大亚湾及其邻近海域冬季温度、盐度的分布及日变化特征

2020-02-28郑哲昊孙振宇陈照章梁浩亮

应用海洋学学报 2020年1期

郑哲昊，庄伟，孙振宇，陈照章，朱佳，梁浩亮

(1.厦门大学近海海洋环境科学国家重点实验室，福建厦门 361102；2.惠州市海洋技术中心，广东惠州 516000)

大亚湾位于广东省粤东岸段，是一个半封闭海湾，一般水深在6～16 m[1]。大亚湾内无大河流输入，潮差一般小于2 m，属于中等潮差海域[2]。大亚湾是广东省重要的水产资源保护区，近20 a来随着大亚湾沿岸经济的发展，核电站温排水的排入，大亚湾海域的生态环境发生了较大的变化[3-4]，其环境和水质状况已引起人们的广泛关注。因此，了解大亚湾的水文特征，对于大亚湾及其邻近海域的可持续发展具有重要意义。

大亚湾在每个太阴日(约24.8 h)有2次高潮和2次低潮，2次高潮或2次低潮的潮位不同, 存在明显的潮汐日不等现象，属于不正规半日潮[2]。大亚湾海水温度(T)随着季节而变化，冬季(12至翌年2月)水温最低，尤其是12月，最低水温小于16 ℃；春季(3—5月)属于增温季节，平均温度大约比冬季高5～7 ℃；夏季7月水温达到最大值，可高达31 ℃以上；而秋季与春季对应，为降温季节[5]。曾刚等(1991)研究指出，影响大亚湾浅海区水温日变化的因素主要是太阳辐射和潮流，但也不能忽视其他次要因素(比如内波、风、降水等)的影响[5]。大亚湾有12条主要入海河流，其中1月份淡澳河流量为2.62 m3/s，霞涌河流量为0.27 m3/s，其他河流的流量为0.02～0.17 m3/s[6]。Wu等(2007)指出：在冬季，大亚湾表层和底层海水温度的水平分布规律是相似的[7]。Tang等(2003)通过分析卫星遥感AVHRR的海表温度数据，指出在大亚湾核电站建成以后，湾内水温从1997年11月到1999年6月增加了1～3 ℃[8]。吴传庆等(2006)利用多个时相的TM影像，反演大亚湾核电站温排水水域的水温，分析指出大亚湾核电站排水的出口温度比周围水温高，影响半径为2.5 km；随着2002年7月和2003年3月岭澳核电的前两台机组投入运行，温排水影响半径提高到了7 km左右[9]。在2010年9月和2011年8月，岭澳核电3号与4号机组也投入运行，这可能会进一步增大温排水的影响范围。

前人关于大亚湾水文特征变化的研究并不多见。从现有的研究成果来看，许多工作都借助了模型分析[1-2]，且在时间尺度上多关注于季节和年际变化[7-8，10]，对于温度、盐度(S)的日变化特征尚缺少充分认识。本研究采用冬季航次大潮期间6艘船定点同步观测(1次/h)的结果进行分析，高时空分辨率的同步观测数据能够更好地揭示该海区海水温度、盐度的日变化特征。

1 材料与方法

2018年1月在大亚湾及其湾口和惠东东部近海进行了6条船准同步的温度、盐度定点连续观测，所采用的温盐深剖面仪为OS 304plus(温度分辨率为0.000 1 ℃，精度为±0.002 ℃；电导率分辨率为0.000 3 mS/cm，精度为±0.003 mS/cm；压力分辨率为0.001 5% FS，精度为±0.05% FS)、CTD 48M(温度分辨率为0.000 6 ℃，精度为±0.005 ℃；电导率分辨率为0.001 mS/cm，精度为±0.01 mS/cm；压力分辨率为0.002% FS，精度为±0.1% FS)、AML BaseX(温度分辨率为0.001 ℃，精度为±0.003 ℃；电导率分辨率为0.001 mS/cm，精度为±0.003 mS/cm；压力分辨率为0.02% FS，精度为±0.03% FS)，一般每小时进行1次的温度、盐度、深度剖面观测。在航次之前，这些观测仪器均经过比测、检定，观测数据也经过严格的质量控制，以确保数据的真实性和可靠性。

