盧 燕,李澤文,李淑江*,范 斌,張鳳燁,徐曉慶

(1.國家海洋局第一海洋研究所,山東青島266061;2.青島海洋科學與技術國家實驗室區(qū)域海洋動力學與數(shù)值模擬功能實驗室,山東青島266200;3.華能新能源股份有限公司,北京100097)

海南萬寧近岸余流特征分析

盧 燕1,2,李澤文3,李淑江1,2*,范 斌1,2,張鳳燁1,徐曉慶1,2

(1.國家海洋局第一海洋研究所,山東青島266061;2.青島海洋科學與技術國家實驗室區(qū)域海洋動力學與數(shù)值模擬功能實驗室,山東青島266200;3.華能新能源股份有限公司,北京100097)

根據(jù)2012-04在海南島萬寧近海海域獲取的3次周日定點海流連續(xù)觀測資料,我們計算分析了春季這一海域的歐拉余流特征。結果表明,研究海域的水體主要沿等深線方向流動,并在觀測期間發(fā)生了轉向,由04-10的西南向流轉為04-14和04-17的東北向流。觀測期間04-10的余流流速最小,04-14和04-17的余流流速較大,其中04-14余流流速最大,可達44 cm/s。2004—2011年秋冬季流經(jīng)研究海域的漂流浮標觀測結果,進一步驗證了萬寧近海海水沿等深線方向流動的這一特征。在東北季風期,海水由東北向西南方向流動;在西南季風期流向則完全轉向,自西南向東北方向運動;萬寧近岸海流的主軸在20～100 m等深線梯度最大的陸坡處,等深線最密集的海域流速最大。

萬寧近岸;周日觀測;漂流浮標;余流

海南島東南部的萬寧近海海域位于南海西北部陸坡處,受熱帶季風、南海環(huán)流、河流徑流以及復雜地形和岸線等因素影響,其環(huán)流結構特征復雜。早期研究表明[1],南海海面上的季風比較強且穩(wěn)定,海表面至200 m深的表層環(huán)流受東亞季風影響顯著,具有明顯的季風流的特征,并存在西向強化現(xiàn)象。數(shù)值模擬研究也表明[1-3],季風是南海表層環(huán)流的驅動力,南海環(huán)流具有顯著的季節(jié)變化和西向強化的主要特征。在南海的西部存在著一支強流,流向隨季風轉換而變換方向,且冬季流速大于夏季,這一強流被稱之為南海西邊界流[4-5]。受南海西邊界流的影響,海南島東南近岸海域具有冬夏季流向明顯不同的主要環(huán)流特征,冬季在東北季風驅動下呈現(xiàn)西南向流動,而夏季在西南季風驅動下呈現(xiàn)東北向流動。但是受數(shù)值模擬的限制,目前只能給出該海域總體的海流流動特征和規(guī)律。

萬寧近海地處瓊東上升流海域[6-7],是海南島的主要漁場之一,受漁業(yè)捕撈的影響在附近海域的海流觀測相對困難和稀少。管秉賢[8]根據(jù)溫鹽剖面觀測資料研究表明,海南島東岸夏季6月份受西南季風的影響,存在一支東北向的海流;并認為這與南海暖流的氣旋式彎曲相關。1997年胡輝等[9]的觀測結果表明,海南島東南沿岸普遍為弱潮流區(qū),潮流流速小,流態(tài)不穩(wěn)定,其流速量級與由季風產(chǎn)生的風海流相當。徐佳佳[10]利用OFES數(shù)據(jù)在研究南海西邊界流過程中指出,海南島東南近岸的沿岸流也是南海西邊界流的一部分,存在顯著的季節(jié)變化,春季和夏季向北流,秋季和冬季向南流,且冬季強于夏季。許金電等[11]研究瓊東上升流時指出,2006年夏季海南島北部近岸在季風的作用下,觀測海域不僅存在沿海岸線東北向的流動,還存在18 m以深向岸和18 m以淺離岸的流動,并表明流動的大小與局地風速有密切關系。2012年秋季在海南島東北部的走航ADCP觀測結果也表明[12],秋季海南島近岸的流動為沿等深線向西南方向,并在近岸存在表層向岸的流動,這抑制了瓊東上升流的發(fā)展。但是全面認識海南島近岸的海流特征,還需要從觀測角度開展深入的研究。

