張志欣 郭景松 喬方利① 劉又毓 郭炳火

(1. 國家海洋局第一海洋研究所 青島 266061; 2. 海洋國家實(shí)驗(yàn)室區(qū)域海洋動(dòng)力學(xué)與數(shù)值模擬功能實(shí)驗(yàn)室 青島 266235;3. 海洋環(huán)境科學(xué)與數(shù)值模擬國家海洋局重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 青島 266061; 4. 寧波市海洋與漁業(yè)研究所 寧波 315012)

江蘇近岸海域位于南黃海西部, 蘇北沿海平原東側(cè), 由北向南包括海州灣、廢黃河口、輻射沙洲與長江口北支口外海域(圖 1), 海岸線長達(dá) 954km。其中, 形態(tài)獨(dú)特的蘇北淺灘輻射沙洲在江蘇岸外水深30m以淺地區(qū)呈扇形向外海輻射, 由線狀潮流沙脊和脊間溝槽共同組成。江蘇境內(nèi)的新沂河、灌河、灌溉總渠、射陽河等大中型入海河流多集中在江蘇北部。

蘇北沿岸水分布在海州灣至長江口以北的江蘇近岸海域。蘇北沿岸區(qū)水深淺、潮流混合強(qiáng), 故沿岸水所占深度幾乎從海面至海底(孫湘平, 2006; 秦毅,2009)。蘇北沿岸流通常被認(rèn)為常年向東南方向輸運(yùn)(鄒娥梅等, 1999; 郭炳火等, 2005)。但林錫藩等(1979)指出蘇北沿岸流在夏季還有北流的趨勢。王輝(1996)基于拉格朗日觀點(diǎn)建立的陸架淺海環(huán)流模式, 數(shù)值模擬顯示蘇北淺灘附近海域存在沿岸北上的流動(dòng);Xia等(2006)數(shù)值模擬結(jié)果顯示在夏季風(fēng)驅(qū)動(dòng)下黃海西部表層(0—4m)水體整體大致沿岸北上。2008年 5月底至7月初, 黃海滸苔大規(guī)模爆發(fā), 并在青島外海大量聚集(Lü et al, 2008; Zhang et al, 2015; Xu et al,2016), 對(duì)青島奧帆賽場和青島市沿海景觀影響很大。這一事件引起了世界媒體包括海洋科學(xué)界的高度關(guān)注。目前研究普遍認(rèn)為黃海綠潮起源于江蘇沿岸(Ye et al, 2008; Liu et al, 2009; 喬方利等, 2011; 邢前國等, 2011; Xu et al, 2014; Xing et al, 2015)。Yuan 等(2008)分析 MODIS衛(wèi)星圖像注意到蘇北沿岸夏季存在著北向的流動(dòng), 劉志亮等(2009)依據(jù) 2003年魯南海槽深水處的一個(gè)定點(diǎn)潛標(biāo)資料推斷出蘇北沿岸流夏季向北流 動(dòng) 。李 峣 (2010)使用Argos表層漂流浮標(biāo)等資料分析顯示夏季江蘇沿岸海流受風(fēng)驅(qū)動(dòng)向北流動(dòng), 支持 Xia等(2006)的數(shù)值模擬結(jié)果。江蘇近海各水層懸浮物、營養(yǎng)鹽高值區(qū)也呈現(xiàn)出東北向(北向)擴(kuò)展趨勢, 漂流瓶實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步表明江蘇沿岸海域存在著北向流動(dòng)(韋欽勝等, 2012, 2013)。

受近年黃海滸苔生態(tài)災(zāi)害事件的影響, 關(guān)于蘇北沿岸水夏季在近岸海域的去向引起眾多學(xué)者的關(guān)注, 但有一個(gè)問題仍不清楚: 蘇北沿岸水的低鹽水來自哪里？通常認(rèn)為它是由江蘇北部的灌河、灌溉總渠、射陽河等入海徑流與沿岸海水混合形成的。然而江蘇沿岸入海徑流量年際差別較大, 2006年入海水量為 277.0×108m3(江蘇省水利廳, 2007), 2007年為366.3×108m3(江蘇省水利廳, 2008), 而多年平均入海水量約為 297.6×108m3(據(jù)楊宏忠(2012)數(shù)據(jù)估算), 這些當(dāng)?shù)氐欠窨梢詽M足蘇北沿岸水的來源需求？王然等(2014)指出 2000年后淮河流域降水異常導(dǎo)致蘇北近海的入海淡水輸運(yùn)異常。而近年數(shù)值模式結(jié)果則顯示夏季、秋季長江干流入海后還有一沿江蘇近岸北向擴(kuò)展的分支(Ohet al, 2014; Wuet al, 2014; Luet al, 2015)。本文就蘇北沿岸水的水源構(gòu)成這一科學(xué)問題進(jìn)行了探討。

