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Journal of Tropical Oceanography >

2025 , Vol. 44 >Issue 1: 108 - 121

DOI: https://doi.org/10.11978/2024042

Marine Hydrology

Summer hydrological variations during 2021-2023 in the Pearl River Estuary and its adjacent areas

  • GUO Shaojing , 1 ,
  • ZHANG Xiaobo 1 ,
  • CHANG Jinglong 1 ,
  • ZHANG Shouwen 1 ,
  • JI Xuanliang 2 ,
  • MIAO Runqiao 1 ,
  • LI Jiandong 1 ,
  • ZHU Xueming , 1
Expand
  • 1. School of Marine Sciences, Sun Yat-sen University, Southern Marine Science and Engineering Guangdong Laboratory (Zhuhai), Zhuhai 519082, China
  • 2. National Marine Environmental Forecasting Center, Ministry of Natural Resources, Beijing 100081, China
ZHU Xueming. email:

Copy editor: SUN Cuici

Received date: 2024-02-22

  Revised date: 2024-03-18

  Online published: 2024-05-10

Supported by

Southern Marine Science and Engineering Guangdong Laboratory (Zhuhai)(SML2023SP219)

National Natural Science Foundation of China(42176029)

Fold

Abstract

Using in-situ data collected by summer cruises during 2021−2023, summer hydrological variations and their influencing factors were studied. The results show that the summer temperature and salinity were charactered by northeast-southwest distribution pattern, while variations in values were significant during the investigation. Mean sea surface temperature (SST) was lowest in 2021 but highest in 2022. Bottom temperature was highest in 2021, but moderate in 2022 and lowest in 2023. Strong runoff caused a significant outward expansion of diluted waters, sea surface salinity (SSS) was strikingly lower in 2022 than those in 2021 and 2023. Bottom salinity was highest in 2023, moderate in 2021 and lower in 2022. Temperature and salinity variations in the middle and low layers were related to the passage of typhoons and invasion of shelf cold and saline water. Those vertical temperature and salinity observed after Typhoon Lupit passed in 2021 mixed homogeneously, weakening stratification. Bottom shelf water intruded into the Lingding Bay, forming a low-temperature zone and apparent salinity front. Middle and bottom temperature (salinity) decreased (increased) owing to the enhanced bottom shelf water intrusion in sequence in 2022 and 2023. In 2023, strong upwelling inhibited the expansion of diluted water seaward to increase SSS over the shelf higher than those in 2021 and 2022. Bottom temperature and salinity varied with the tide, in which the shoreward movement of cold and saline water tended to decrease temperature and increase salinity during flood tide, while the opposite occurred during ebb tide. The positive correlation between SST and air temperature suggested that SST varied with air temperature.

Key words： Pearl River Estuary; hydrology; spatiotemporal variations; shelf water; onshore wind

Cite this article

GUO Shaojing , ZHANG Xiaobo , CHANG Jinglong , ZHANG Shouwen , JI Xuanliang , MIAO Runqiao , LI Jiandong , ZHU Xueming . Summer hydrological variations during 2021-2023 in the Pearl River Estuary and its adjacent areas[J]. Journal of Tropical Oceanography, 2025 , 44(1) : 108 -121 . DOI: 10.11978/2024042

珠江由西江、北江和东江及许多其他局部河流组成。就流量而言, 珠江是中国第二大, 世界第十三大河流, 年平均径流量约为10524m3·s-1 (赵焕庭, 1990), 80%发生在洪季(4—9月), 20%发生在旱季(10月—翌年3月) (Zhai et al, 2005)。珠江有八大口门, 分为东四口门(虎门、蕉门、洪奇门和横门)和西四口门(磨刀门、鸡啼门、崖门和虎跳门)。在南海北部陆架形成典型的副热带三角洲河口, 即为珠江口(图1)。珠江口外形呈喇叭状, 湾顶宽约4km, 湾口宽约30km, 经向长达72km, 水域覆盖面积2110km2, 其内部岛群分布众多, 沿河口东西两岸拓展分布成三行排列的岛屿, 构成珠江口优越的自然屏障(林祖亨 等, 1996)。
图1 珠江地理位置和2021—2023年航次观测站位分布

