徐珊珊，楊錦坤，武雙全，董明媚，苗慶生

（國家海洋信息中心，天津，300171）

渤海中部海域表層潮流和余流特征分析

徐珊珊，楊錦坤，武雙全，董明媚，苗慶生

（國家海洋信息中心，天津，300171）

利用2014年各月浮標(biāo)觀測得到的表層海流資料，對其進(jìn)行調(diào)和分析，基于調(diào)和分析結(jié)果對渤海中部潮流和余流特征進(jìn)行研究。結(jié)果表明：渤海中部大部分海域潮流性質(zhì)屬于不正規(guī)半日潮性質(zhì)。渤海中部水深較淺，淺水分潮的影響不可忽略，其中M4分潮的影響更為顯著；潮流運(yùn)動(dòng)形式除西部和北部兩個(gè)浮標(biāo)點(diǎn)為往復(fù)流以外其余均是旋轉(zhuǎn)流，旋轉(zhuǎn)方向均為逆時(shí)針；渤海中部實(shí)測漲落潮流除最北端的2號浮標(biāo)點(diǎn)較強(qiáng)以外，其他均小于75 cm/s。漲落潮流的強(qiáng)度較一致。渤海中部的余流除4號浮標(biāo)點(diǎn)以外均為偏向北的流動(dòng)，表層月均余流的季節(jié)變化不太明顯。本文推測渤海中部環(huán)流的流動(dòng)特征為順時(shí)針。冬季渤海中部表層余流受制于風(fēng)的作用，春、夏季某些區(qū)域余流受到風(fēng)的影響較大，是潮汐余流和淺海風(fēng)海流的合成。而靠近岸邊的1號浮標(biāo)點(diǎn)以潮余流為主。

渤海中部；潮流；余流；潮余流；風(fēng)生流

渤海是中國的內(nèi)海，是東北、華北、西北和華東部分地區(qū)的主要出?？冢哂兄匾慕?jīng)濟(jì)和生態(tài)作用，研究其潮流和環(huán)流特征具有重要的意義。渤海的實(shí)測潮流資料較多，但主要集中在渤海灣、遼東灣和萊州灣及近岸海域，渤海中部較長期的實(shí)測流資料難以獲得。近年來關(guān)于渤海中部潮汐潮流特征的研究中，婁安剛等（2002）利用位于渤海中部一點(diǎn)獲得的潮流調(diào)查資料計(jì)算得出渤海中部為不正規(guī)半日潮性質(zhì)，大多數(shù)分潮的表層潮流為順時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)。關(guān)于渤海中部環(huán)流特征的研究中，全國海洋綜合調(diào)查報(bào)告（1989）指出在渤海中部及遼東灣形成一個(gè)順時(shí)針向的環(huán)流；趙保仁等（1995）通過實(shí)測資料得到的渤海中部及遼東灣內(nèi)的平均環(huán)流是順時(shí)針向的，渤海灣的平均環(huán)流，北部為反時(shí)針向，南部為順時(shí)針向的雙環(huán)結(jié)構(gòu)?？飮鸬龋?991）利用渤中8號平臺上長期流的調(diào)查資料，得到所在海域年余流呈東北偏北向流動(dòng)，月余流為北北西、北、北北東3個(gè)方位李斐（2011）以無結(jié)構(gòu)網(wǎng)格有限體積法的二維淺水方程為基礎(chǔ)，模擬到渤海中央地帶存在一個(gè)非常明顯的順時(shí)針環(huán)流。鄭連遠(yuǎn)等（1992）、王輝等（1993）利用數(shù)值模型方法得到的渤海環(huán)流主體大部分呈現(xiàn)反時(shí)針式的運(yùn)動(dòng)。關(guān)于余流的影響因素，董年虎等（1997）分析了潮波系統(tǒng)、風(fēng)和黃河入海徑流對渤海灣黃河入海口區(qū)余流的影響，認(rèn)為黃河口鄰近海區(qū)的余流場實(shí)質(zhì)上主要是上述3種余流場的疊加。胡建宇等（1988）探討了正規(guī)半日潮港灣中風(fēng)、岸形和底形對余流環(huán)流的影響。