圖1 蘇北近岸地形及文中淡水來源估算區(qū)域示意圖Fig.1 The study region around the Subei coastal current

1 數(shù)據(jù)

本文采用了“我國近海海洋環(huán)境綜合調(diào)查與評(píng)價(jià)”專項(xiàng)在江蘇沿海的CTD鹽度觀測數(shù)據(jù), 觀測時(shí)間段分別為2006年7—8月(代表夏季)、2006年12月—2007年1月(代表冬季)、2007年4—5月(代表春季)、2007年 10—12月(代表秋季)。該數(shù)據(jù)經(jīng)處理和質(zhì)量控制后的垂向分辨率為 1m。然后, 依據(jù)該數(shù)據(jù)繪制了江蘇近岸的表層鹽度分布圖; 與多年平均的氣候態(tài)結(jié)果(潘楚東, 2006; 潘楚東等, 2007)比較, 此次所得結(jié)果具有更多的諸如蘇北沿岸水走向的水文細(xì)節(jié),有助于我們進(jìn)一步正確認(rèn)識(shí)該區(qū)域的沿岸水狀況。此外, 降水量數(shù)據(jù)使用了 1979—2002年期間的月平均XieArkin數(shù)據(jù), 它是由 National Center for Atmospheric Research(NCAR)的Climate and Global Dynamics(CGD) Climate Analysis Section(CAS)提供的數(shù)據(jù)產(chǎn)品; 蒸發(fā)數(shù)據(jù)選用了 2006年的月平均OAFLux (the Objectively Analyzed air-sea Fluxes)數(shù)據(jù)產(chǎn)品, 由WHOI(http://oaflux.whoi.edu)提供。

2 結(jié)果和討論

2.1 蘇北沿岸水的季節(jié)變化

夏季降水明顯大于蒸發(fā), 入海徑流量也大, 冬季則相反, 因而整個(gè)黃海區(qū)的夏季鹽度比冬季低。圖 2清楚展示出江蘇沿岸四季都存在一條鹽度鋒, 據(jù)此我們定義鹽度鋒內(nèi)側(cè)的等鹽度線(冬、春季取31.0等鹽線; 夏、秋季取 30.0等鹽線)為蘇北沿岸水核心區(qū)的邊界。蘇北沿岸水?dāng)U展勢態(tài)的季節(jié)差異如下。

冬季蘇北沿岸水的鹽度在 30.0—31.0的范圍內(nèi),31.0等鹽線大致沿淺灘的邊緣, 向北延伸到海州灣(圖2d), 此條等鹽線與秋季的30.0等鹽線位置(圖2c)基本一致, 表明冬季蘇北沿岸水海域缺乏淡水輸入,鹽度普遍提升了1以上。此外, 在強(qiáng)盛的偏北風(fēng)作用下, 沿岸水向南流動(dòng), 其變性水(鹽度為 31.0—33.0)向東南入侵東海, 前鋒可達(dá)到(124.0°E, 31.5°N)。

春季蘇北沿岸水的范圍與冬季相當(dāng), 鹽度鋒在四季中最強(qiáng); 等鹽線不完全平行于岸線, 沿岸區(qū)內(nèi)出現(xiàn)2處鹽度小于30.0的水舌, 展示了沿岸水向外沖溢的特征。其中最顯著的是在射陽河口附近呈現(xiàn)出一東南向伸展的低鹽舌, 但由于春季入海徑流量較小, 這一低鹽舌的勢力不強(qiáng), 鹽度較高, 核心區(qū)鹽度略小于30.0。而低鹽的長江沖淡水的一小部分向北擴(kuò)展, 達(dá)到啟東附近時(shí), 主要部分向東伸展, 形成低鹽水舌;另一小部分則有北向進(jìn)入淺灘區(qū)之勢。