(王 燕 編輯)

本文根據(jù)2012年春季海南島東南側萬寧近海6個站位3次周日海流觀測資料,分析了春季該海域的余流特征和海水運動特征。并根據(jù)研究海域近年來的漂流浮標觀測結果,定性分析了研究海域的環(huán)流空間特征。

1 觀測和資料

2012-04-10—18,我們在海南萬寧大花角外側水域,沿水深30～40 m等深線方向,自東北至西南方向共布設了6個觀測站點,進行了3個周日的海流連續(xù)同步觀測。觀測站點自北向南分別為A3,A4,A2,A5,A1和A6(圖1,其中水深和岸線數(shù)據(jù)來自ETOPO1[13]),其中A3站水深最深為51.0 m,A1站水深最淺為31.7 m。水深觀測結果(圖1和表1)也表明,ETOPO1水深數(shù)據(jù)與觀測水深在觀測海域北部等深線相對密集海域差別較大,在觀測海域南部等深線相對稀疏海域二者數(shù)值相接近。3次觀測日期分別為2012-04-10—11 (以下簡稱04-10),04-14—15(以下簡稱04-14),04-17—18(以下簡稱04-17),觀測時間均為11時至次日11時,每次歷時25 h。在海流周日觀測過程中,A1和A2站使用了2臺Nortek公司AquaPro 600K聲學多普勒流速剖面儀(ADCP);A3,A4,A5和A6站使用了4臺TRDI公司的300K ADCP(表1)。除了A1站采用座底ADCP上視的觀測方式,A2～A6站均采用了船載ADCP下視的觀測方式。所有觀測站的層厚均為2 m,采樣間隔為10 min。

圖1 觀測站位及水深分布Fig.1 Locations of observational sites and bottom topography

表1 觀測站位及其觀測相關信息Table 1 Information of observational sites

本文采用的風場數(shù)據(jù)來自在觀測海域近岸烏場碼頭(圖1中“+”處)的R.M.Young氣象站,采樣時間間隔為10 min,這里選取了整點時刻的數(shù)據(jù)。本文采用的漂流浮標資料來源于美國NOAA大西洋海洋大氣實驗室(AOML)發(fā)布的2004年至今經(jīng)過研究海域的漂流浮標的觀測資料[14]。2004—2011年期間,共有12個Argos漂流浮標流經(jīng)研究海域,有38次海流的觀測結果,同一漂流浮標的觀測時間間隔為6 h。這38次觀測結果全部出現(xiàn)在秋冬季,其中10月4次,11月19次,12月和1月各2次,2月1次。

2 觀測海域的歐拉余流特征

余流一般分為歐拉余流和拉格朗日余流,2012年春季萬寧近岸6個站點的觀測是定點連續(xù)1周日的閉合觀測,因此可以采用歐拉余流進行分析。歐拉余流為一個時間周期t0內(nèi)的時間平均值,公式為

式中,t0=25 h,積分時間間隔為1 h,從前一日的11:00到下一日的11:00的一個閉合時間周期連續(xù)數(shù)據(jù),由此可以計算出每一剖面余流值。

2.1 觀測海域余流統(tǒng)計特征

表2給出了3次周日觀測期間的6個觀測站點的垂向平均流速和流向,以及最大流速、流向和所在深度。結果表明,由于觀測海域的觀測站點相鄰近,其流場具有空間一致性。通過計算垂向平均余流,可以發(fā)現(xiàn)04-10所有觀測站點的正壓流流向為西南向,04-14和04-17所有觀測站點的正壓流流向為東北向(圖2)。觀測期間,04-14流速最大,6個觀測站點的平均正壓流為31 cm/s,流向為27°;04-10與04-17流速較小,6個觀測站點的平均正壓流均為16 cm/s,流向為192°和34°。觀測期間,雖然觀測海域的正壓流流向發(fā)生了轉向,但是3次觀測到的余流方向大致沿著觀測海域等深線方向運動。