本文利用在渤海中部布放的5個(gè)浮標(biāo)觀測資料，采用中短期準(zhǔn)調(diào)和分析方法，得到各主要分潮的調(diào)和常數(shù)，計(jì)算各點(diǎn)的月均余流分布，并統(tǒng)計(jì)各點(diǎn)的常風(fēng)向。進(jìn)而分析渤海中部海域潮流和余流的特征及規(guī)律，分析潮余流和風(fēng)對表層余流的影響。分析結(jié)果有利于研究渤海中部的潮流、余流性質(zhì)及影響因素，以及對數(shù)值模擬結(jié)果提供驗(yàn)證。

1 研究區(qū)域概況和資料情況

本文使用的資料來源為2014年渤海中部的五個(gè)浮標(biāo)觀測資料，為表層海流和風(fēng)場觀測數(shù)據(jù)。標(biāo)號分別為1號、2號、3號、4號、5號，圖1為渤海海域水深及浮標(biāo)點(diǎn)位置觀測圖，水深數(shù)據(jù)來源于中國人民解放軍海軍航海保障部出版的航海圖，由圖1可見5個(gè)浮標(biāo)觀測集中在渤海中部區(qū)域，各浮標(biāo)所處海域水深均較淺。

浮標(biāo)資料觀測時(shí)段較長，為2014年1月至11月。表1為實(shí)測資料一覽表，其中缺測代表該月份浮標(biāo)未進(jìn)行觀測，除缺測外其余月份浮標(biāo)進(jìn)行了表層流或風(fēng)的觀測。但其中缺測數(shù)據(jù)較多造成數(shù)據(jù)不連續(xù)。所以選取其中每月觀測連續(xù)的時(shí)段（00時(shí)至次日00時(shí)共25小時(shí)）進(jìn)行中短期準(zhǔn)調(diào)和分析，提取了O1、K1、M2、S2、M4、MS4共6個(gè)主要分潮的計(jì)算結(jié)果。然后利用每月全部觀測數(shù)據(jù)計(jì)算月均余流，并統(tǒng)計(jì)每月浮標(biāo)測得的常風(fēng)向，進(jìn)行風(fēng)對余流的影響分析。

圖1 渤海海域水深及浮標(biāo)點(diǎn)位置觀測圖

表1 實(shí)測資料一覽表

2 潮流結(jié)果分析

2.1潮流性質(zhì)

潮流通常是指由天文潮汐漲、落而導(dǎo)致的海水流動(dòng)（徐輝奮等，2011）。潮流性質(zhì)依下式劃分：

式中WK1、WO1、WM2分別是K1、O1和M2分潮潮流橢圓長半軸。如果F≤0.5，則為正規(guī)半日潮流；如果0.5 2.0，則視情況而為不正規(guī)日潮流或正規(guī)日潮流。

首先根據(jù)這個(gè)依據(jù)計(jì)算出各浮標(biāo)點(diǎn)的F值。由表2可見5個(gè)浮標(biāo)點(diǎn)除了1號浮標(biāo)的F值小于0.5為正規(guī)半日潮外，其余4個(gè)浮標(biāo)點(diǎn)的F值均在0.55~0.83之間，屬于不正規(guī)半日潮性質(zhì)。婁安剛等（2002）對渤海中部實(shí)測站位1個(gè)月潮流資料的分析結(jié)果也為不正規(guī)半日潮流性質(zhì)。

表2 各浮標(biāo)點(diǎn)F值列表

2.2潮流運(yùn)動(dòng)形式

潮流的運(yùn)動(dòng)形式可用潮流的橢圓旋轉(zhuǎn)率K來表示，K為潮流橢圓短軸與橢圓長軸的比值，當(dāng)K絕對值大于0.25時(shí)，潮流表現(xiàn)為較強(qiáng)的旋轉(zhuǎn)性；當(dāng)K絕對值小于0.25時(shí)以往復(fù)流為主，K值為正表示潮流沿逆時(shí)針運(yùn)動(dòng)，負(fù)值表示沿順時(shí)針運(yùn)動(dòng)（楊萬康等，2014）。由于渤海中部幾個(gè)浮標(biāo)點(diǎn)的潮流性質(zhì)為正規(guī)半日潮和不正規(guī)半日潮，而且淺水分潮的影響不可忽略，且淺水分潮中M4分潮的作用更大一些，因此選取M2和M4分潮來分析研究區(qū)域的潮流運(yùn)動(dòng)形式。

