2. 广西科学院, 广西北部湾海洋研究中心, 广西近海海洋环境科学重点实验室, 广西南宁 530007;
3. 山东科技大学, 山东青岛 266590
2. Guangxi Key Laboratory of Marine Environment Science, Guangxi Beibu Gulf Marine Research Center, Guangxi Academy of Sciences, Nanning, Guangxi, 530007, China;
3. Shandong University of Science and Tecnology, Qingdao, Shandong, 266590, China
北部湾位于南海西北部17°00′—21°30′N，105°40′—110°00′E，北临广西壮族自治区，东靠广东省雷州半岛和海南岛，西靠越南民主共和国，南连南海，以海南岛莺歌嘴与越南来角之间的连线为界。北部湾全部位于大陆架内，平均深度为46 m，属于大陆架上一个浅海湾，水下地形平坦，最大水深不超过100 m(图 1)。
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| 图 1 北部湾水深与地形 Fig. 1 Depth and topography of Beibu Gulf |
北部湾处于亚热带，季风特征明显，冬半年盛行东北季风，风力较强而稳定；夏半年盛行西南季风，东北季风期长于西南季风期。全年总降水量在1 100~1 700 mm(西北部沿岸在2 500 mm以上)。
注入北部湾的河流，东岸有昌化江，北岸有南流江、钦江和北仑河，西岸有红河、马江、朱江和兰江。这些河流中，对北部湾水文要素(尤其是盐度)影响最大的是红河。
北部湾的水团划分为沿岸水(盐度≤32 PSU)、外海水(盐度＞34 PSU)以及混合水(盐度32~34 PSU)3种。在此基础上，还存在两个季节性水团——湾西北冷水团和湾中底层冷水团。由水团分析可以看出，该湾的海水系由3部分组成：南海高盐水，从南部湾口沿中部和东侧进入北部湾；沿岸低盐水，从该湾西北部，沿西海岸南下流出北部湾，这是南海水与北部湾海水交换的主要通道；外海次高盐水，由东岸的琼州海峡，自东向西流入北部湾。
卫星遥感具有周期短、覆盖率高的优点，可以实现实时、同步、大面积、高分辨率的观测，因而获得了广泛的运用。近年来Tang等[1]利用Sea-viewing Wide Field-of-view Sensor(SeaWiFS)和Advanced Very High Resolution Radiometer (AVHRR)等水色卫星遥感资料，研究了北部湾海表面温度(Sea Surface Temperature, SST)和叶绿素a浓度的变化趋势，初步获得了二者的时空分布特征及其主要控制机制。赵辉等[2]通过多种卫星遥感资料探讨了南海西北部叶绿素a浓度的分布及其对环境因子的响应。陈楚群等[3]基于SeaWiFS遥感叶绿素a浓度的时空分布特征，分析了叶绿素a浓度与环流状况的耦合性。亦有一些学者利用中等分辨率成像光谱仪(Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer，MODIS)、SeaWiFS等多传感器数据研究了沿岸水体的浊度分布特征。
SST与叶绿素a浓度是了解该海区的水文、初级生产力及水质情况所必需考虑的环境参数。蔡昱明等[4]报道了北部湾粒度分级叶绿素a和初级生产力的分布特征。Van Maren等[5]则发现北部湾的红河等主要河流入海口南部附近10 km以内的悬浮物质浓度处于较高水平。孙振宇等[6]利用大面实测资料，给出北部湾东部海区2006年夏季航次温度、盐度的平面分布特征；郭丰等[7]同样利用大面实测资料，给出2006年夏季北部湾浮游植物分粒级叶绿素a含量的分布特征。黄以琛等[8]也利用大面实测资料，分析了北部湾夏冬季海表温度、叶绿素a和浊度的分布特征及调控因素。张淑平[9]给出北部湾浮游植物叶绿素a及颗粒无机碳的时空分布特征。