夏季蘇北沿岸水向外海沖溢態(tài)勢在四季中最強(qiáng),沿岸水外緣的鹽度鋒面較弱。沿岸水的擴(kuò)展主要在兩個(gè)方向上: 其一是向北擴(kuò)展, 海州灣至日照沿岸區(qū)都在蘇北沿岸水范圍內(nèi); 其二從射陽河口向東南伸展,低鹽水舌入侵到深水區(qū), 前鋒達(dá)到 122.5°E附近。圖2b清楚顯示長江沖淡水向濟(jì)州島方向擴(kuò)展的過程中,有相當(dāng)一部分入侵到南黃海, 其邊界達(dá)33.5°N; 同時(shí),夏季從長江口北水道繞過啟東向北到達(dá) 32.0°N的沿岸區(qū)有一鹽度小于 23的低鹽帶, 但比蘇北外海的鹽度明顯低4以上。總體來看, 該股低鹽水與長江口低鹽水一脈相承, 并與蘇北沿岸水相接在江蘇近岸外形成一與岸線平行的狹窄低鹽帶(鹽度S＜28), 低鹽帶內(nèi)鹽度梯度大。此外, 在呂四港外有一比較弱的向外沖溢的鹽度舌出現(xiàn), 這應(yīng)當(dāng)與從當(dāng)?shù)嘏湃牒５拈L江流域支流淡水有關(guān)。

秋季 30.0等鹽線向岸靠近, 蘇北沿岸水明顯減弱, 其范圍基本被限制在沿岸區(qū)內(nèi), 只是在射陽(33°45′N 附近)31.0等鹽線向東凸出, 顯示出沿岸水向外沖溢的跡象。

圖2 2006—2007年春季(a)、夏季(b)、秋季(c)、冬季(d)表層實(shí)測鹽度分布Fig.2 The salinity distribution at the sea surface in spring (a), summer (b), autumn (c), and winter (d) in 2006—2007

2.2 蘇北沿岸水的淡水來源估算

蘇北沿岸水在夏季向外海沖溢明顯, 尤其在34.5°N附近30.0等鹽線可向東越過122.0°E, 形成很強(qiáng)的沖溢水舌。但江蘇沿岸多年平均入海水量不大,通常只有約200多億立方米, 且斗龍港以北各河流入海水量占總?cè)牒Ｋ康?90%以上(楊宏忠, 2012)。入海水量年內(nèi)分配亦不均勻, 多集中在春、夏季, 連續(xù)最大四個(gè)月(7—10月)入海淡水總量為 210.7×108m3,占年總量的70.8%; 汛期四個(gè)月(6—9月)入海淡水總量為202.7×108m3, 連續(xù)最小四個(gè)月(12月—翌年3月)多年平均入海淡水總量為31.6×108m3, 僅占年總量的10.6%(楊宏忠, 2012)。以上淡水是否足以形成沖溢淡水水舌, 為了弄清這一問題, 本節(jié)綜合考慮入海徑流、降水/蒸發(fā)通量與研究海區(qū)本地高鹽水在蘇北沿海引起的鹽度變化估算了當(dāng)?shù)氐牡畞碓?。首先假定沖淡水的影響范圍為 119°—122°E、32°—35.3°N 間的近三角形區(qū)域(見圖 1中近三角形框區(qū)), 取該研究區(qū)為平底, 水深為 10m, 則研究域內(nèi)水體的體積為V≈4265.6×108m3; 假定外海水鹽度取 S0=31.0, 沿岸水混合鹽度取 S1=29.0。參考長江口水樣鹽度值大都在 0.9—1.81間(王真祥等, 2000)、 萊州灣內(nèi)河流站點(diǎn)鹽度低于5(張錦峰等, 2015), 并考慮到這兩處為特殊河口區(qū), 我們這里入海徑流水鹽度取S′=3.0, 則需要入海徑流水量x(m3)。設(shè)定蘇北沿岸水僅由入海徑流、降水/蒸發(fā)通量與研究海區(qū)本地高鹽水的混合組成, 下面考慮兩種情況:

(1) 入海徑流水先把研究區(qū)內(nèi)等量海水排擠出,而后混合, 區(qū)內(nèi)水體積保持不變, 則有

(2) 入海徑流水先在研究區(qū)內(nèi)混合, 而后一部分排出研究區(qū), 一部分使海面升高, 則有

計(jì)算結(jié)果顯示: 大概需要x=304×108m3或x=328×108m3的入海淡水。顯然所需入海淡水體積比計(jì)算區(qū)域內(nèi)水體總體積小1個(gè)量階, 因此這種簡單估算方法是可行的。以上是兩種極端的情形, 實(shí)際結(jié)果應(yīng)介于兩者之間。從冬季和春季的鹽度分布(圖2d,a)可看出: 31.0等鹽線都在計(jì)算域之內(nèi), 入海徑流量小,入海徑流淡水基本留在蘇北沿岸區(qū)內(nèi), 因此接近第一種情形。夏季是豐水期, 入海徑流量大, 圖2b顯示出多處出現(xiàn)淡水向外海溢出, 因此接近第二種情形。因?yàn)檠匕秴^(qū)鹽度變化主要在夏季, 下面將采用第二方案做進(jìn)一步計(jì)算。基于圖1和圖2顯示蘇北沿岸區(qū)水深和鹽度分布從岸邊向深水域呈階梯狀變化, 計(jì)算域等分成9個(gè)階梯進(jìn)行估算。又考慮到冬季是枯水期, 入海徑流影響不大, 我們?nèi)《钧}度分布(圖 2d)為初始鹽度場; 而夏季入海徑流影響最大, 夏季鹽度分布(圖2b)被視為入海徑流注入后混合的結(jié)果。那么公式(2)就變成

公式(3)的變量同前, 下腳碼j表示每個(gè)階梯水域的順序。整個(gè)計(jì)算域內(nèi)需要總淡水量為

具體計(jì)算數(shù)據(jù)見表1。

表1 依據(jù)公式(3)估算得到的淡水量記錄表(S′=3.0)Tab 1 The estimated freshwater (S′=3.0) amount calculated with formula (3)

通過上述估算, 得到計(jì)算海域需要入海淡水量約為332×108m3。上述結(jié)果是根據(jù)冬季(12月)到夏季(8月)鹽度場的變化估計(jì)出來的。由于當(dāng)?shù)貜搅魅牒Ａ慷嗉性诖杭竞拖募? 秋冬季是枯水期, 我們研究的相應(yīng)期間(12月中旬—8月中旬)徑流入海量約占2006年入海水量的 75%(即 208×108m3), 故此當(dāng)?shù)氐娜牒Ｋ考s占蘇北沿岸水的淡水源總量的63%。須指出的是, 前面的估算參考長江口和萊州灣內(nèi)河流的鹽度值(王真祥等, 2000; 張錦峰等, 2015)選取入海徑流水鹽度為S′=3.0, 為了免除江蘇沿岸實(shí)際徑流水的鹽度選取對(duì)估算結(jié)果的影響, 我們又取不同的徑流水鹽度應(yīng)用公式(3)進(jìn)行了計(jì)算, 得到需要的總淡水量, 如圖3所示。入海徑流鹽度值取得越小, 最終計(jì)算的需水量越小, 越接近當(dāng)?shù)厣习肽甑娜牒搅髁?當(dāng)?shù)厝牒搅魉吭谒璧恐姓嫉谋戎卦酱?對(duì)蘇北沿岸水的淡水來源構(gòu)成貢獻(xiàn)越大。當(dāng)入海淡水鹽度取 0.0的極端情形下, 需要大概 296×108m3的總淡水量, 當(dāng)?shù)?2006年上半年的入海徑流淡水所占比重變?yōu)榧s 70%; 而實(shí)際入海徑流的鹽度要大于 0.0,蘇北沿岸水所需的總淡水量要比此極端情況下略大些, 入海徑流水量所占比重也相應(yīng)略小些。綜合考慮,可以認(rèn)為入海徑流水約占65%的比重。

圖3 入海淡水鹽度值的選取與所需淡水水量的變化關(guān)系圖Fig.3 Relationship between the salinity of the local runoff into the sea and the required freshwater amount

除了徑流水, 還要考慮該海域的降水量、蒸發(fā)量等因素。圖 4給出了江蘇外海幾處(見圖1)多年平均降水量和 2006年蒸發(fā)量的逐月分布。降水量 12、1月份最小, 7、8月份最大; 而蒸發(fā)量5、6月份最小,9—11月份最大。全年蒸發(fā)總量略大于降水量。本文主要關(guān)注與圖2所用觀測資料同期(12月下半月至翌年 8月上半月間)的蘇北沿岸水變化, 這期間降水總量略大于蒸發(fā)量(圖 4), 大約高出 182mm, 在當(dāng)?shù)乜商峁┘s70×108m3的淡水量, 約占估算淡水量的20%?？傊? 降水/蒸發(fā)通量與當(dāng)?shù)厝牒搅魉目偤图s占當(dāng)?shù)厮吹?5%。除此之外, 長江沖淡水沿江蘇沿岸的北上分支也可能是蘇北沿岸水的另一水源, 但所占比重相對(duì)較小。從夏季蘇北沿岸區(qū)鹽度的分布態(tài)勢(圖 2b)可以看出長江沖淡水有一分支貼近啟東沿岸進(jìn)入蘇北淺灘區(qū), 但不超過呂四港, 其以北淺灘區(qū)看不到向北伸展的低鹽水舌。