表2 各站位3次觀測余流的平均、最大流速和流向及所在深度Table 2 Mean,maximum velocity and direction,and corresponding depth of subtidal currents at all the sites during the three observations

統(tǒng)計結果也表明(表2),雖然余流場總體上具有空間一致性,但也表現(xiàn)出一定的空間分布特征:沿等深線自東北向西南方向,余流流速逐漸減弱。這可能與觀測海域東北部等深線相對于西南部更密集、地形對海流的約束作用有關。A3,A4,A2和A5位于研究海域北部的等深線密集,04-10,04-14和04-17三次觀測的余流平均值分別為18,35和19 cm/s;A1和A6站位于等深線相對稀疏的最南端,3次觀測的余流平均值分別為12,23和10 cm/s,遠小于北部4站的平均值。6個觀測站點3次觀測的最大流速統(tǒng)計結果也具有北大南小的上述特征:04-10,04-14和04-17北部4站位3次觀測的最大流速分別為27,44和41 cm/s,南部2站3次觀測的最大流速分別為24,35和27 cm/s。在西南向流期間,最大流速出現(xiàn)在11～14 m的中層,表層和底層流速相對較低;在東北向流期間,最大流速主要出現(xiàn)在3～5 m的表層,并自表至底逐漸降低。這表明東北向流與西南向流的驅動力的來源有很大差別。

圖2 2012-04-10,04-14和04-17的垂向平均余流Fig.2 Vertically averaged subtidal current on 10th,14th and 17th April,2012

2.2 各站余流的三維結構和時間變化特征

A1～A6站于04-10,04-14和04-17觀測期間的余流垂直結構剖面見圖3。由圖可知,余流在垂直方向上存在一致性,以正壓流為主。04-10,所有觀測站點的流速和流向在垂向上變化不大,正壓流特征顯著;04-14,流速在垂向上變化較小,而流向存在較顯著的差異,海流的斜壓特征逐漸顯現(xiàn);04-17,觀測海域的海流無論流速還是流向都存在顯著差異,斜壓性更顯著。這表明,觀測期間觀測海域的海流逐漸由正壓流向斜壓流轉換。

圖3 2012-04-10,04-14和04-17 A1～A6站的余流垂直結構Fig.3 Vertical structure of subtidal current at stations A1～A6 on 10th,14th and 17th April,2012

為了更加清晰地分析余流的垂向特征,將6個站點3次觀測的各層余流值分別減去各個觀測站點每次觀測垂向平均的正壓流后,可以計算得到6站點3次觀測的斜壓流結果(圖4)。結果表明,04-10,西南向流期間,觀測海域的斜壓流最弱;04-17,東北向流期間,斜壓流最強。04-14和04-17東北向流期間,斜壓流存在上下層反向的明顯特征:15 m以淺的上層水存在一支離岸流動,15 m以深的下層水體存在向岸的流動。這一上下層流體反向流動的結構與瓊東上升流區(qū)的環(huán)流特征相一致[7,11]。下層水體向岸流動,到達近岸后抬升為上層水體,然后在表層形成離岸流。

今年臺風對農(nóng)作物破壞程度大、面積廣，雖然當?shù)卣疾扇×搜a救措施，積極排除田間積水、鼓勵百姓迅速施肥防治病蟲害等。但是百姓面對大片受損的“心血”，在加上復合肥一直價處高位，大多舍不得在農(nóng)業(yè)方面有所投入，抱有破罐子破摔的心態(tài)。綜上來看，臺風對農(nóng)作物破壞面積較大，對肥市的影響也是較大的。

斜壓流的三維結構也表明,在10～15 m以淺的斜壓流自上至下,流速逐漸減小,流向基本為順時針方向旋轉,這是典型的表面風驅動的表層Ekman螺旋結構特征。而在底層,尤其是04-14和04-17的觀測,20 m以深的斜壓流速逐漸增大,流向基本為逆時針方向旋轉,這是典型的底摩擦驅動的底層Ekman螺旋結構特征。