众多学者的研究结果表明，北部湾浮游植物叶绿素a的这种时空分布格局同反转季风、海表温度、气溶胶光学厚度、潮汐、河流及陆地径流等有密切关系。夏季北部湾海表温度分布较为均匀，叶绿素a浓度和浊度值沿岸带较高，外海较低。冬季，湾北沿岸流海域SST明显较低，海南岛西侧及中央海域存在一暖水舌，强化的混合作用导致叶绿素a和浊度均明显高于夏季，悬浮沉积物的影响也高于夏季。
本文将利用北部湾表层卫星遥感的温度、盐度、叶绿素a和颗粒无机碳、有机碳的资料，分析其夏季(6-8月)分布特征，同时利用Finite-Volume Community Ocean Model (FVCOM)模型计算北部湾及其邻近海域的分层余流，作为分析北部湾表层温度、盐度、叶绿素a和颗粒碳的动力学背景。这是北部湾首次将5个要素(特别是盐度)联合在一起分析，并且用余流场来解释5个要素的分布规律，也为北部湾今后全湾的研究提供一个新思路。
1 材料与方法 1.1 卫星遥感数据本文采用MODIS测定海表层温度、叶绿素a浓度、颗粒无机碳和遥感反射率的卫星遥感资料。MODIS具有36个光谱通道，搭载于TERRA和AQUA两颗太阳同步极轨卫星上，卫星扫描有效宽度为2 330 km，其三级网格化数据产品提供空间分辨率4 km和8 km的全球范围的遥感数据，海表层温度、叶绿素a浓度、颗粒无机碳、遥感反射率数据均由美国国家航空航天局(NASA)免费提供下载。
1.2 卫星反演盐度数据海表盐度(Sea Surface Salinity, SSS)可以通过多种方法确定。遥感数据由于其大面积、多频次、低成本的特点和优势，已越来越多地被用于反演SSS。微波遥感经常被用于在全球范围内大的空间和时间尺度上连续观测研究海洋盐度，例如土壤湿度海洋盐度(SMOS)卫星、Aquarius/SAC-D卫星，但是这种技术由于L波段辐射计粗糙空间分辨率的问题，通常用在开阔海域绘制SSS，在沿岸水域精细规模研究中的应用受到阻碍。当前的海洋颜色传感器，其数据产品具有高空间和高时间分辨率的优势。本研究针对北部湾海域，利用中国国家“908”专项(908-01-ST09)收集的海表层盐度数据和MODIS 2级标准海色遥感反射率数据，采用经验算法建模型、反演和验证，得到北部湾海域海表层盐度分布。其中，中国国家“908”专项(908-01-ST09)北部湾海表层盐度数据集包括2006—2007年间的春、夏、秋、冬4个航次，并提供调查区域海表层盐度等值线分布数据，MODIS 2级标准海色遥感反射率数据均由NASA免费提供下载。
1.3 南海与北部湾环流模型本研究采用的模型为马萨诸塞大学和伍兹霍尔研究所联合开发的Global -FVCOM模型，这是一个海冰-海洋完全耦合的原始方程、无结构网格、有限体积海洋模型。模型的外界强迫包括：a) 8个分潮的平衡潮驱动(M2，S2，N2，K2，K1，P1，O1和Q1)，b)海表面风应力，c)海表面的净热通量和短波辐射，d)海边面气压梯度，e)蒸发和降水率，f)河流淡水[10]。
模型水平分辨率在南海北部湾约为15 km。垂向网格采用适应地形的混合坐标，垂向共分45层[11]。在水深大于225 m的海域采用s坐标，近表层分为均匀的10层(每层5 m)，近底层分为均匀的5层(每层5 m)，这样可以更好地分辨海表和海底边界层，在陆架和近岸水深小于225 m的海域采用σ坐标均匀分层。采用混合坐标可以使坐标转换在225 m深处平滑过渡，垂向所有层厚度都是5 m。在北部湾海域，垂向分辨率约为2.2 m，在水深小于100 m的区域分辨率更高。Global-FVCOM通过半隐格式进行积分，垂向混合基于MY-2.5湍封闭方案[12]，水平混合采用Smagorinsky湍封闭方案[13]进行计算，积分的时间步长为300 s。另外模型利用卫星观测的SST和Sea Surface Height (SSH)资料进行同化，提高了模型的模拟精度。北部湾和南海区域网格及嵌套边界[14]如图 2所示，其中蓝线代表北部湾嵌套边界，风场和热通量等强迫场与全球模型相同。北部湾区域模型的计算结果与全球模型在北部湾的计算结果非常一致，这一方法可以实现高效的数值试验。