基于国家测绘地理信息局标准地图服务网站下载的审图号GS粤(2023)1023号的标准地图制作; 虎门、蕉门、洪奇门和横门分别标记为HuM、JM、HQM和HM, 磨刀门、鸡啼门、崖门和虎跳门分别标记为MDM、JTM、YM和HTM; 等值线和插图填色表示水深, 左上内图中黑色点线为2021年台风Lupit路径, 其过境前后观测的站位分别用红色和紫色标记

Fig. 1 Map of the Pearl River and distribution of observed stations in the summer during 2021−2023. The contours and shading in the inset indicate water depth. The black dotted line in the inset represents track of Typhoon Lupit in 2021, and observed stations before and after Lupit passed are marked in red and purple circles, respectively

前人已利用珠江口及邻近海域现场调查资料进行了诸多研究, 对水文特征有了较好的认识(Dong et al, 2004; Mao et al, 2004; 杨威 等, 2011; 张燕 等, 2011; 章文 等, 2013; 宋晓飞 等, 2014; 陈希荣 等, 2018; 夏华永 等, 2018; 夏维 等, 2021)。Mao等(2004)通过分析1998年的潮流观测资料发现伶仃洋存在一个反气旋式环流, 西部主要受珠江径流的控制, 东部以高盐水为主导。夏季充沛的淡水覆盖着珠江口上层水体, 而近海陆架高盐水沿着东西深槽上溯, 从而形成了强盐度跃层和强水体层结(Dong et al, 2004; 杨威 等, 2011)。宋晓飞 等(2014)基于珠江口磨刀门水域长期水文气象资料分析表明盐水入侵同时受到潮位、径流、降雨、气温和风速等因素的共同影响, 但最直接、最明显的是径流和潮汐相互作用, 这与章文 等(2013)发现该水道盐度变化与潮汐过程在15d变化周期上显著相关的结论相吻合。夏维 等(2021)利用2018年5—7月大万山站、高栏站和珠海站的观测数据, 分析了各站水文变化及其与大气要素的关系, 海表面温度 (sea surface temperature, SST) 随气温变化, 但变化幅度比气温小。夏季, 西南季风驱动着珠江口陆架上升流, 并与冲淡水相互作用而影响着水文和生态的时空变化(Gan et al., 2009)。由此可见, 冲淡水、上升流和潮汐等多动力过程决定着珠江口及其邻近海域水文要素变化的时空变化, 因此要进一步认识这些变化过程, 就需要进行多次不同夏季的现场调查, 结合不同径流和上升流的情况分析水文时空变化的主要原因。
在珠江口沿海城市建设规模不断扩大、人类活动影响与全球气候变化的背景下, 持续开展珠江口及毗邻海域气象、水文、生物地球化学要素观测十分重要, 对相关海域水文和生态环境的监测与研究需求极为迫切。虽然关于珠江口及毗邻海域水文特征已经取得了丰富的成果, 但不同年份间夏季水文特征的时空变化及其影响过程的研究仍存在不足。本文拟基于2021—2023年夏季珠江口及毗邻海域的多学科现场调查资料, 阐明水文特征的时空变化及其影响因素, 将为珠江口水文环境的数值模拟和预报提供科学依据。