本研究着重分析2018年1月17日—19日大亚湾及其邻近海域的温度、盐度分布及日变化特征。调查期间为大潮期，大亚湾的天气无较大的变化，气温约在13～22 ℃之间。本次调查共设站点12个(图1)，其中C01、C08～C12站的位置位于大亚湾湾口以外及惠东东部近海(简称湾外站点)，C02～C07站位于大亚湾湾内(简称湾内站点)。C01、C08、C09(湾外)和C02、C03、C04(湾内)的调查时间为1月17日10：00至1月18日11：00。C10、C11、C12(湾外)和C05、C06、C07(湾内)的调查时间为1月18日13：00至1月19日14：00。所有站点数据的时间跨度都约为25 h，均大于一个太阴日。另外，本次调查期间还在T01站(图1)进行定点潮位观测，所使用的压力式仪器型号为Keller DCX-22，压力精度为0.02% FS，分辨率为0.002 5% FS，量程为4.9×105Pa。我们选取1月17日—19日的潮位数据进行分析。

图1 大亚湾及邻近海域2018年冬季航次观测站位示意图

2 结果与讨论

表1是各站点表层(距表1 m)、底层(距底1 m)海水温度、盐度平均值以及标准差，可以看出，表层的海水相对于底层是高温低盐的特性；此外，不管是温度还是盐度，表层的变化幅度都比底层大。C02站点表层海水温度始终维持一个较高的状态，应是受到核电站温排水的影响。

表1 各站点表层、底层海水温度、盐度日平均值及标准差

2.1 底层温度、盐度日变化与潮汐的关系

图2a、b与图2c-f中黑色曲线分别是1月17日10：00至1月18日11：00、1月18日13：00至1月19日13：00站位潮位变化曲线。图2表明：大亚湾在一个太阴日里出现两个高潮和两个低潮，且高、低潮的潮位差别较大；在12：00前后出现低高潮，在14：00—15：00前后出现高低潮，在20：00—22：00前后出现高高潮，在次日04：00—05：00前后出现低低潮，呈现明显的不正规半日潮特性。

由于不同站点的水深不一致，不适合对所有站点的温度、盐度求平均，因此选取C02、C05、C06站以及C01、C10、C11站作为湾内、湾外水体的代表性站点，分析湾内、湾外海水的温度、盐度随时间的变化。为了探究海水温度、盐度的日变化与潮汐的关系，我们用近底层(距底1 m)海水的温度、盐度与潮位变化进行对比(图2)，从而尽量减少太阳辐射的直接影响。

由图2a、c、e可以看出，就湾内站点而言，C02站温度变化幅度很小，在0.1 ℃之内；而其他站的温度变化幅度在0.2～0.5 ℃之间。除了C02站温度随时间的变化有较大差异以外，湾内其他站温度随时间的变化规律基本一致且与潮位变化有很好的对应关系：13：00—19：00为涨潮期，温度上升；19：00—20：00潮位变低，海水温度下降；20：00—23：00潮位升高，海水温度上升；次日03：00—05：00为落潮期，海水温度下降；05：00—11：00为涨潮期，海水温度总体上升。湾内底层盐度变化与潮位变化对应关系更好，并且湾内各站点盐度随时间的变化规律一致，其区别在于盐度的变化幅度。C02站与其他站温度变化规律不一致，而盐度变化却是一致的，可能是由于该站点受到了核电站温排水的影响。由图2b、d、f可知，湾外底层海水的温度、盐度与潮位变化对应关系没有湾内好，尤其是C11站点。但是总的来看，无论湾内还是湾外，温度与盐度的变化趋势基本一致。