1.4 北部沿岸径流
图 3中越南红河径流量数据为美国学者陈长胜教授于2012年在参加越南学术讨论会时，越方科学家在会上提供的[15]；广西沿海入海河流径流量数据则是根据多年统计结果得出的。在本研究的数值计算中，径流量数据采用图 3中多年平均值。
2 与夏季海洋初级生产力有关的生态要素和环境要素分布特征 2.1 表层叶绿素a的分布特征
水体初级生产力——是指水生植物(主要是浮游植物)进行光合作用的强度。叶绿素a是浮游植物光合作用的主要色素，其含量是表征海域浮游植物现存量和反映海水肥瘠程度的重要指标。北部湾是我国重要的渔场和养殖区，对该海域叶绿素a含量及其分布特征进行研究，对了解海洋生产力水平、阐明生态系统的机构与功能有重要意义，对海洋生物资源的合理开发和利用亦有参考价值。
从图 4中可以看出夏季表层叶绿素a有如下分布规律：
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| 图 4 北部湾夏季叶绿素a分布 Fig. 4 Distribution of chlorphyll-a in summer in Beibu Gulf |
2.1.1 叶绿素a分布的高值区
北部湾表层叶绿素a浓度明显呈自东向西、由近岸向湾中部逐渐递减的规律。高值区有4个，分别是琼州海峡、广西沿岸、越南沿岸和海南岛西南侧近海海域。
(1) 琼州海峡高值区
该区的最高值为3~4 mg/m3，是影响北部湾的最大区域。它从琼州海峡东口向西延伸，到达西端之后，一方面向西推进，最远到109°E附近；主体部分则向北、西北方向推进。雷州半岛西部、铁山港和北海港离岸海域都是其影响范围。以2 mg/m3等值线为标识，其最大占据面积约15 000 km2。
(2) 广西沿岸高值区
该区的最高值为3~7 mg/m3，主要是北海港、钦州港和防城港的近岸区域。以2 mg/m3等值线为标识，其最大占据面积约3 000 km2。
(3) 越南沿岸高值区
主要集中在红河口南北方向近岸的狭长水域，最高值为3~7 mg/m3。
(4) 海南岛西南侧近海海域高值区
该区的最高值为2 mg/m3附近。北从昌化江口的棋子湾起，向南绕过莺歌海折向东，到三亚港西缘崖州湾止，最大占据海域面积约5 000 km2。
2.1.2 叶绿素a分布的低值区以0.2 mg/m3等值线为标识，低于这个值的区域，是水深大于50 m的“深水区”。在北部湾略有不同的是：19°30′N处，海南岛昌化江口向西、越南一侧向东不符合这个规律。该处0.2 mg/m3等值线向大于50 m的“深水区”推进，这可能由于海南岛一侧的昌化江和另一侧越南红河径流排入所致。河口的入海径流量、泥沙通量和营养盐通量增加，以叶绿素a表征的浮游植物生物量自然相应增加。
2.1.3 叶绿素a逐月变化特征(1) 高值区的变化
总的来看，琼州海峡、广西沿岸、越南沿岸和海南岛西南侧近海海域高值区面积是逐月增加，增加最快的是广西沿岸和越南沿岸。
(2) 低值区的变化
6月、7月、8月叶绿素a低值区是逐月增加。6月，以0.2 mg/m3等值线为标识，低于这个值的区域，是水深大于50 m的“深水区”；7月，北方向南收缩，从20°20′N收缩到20°N，即向南移动约20 km，但是西向范围却有所增加；8月，低于0.2 mg/m3的低值区已经不存在。
特别要提到19°30′N处，海南岛昌化江口径流向西影响范围越来越大，6月略见端倪，7月、8月则越过深槽向西达到40 m等深线的浅水区。由于昌化江径流扩散这一态势，使得越南红河水入海扩散呈现复杂的结构。
2.2 表层颗粒有机碳(POC)分布颗粒有机碳是海洋生态系统中物质循环和能量流动的主要内容，也是评价海区初级生产力的一个重要指标。有生命的POC的新陈代谢造成营养盐浓度的变化，反过来，营养盐浓度的变化又改变有生命的POC的组成及数量。
2.2.1 POC来源颗粒有机碳是指海水中的有机颗粒物，由生物成分(细菌、植物和浮游动物)和非生物成分(碎屑、排泄物和聚合物)组成，其来源大致有4个方面：
