2021, Vol. 45
文章信息
- 赵玉喜, 王珍岩. 2021.
- ZHAO Yu-xi, WANG Zhen-yan. 2021.
- 春季长江冲淡水在口门外海域逐月变化及其影响因素分析
- The monthly changes and its influencing factors of the Changjiang Diluted Water off the estuary in spring
- 海洋科学, 45(10): 81-92
- Marina Sciences, 45(10): 81-92.
- http://dx.doi.org/10.11759/hykx20210107002
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文章历史
- 收稿日期：2021-01-07
- 修回日期：2021-04-12
2. 中国科学院大学 北京 100049;
3. 青岛海洋科学与技术试点国家实验室 海洋矿产资源评价与探测技术功能实验室, 山东 青岛 266071;
4. 中国科学院 海洋大科学研究中心, 山东 青岛 266071
2. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China;
3. Laboratory for Marine Mineral Resources, Pilot National Laboratory for Marine Science and Technology(Qingdao), Qingdao 266071, China;
4. Center for Ocean Mega-Science, Chinese Academy of Sciences, Qingdao 266071, China
长江口濒临我国东部沿海经济发达地区, 受海陆相互作用影响强烈。巨量长江径流入海后与海水混合, 因密度较小而漂浮在海水之上, 呈羽状向外海扩展, 形成“长江冲淡水”[1-2], 一般以盐度5~31作为其影响范围, 盐度26作为其主体的界线值[3-4]。长江径流和口门外环流体系的相互作用导致长江口海域悬浮泥沙沉降和再悬浮等沉积过程十分复杂[5-6]。径流入海带来丰富的营养物质影响邻近海域浮游生物生长[7], 同时也带来大量的微塑料等污染物[8], 对长江口及其邻近海域生态环境产生重要影响。
长江冲淡水是楔入黄、东海的一个重要水团。冲淡水转向是影响其在口门外海域(以20 m等深线为界, 约122.5°E以东)扩展分布的关键过程, 随季节变化表现为两种典型的扩展路径: 冬季, 冲淡水贴岸南下, 与浙闽沿岸流衔接, 向南扩散[9]；夏季, 冲淡水主体出口门后转向东至东北, 直指济州岛海域[3]。长江口门外海域水文动力环境复杂, 冲淡水入海后扩展形态多变, 前人多采用数值模拟、涡度计算等理论研究方法探讨影响长江冲淡水扩散分布的环境动力因素[3, 10-13], 但目前各因素对冲淡水扩展路径及其形态的影响尚未得到统一认识, 而简化的环境动力过程分析所得结果也需更多的实际观测和多学科调查资料进行验证。
前人有关河口区长江冲淡水分布的调查多集中在冬、夏季节, 调查范围大多局限于口门附近海域, 缺乏对其冲出口门后在口门外海域分布和扩展过程的调查资料。春季是长江径流由枯季(11月—4月)转为洪季(5月—10月)的过渡季节, 此时长江冲淡水出口门后由顺岸南下逐渐转为向东或东北方向扩展, 其在口门外的分布是该海域环境动力因素综合作用的结果。本文利用2015年春季在长江口门外海域两条断面上开展逐月(4、5、6月)调查的实测资料, 刻画春季长江冲淡水在口门外海域的分布特征及其转向变化过程, 结合同期的多源动力环境观测数据, 通过现场资料探讨各动力因素对春季长江冲淡水在口门外海域分布的影响。该研究对于深入理解长江冲淡水在河口海域分布形态和扩展过程的控制机制以及相关数值模拟研究结果等具有重要的参考价值。