圖4 2012-04-10,04-14和04-17 A1～A6站的余流斜壓垂直結構Fig.4 Vertical structure of baroclinic subtidal current at stations A1～A6 on 10th,14th and 17th April,2012

2.3 局地風對觀測海流的影響

由于南海盛行季風,特別在夏、冬季節(jié)分別以偏南風和偏北風為主[15],風場很穩(wěn)定,持續(xù)時間長。海表面至100 m水層,海流受風影響很大。由于觀測期間為春季,處于冬季風向夏季風轉換的季節(jié),風場不是太穩(wěn)定。同期在觀測海域近岸烏場碼頭觀測的10 m高風速和風向(圖5,時間間隔為1 h)數(shù)據(jù)表明,04-07—10,觀測海域風向不穩(wěn)定,在偏南風和偏北風之間變動,風速大部分時間在2 m/s以下,平均風速1.3 m/s。結合前節(jié)分析發(fā)現(xiàn)的04-10觀測海域流速最大值在中層而非表層,這表明其受風場影響較小,其受外來環(huán)流的影響更顯著。04-10研究海域的局地風逐漸轉為穩(wěn)定的北向風,平均風速也提高到3.3 m/s。這與04-14與04-17觀測海域的東北向流密切相關,且流速最大值出現(xiàn)在表層,自表至底流速逐漸下降。

圖5 2012-04-06—20觀測期間沿岸觀測站風向和風速隨時間的變化Fig.5 Time series of wind velocity and direction measured at a coastal station during observation from 6th to 20th April,2012

3 觀測海域拉格朗日余流特征

本文收集整理了歷年來流經(jīng)研究海域的Argos漂流浮標的觀測資料[14],共有12個Argos漂流浮標于2004—2011年期間流經(jīng)海域,38次海流的觀測(圖6,同一漂流浮標的時間間隔為6 h)。所有觀測數(shù)據(jù)均發(fā)生在秋季或冬季的東北季風期。其中11月最多有19次觀測,2月有11次觀測。圖6為根據(jù)這些漂流浮標觀測資料計算出的每間隔6 h的拉格朗日余流結果。圖6表明,秋、冬季海南島東南近海表層海水沿等深線由東北向西南向流動。漂流浮標在等深線梯度較大的海域聚集,這表明萬寧近岸海流的主軸在20～100 m等深線梯度最大的陸坡處。觀測期間最大流速為109 cm/s,出現(xiàn)在2004-02;最小流速為18 cm/s,出現(xiàn)在2005-11;所有觀測值的平均流速為52 cm/s,這遠大于2012年春季的余流觀測值。

圖6 2004—2011年經(jīng)過該海域的Argos漂流浮標觀測結果Fig.6 Currents derived from Argos in the study area from 2004 to 2011

此外,我們分別于2011-12和2012-04在該海域進行了2次漂流浮標觀測(圖7,數(shù)據(jù)間隔為1h),根據(jù)漂流浮標的位置和時間,同樣可以計算出拉格朗日余數(shù),數(shù)據(jù)間隔為1 h。圖7中紅色箭頭為2011-12觀測結果,漂流浮標沿30～50 m等深線自東北向西南流動,這與圖5中給出這一海域在秋冬季海流流向一致。觀測期間的平均流速為48 cm/s,最大流速66 cm/s出現(xiàn)在大洲島外側的等深線密集區(qū)。藍色箭頭為2012年春季4月的觀測結果,流向完全轉向,自西南向西北方向運動。這與04-14,04-17固定觀測點的歐拉實測余流方向一致,表明該海域海流在04-14轉向后,一直流向東北。這次觀測期間的流速平均值為57 cm/s,明顯高于之前歐拉定點余流觀測的結果。

圖7 2011-12與2012-04漂流浮標觀測結果Fig.7 Currents derived from drifting buoy in the study area during December 2011 and April 2012