(1) 海洋自生(主要来源)。是指浮游植物通过光合作用将吸收的二氧化碳转换为有生命的POC，进而通过被海洋动物摄食、被海洋微生物分解实现转移，同时各级生物产生的碎屑、排泄物、聚合物等向水下沉降形成非生命的POC。
(2) 外源输入。主要是指通过河流输入进入海洋以及通过大气将空气中的有机物沉降入海洋中。其中河流输入的POC是边缘海中POC的重要来源之一。
(3) 海洋底部沉积物再悬浮。沉积在海底的POC在受到上升流、强烈海浪等的扰动后会再次进入海水中的现象。
(4) 溶解有机碳DOC通过沉淀反应形成POC。
2.2.2 POC分布的高值区北部湾POC空间分布特征与叶绿素a相似。高值区有4个，分别是琼州海峡、广西沿岸、越南沿岸和海南岛西南侧近海海域(图 5)。
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| 图 5 北部湾夏季POC分布 Fig. 5 Distribution of POC in summer in Beibu Gulf |
(1) 琼州海峡高值区
该区是POC在北部湾内影响范围最大的区域，自雷州半岛东岸近海起，穿过琼州海峡，向西达到109°E，向北占据全部雷州半岛西岸近海区域，其最高值为300~400 mg/m3。以200 mg/m3等值线为标识，其最大占据面积约18 000 km2。
(2) 广西沿岸高值区
该区的最高值为300~500 mg/m3，受径流排污影响，主要分布于北海港、钦州港和防城港的近岸区域。
(3) 越南沿岸高值区
该区主要存在于河内沿岸，其POC浓度为北部湾最高，最高值为400~600 mg/m3。其中，在马江、宋江口POC达到最大，最高值超过500 mg/m3。
(4) 海南岛西南侧近海海域高值区
该区的最高值在300 mg/m3附近。其占据区域自昌华江口起呈扇形向西扩展，分布与叶绿素a相近，最大占据海域面积约4 000 km2。
2.2.3 POC分布的低值区北部湾POC浓度由近岸向湾中降低，以50 mg/m3等值线为标识，低于这个值的区域，是POC的低值区，主要集中在湾口水交换较快区域。此外，海南岛北部近海区域在6月份亦存在一个短暂的低值区。
2.2.4 POC分布的月变化(1) 高值区的变化
总的来看，北部湾POC高值区的分布整体向东偏，即北部湾西岸高值区逐月扩大，东岸高值区逐月减小，但各高值区均有其不同的变化。
(a) 琼州海峡高值区
6月，琼州海峡高值区占据109°E以东与雷州半岛之间全部海域，7月缩至109.3°E以东，8月进一步减小至109.5°E以东。
(b) 广西沿岸高值区
6月，整个广西沿岸均被浓度高于300 mg/m3的POC占据；7月，200 mg/m3等值线向北缩进，大于300 mg/m3区域被缩减至钦州湾湾口附近；8月则重新扩大为整个广西沿岸。
(c) 越南沿岸高值区
越南沿岸高值区范围逐月扩大，其中，200 mg/m3等值线逐渐向湾中推进。而中心高值区(POC浓度大于400 mg/m3区域)则表现为先增大后减小的特征：7月，沿岸高值区较6月略有扩大，至8月份又相对缩小。
(d) 海南岛西南侧近海海域高值区
以200 mg/m3等值线为标识，3个月中，该高值区的影响区域变化较小。而300 mg/m3等值线则相对扩大，即高值区面积增大，由6月不规则斑块状分布至7月连成较大一块，而8月高值区面积较7月变化不大，仅相对北移了一段距离。
(2) 低值区的变化
6月、7月、8月POC低值区面积逐月减小。6月，以50 mg/m3等值线为标识，低值区可分为湾中和湾口两个区域，其中，湾中低值区位于海南岛北部，且范围较小，而湾口低值区则相对湾口较窄，呈舌状向北部湾内入侵；7月，湾中低值区消失，湾口低值区的舌状入侵区消失，仅剩湾口部分区域存在低值区；8月，50 mg/m3等值线完全退出北部湾，湾内不存在POC低值区。
2.3 表层颗粒无机碳(PIC)分布 2.3.1 高值区北部湾PIC浓度的空间分布部分与叶绿素a相近，表现为近岸高、湾中低的规律(图 6)。但高值区分布与叶绿素a稍有不同的是：PIC高值区主要在琼州海峡和海南岛西南侧近海海域。