1 研究区域背景长江口海域濒临黄、东海交界处(图 1), 季风气候显著。长江来水、来沙量巨大, 多年(1950—2015年)平均径流量约8.931×1011 m3, 年平均输沙量3.68×108 t[14]。口门外海域为中等强度的正规半日潮, 平均潮差约2.7 m, 最大潮差可达5 m[15]。长江口外水文动力环境复杂, 主要由苏北沿岸流(Subei coastal current, SBCC)、长江冲淡水(Changjiang diluted water, CDW)以及台湾暖流(Taiwan warm current, TWC)等组成口外环流系统[16-17]。受季节变化的影响, 春、夏季台湾暖流可在深层越过长江口最远到达32°N附近[18-19], 而冬季较弱, 仅分布于28°N以南海域[20]。苏北沿岸流一年中大部分时间自江苏沿岸向东南流至长江口外[17], 据要津等[18]分析, 春季苏北沿岸流未对调查海域的水体结构造成显著影响。
依托中国科学院战略性先导科技专项的调查航次, 搭载“科学三号”、“北斗号”考察船对长江口附近海域进行综合环境调查, 获得2015年春季(4、5、6月)122.5°E和123°E经向断面(12250E断面和12300E断面；纬度范围30°00′N~32°30′N)连续三个月调查数据, 每条断面由6个站位构成(图 1)。本次调查使用SBE9/17plus型温盐深仪(CTD, Conductivity-Temperature-Depth, 美国SeaBird公司)及其附带的Seapoint浊度传感器对长江口外海域水体盐度(S)和浊度进行观测。因仪器故障, 6月份12300-6站CTD数据缺失。
长江径流量数据来源于2015年《长江流域及西南诸河水资源公报》[21]中提供的大通水文站实测资料。潮汐资料引自2015年国家海洋信息中心出版的《潮汐表》[22]中嵊山(122°48′E, 30°43′N)和长江口附近海域(122°19.1′E, 31°20.6′N; 水深5 m)两站的潮高和流速数据。海面风场资料来源于美国国家环境预测中心(NCEP, National Center for Environment Prediction)提供的矢量风场再分析数据, 其空间分辨率为2.5°×2.5°, 时间分辨率是6 h。本文提取调查期间研究区内(122.5°E~125°E, 30°N~32.5°N)风场数据, 分析其连续变化, 并与其他数据结合进行讨论。
3 结果 3.1 水文特征2015年春季长江口外水文调查结果显示(图 2): 4月, 12250E断面北部水体盐度垂向分布较为均匀, 海水混合特征较强, 12250-3站以南盐度整体 < 31, 以盐度值17为核心向两翼递增, 于12250-3站和12250-4站之间附近存在强烈的盐度锋面。5月, 12250E断面水文分布特征与4月相似, 但盐度值略有升高, 表层盐度最低约23, 盐度锋现象依然存在且向断面北部扩展。6月盐度分布特征与前两月差异较大, 水体呈强烈的层化现象, 在约10 m层附近出现盐度跃层, 由表及底从低盐(< 13)逐渐转变为高盐(> 33)。
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| 图 2 2015年春季长江口外海域盐度(S)分布 Fig. 2 Distributions of salinity off the Changjiang River estuary in spring 2015 |
12300E断面海底地形呈北高南低的特征, 断面中部存在一海底斜坡, 自南向北水深变浅。据调查数据分析: 4月份断面北部海水均匀混合程度较高, 上、下层水文特征较为一致, 盐度约32；断面南部盐度高于北部, 呈弱层化特征, 深层盐度最高 > 33。5月, 断面整体出现明显层化, 上层海水最低盐度值约27, 南部下层为高盐水体, 最高 > 34, 上、下层之间于20 m水深附近形成较强的盐度跃层。6月份, 盐度跃层现象更为强烈且抬升至10 m左右, 跃层以上为低盐(< 22)水体, 跃层以下盐度值(> 34)较高, 显示出深层高盐水持续向北扩展。
以上结果表明, 2015年春季长江口外海域两断面水体盐度分布存在显著差异。12250E断面盐度值整体相对偏低, 于12250-3站和12250-4站之间存在强烈的盐度锋现象, 在向夏季过渡的过程中锋面逐渐减弱, 水体层化增强；12300E断面盐度值相比12250E断面较高, 层化特征更为突出, 断面南部为高盐水体活动区, 呈自南向北逐月扩大的趋势, 存在较强的盐度跃层。