1 观测数据

南方海洋科学与工程广东省实验室(珠海)联合相关单位于2021—2023年夏季连续开展三次粤港澳大湾区海洋生物地球化学水体综合调查航次, 针对海洋水文、气象、海洋生物与生态、海洋化学等多学科展开全要素的大面调查, 具体观测站位如图1所示。2021年夏季航次执行时间为7月27日至8月8日, 设置24个观测站位, 观测期间恰逢热带风暴Lupit于8月2日在粤西近岸生成, 随后沿着陆架向东北方向移动, 在8月3日下午途经珠江口外海海域(图1), 最大风速15m·s-1, 该航次中珠江口及其西侧站位在台风Lupit过境前观测, 东侧站位则在其过境后观测。2022年夏季航次执行时间8月1日至8月8日, 设置28个观测站位; 2023年夏季航次执行时间为8月21日至8月27日, 设置28个站位。调查区域南北覆盖珠江口上游至陆架, 东西横跨黄茅海至担杆岛间海域, 垂直岸线方向连续3年布设3个断面(A、B和C), 其中断面B是珠江口主轴断面, 断面A和C分别位于珠江口外西侧和东侧, 这为分析珠江口及毗邻海域不同年份夏季水文变化特征提供了宝贵资料。航次调查期间, 采用温盐深记录仪(SBE55-25 plus conductivity-temperature-depth, CTD, 2021; SBE 911plus CTD, 2022和2023, SeaBird Scientific Inc.)获取海温、盐度、深度和水质剖面, 数据采集后按海鸟数据处理软件的标准程序滤除噪声, 以确保数据质量的真实可靠。经过处理和质量控制后的剖面数据垂向分辨率为1m。
2023年夏季航次期间, 于8月22日16时至8月26日15时在珠江口西侧近岸A2站布放了一套海床基设备, 该设备搭载CTD和声学多普勒流速剖面仪(acoustic doppler current profiler, ADCP), 可观测底层温盐深和流速, 此数据可用于探讨潮汐对温盐的影响。此外, 为了探究水文时空变化与气象要素的联系, 走航期间还使用自动气象站记录气象要素(风速、风向、空气温度、气压等)。

2 结果

2.1 海温的时空变化

2021—2023年夏季调查海域表层和底层海温的空间分布如图2所示, 相应的平均值如表1所示。2021年调查期间SST介于27.6~30.9℃之间, 平均为(29.4±1.1) ℃。台风Lupit在8月3日经过珠江口外海域, 其过境前观测的珠江口及其西侧SST明显较高, 最高SST(32.0℃)位于B1站。Lupit过境后珠江口东侧海域SST明显偏低, 最低值(27.6℃)位于B6站(图2a)。底层海温范围为21.6~30.3℃, 平均为(25.4±2.9) ℃, 底层海温等值线呈东北—西南走向, 海温向外海均匀递减, 口门东侧海温低于口门西侧; 伶仃洋海域底层海温等值线基本呈南北走向, 与SST分布形态存在明显差异(图2b)。
图2 2021—2023年夏季表层(a、c、e)和底层(b、d、f)海温空间分布

基于国家测绘地理信息局标准地图服务网站下载的审图号GS粤(2023)1023号的标准地图制作; 2021年三角形标记的站位是台风Lupit过境后观测站位

Fig. 2 Distribution of SST (a, c, e) and bottom temperature (b, d, f) in the summer during 2021−2023

表1 2021—2023年调查期间水文参数平均值及标准差

Tab. 1 Mean and standard deviation of hydrological parameters during investigations from 2021 to 2023

年份 海温/℃ 盐度/‰ 密度/(kg·m-3)
表层 底层 表层 底层 表层 底层
2021 29.4±1.1 25.4±2.9 24.7±8.5 31.1±5.6 1014.3±6.7 1020.4±5.1
2022 30.4±1.1 24.8±3.1 20.4±10.1 28.2±9.4 1010.7±7.4 1018.4±7.9
2023 29.6±0.8 23.1±2.1 28.4±7.1 33.2±3.4 1016.9±5.3 1022.7±3.1
2022年夏季珠江口海域SST范围为27.7~32.1℃, 平均(30.4±1.1)℃。从珠江口上游B1至伶仃洋SST逐渐降低, 大屿山岛附近B3和B4站呈现SST低值区, 分别为28.2℃和27.7℃。从伶仃洋向外海SST则有所升高, 最高SST位于A4站(图2c)。底层海温范围为21.1~30.1℃, 平均为(24.8±3.1)℃, 从口门向外海海温逐渐降低, 其变化较为均匀(图2d)。
2023年夏季调查海域SST在27.7~31.1℃之间变化, 平均为(29.6±0.8)℃。珠江口SST变化较小, 从上游至陆架先降低再升高。虎门和洪奇门下游SST较高, 最高站位为B1站。伶仃洋和珠江口外西侧存在明显低值区, 其中G2站SST最低, 为27.7℃(图2e), 表明两处海域可能存在明显的上升流。底层海温介于20.5至29.5℃之间, 由虎门—伶仃洋—陆架外海均匀递减, 陆架海域为外海底层冷水, 海温梯度较小(图2f)。
三次调查期间, 受高温径流以及陆地影响(林卫强 等, 2002; 夏维 等, 2021), 虎门下游SST均存在最高值, 并向伶仃洋递减。不同夏季调查期间SST变化较为显著, 2021年因受台风Lupit影响平均SST最低, 其次是2023年, 2022年平均SST最高(表1)。而底层海温分布特征基本一致, 皆呈现为自珠江口和近岸向陆架海域逐渐降低的趋势, 等温线分布较一致。2021年受台风影响底层海温较高, 2022和2023年依次减小(表1)。
图3给出了2021—2023年夏季调查期间断面A、B和C海温垂向分布。从图中可见, 2021年断面A及断面B的B0至B4站是在台风Lupit过境前观测, B5、B6站和断面C是Lupit过境后所观测, 因此断面间海温差异明显。断面A海温等值线几乎与海面平行, 海温层化明显(图3a)。断面B的B1至B4站存在明显的海温锋面, 29℃等温线从底层向外倾斜延伸至海表。台风Lupit过境后, B5和B6站因底层冷水向上混合导致表层海温降低(图3b)。断面C整体海温较低, 垂向海温梯度小、跃层不明显, 特别是C1和C2站底层冷水向上涌升接近表层, 海温明显下降(图3c), 可见该断面受台风影响显著。
图3 2021—2023年夏季断面A(a、d、g)、断面B(b、e、h)和断面C(c、f、i)海温垂向分布