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| 图 6 北部湾夏季PIC分布 Fig. 6 Distribution of PIC in summer in Beibu Gulf |
(1) 琼州海峡高值区
琼州海峡高值区主要存在于雷州半岛西岸，PIC浓度由近岸向湾中递减，影响区域可达109°E，向北可扩展至广西近海大部分区域，且大部分区域浓度在60 mg/m3以上。该高值区的主体部分出现在雷州半岛西南侧近岸，其PIC浓度最大值超过100 mg/m3。以50 mg/m3等值线为标识，高值区最大占据面积约15 000 km2。
(2) 海南岛西南侧近海海域高值区
与琼州海峡高值区扩散区域较广不同，海南岛西南侧近海海域的高值区分布相对集中，其PIC浓度在近岸达到最高，超过1 000 mg/m3，且离岸锐减，在70 km内可削减至小于2 mg/m3。
2.3.2 低值区以1 mg/m3等值线为标识，低于这个值的区域，是PIC的低值区，主要集中在湾中部水深较深区域及湾口水交换较快区域。
2.3.3 PIC逐月变化特征在6月、7月、8月3个月中其分布略有不同：
(1) 高值区的变化
总的来看，琼州海峡和海南岛西南侧近海海域高值区面积是先减小后增大。其中，海南岛西南侧的降幅更为明显，其7月份PIC浓度由6月份最高值大于1 000 mg/m3快速降至约200 mg/m3，而在8月继续降低；琼州海峡高值区在3个月中PIC浓度最高值均大于1 000 mg/m3，6月和8月分布相近，但在7月时，原高值区显著减小，并被分割为2个极小的区域，其主体区域转移至广西沿岸，且影响范围较大。
(2) 低值区的变化
6月、7月、8月PIC低值区面积逐月增加。6月，以1 mg/m3等值线为标识，低值区可分为湾中和湾口两个区域；7月，湾口区域向北扩大，与湾中低值区连通，湾中低值区则向西南进一步扩散，最远可扩展至106.22°E；8月，湾中低值区向西扩散至越南沿岸，且在越南近岸区域出现小面积、零星分布的数个低值区。
2.4 表层盐度分布受陆地径流影响，北部湾表层盐度总体呈自西向东、由近岸向湾中部递增的规律(图 7)。
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| 图 7 北部湾夏季盐度分布 Fig. 7 Distribution of salinity in summer in Beibu Gulf |
2.4.1 高值区
高盐水主要来自外海，呈舌状，沿着海南岛西南、西北沿岸向湾内入侵，33.5 PSU等值线最北可达到21°N。湾内存在一个上升流区域，形成盐度核心，位于海南岛西南侧近海区域，中心盐度值在34.0~35.5 PSU。
2.4.2 低值区盐度低值区遍布于琼州海峡和北部湾沿岸区。琼州海峡低盐区海水源于广东沿岸流，穿过琼州海峡沿雷州半岛北上。而沿岸区域低盐区则存在数个低盐核心，位于各径流入海口，盐度均小于30 PSU。低盐区域范围受径流影响明显，其中，最为显著的是越南马江、宋江入海口及广西南流江入海口区域。
2.4.3 盐度逐月变化特征在6月、7月、8月3个月中盐度分布略有不同：
(1) 高值区的变化
由于7月、8月份降雨量增大，北部湾海表盐度整体下降。7月，对比6月盐度，可以发现外海盐度并未有显著降低，但湾中各区域均下降0.5~1.5 PSU不等。其中，下降最大的是盐度核心区，其降幅大于1.5 PSU。8月，由于降水量减小，高值区盐度相对回升，核心最高盐度较7月回升了0.5 PSU。
(2) 低值区的变化
6月、7月、8月盐度低值区逐月增加。由于7月、8月降雨的增加，各河流径流量显著增加，冲淡水的影响区域进一步扩大。
2.5 表层温度分布北部湾表层温度总体呈自南向北、由近岸向湾中逐渐递增的规律(图 8)。湾中部的水温变化幅度较小，在29~31℃浮动。
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| 图 8 北部湾夏季温度分布 Fig. 8 Distribution of temperature in summer in Beibu Gulf |