4 結 論

已有的研究結果表明[6],海南島東南海域受南海大尺度表層環(huán)流的影響,海流在夏季和冬季分別以東北向和西南向流為主。春秋為冬季季風與夏季季風的過渡季節(jié),風場不太穩(wěn)定;此外,觀測海域還受到南海暖流的影響,因此研究海域的春季海流運動特征比較復雜。2012-04海南島萬寧近海海域的3次周日定點海流連續(xù)觀測結果表明,研究海域的正壓海流基本沿等深線方向流動,并在觀測期間發(fā)生了轉向,由04-10的西南向流轉為04-14和04-17的東北向流。由于觀測海域的觀測站點相鄰近,其流場具有空間一致性,研究海域3次觀測的平均余流分別為16,31和16 cm/s。受地形的約束作用,等深線密集的東北部海域余流流速高于其西南部。觀測海域的海流也存在顯著的垂直結構特征,尤其是在東北向流期間,存在一個垂直于岸的次級斜壓環(huán)流結構,即底層流存在向岸的流動,表層存在離岸的流動,這進一步驗證了瓊東上升流的垂向結構特征。

歷史Argos漂流浮標的觀測結果表明,在秋季和冬季的東北季風期,海南島東南近海表層海水沿等深線由東北向西南方向流動,且萬寧近岸海流的主軸在20～100 m等深線梯度最大的陸坡處。該海域所有觀測的平均流速為52 cm/s,最大觀測流速為109 cm/s,出現(xiàn)在2月。而2011-12和2012-04在該海域的2次漂流浮標觀測結果也驗證了萬寧近海海水沿等深線方向流動的這一特征,同時也表明等深線最密集的海域流速最大。而春季流向完全轉向,自西南向東北方向運動。這與04-14和04-17固定觀測點的歐拉實測余流方向一致。

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Subtidal Current in the Southeast Offshore Area of Hainan

LU Yan1,2,LI Ze-wen3,LI Shu-jiang1,2,FAN Bin1,2,ZHANG Feng-ye1,XU Xiao-qing1,2
(1.The First Institute of Oceanography,SOA,Qingdao 266061,China; 2.Laboratory for Regional Oceanography and Numerical Modeling,Qingdao National Laboratory for Marine Science and Technology,Qingdao 266200,China; 3.Huaneng Renewables Corporation Limited,Beijing 100097,China)

Based on three one-day continuous current observations at the offshore of Wanning,Hainan in April 2012,we calculate the Euler subtidal current and study its characteristics in spring.The results show that the subtidal current mainly flows along the isobaths,but reverses from a southwestward current on 10th April to a northeastward current on 14th and 17th April.The subtidal velocity reaches its maximum, 44 cm/s,on 14th April,but it is weakest on 10th April.Data from drifting buoy confirm that the subtidal current flows along the iso baths at the offshore of Wanning.In northeast monsoon season,the offshore water flows from the northeast to the southwest along isobaths,while in southwest monsoon season,the offshore water flows from the southwest to the northeast along isobaths.The flow core of Wanning coastal current locates at the slope where isobaths are between 20～100 m,and the velocity is strongest in the region where isobaths are most intensive.

offshore of Wanning;25 hours observation;drifting buoy;subtidal current

P731.22

:A

1671-6647(2017)01-0053-09

10.3969/j.issn.1671-6647.2017.01.006

2016-07-14

國家高技術研究發(fā)展計劃項目——南海及周邊海域風浪流耦合同化精細化數(shù)值預報與信息服務系統(tǒng)(2013AA09A506);國家自然科學青年基金項目——太平洋-印度洋貫穿流南海分支與印尼貫穿流的相互作用及氣候效用(41306031);中央級公益性科研院所基本科研業(yè)務費專項資金資助項目——卡里馬塔貫穿流與印尼貫穿流的相互作用(2013G35);國家海洋局海洋可再生能源專項——華能海南波浪能并網(wǎng)發(fā)電示范(GHME2010GC04)

盧 燕(1962-),女,山東青島人,高級工程師,主要從事海洋數(shù)據(jù)分析方面研究.E-mail:luy@fio.org.cn

*通訊作者:李淑江(1979-),男,山東日照人,副研究員,博士,主要從事物理海洋學方面研究.E-mail:lisj@fio.org.cn

Received:July 14,2016