Fig. 3 Temperature of Section A (a, d, g), Section B (b, e, h), and Section C (c, f, i) in the summer during 2021−2023

2022年调查期间断面A海温等值线由近岸向外海逐渐变深, SST最高超过31.5℃(图3d)。在断面B, B2至B4之间底层冷水由陆架上溯至河口, 然后向上涌升至表层, 形成低温中心(图3e), 表明该位置处存有明显的上升流现象。断面C海温等值线分布与断面A类似, 由近岸向外逐渐变深(图3f)。不同的是在C1站近表层(约5m)观测到了一个明显的逆温层, 这和2015年夏季在桂山群岛至担杆岛之间水域观测的逆温类似, 这可能是由于羽状流和潮汐运动过程中不同水团的水平运动导致的(Chen et al, 2019)。
2023年夏季断面A、B和C皆有明显层化现象。作为夏季西南季风驱动的离岸水体Ekman输运的补偿效应(曾淦宁 等, 2005; 朱佳 等, 2005), 断面A中A2至A4站间存在明显上升流, 底层冷水向上涌升形成低温区(图3g)。断面B中B3和B4站间底层冷水从陆架入侵后上涌至海表而形成低温区(图3h)。断面C海温等值线与2022年的类似, 但总体海温偏低, 29℃等温线在C1至C3站接近海面, 中下层冷水层比2022年厚(图3i)。
上述分析可见, 2021—2023年夏季调查期间3个断面海温变化显著。2022年表层海温总体高于其余两年, 其次是2023年, 最低是2021年, 而2023年中、底层海温明显低于前两年。

2.2 盐度的时空变化

2021—2023年夏季调查期间珠江口及毗邻海域表、底层盐度空间分布如图4所示, 相应平均值见表1。本文参考毛汉礼 等(1963)和伍伯瑜(1990)的研究结果, 将32‰等盐度线作为冲淡水扩展范围来分析不同年份冲淡水的变化。2021年夏季调查海域海表面盐度(sea surface salinity, SSS)范围为9.0‰~33.7‰, 平均值为(24.7±8.5)‰。SSS自虎门向口门外海域递增, 盐度梯度在B2和B3之间最大超过0.46‰·km-1, 可见此处锋面尤为明显(图4a)。SSS最低值位于虎门B1站, 最大值出现在台风过境后的B5站。底层盐度范围为14.5‰~34.8‰, 平均值为(31.1±5.6)‰, 底层盐度水平分布特征总体与表层一致, 但在伶仃洋海域有着明显差异, 盐度等值线呈南北走向, 西低东高(图4b)。
图4 2021—2023年夏季表层(a、c、e)和底层(b、d、f)盐度空间分布