3.2 长江冲淡水的月际变化长江冲淡水分布范围广、厚度薄, 以低盐特征最为突出, 因此, 表层水体盐度可作为描述盐淡水分布的重要指标。根据前人研究结果[3, 23], 本文以31作为长江冲淡水的边界盐度值, 进一步分析春季长江冲淡水在口门外海域的分布特征及其转向变化过程。
调查数据显示(图 2): 4月, 长江冲淡水分布于12250-3号站以南海域, 直达海底, 冲淡水与北部高盐海水交界处存在强烈的盐度锋现象, 12300E断面只在南部表层出现极少盐度低于31的水体。至5月, 冲淡水已扩展至12250-3站以北, 盐度锋现象依然存在且范围向北扩展, 12300E断面15 m层以浅完全被长江冲淡水占据, 冲淡水分布范围显著增大。6月, 长江冲淡水主体(S < 26)已到达12300E断面, 低盐水体遍布两断面表层, 厚度较5月份变薄, 且呈现强烈的分层现象。值得注意的是, 12300E断面深层一直存在高盐水上涌的现象, 且范围逐月扩大(图 2), 以往研究表明[18, 24], 这是北上的台湾暖流爬升形成的上升流, 春季可越过长江口到达32°N以北海域。受其入侵影响, 下层水体盐度明显高于表层, 二者之间形成了强烈的盐度跃层, 改变了研究区的水体结构。
根据长江冲淡水主体(S < 26)在两断面表层的分布特征, 本文大致描述了2015年春季低盐冲淡水在口门外海域的扩展路径(图 3): 4月为冬末春初, 盐度值低于26的水体仅存在于12300E断面以西、12250-3站以南海域, 这意味着冲淡水仍保持冬季的转向特征, 出口门后迅速贴岸南下。5月, 12300E断面表层盐度低于31, 最低值< 27, 表明冲淡水已到达该断面, 但其主体仍位于12300E断面以西海域, 盐度分布反映出长江冲淡水发生明显转向, 表现为出口门后先向东南至12250-4站附近, 而后于122.5°E~ 123°E之间转向东北。到6月逐渐进入夏季, 冲淡水主体已经遍布两断面表层, 距口门最近的12250-3站表层盐度最低；冲淡水越过12250E断面后呈双向扩展, 分别于12300-2和12300-4号站附近存在两个低盐中心, 这表明冲淡水出口门后先以大团块直接向东而后出现分支, 主支转向东北, 另一支向东南(图 2)。据以上分析结果, 可以推断2015年春季冲淡水在口门外海域的扩展模式分为三种: 即4月份的顺岸南下型(冬季型)、5月份的东北转向型(过渡型)和6月份的双向分支型(夏季型)。
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| 图 3 调查站位表层盐度(S)特征 Fig. 3 Surface salinity of survey site 注: 箭头表示长江冲淡水转向 |
综上所述, 2015年春季长江冲淡水于5月份开始发生东北转向, 冲淡水在口门外的扩展范围呈逐月增大的变化规律, 主体最远可到达123°E以东海域, 厚度先增加后减薄。西侧近岸的12250E断面主要受长江冲淡水控制, 水体垂直混合较为均匀；东侧的12300E断面上、下层分别为长江冲淡水和台湾暖流水, 二者界面存在逐月强化的盐度跃层。
4 讨论 4.1 径流量对长江口外冲淡水分布的影响长江径流一般于每年5、6月份开始进入洪季, 冲淡水向东北的转向过程一般也发生在这一时期[4, 13, 25]。毛汉礼等[3]、乐肯堂[11]曾认为径流量的大小是控制冲淡水转向过程的主要因素: 当径流量较大时, 冲淡水发生向东北转向, 形成羽状流；径流量较小时, 冲淡水出口门后沿近岸海区向南流动。这一结论为早期学者根据射形流方程计算得知, 其中, “射流段”主要指冲淡水在浅水陆架海区扩散的主流路径[3, 26], 但冲淡水冲出口门后, 其远岸段受多种水文动力环境的综合作用, 形态复杂多变。
据长江水资源公报[21]记载, 多年来长江入海径流量处于波动中, 其中2015年春季4、5、6月份的大通水文站径流量分别为7.06×1010 m3、8.54×1010 m3和1.348×1011 m3 (图 4), 与往年相平且呈逐月增大趋势, 此时口门外海域冲淡水的扩展范围也逐月增大, 表层盐度随之降低(图 2, 图 3)。此外, 5月份径流流量(3.15×104 m3/s)远小于乐肯堂[11]提出的临界径流值(3.6×104~4.0×104 m3/s), 但冲淡水已经开始向东北扩展。以往研究中, 也有学者发现当长江径流量达到临界值时不发生转向[12-13], 而一些径流量较小的月份出现冲淡水转向的情况[13]。近年来多位学者对长江口外的数值模拟及遥感观测结果也同样证实, 长江径流量大小并非冲淡水转向的根本因素, 与口门外海域冲淡水的扩展路径及形态变化之间没有直接联系[27-28], 但其为冲淡水扩展范围和表层盐度变化的决定因素, 与本文观测结果相一致。