2.2 湾内、外整层海水的温度、盐度日变化特征

为了进一步揭示全水深的温度、盐度变化，本研究选取C03和C01站点作为湾内和湾外的代表性站位，分别展示了其温度、盐度剖面随时间的变化(图3)。

图2 大亚湾湾内、湾外底层温度、盐度与潮位的变化

图3a、b是湾内C03站海水温度、盐度随时间的变化。从图3a可以看出，从12：00—18：00(白天)，湾内表层海水有一个明显的高温区，等温线密集，梯度为0.2 ℃/m左右，温度在15：00—16：00达到最大值。因此，从10：00—15：00是增温过程，对应着太阳辐射的增强；从16：00—21：00是降温过程，对应着太阳辐射的减弱。从21：00以后，由于没有太阳辐射的影响，整层海水垂直混合比较均匀，温度随时间的变化也不大。此外，图3a还表明太阳辐射对湾内海水温度的影响主要局限于近表层的3～4 m范围内。相对于温度的强垂向层化结构，该站点盐度的垂向分布十分均匀(图3b)。图3c是湾外C01站海水温度随时间的变化。与湾内相似，太阳辐射对湾外海水温度的影响也主要局限于上层3～4 m。此处上层海水在12：00—16：00有一个明显的增温过程；在16：00—22：00则有一个明显的降温过程，升温和降温过程形成了0.2 ℃/m左右的温度梯度。从00：00以后，整层海水垂直混合均匀，温度几乎不随时间变化。当然，湾内、外的温度、盐度特征除了上述类似的变化特征之外，也呈现出一些不同之处。主要表现为湾内的温度比湾外要高，而盐度则相反；湾内、外的海水在夜间都呈现垂直均一的特征，但是湾内海水温度在夜间随时间的变化幅度比湾外大。湾外C01站的盐度随时间的变化很小，且近底层的盐度明显高于上层(图3d)，意味着观测期间南海的相对高盐水可能入侵到了湾外陆架区的底层。C02站和湾内其他站点的温度随时间的变化不一致，主要区别在于，其他站点的层化现象消失在21：00之后，而C02站点层化现象没有消失(图3e)；由于夜间太阳辐射加热的作用已经消失，出现这个现象的原因应与大亚湾核电站的温排水过程有关。值得一提的是，Yu等(2010)通过分析研究卫星遥感数据和实测数据得出，大亚湾核电站建成后，导致当地的海水温度变高，1985—2005年的海表温度上升速度为0.07 ℃/a[10]。与C03站相似，此处盐度的垂向分布也较为均匀(图3f)。

2.3 温度、盐度平面分布的日变化特征

因为湾内、外的温度、盐度变化规律比较类似，为了更清晰地展示整个观测海区的昼夜变化特征，我们利用所有站点的温度、盐度数据，分析了整个海区温度、盐度分布的三维结构(图4)。

图4 白天、夜间期间大亚湾的不同层次的温度、盐度水平分布

图4显示的是大亚湾白天与夜间的温度、盐度平面分布，其中白天温度、盐度采用12:00—18:00的平均值，夜间温度、盐度采用00:00—06:00的平均值。从图4a、b可以看出，湾内的海表温度在白天和夜间都比湾外的要高。除了东北部湾顶存在小范围的低温水体外，表层温度由湾内向湾外逐渐降低：白天从18.0 ℃变化到16.6 ℃，变化幅度为1.4 ℃；夜间从17.4 ℃降到16.6 ℃，变化幅度为0.8 ℃。此外，在C02站附近始终存在一个高温中心，这与核电站很近，水平方向的影响范围大约为15 km，周围海水之间形成了明显的温度梯度。5 m层的温度水平分布特征与表层大体相近，均呈现“内高外低”的特征，但在该深度上夜间海水整体温度比白天温度要高，这和表层海水情况刚好相反。10 m层海水温度无论在白天还是在夜间的差异都很小，水平的温度梯度也弱得多，这意味着该深度上的海水受太阳辐射和核电站温排水的影响都较小。从图4c、d可看出，无论白天或夜间，湾内的海表盐度都低于湾外，且表层盐度由湾内向湾外逐渐升高，变化幅度为0.2左右。无论白天还是夜间，在C01、C10站都观测到一个明显的高盐中心，C09站则存在低盐中心，导致湾口盐度从西到东呈现“高低高”的分布特征。C01站的高盐和C09站的低盐中心白天比夜间更明显，而C10站高盐中心则是夜间比白天更明显。大亚湾东北部有白云河、竹园河等小河流注入[6]，导致湾顶区域形成沿岸低盐水。由于上层盐度的垂向层化很弱，5 m和10 m层的盐度水平分布特征与表层相似。