基于国家测绘地理信息局标准地图服务网站下载的审图号GS粤(2023)1023号的标准地图制作

Fig. 4 Distribution of SSS (a, c, e) and bottom salinity (b, d, f) in the summer during 2021−2023

2022年调查海区SSS范围为2.5‰~31.3‰, 平均值为(20.4±10.1)‰。SSS自虎门向外海逐渐增加, 盐度等值线呈东北—西南走向(图4c)。最高SSS位于X2站, 最低SSS位于虎门下游B1站。底层盐度介于5.9‰~34.4‰之间, 平均值为(28.2±9.4)‰。底层盐度在伶仃洋至口门附近盐度变化较大, 陆架区底层盐度较为均(图4d)。
2023年调查海区SSS范围为2.5‰~33.3‰, 平均值为(28.4±7.1)‰。SSS自珠江口上游向外海域递增, 近岸盐度梯度显著。SSS最大值位于口门外西侧海域A3站, 最低值位于虎门下游B1站(图4e)。珠江口内SSS高于2022但低于2021年, 而陆架SSS为三年最高, 冲淡水范围明显小于前两年。底层盐度变化范围15.6‰~34.8‰, 平均值为(33.2±3.4)‰。底层盐度空间分布特征整体与表层一致, 伶仃洋和陆架底层盐度比2021和2022年明显偏高(图4f)。
2021—2023年夏季调查期间珠江口及毗邻海域断面A、B和C海水盐度垂向分布如图所示。2021年夏季断面A盐度等值线基本与海表面平行, 近岸表层盐度低, 跃层明显, 10m以下盐度基本不变(图5a)。断面B中B2和B3间存在明显盐度锋面(> 0.46‰·km-1), 盐度等值线自底向表和向外海倾斜, B4至B6站位盐度较高、变化小, 受台风Lupit影响在B5站底层形成高盐核(图5b)。同样是受台风Lupit影响, 断面C在C3站位水体混合均匀, 盐度明显偏高, 34‰等盐度线向上抬升明显(图5c)。
图5 2021—2023年夏季断面A(a、d、g)、断面B(b、e、h)和断面C(c、f、i)盐度垂向分布

Fig. 5 Salinity of section A (a, d, g), section B (b, e, h), and section C (c, f, i) in the summer during 2021−2023

2022年断面A中 A1站盐度低于20‰, 向外海5m以浅由冲淡水覆盖, 其中A2和A3间存在强盐度锋面, 最大约为2.91‰·km-1(图5d)。断面B中B1上层盐度低于5‰, B2至B3间的盐度锋面相对于2021年明显减弱。口门至外海域(B4至B7)盐度等值线趋于与海面平行, 冲淡水在约7~9m以浅延伸至陆架B7站(图5e)。断面C盐度在5~10m有明显层化, 10m以下盐度变化较小, 32‰等盐度线在6~8m之间, 说明该断面与断面A和B类似, 在一定程度上受冲淡水影响(图5f)。
2023年调查期间, 断面A中A1和A2站间表层受到冲淡水影响, 5m以下盐度梯度变小, A3至A6站上层盐度介于32~34‰之间, 由于陆架底层冷水向岸涌升, 34‰等盐度线自外海向近岸抬升, 于A3站抬升最明显, 这与海温相对应(图3g和图5g), 可见此处有显著的上升流运动。断面B中B1至B4站受冲淡水影响显著, 其中B2至B4间存在强盐度锋面, 最大超过0.85‰·km-1。B5至B7站之间上层盐度变化较小, 34‰等盐度线由陆架向河口入侵至B4站, 并于B5站上涌到9m(图5h)。断面C盐度较高且分布均匀, 等值线基本与海底平行(图5i)。
总体可见, 2021—2023年调查期间, 断面A受冲淡水影响范围均较小, 集中在近岸表层, 2022年冲淡水影响最强。断面B冲淡水影响在3个断面中最大。断面C盐度分布差异相对较大, 2021年受台风影响C3站盐度有明显高值, 而2022年较强的冲淡水覆盖5m以浅导致表层盐度较低, 2023年底层盐度总体偏高。