台湾暖流源自黑潮分支, 主要来源于台湾海峡以及台湾岛以东海域, 沿东海陆架向东北方向流动[29-30], 春季可在深层穿过长江口海域到达32°N以北, 影响至口门外长江冲淡水分布海域(图 2)。台湾暖流的温、盐特征值较为稳定, 温度约为16.5~23℃, 盐度值> 34[20]；而长江冲淡水因密度较低漂浮于深层海水之上, 其温度随环境发生变化, 盐度值低于31[3]。因此, 可根据盐度值将调查海域水体划分为长江冲淡水(S < 31)、受外海高盐水体影响的混合水(31 < S < 34)和台湾暖流水(S > 34)三类。
2015年春季台湾暖流水并未扩展至12250E断面, 仅沿12300E附近陆架区北上, 可在深层越过长江口到达其以北海域, 形成显著的上升流现象, 将下层高盐海水向上输送(图 2)。各站位盐度剖面图显示(图 5), 台湾暖流水仅存在于12300E断面30 m以深海域, 但受高盐海水入侵影响, 盐跃层以下已表现出台湾暖流的高盐特征[18]；长江冲淡水则位于表层0~15 m范围内且覆于台湾暖流深层水之上, 二者所在水层的深度相差较大。因此, 台湾暖流的北伸迫使冲淡水转向一说有待进一步考证[4, 12, 26]。另外, 比较春季三个月12300E断面冲淡水分布特征可看出(图 2), 随径流量增强, 5月份冲淡水厚度较4月份明显增加, 31等盐线位于20 m层附近, 跃层现象更为显著, 且随上升流涌升而抬升。然而, 6月份冲淡水的厚度却较5月份减薄, 31等盐线涌升至10 m水深处, 表明台湾暖流的增强不仅造成水体盐度值的升高, 还将跃层下界整体抬升至15 m以浅。因此, 春季台湾暖流虽并未直接作用于长江冲淡水的转向, 但其深层水的“顶托”作用, 明显抬升了跃层并抑制上层冲淡水的向下扩展。
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| 图 5 各站位盐度剖面 Fig. 5 Profiles of salinity at each sampling station |
我国沿海为季风气候, 季风是影响中国近海沿岸流盛衰变化的主要驱动因素[31]。长江口外海域5— 8月盛行偏南风, 其他各月盛行偏北风。长江冲淡水的转向与季风的变化相似, 在冬季和早春, 受西北季风影响, 黄、东海沿岸流整体向南运动, 长江冲淡水出口门后与之衔接, 一路南下；到晚春和夏季, 受东南季风影响, 沿岸流整体向北运动, 冲淡水出口门后也被“吹”向东北方向。因此, 很多学者认为风应力是控制冲淡水转向的主要因素之一[13, 32-33]。
2015年春季三个月份的平均风速分别为7.01 m/s、6.09 m/s和5.51 m/s, 整体呈逐月减弱趋势, 风向由北风逐渐转为南风(表 1)。在强烈的风搅拌作用下, 4月份海水混合程度较强, 盐度由表及底垂向分布均匀。在向夏季过渡的过程中, 5、6月份风速明显降低, 风混合作用减弱, 不足以破坏在上层低盐冲淡水与下层高盐台湾暖流水之间形成的强烈跃层, 导致上混合层厚度逐渐减薄, 无法搅动底部高盐海水向上扩散(图 5)。4月份风向以北风为主, 风速较高, 长江冲淡水出口门后随即转向南流动, 与浙闽沿岸流汇合；至5月份转为南风, 冲淡水由于惯性先向东南而后被“吹”往东北；6月份仍以南风为主, 由于风速低、径流量增大且受口门外羽状锋的阻挡[2, 34], 口门外海域冲淡水呈双向扩展状态, 主支仍向东北。由此可见, 风向变化与冲淡水的转向过程同步变化, 推断风场是控制冲淡水转向的决定性因素, 这一认识进一步验证了前人数值模拟结果的可靠性[10, 35]。
| 月份 | 风速/(m·s–1) | 风向 |
| 4月 | 7.01 | 北风为主 |
| 5月 | 6.09 | 南风为主 |
| 6月 | 5.51 | 南风为主 |
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| 图 6 调查期间(2015年)长江口外海域风场变化 Fig. 6 Changes of wind field near the Changjiang River Estuary during the investigation (2015) |
