南海是西北太平洋最大的半封闭边缘海，岛屿众多，地形复杂，受季风、黑潮等因素影响，南海环流在时空方面均呈现复杂多变的特点，其在黑潮影响下的结构特征和中尺度涡旋更是研究关注的焦点。北部湾是南海的一个内湾，其环流特征与广西沿岸海洋动力环境和物质输运关系密切；南海海水除了从南部湾口流入外，还通过琼州海峡与北部湾相连，对湾内的海水水文和动力特征产生重要影响。

针对南海大尺度环流的季节和尺度特征已有不少研究成果，也有不少学者对北部湾环流进行数据分析和数值模拟^[1-6]，但是大尺度的南海海域数值计算多为气候态模拟^[7-9]，分辨率不够精细，且很少细化到具体年份去探讨环流结构特征；而在针对北部湾的模拟中，多数使用固定的温盐条件，仅使用潮汐水位和风来驱动，这样的边界条件会给模式结果带来很大的不确定性。

本文基于Hybrid Coordinate Ocean Model (HYCOM)模式，通过多重嵌套的方法，将多年气候态模拟的大尺度模式的温盐和速度作为高分辨率南海模型的边界条件，以真实风场数据作为驱动，分析南海西北部环流场结构的时间和空间变化特征。

本文使用HYCOM模式进行模拟，该模式采用垂向混合坐标，其中在开阔的层化大洋适用等密度坐标，在弱层结的海洋上混合层可逐渐过渡到z坐标，到达浅海区域时则使用随底σ坐标，而到了更浅的海域又换成z坐标，本文的模拟试验中垂向混合方案采用KPP，使用全球模式-西太平洋模式-南海模式三重嵌套网格以提高近岸区域的分辨率，其中全球模式的分辨率为1°，范围为60°S—54°N，180°W—180°E；西太平洋模式分辨率为0.2°，范围为6°S—48°N，95°E—146°E；南海模式分辨率为0.04°，模拟范围为4°N—24°N，98.4°E—124.4°E，三重嵌套网格如图 1所示。

图 1 全球模式-西太平洋模式-南海模式的三重嵌套模拟区域[10] Fig. 1 Triple nested simulation area of global model-Western Pacific model-South China Sea model[10]

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全球模式采用冷启动，以气候态强迫数据驱动并计算50年，约25年后模式达到稳定状态；使用第26年的全球模型结果作为初始场，后25年的计算结果作为边界条件驱动太平洋模式计算25年，约2年后后者也达到了稳定状态；以太平洋模式第3年的模拟结果作为初始场，第3年以后的模拟结果作为边界条件驱动南海模式并运行，2年后达到稳定状态。

事实上，很多对北部湾环流研究的结果都支持北部湾海湾尺度的环流主要受风应力和密度梯度驱动^{[2-4, 6]}，因此本模式中仅考虑风力强迫和温盐导致的斜压效应。以南海模式第3年的计算结果作为初始场，使用来自Navy Operational Global Atmospheric Prediction System (NOGAPS)的2006—2008年真实气候强迫数据(包括风速风向、风应力、蒸发降水等，时间分辨率为3 h/个，空间分辨率为0.5°，将其插值到0.04°分辨率的南海模式中)驱动模型，从2006年10月份到2008年12月连续计算27个月得到模拟结果。模式结果利用卫星数据进行验证^[10]。

本文主要关注从2008年1—12月的结果，结果经处理后为z坐标，选择其中的0 m(即海表面处)、20 m、50 m、100 m、200 m和500 m深度的数据进行分析和讨论。

如图 2所示，整体而言海南岛东南方向的开阔大洋流速较大，最大流速超过40 cm/s，流轴位置变化多端，多数月份都存在一个或者多个中尺度涡旋，表层流场结构复杂；随着水深增大，流场不规则性降低，涡旋结构更加明显，反气旋式涡旋对应高温中心，气旋式涡旋对应低温中心，反映了大洋环流中Ekman运动的特点。

图 2 南海西北部不同月份表层流场分布及海表面温度 Fig. 2 The surface current field distribution and sea surface temperature of northwest of SCS in different month

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春季温度较低，3月湾口主要为气旋式环流，湾口处南海海流入侵，流轴沿着海湾中线蜿蜒北上，基本沿着北部湾内等温线流动，呈现出较明显的密度流特征；4月起海表面温度逐渐上升，5月湾口处海流东入西出，在北部湾南部形成一个半海湾尺度大小的气旋式环流。而入侵海水沿着海南岛西岸一路北上，在北部湾北部约108.4°E处分成两支，分别转向形成东、西两个小的反气旋式环流和气旋式环流。7月开始，西南季风的影响增强，湾内海水在其影响下基本为东向和东北向，流速增大，尤其是湾东侧流速基本超过20 cm/s，湾口处形成一个强度较大的反气旋式中尺度涡，且其结构向下一直影响到底层海水(图 2c~d)；8月、9月海表面温度达到峰值，整个北部湾的海表面温度基本均在30℃以上。9月湾口有一支南海海流从湾口中部入侵，在其影响下越南沿岸流一部分转向东继而向南，形成一个气旋式环流，而在其西南侧则形成一个较小的反气旋式涡旋。9月时东北季风开始控制海面，南海海水通过琼州海峡入侵北部湾北部，且在海南岛西北端分成两支，一支向西横跨北部湾，与湾顶的南向流汇合后向西北沿着地形岸线流出北部湾；一支向西成为沿岸流，在海南岛西南侧转向往北，形成逆时针环流，最终与沿着越南岸线流出的一支汇合。