2.5.1 高值区
北部湾水温的高值区分布在沿岸浅水区，由于水深较浅，受热升温较快。高值区主要有两个，分别是广西沿岸和越南沿岸。
(1) 广西沿岸高值区
该高值区影响范围最广但并不连续，其中，最大一块区域为自20.6°N起，沿雷州半岛向北覆盖至钦州湾口的部分。以31℃等值线为标识，其最大占据面积约6 000 km2。此外，沿岸零星分布数个小型高值区。
(2) 越南沿岸高值区
越南沿岸的高值区分布并不连续，主要存在于18.8°N以北区域，且各区域间隔较大、影响范围较小、分布没有规律。
2.5.2 低值区表层温度低值区主要有2个，分别是琼州海峡、海南岛西南侧近海海域。
(1) 琼州海峡低值区
琼州海峡东口存在一个显著的温度低值区，核心温度低于27℃，低温海水穿过琼州海峡进入北部湾，至西口最低温28~29℃，离开琼州海峡后温度显著增温至30℃。但该低值区在8月消失。
(2) 海南岛西南侧近海海域低值区
该低值区与盐度高值区相对应，与海南岛西南侧近海的上升流有关，为底层低温、高盐水上涌。核心温度为28~29℃。
2.5.3 表层温度逐月变化特征在6月、7月、8月3个月中其分布略有不同：
(1) 高值区的变化
7月，高值区显著扩大。其中，越南沿岸各个高值区范围略有扩大，中心温度增至32℃以上。而广西沿岸最大的高温区开始向南扩散至海南岛北部和琼州海峡西岸大部分区域。高温核心位置由北海港转移至雷州半岛和海南岛北部近海，核心温度高于32℃。
8月，越南沿岸高温区没有明显变化，但雷州半岛西侧海域的高温区向东收缩近半，核心温度仍高于32℃。
(2) 低值区的变化
3个月里，越南沿岸和海南岛西南侧近海海域的温度低值区的变化较小，低温区范围及核心温度未发生显著变化。而琼州海峡低温区则出现了较大改变。6月，其东口低温海水沿琼州海峡进入北部湾，核心低温29℃；7月，东口和琼州海峡低温区消失；8月，东口低温区再次出现，但低温海水未能扩散至西口并进入北部湾。
3 关于生态要素和环境要素分布特征内在规律的认识 3.1 叶绿素a、POC和PIC高值区与沿岸径流有关北部湾表层叶绿素a、POC和PIC浓度明显呈自东向西、由近岸向湾中部逐渐递减的规律。高值区有4个，分别是琼州海峡、广西沿岸、越南沿岸和海南岛西南侧近海海域。只是PIC浓度在越南沿岸和广西沿岸降低较大。究其原因，高浓度分布与沿岸径流有关。入海径流携带的大量营养盐是海洋生态系统的主要生源物质，是海洋初级生产力最重要的影响因子。
3.1.1 广西沿海有大量径流广西沿海有大量入海河流，年总径流量为1.836×1010 m3，具体如表 1所示。
| 河流 Rivers |
月平均径流量Monthly average runoff | 总和 Total |
|||||||||||
| 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 | 11 | 12 | ||
| 南流江 Nanliujiang River |
1.5 | 1.6 | 1.9 | 5.4 | 6.3 | 11.5 | 10.5 | 14.4 | 7.3 | 3.4 | 2.6 | 1.7 | 68.1 |
| 大风江 Dafengjiang River |
0.2 | 0.2 | 0.3 | 1.1 | 1.4 | 3.2 | 3.9 | 4.5 | 1.8 | 0.8 | 0.5 | 0.3 | 18.6 |
| 钦江 Qinjiang River |
0.4 | 0.3 | 0.5 | 1.2 | 1.7 | 3.5 | 3.8 | 4.3 | 1.9 | 1.0 | 0.7 | 0.5 | 20.1 |
| 茅岭江 Maolingjiang River |
1.1 | 0.9 | 1.1 | 2.3 | 2.7 | 3.5 | 4.4 | 4.9 | 4.6 | 2.2 | 1.0 | 0.8 | 29.5 |
| 防城河 Fangchenghe River |