2.3 密度的时空变化

珠江口的海水密度水平分布(图6)和垂向分布(图7)特征主要由海温和盐度决定。空间上从珠江口口门向外海密度逐渐增大(图6), 垂向上由表层向底层递增(图7)。2021—2023年表层平均密度分别为(1014.3±6.7)、(1010.7±7.4)和(1016.9±5.3)kg·m-3, 底层平均密度分别为(1020.4±5.1)、(1018.4±7.9)和(1022.7±3.1)kg·m-3(表1)。总体来看, 密度在2022年最小, 2021、2023依次增大, 与盐度分布更为一致。
图6 2021—2023年夏季表层(a、c、e)和底层(b、d、f)密度空间分布

基于国家测绘地理信息局标准地图服务网站下载的审图号GS粤(2023)1023号的标准地图制作

Fig. 6 Distribution of sea surface (a, c, e) and bottom (b, d, f) density in the summer during 2021−2023

图7 2021—2023年夏季断面A(a、d、g)、断面B(b、e、h)和断面C(c、f、i)密度垂向分布

Fig. 7 Density of section A (a, d, g), section B (b, e, h), and section C (c, f, i) in the summer during 2021−2023

2.4 水团分析

由前述的温盐密分析可见, 从珠江口上游, 经口门至陆架海域水文特征变化显著, 水团特征明显。2021—2023年3个航次观测剖面的温盐(T—S)点聚图显示, 不同年份夏季水团属性总体一致, 主要水团可以分为珠江口上游的低盐珠江口水(Pearl River water, PRW, 28.5~31.5℃, 2‰~12‰),, 陆架高盐表层水(shelf surface water, SSW, 28~31℃, 32‰~34‰)和高盐底层水(bottom salinity water, BSW, 21~24℃, 33.5‰~34.5‰), 以及介于三者之间的混合过渡水团—河口冲淡水(estuarine diluted water, EDW, 26.5~31.5℃, 12‰~32‰), 以上水团顺次串联(图8)。
图8 2021—2023年夏季航次温度—盐度(T—S)点聚图

Fig. 8 T-S scatters for the summer investigation during 2021−2023

3 讨论

3.1 径流的影响

图9给出了夏季珠江口各年份与多年(2012—2023年)平均的日均径流量。可见, 2022年夏季日均径流量超过21 000m3·s-1, 比多年平均值高42.6%, 而2021和2023年较多年平均分别低45.1%和40.5%, 显著低于2022年径流量。2022年珠江冲淡水扩展范围大于其余两年, 表底层盐度均最低(表1), 冲淡水完全覆盖断面A、B和C, 厚度介于5~10 m。其次2023年珠江口SSS低于2021年, 表明2021年至2023年夏季径流量变化主导了不同年份间SSS的差异。然而, 底层盐度则是2023最高, 32‰和34‰等盐度线向口内延伸明显强于2021和2022年, 结合2023年底层温度最低, 表明底层温盐可能受陆架底层水入侵影响(曾淦宁 等, 2005; 朱佳 等, 2005)。
图9 2021—2023年和多年(2012—2023年)夏季平均日径流量

Fig. 9 Summer mean daily discharge during 2021−2023 and averaged by 2012−2023

3.2 风场和陆架流的影响

图10给出了2021—2023年调查期间走航风速、风向分布情况。可以看到2021年观测期间主要盛行西南季风, 风速介于5~12m·s-1, 香港岛附近海域风速较大, 超过10m·s-1, 这是因为台风Lupit沿着南海北部陆架运动所致(图10a)。2022年夏季观测期间(图10b), 从码头沿着黄茅海向外主要为偏东风, 风速在2~8m·s-1之间; 珠江口及邻近海域风速风向随时间和位置略有变化, 总体为西南季风, 珠江口风速介于4~7m·s-1, 东侧陆架海域风速较大(> 8m·s-1)。2023年, 除了在外海具有较强(8m·s-1)离岸风, 总体上盛行西南季风, 风速于2~8m·s-1之间波动(图10c)。
图10 2021—2023年走航观测风场的空间分布