深度20 m的次表层处，6—11月北部湾内均同时存在多个中尺度涡(图 3a~c)：6月海南岛西北侧出现一个强度较大的反气旋式涡旋，其西南侧和北侧又分别分布一大一小两个气旋式涡旋(图 3a)；7月湾口表层的涡旋结构在次表层仍然存在，事实上其在接近底层的50 m深度处依然清晰可见(图 3c~d)，且由于下降流的作用形成一个高温中心；而其东北侧6月位于海南岛西北侧海岸的反气旋涡影响犹在，两者中间又分布一个更小型的气旋式涡旋。深度50 m接近北部湾南部的湾底，9月在18°N附近形成气旋式和反气旋式两个涡旋，分别对应低温和高温中心，可能与气旋式涡旋造成的上升流和反气旋式涡旋造成的下降流有关；10月，湾口处则只存在一较弱的气旋式涡旋和低温中心。

图 3 20 m次表层处和5020 m次表层处和50 m层处的流场分布和海水温度 Fig. 3 The current field distribution and sea temperature in northwest of SCS at 20 m and 50 m subsurface layer

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大洋一侧基本盐度都维持在一个较高的水平(>34 PSU)，夏季由于降雨因素影响盐度降低至33.2 PSU左右；200 m深度处盐度基本在34.3~34.5 PSU，变化幅度很小。温度也有类似特征，到了200 m深度处，温度随季节变化也不大，基本都在11~15℃左右，温度差异主要来自Ekman运动导致的上升流和下降流。反气旋式涡旋对应高温中心，气旋式涡旋对应低温中心，涡旋结构分明。深度500 m以下海流速度较小，温度基本在7℃左右，涡旋造成的高低温中心减弱但仍然存在，其盐度约为34.4~34.5 PSU。

北部湾受蒸发降水影响较为明显，从6月开始湾顶处海表面盐度便开始显著下降，在8月、9月雨季盐度下降至31.5 PSU以下；且湾内大部分时间呈现西低东高，湾顶低于外湾的状态。这可能与以下两个因素有关系：(1)入侵南海高盐海水多通过湾口沿海南岛西岸北上；(2)南海海流通过琼州海峡海水进入北部湾从而影响其水文特征。而次表层在2月、6月和10月也呈现出较为明显的热盐环流特征，次表层高盐海水向北入侵现象在10月份较为突出，海水从湾口东侧入侵至19.5°N左右，转向南下，形成一个半海湾尺度的反气旋环流和明显区别于湾内其他地方的高盐中心。在垂向结构上，表层海水盐度受蒸发降雨影响最大，而降水对次表层盐度的影响比表层要小得多(图 4)。

图 4 20 m次表层处流场分布和海水盐度 Fig. 4 The current field distribution and sea salinity at 20 m subsurface layer

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根据模拟结果，冬季琼州海峡流速也较大，流向向西，3月、4月季风转向期间流向比较杂乱，流速也较小；5—8月和10月为很强的东向流，11月、12月又转为西向流，随着深度增加琼州海峡流速有所减小，但是大致结构和流向不变。本研究结果为基于风应力强迫和热盐边界条件的模拟结果，并未考虑潮汐作用。事实上琼州海峡海水输运方向一直存在争议^[11-13]，南海海水在琼州海峡处的输运是全年向西还是随着季风变向而改变，未来有待更多观测验证；另外，正如上述分析指出，琼州海峡也是南海海水入侵北部湾的通道之一，其西向流对琼州海峡附近盐度分布存在影响，在季风影响下，珠三角附近海域在冬季也是西向的沿岸流，极有可能通过琼州海峡将珠江口一带富营养海水带入北部湾，从而影响冬季广西近海海水质量和生态环境，已经有相关研究针对海水温盐特征进行分析溯源^[13]，未来还有待更详尽的观测数据或者物质输运模型进行验证。

本文基于HYCOM模式和气象强迫数据，利用三重嵌套网格，以较大模型的气候态稳定结果作为定初始场和边界条件，以0.04°的水平分辨率对南海西北部环流在风力强迫下的结构及其时空分布特征进行三维模拟，模拟结果分析主要结论如下：

(1) 海南岛东南侧的南海深水海域流速较大，流轴的时空变化较为明显，一年中多数月份都存在多个中尺度涡，且Ekman运动特征较为明显。

(2) 北部湾内表层环流受季风影响较强，且又呈现出较强的密度流特征。冬季基本为单一的气旋式环流，而夏季则会存在两个或者多个气旋式或者反气旋式涡旋，其尺度也较小，这与之前的一些研究结果是一致的^[14-15]。深度20 m的次表层处在全年多数月份都存在多涡旋结构，7月表层的湾口气旋式环流其结构向下直接影响到底层流场。

(3) 南海西北部深水区的温度和盐度都较高，且随着深度增加其季节变化特征减弱，变化幅度较小；北部湾的盐度受蒸发降雨影响较大，盐度分布西低东高，这与从湾口和琼州海峡入侵的南海高盐海水有关，另外次表层海流呈现较强的密度流特性。

(4) 琼州海峡流受季节影响，冬季向西，夏季则相反；冬季在季风影响下，珠江口一带富营养海水极有可能通过琼州海峡进入北部湾，影响广西近海海洋环境。