0.3 | 0.4 | 0.5 | 0.8 | 1.4 | 2.5 | 4.1 | 4.5 | 2.0 | 1.1 | 0.7 | 0.4 | 18.7 |
| 北仑河 Beilunhe River |
0.6 | 0.6 | 1.0 | 1.7 | 3.3 | 4.5 | 6.5 | 5.1 | 2.8 | 1.8 | 0.8 | 0.5 | 29.2 |
3.1.2 越南沿海入海径流更多
越南境内进入北部湾的河流有红河、马江、朱江和兰江。1964年出版的《中越合作北部湾海洋综合调查报告》[17]显示：1960年和1962年，流入北部湾诸河流的径流总量为1.4×1011 m3，其中，越南沿岸河流径流量占94.5%，约为4 195 m3/s，中国广西沿岸河流径流量占5.5%，约为244 m3/s。从径流量的年变化来看，以7月、8月最大，2—4月最小。以1960年的红河为例，8月径流量为2.504×1010 m3，4月径流量为1.71×109 m3，相差超过15倍。2012年，越南科学家在学术会议上提供的红河平均径流量为6 250 m3/s，比20世纪60年代统计的径流量高出近一倍。
3.1.3 昌化江入海径流的影响昌化江，亦称昌江，是海南岛的第二大河，从东方市穿过昌江县的昌化港西流入南海，在入海口冲出一个广阔的喇叭口。昌化江干流全长232 km，平均入海水量5.0×109~5.5×109 m3。从图 4~7中可以看出，昌化江的入海径流对叶绿素a、POC、PIC和盐度具有明显的影响。
3.1.4 粤西径流和海南南渡江径流的影响广东粤西入海径流(主要是珠江)、海南南渡江入海径流西向的物质输运是琼州海峡西口表层叶绿素a、POC和PIC浓度高的主要原因，夏季表层海流运动可以佐证(图 9)。
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| 图 9 北部湾夏季表层流场分布 Fig. 9 Distribution of surface layer flow field in summer in Beibu Gulf |
从图 9中虽然只能看到雷州半岛东部一个气旋涡将海水转向西部，再通过琼州海峡进入北部湾，实际上粤西的叶绿素a、POC的高值区与琼州海峡西部的叶绿素a、POC的高值区(图 4~6)和低盐水(图 7)连成一片。表层海流图没有显示的原因在于我们使用平均风场。一次东北大风过程，特别是一次台风引起的陆架陷波[14]，可以持续数日将粤西沿岸水向琼州海峡输运。
南渡江是海南岛最大河流，从海口市进入琼州海峡，年径流量6.68×109 m3，和广西最大径流的南流江相当。
3.2 海南岛西南部叶绿素a、POC和PIC高值区与上升流有关 3.2.1 前人研究成果上升流是从表层以下铅直上升的海流，是表层流场产生水平辐散所造成。上升流把深水区大量的海水营养盐(磷酸盐、硝酸盐等)带到表层，提供了丰富的饵料，因此，具有高浮游植物生物量和高初级生产力。
根据Hsueh和O'Brien[18]的“海流上升流”机制，在完整的潮周期内，由于潮流流向的周期性变化，由底边界层效应引发的上升流和下沉流恰好抵消。但是，潮流绕岬角呈近似圆周运动，由此产生的离心力总是离岸的，该离心力必须由一个额外的压力梯度力与之平衡。在惯性参考系下，正是这个额外的压力梯度力提供了潮流转弯运动的向心力，而海南岛西南部的岬角地形导致这里上升流的出现。吕新刚[19]通过计算，得到最大可能流速分布(图 10)。强流中心就是上升流最强区域。
3.2.2 气旋环流可能是导致大面积上升流的主要原因
除上述原因之外，这个区域的气旋环流可能是导致大面积上升流的主要原因，其基本依据是：上升流的主要特征是高盐、高初级生产力分布的范围。
(1) 高盐、高初级生产力分布的范围和岬角地形引起的分布范围显著不同