基于国家测绘地理信息局标准地图服务网站下载的审图号GS粤(2023)1023号的标准地图制作

Fig. 10 Distribution of wind field in the summer investigation during 2021−2023

将笛卡尔直角坐标逆时针旋转30度, 把夏季西南季风分解为平行海岸风和垂直海岸风分量, 以便分析两个分量的风场对水文要素的影响。表2给出了表、中和底层海温和盐度与平行海岸风、垂直海岸风和气温的相关系数。2021—2023年夏季调查期间, 海温与垂直海岸风有较好负相关, 表、中、底层的相关系数均大于-0.4, 超过99%置信度, 而盐度与垂直海岸风呈正相关关系, 表层相关系数最高为0.42, 意味着垂直海岸的向岸风导致海温下降, 盐度升高。这一关系可能是因为向岸风可以将外海水体吹向近岸, 导致海温下降和盐度升高, 若盛行垂直离岸风, 则相反。理论上, 平行海岸风分量驱动着东北向的广东沿岸流, Ekman效应引起的上层离岸水体导致底层水向岸运动而形成上升流, 进而影响着中、底层的温盐分布。温盐和平行海岸风分量并没有显著的相关关系(置信度未通过90%), 这可能是瞬时风速并不能体现出上升流的缓慢运动。
表2 表、中和底层海温和盐度与平行海岸风(U′)、垂直海岸风(V′)和气温的相关系数

Tab. 2 Correlation coefficients between surface, middle and bottom temperature and salinity with along coastal winds (U′), vertical onshore winds (V′), and air temperature

海温 盐度
表层 中层 底层 表层 中层 底层
U′ - - - - - -
V′ -0.42 -0.46 -0.44 0.42 0.26 0.21
气温 0.36 -0.22 -0.31 0.40 0.38 0.38

注: “-”表示未通过90%显著性水平, 正常和加粗字体分别表示超过90%和95%显著性水平

为了进一步讨论温盐受风场的影响, 图11给出了观测前两周至观测结束时平均风应力及其旋度变化。2021年台风前后西南季风最大风应力约为0.016和0.114N·m-2, 引起的正风应力旋度在台风前后也有明显差异, 表明2021年台风“Lupit”前上升流较弱, 其过境后明显增强(图11a、b)。2022年平均偏南风引发了近岸较低的正风应力旋度, 而陆架主要为弱的负风应力旋度, 表明陆架垂向运动为弱下降流(图11c)。对比之下, 2023年强西南季风引起了较强的正风应力旋度, 说明上升流运动较强(图11d), 底层水入侵增强。除了2021年台风过境导致断面C温盐混合均匀, 海温显著下降, 盐度明显增大, 2021—2023年中底层温盐与底层水入侵强弱有较好的对应关系。2023年底层低温高盐水体上溯至伶仃洋海域, 各断面25℃等温度线和34‰等盐度线抬升明显, 与2022年的情况形成鲜明对比。2021年底层水体入侵强度介于2022和2023年之间, 因此尽管2021年珠江口SSS高于2023年, 但陆架SSS和底层盐度均明显低于2023年。由此表明, 不同观测期间陆架底层水体入侵强度和垂向运动主导着中、底层温盐的差异, 强上升流抑制2023年珠江口冲淡水向陆架扩散。
图11 2021—2023年夏季观测前两个星期至观测结束时平均风应力及其旋度变化

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Fig. 11 Wind stress and its curl averaged two weeks before to the end of investigation during 2021−2023

3.3 气温的影响

图12给出了2021—2023年调查期间走航观测气温分布。2021年气温在约27~32℃间变化, 特别是台风Lupit过境后, 珠江口东侧及返回码头航程上, 气温基本低于29℃, 最低接近26℃(图12a)。2022年气温在黄茅海及崖门水道较高(>31℃), 其次是外海气温在29~30℃范围变化, 而珠江口内气温基本低于29℃(图12b)。2023年气温在珠江口内较低(<29℃), 珠江口东西两侧及其外海气温整体高于前两年(图12c)。
图12 2021—2023年走航观测气温(a—c)的空间分布

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Fig. 12 Distribution of air temperature (a−c) in the summer during 2021−2023