圖4 江蘇外海多年平均降水量(P)和2006年蒸發(fā)量(E)的逐月分布Fig. 4 Distribution of monthly-mean precipitation (P) and evaporation (E) in 2006 off the Jiangsu coast

2.3 蘇北沿岸水的去向與黃海西部環(huán)流的關(guān)系

冬季蘇北沿岸水受東北季風(fēng)驅(qū)動(dòng)順岸南下, 在離開蘇北淺灘后轉(zhuǎn)向東南進(jìn)入東海, 這已是人們的共識(shí)。從圖2d也清楚地顯示出冬季蘇北沿岸水從海州灣南岸水域開始一路向東南, 但鹽度小于31的水體被限制在沿岸范圍內(nèi)。夏季蘇北沿岸水的去向比較復(fù)雜, 圖2b顯示出蘇北低鹽的沿岸水分多支流出沿岸區(qū), 其中主要有 3 支。第一支從 弶 港北開始向東流出沿岸區(qū); 第二支從射陽河口出發(fā)向東偏北流出沿岸, 這支流最強(qiáng), 其淡水舌繼續(xù)向東伸展到122.5°E。這兩支最終都融入夏季南黃海表層環(huán)流中。第三支從灌河口開始向北偏東進(jìn)入海州灣外海。海州灣外海至日照外海位于青島冷水團(tuán)環(huán)流的西邊緣, 其流為南向, 但較弱。黃海表層流具有明顯的Ekman漂流特征(喬方利等, 2011), 季風(fēng)驅(qū)動(dòng)的流與青島冷水團(tuán)環(huán)流流向剛好相反, 當(dāng)偏南風(fēng)強(qiáng)時(shí), 北向的Ekman流占優(yōu)勢, 因此這一帶水域常出現(xiàn)間歇性的表層北向流。

3 結(jié)論

本文基于2006—2007年春、夏、秋、冬四季的CTD觀測鹽度資料分析了蘇北沿岸水季節(jié)變化特征,利用冬、夏季蘇北沿岸區(qū)鹽度場的變化估算了蘇北沿岸水的沖淡水來源, 結(jié)果表明: 冬季蘇北沿岸水受東北季風(fēng)驅(qū)動(dòng)順岸南下, 在離開蘇北沿岸淺水區(qū)后轉(zhuǎn)向東南進(jìn)入東海。夏季蘇北低鹽的沿岸水分多支流出沿岸淺水區(qū), 其中主要有3支: 第 一支從 弶 港北開始向東流出; 第二支從射陽河口向東偏北流出, 這支流最強(qiáng), 其淡水舌繼續(xù)向東伸展, 最終匯入夏季南黃海表層環(huán)流中; 第三支從灌河口開始向北偏東進(jìn)入海州灣外海, 夏季當(dāng)偏南風(fēng)強(qiáng)時(shí), 在海州灣外海至日照近海北向的 Ekman流強(qiáng)于該處冷水團(tuán)環(huán)流, 因而造成這一帶水域間歇出現(xiàn)北向表層流。蘇北沿岸水的淡水主要來源于江蘇沿岸的入海徑流、降水/蒸發(fā)通量,其中江蘇當(dāng)?shù)氐娜牒搅髫暙I(xiàn)最大, 約占總水量的65%。夏季長江沖淡水有一緊靠啟東海岸線向北指向蘇北沿岸水域的分支, 但它影響范圍有限, 對(duì)蘇北沿岸水的水源貢獻(xiàn)相對(duì)不大。

致謝 夏季蘇北沿岸區(qū)的部分鹽度資料由南京大學(xué)地理與海洋科學(xué)學(xué)院、海岸與海島開發(fā)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的汪亞平教授提供, 謹(jǐn)致謝忱。

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