM海流再分析數(shù)據(jù)僅可反映天氣瞬時變化較大狀況下流場的局部特征?？傮w而言，HYCOM海流再分析數(shù)據(jù)在空間結構上與各航次海流觀測結果極為相似。

3.2 各航次觀測期間北部灣環(huán)流結構和海表溫度

根據(jù)《中越合作-北部灣海洋綜合調查報告》[2]和侍茂崇等[1]對北部灣水文季節(jié)的劃分，北部灣水文的冬季為1 ~ 3月，春季為4 ~ 6月，夏季為7 ~ 9月，秋季為10 ~ 12月。因此，定點海流觀測的第1航次觀測期間為夏季，第2航次觀測期間為秋季，第3航次觀測期間為冬季，第4航次觀測期間為春季。

通過各航次海表溫度衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)的對比（圖4），第1航次北部灣北部海域水溫高，南部海域水溫低，溫差約1 ℃，余流自東向西運動最明顯。第2、3、4航次北部灣南部海域水溫高，北部海域水溫低，溫差為4 ~ 8 ℃，余流流速較小。說明當夏季北部灣北部海域形成高溫水團時，對北部灣北部沿岸海水自東向西運動有增強作用。

表6 各航次觀測期間防城港近岸位置的實測海流與HYCOM海流再分析數(shù)據(jù)對比

圖4 基于衛(wèi)星遙感和HYCOM同化資料的各航次期間北部灣的海表溫度和流場

夏華永等[3]認為，根據(jù)斜壓流體動力學，冷水團周邊易形成一個逆時針環(huán)流結構，北部灣的環(huán)流結構基本受制于灣中冷水團的存在，夏季北部灣環(huán)流的主導因素應該是密度梯度，而不是風應力。第1航次觀測期間的偏東風風速比第3航次小，第1航次西向余流流速最大為21.4 cm/s，第3航次西向余流流速最大為10.7 cm/s，鑒于北部灣環(huán)流主要受密度梯度、風應力和科氏力的作用，第1航次西向余流比第3航次更強主要由第1航次北部灣北部暖水團產生的密度梯度力作用所致，由此推斷北部灣北部的密度流流速約為10 cm/s。

春季是北部灣海域季風轉換期，海表溫度逐漸升高，越南沿岸出現(xiàn)低溫水團，密度流對環(huán)流的影響逐漸加強。根據(jù)1960年和1962年的水文統(tǒng)計資料，流入北部灣的河流徑流量94%位于西岸的越南一側，僅6%來自我國沿岸的河流[7]。第4航次觀測期間風向變化較大，東北風向西南風轉換，北部灣北部水深較淺海域主要受到風生流影響。北部灣西南部冷水水團周邊海流大致呈逆時針環(huán)流結構。

夏季，西南季風是不持續(xù)和不穩(wěn)定的[3]。北部灣環(huán)流結構總體為逆時針環(huán)流。從第1航次觀測期間的海表溫度和流場結構可見，瓊州海峽和海南島西南海域存在低溫高鹽水團，形成高密度區(qū)，南海海水經瓊州海峽進入北部灣向西北向輸運，北部灣北部海域海表溫度較高，越南沿岸由于河流沖淡水作用，鹽度梯度大，形成低密度區(qū)，這種密度分布所生成密度流導致北部灣形成逆時針環(huán)流結構[3]。

秋季，北部灣盛行東風和東北風，海表溫度逐漸降低，北部灣北部暖水水團消失，越南沿岸徑流量因枯季減小，密度流減弱。第2航次觀測期間北部灣海流系統(tǒng)主要為風生流，呈逆時針環(huán)流結構。

冬季，北部灣海表溫度從南到北逐漸降低，南部海水溫度較高，北部海水溫度較低。北部灣北部流場結構受到冷水水團作用。第3航次觀測期間盛行東北季風，北部灣環(huán)流主要受風影響大致呈逆時針形式。在北部灣北部防城港向西海域，HYCOM海流再分析資料的流場與定點海流觀測站點的余流方向一致，均為西向流，這與侍茂崇等[1]認為防城港到北侖河海域冬季出現(xiàn)順時針環(huán)流的觀點不一致。在防城港向東至北海的外海海域，位于兩個冷水水團之間，因斜壓作用產生順時針環(huán)流。

由圖4和以上分析可知，4個航次定點海流觀測期間北部灣流場均為逆時針環(huán)流結構。

4 結論

1）北部灣環(huán)流系統(tǒng)季節(jié)性特征為防城港近岸海域的余流介于0.1～21.4 cm/s，4個航次實測海流最大流速分別為71.6、66.0、66.5、47.7 cm/s，調查海域余流較小，潮流作用較強。4個航次調查期間，觀測海域表層余流的方向和風向基本一致，觀測期間余流明顯受到風的影響，觀測期間防城港近岸海域余流表現(xiàn)出風海流特征。中底層余流與表層余流方向不一致，觀測海域存在補償流。

2）觀測海域海流除風海流外，還受其他因素的明顯作用。在第1航次觀測期間，北部灣北部海高溫水團，對北部灣北部沿岸海水自東向西運動有增強作用。第1航次期間的余流受風生流和密度流的共同作用。密度流流速約為10 cm/s。

3）HYCOM海流再分析數(shù)據(jù)在空間結構上與各航次海流觀測結果極為相似。北部灣海流系統(tǒng)全年基本是逆時針結構。

4）冬季觀測期間，從防城港向東直至北海的外海海域位于兩個冷水水團之間，因斜壓作用出現(xiàn)順時針環(huán)流。

[1] 侍茂崇, 陳波, 丁揚, 等. 風對北部灣入海徑流擴散影響的研究[J]. 廣西科學, 2016, 23(6): 485-491.

[2] 中華人民共和國科學技術委員會海洋組海洋綜合調查辦公室．中越合作北部灣海洋綜合調查報告[R]．北京：中華人民共和國科學技術委員會, 1964．

[3] 夏華永, 李樹華, 侍茂崇. 北部灣三維風生流及密度流模擬[J]. 海洋學報, 2001, 23（6）：11-23.

[4] 俎婷婷. 北部灣環(huán)流及其機制的分析[D]. 青島：中國海洋大學, 2005.

[5] 陳振華. 北部灣環(huán)流季節(jié)變化的數(shù)值模擬與動力機制分析[D]. 青島：中國海洋大學, 2014.

[6] 陳俊堯, 杜巖, 張玉紅. 基于HYCOM和遙感資料研究障礙層在促進臺風海燕發(fā)展過程中的作用[J]. 熱帶海洋學報, 2015, 34(4): 23-30.

[7] 孫湘平. 中國近海區(qū)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

國家海洋局南海維權技術與應用重點實驗室開放基金重點項目（SCS1606）；國家海洋局南海分局海洋科學技術局長基金（180106）；水沙科學與水災害防治湖南省重點實驗室開放基金（2017SS04）

陳宜展（1984―），男，博士，工程師，研究方向為海洋調查、物理海洋。E-mail:chenyizhan@smst.gz.cn

陳宜展，楊威，曹永港，等. 北部灣北部環(huán)流的季節(jié)特征[J]. 廣東海洋大學學報，2020，40（4）：68-74.

（責任編輯：劉慶穎）