长江口为中等潮汐河口, 研究海域以正规的半日潮为主(图 7), 口门及邻近海域水动力变化受其影响显著[36-37]。强烈的潮混合作用导致海底表层沉积物再悬浮, 使深层水体浊度增大, 并伴随水体混合过程向海水表层扩散[6, 38]。Bian等[5]研究表明, 除极近岸地区外, 风浪引起的底部剪切应力远小于潮流引起的剪切力, 而依靠实测数据很难区分二者的作用。据4.3节讨论, 4月份风扰动较强, 水体垂直混合均匀, 风浪亦作用于表层沉积物；5、6月份风应力逐渐减弱, 风扰动形成的混合层仅存于跃层以上, 深层的水体扰动主要受潮混合作用影响。
长江口是大型开放海域, 潮汐、径流以及外海高盐水入侵等都会对海域水文环境产生影响, 难以通过水体盐度来定量分析冲淡水受潮汐影响的情况。前人研究表明[39], 随径流入海的悬浮泥沙大多在东海内陆架输运、沉降, 极少扩散到123°E以东海域, 因此12300E断面基本不受随径流入海的悬浮泥沙的直接影响。为更加清楚地了解春季潮汐变化是否影响冲淡水的垂向混合, 分别选取12300E断面相近站位在潮位相类似情况下的浊度剖面观测结果进行对比, 通过分析海底表层沉积物混合层厚度来判断各月潮混合强度。结果表明(表 2; 图 8): 在相近潮位相条件下, 4月份海水基本处于强混合状态, 浊度垂直分布较为均匀, 底层浓度略高于表层, 这是潮混合与风混合共同作用的结果；5、6月份深层浊度梯度明显较4月增大, 随潮混合作用的相对减弱(表 2), 近底层再悬浮泥沙向上扩散范围变小, 而上层冲淡水层的浊度分布较为均匀, 由此推断春季5、6月份潮混合基本未影响到表层。
| 月份 | 月均潮差/m | 月均流速/(cm·s–1) |
| 4月 | 2.54 | 82.64 |
| 5月 | 2.49 | 81.18 |
| 6月 | 2.46 | 80.38 |
潮汐过程分析显示, 当处于不同潮位相时, 潮混合强度存在差异, 落潮时潮混合层厚度20 m左右(图 8a), 低潮时潮混合层厚度可达30 m(图 8), 这表明低潮时流速大(图 7b), 潮混合作用更强。5月份各站位调查时(农历廿九—初三)的基本处于天文大潮期间(图 7), 表层沉积物扰动剧烈, 在相近潮位相情况下, 5月深层浊度明显高于4月和6月, 而较为强烈的水体混合也导致外海高盐海水上溯距离远[40], 12250E断面整体盐度值明显高于4、6月(图 2)。
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| 图 8 潮位相相近站位浊度分布 Fig. 8 Turbidity distribution in the same tidal phase at the same station |
本文利用2015年春季长江口外海域12250E断面和12300E断面逐月调查数据, 通过对水文数据进行分析, 研究了春季长江冲淡水出口门后的扩散特征及转向过程, 并对其影响因素进行讨论, 初步得到以下结论:
1) 2015年春季(4、5、6月)口门外海域长江冲淡水的扩展范围逐月扩大, 厚度先增加后减薄。冲淡水在口门外海域的转向可总结为三种模式: 4月份的顺岸南下型(冬季型)、5月份的东北转向型(过渡型)和6月份的双向分支型(夏季型)。
2) 长江径流和风场是春季长江口外海域冲淡水逐月变化的主要控制因素。径流量的逐月增长促进了长江冲淡水的扩展范围, 降低了表层水盐度, 而风向则控制冲淡水的转向。在风场和径流的共同作用下, 决定了春季长江冲淡水出口门后的扩散模式。
3) 春季台湾暖流深层水(上升流)沿12300E断面持续北上, 将下层高盐海水向上输运, 范围逐月扩大、涌升高度逐月变浅。下层台湾暖流水与上层冲淡水之间形成显著跃层, 抑制冲淡水向下扩散, 同时上升流的“顶托”作用使表层冲淡水厚度减小。
4) 春季潮混合过程难以影响至表层冲淡水层。潮流越大, 潮混合作用越强。5月份调查期间处于天文大潮, 水位波动变化剧烈, 外海高盐海水向陆上溯距离较远, 使12250E断面的盐度值整体呈现出比其他两月较高的特征。
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