SST和气温具有较好的正相关关系, 相关系数到达0.36, 说明SST随气温变化。2022年表现为弱下降流, 但断面B中B3至B4间SST出现低温中心, 说明低温对海表的冷却作用起到一定贡献。与基于定点浮标数据的分析结果一致(Chen et al, 2019; 夏维 等, 2021), 但由于航次观测时间较短, 相关系数比长时序数据计算所得值(夏维 等, 2021)偏小。另外, 值得注意的是, 中层海温与气温具有弱的负相关关系, 置信度超过90%, 往下至底层, 两者呈现负相关关系, 置信度超过95%, 以及水体盐度与气温均具有较高(> 0.38)正相关关系(表2), 这背后的联系可能需要更多观测资料深入分析与探讨。

3.4 潮汐的影响

从基于海床基搭载的CTD和ADCP观测结果(图13)可以看到, 该站位的潮汐为不规则半日潮, 潮差在0.5~1.5m之间, 底层潮流的涨急、落急发生在涨落潮中间时刻, 超过0.2m·s-1, 而在平潮或停潮时潮流最小且发生转向。温度从22日到24日振荡下降, 接着升高至25日12时, 随后又降低, 日变化幅度介于0.2~0.4℃; 盐度与温度的变化相反, 日变化幅度介于0.01~0.02‰。底层温盐随涨落潮而变化, 温度和盐度与水位的相关系数为分别为-0.40和0.41, 通过99%显著性水平, 说明涨潮时外海高盐冷水向岸运动导致温度下降、盐度升高, 退潮时则温度升高、盐度下降。瞬时站位观测分布在不同的潮位期间(图13), 然而该夏季观测期间温盐与潮位并无显著关系, 相关系数未通过90%显著性水平(图略)。 这可能是因为观测站位位置不同, 加上温盐不仅受到潮汐影响, 还会受到前述的径流、风场和气温等的影响, 因而瞬时观测温盐无法体现潮汐过程的影响, 后续或许可以结合数值模拟结果和长期定点观测资料开展更为深入的研究。
图13 2023年8月22日—26日海床基搭载CTD观测的水深、底层温盐以及ADCP观测的流速变化

站位观测时的潮位如灰色直线所示

Fig. 13 Time series of water depth, bottom temperature and salinity observed by CTD, as well as tidal current from August 22 to 26 observed by ADCP on seabed foundation

4 结论

本文利用2021—2023年夏季珠江口及毗邻海域现场调查资料, 分析了调查海域水文要素的时空变化及其影响因素, 主要得出以下结论:
1)2021—2023年夏季调查期间水文空间分布特征较一致。温盐等值线表现为NE—SW走向, 珠江口及其西侧高温低盐, 向珠江口东侧及陆架海域海温递减而盐度递增。
2)三次夏季调查期间的水文变化显著。2021年平均SST为三年最低, 2022年平均SST最高, 2023年介于前两年之间。SSS变化主要受径流控制, 2022年强径流导致珠江冲淡水向外海延伸范围最大, SSS明显低于2021和2023年, 2023年珠江口SSS比2021年低。底层海温在2021年较高, 2022和2023年依次减小, 底层盐度在2023年最高, 其次是2021年, 2022年最低。
3)中、底层温盐变化受台风过境及陆架低温高盐水入侵影响。观测期间陆架水上溯至伶仃洋, 在此形成低温区和显著盐度锋面。2021年台风过境后的B5、B6和断面C温度下降而盐度升高, 盐混合均匀, 层结减弱。2021年断面A陆架水入侵较弱, 中底层海温偏高盐度偏低, 2022和2023年陆架水体入侵依次增强, 中底层海温依次降低, 盐度依次偏高。2023年强上升流抑制珠江口冲淡水向陆架扩散, 导致陆架SSS高于前两年。
4)珠江口西侧近岸的定点观测表明温盐随涨落潮而变化, 温度(盐度)与水位存在显著的负(正)相关, 表明涨潮时外海高盐冷水向岸运动导致温度下降、盐度升高, 退潮时则反之。此外, SST与气温具有较好正相关关系, 随气温变化明显。

作者感谢各位匿名审稿人的专业建议和意见。海洋观测资料采集离不开全体科考人员和船员的辛勤付出, 在此对他们在2021—2023年夏季粤港澳大湾区海洋生物地球化学综合考察航次做出的贡献致以诚挚的谢意

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