2.4 温度、盐度日变化特征与潮汐的关系

为了更好的探究潮流与大亚湾海域温度、盐度的关系，我们分析了涨急、高潮、落急以及低潮4个潮时大亚湾温度、盐度的平面分布特征(图5、6)。

图5 2018年冬季不同潮时大亚湾不同层次的海水温度水平分布

从图5可以看出，涨急时湾内西部的表层海水温度较高，在17.4～17.8 ℃之间；东部的海水温度较低，在16.8～17.0 ℃之间。高潮时的海表温度仍呈西高东低的分布特征，温度锋面呈现更加规则的南北走向。高温中心仍位于核电站附近，温度大约为18.0 ℃。落急时核电站附近高温水体的温度略微降低至17.6 ℃，并向NE向延伸，而湾口附近形成了NE—SW向的温度锋面，温度由湾内向湾外递减，等温线分布比较均匀。低潮时核电站附近的高温中心依旧朝NE向延伸，湾内外海水之间的温度梯度变大。5 m和10 m层的温度水平分布特征与表层有一定的相似性，但由于受太阳辐射和核电站温排水的影响较小，温度的水平梯度随水深增加而逐渐减小。

从图6可以看出，大亚湾4个潮时的表层盐度分布大体一致，在C01和C10站附近存在高盐中心，C08站附近存在低盐中心。不同之处在于，C01站附近的盐度值在高潮时最低，涨急时盐度值最高；而C10站附近的高盐中心盐度值在落急时较高。此外，相对于其它时刻，低潮时湾内的盐度等值线分布呈现更加明显的NW—SE向分布。垂直方向上，5 m和10 m层的盐度水平分布特征与表层相近。

图6 2018年冬季不同潮时大亚湾不同层次的盐度水平分布

2.5 温度、盐度断面分布日变化特征及其与潮汐的关系

我们选取C05～C08站的断面，分析该断面在4个潮时的温度、盐度垂直结构(图7、8)。图7、8证实了大亚湾海水温度“内高外低”、盐度“内低外高”的分布特征，与对应的水平分布特征相吻合。落急时，在C06站附近出现一个相对高温中心，且在低潮时，高温水的深度相比落急时加深，达到了7 m左右的深度。从盐度的断面图看，也能发现在C08站附近存在一个低盐中心，这与对应的盐度水平分布也相吻合。此外，图7、8也表明近岸低盐水的影响范围随潮汐的变化而变化，但是温度随着潮汐的变化却没有盐度那么明显，可能是因为温度更容易受到太阳辐射以及核电站温排水的影响。

图7 C05～C08站温度断面分布特征

图8 C05～C08站盐度断面分布特征

图9是C04～C01站日平均温度、盐度断面分布。由图9可知，C02站附近存在一个高温中心，这与核电站很近，水平方向的影响范围大约为15 km，这与图4a、b对应的水平分布特征相吻合，垂直方向的影响范围大约为3 m。本研究观测到的核电站温排水影响范围明显大于吴传庆等的报道结果[9]，这应该是由于核电站新机组(岭澳核电3号与4号)的投入运行后温排水增加的结果。