按照前面遥感结果(图 7)，6月相对高盐区域以34.5 PSU等盐度线为代表，构成的区域接近9 000 km2，高盐中心(35.5 PSU)远离海岸几十千米；7月、8月相对高盐区域以34.0 PSU等盐度线为代表，构成的区域分别降至5 000 km2和2 000 km2，高盐中心也是离开海岸几十千米。这与地形引起的上升流有明显区别：地形引起的上升流位置基本固定，面积也不会大起大落；更重要的是，盐度最高值最靠近海岸区域。
叶绿素a高值区，北从昌化江口的棋子湾起，向南绕过莺歌海折向东，到三亚港西缘崖州湾止，最大占据海域面积约5 000 km2；POC高值区分布与叶绿素a相近，最大占据海域面积约4 000 km2。尽管面积和吕新刚[19]结果相近，但是月变化和范围的延伸方向却有显著差别。
(2) 与环流计算结果比较吻合
图 11中给出了夏季中层(此次计算的是第5层)环流分布。从11图中可以看出：6月，在18°—19°N、117°45′—118°45′E存在一个气旋涡，该位置与6月的高盐区分布基本吻合；7月，同样有一个气旋涡存在，只是形状和高盐区有较大差别；8月，近岸区域是反气旋涡，远岸区域是气旋涡，在这两个涡旋之间是辐散带，底层水在这里上升。所以图 7中高盐区远离海岸，呈不规则形状向西延伸。
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| 图 11 北部湾夏季中层流场分布 Fig. 11 Distribution of middle layer flow field in summer in Beibu Gulf |
4 结论
通过分析遥感资料，得知2007年北部湾夏季生态和环境要素基本分布特征如下：
4.1 阐述了生态要素和环境要素分布特征(1) 北部湾表层叶绿素a浓度明显呈自东向西、由近岸向湾中部逐渐递减的规律。高值区有4个，分别是琼州海峡、广西沿岸、越南沿岸和海南岛西南侧近海海域。高值区面积逐月增加；低值区域是水深大于50 m的“深水区”。
(2) 北部湾POC空间分布特征与叶绿素a相似，但是北部湾西岸高值区逐月扩大，东岸高值区有逐月减小的趋势；低值区主要集中在湾口水交换较快区域；6月、7月、8月POC低值区面积逐月减小。
(3) 北部湾PIC空间分布特征与叶绿素a相似。低值区主要集中在湾中部水深较深区域及湾口水交换较快区域。
(4) 高盐水主要来自外海，呈舌状，沿着海南岛西南、西北沿岸向湾内入侵，33.5 PSU等值线最北可达到21°N。湾内存在一个上升流区域，形成盐度核心，位于海南岛西南侧近海区域，中心盐度值在34~35.5 PSU。盐度低值区遍布琼州海峡和北部湾沿岸区。由于7月、8月降雨量增大，北部湾海表盐度整体下降。
(5) 北部湾水温的高值区分布在沿岸浅水区，主要有两个，分别是广西沿岸和越南沿岸。
4.2 研究了决定生态要素和环境要素分布特征的主要机制在研究要素分布特征时，我们还进行同步海流计算。将夏季逐月平均风场输入南海嵌套模式之中，计算了北部湾小区域流场。因此，我们的余流场中包含风海流和潮汐余流，只是没有考虑密度流。因为北部湾是浅海，密度流要比潮汐余流小一个数量级，可以暂时略去不计。在分析水文与生态要素分布特征时，总是将它们与海水运动联合起来讨论，这样更容易揭示要素分布特征的内在规律。通过流场得到结论：
(1) 叶绿素a、POC和PIC高值区与沿岸径流有关。
(2) 海南岛西南部叶绿素a、POC和PIC高值区与上升流有关。
4.3 贡献与不足 4.3.1 本文主要贡献(1) 第一次系统给出北部湾夏季表层叶绿素a、POC、PIC、温度和盐度的分布；(2)第一次将北部湾海流数值计算结果作为动力学背景场，对北部湾夏季表层叶绿素a、POC、PIC、温度和盐度的分布规律做出合理的解释；(3)对海南岛西南部近岸水域的叶绿素a、POC和PIC高值区形成提出新见解：认为上升流是该处高值区形成的主要因素。
4.3.2 本文的不足本文存在不足之处：径流量采用多年平均，而非2007年实测值，这会给海流数值计算带来一定误差；海流数值计算中未考虑密度的变化，也会给海流数值计算带来误差。正因为如此，海流数值计算结果，并不能完全解释生态要素和环境要素分布。
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