由表3可知，對于M2分潮，1號浮標(biāo)所在位置潮流運(yùn)動(dòng)形式以往復(fù)流為主，分析其原因可能是該點(diǎn)靠近岸邊，受地形約束作用較明顯，出現(xiàn)較明顯的往復(fù)流特征。2號浮標(biāo)所在位置潮流運(yùn)動(dòng)形式也基本以往復(fù)流為主。其余浮標(biāo)所在位置的潮流運(yùn)動(dòng)均為較顯著的旋轉(zhuǎn)流，而且五個(gè)浮標(biāo)所在海域潮流均為逆時(shí)針運(yùn)動(dòng)。婁安剛等（2002）通過對渤海中部一個(gè)月實(shí)測潮流資料的分析得到大部分分潮的潮流為順時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)，本文與其結(jié)果不一致。與孫長青等（2004）通過數(shù)值模式模擬的M2分潮為逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)的結(jié)論一致。

表3 各浮標(biāo)點(diǎn)橢圓旋轉(zhuǎn)率K列表

對于M4分潮，1號、3號、4號和5號浮標(biāo)所在海域潮流運(yùn)動(dòng)形式均為旋轉(zhuǎn)流，2號浮標(biāo)所在海域潮流運(yùn)動(dòng)形式為往復(fù)流。5個(gè)浮標(biāo)所在海域潮流也均為逆時(shí)針運(yùn)動(dòng)。

2.3 M2分潮潮流橢圓

根據(jù)調(diào)和分析結(jié)果，本文選取M2和M4分潮作為潮流代表，繪制各浮標(biāo)點(diǎn)潮流橢圓分布。

由圖2可知，與潮流運(yùn)動(dòng)形式分析結(jié)果一致，M2分潮均為逆時(shí)針運(yùn)動(dòng)。1號浮標(biāo)和2號浮標(biāo)所在海域基本為往復(fù)流，流速為35.17 cm/s和42.56 cm/s。3號浮標(biāo)為較強(qiáng)的旋轉(zhuǎn)流，流速在26~36 cm/s，5號浮標(biāo)也為旋轉(zhuǎn)流，流速相對較小，在20~31 cm/s，4號浮標(biāo)也呈現(xiàn)為旋轉(zhuǎn)流特征，流速在15~43 cm/s。長軸分布上，在遼東灣灣口大致與灣的縱軸走向基本一致，渤海中部大致呈現(xiàn)東南-西北走向，這與竇振興等（1981）利用Leendertse二維非線性長波模式計(jì)算的渤海M2分潮流橢圓的主要特征一致。

M4分潮潮流橢圓均為逆時(shí)針運(yùn)動(dòng)，除2號浮標(biāo)為顯著的往復(fù)流外，其余浮標(biāo)均為旋轉(zhuǎn)流，橢圓長軸較小，3號浮標(biāo)處最大，為7.9 cm/s。

圖2 M2分潮潮流橢圓圖（虛線：順時(shí)針，實(shí)線：逆時(shí)針）

圖3 M4分潮潮流橢圓圖（虛線：順時(shí)針，實(shí)線：逆時(shí)針）

2.4實(shí)測漲落潮流

根據(jù)實(shí)際使用的各月每25 h連續(xù)觀測的浮標(biāo)實(shí)測海流資料，得到其實(shí)測漲落潮流的情況。

1號浮標(biāo)得到的漲潮期間的最大流速基本在69 cm/s，落潮期間的最大流速均超過71 cm/s，落潮流稍強(qiáng)于漲潮流。

2號浮標(biāo)漲潮期間的最大流速3月和6月較小，在45cm/s左右；其他月份較大，在56~74cm/s，其中9月最大。落潮期間的最大流速3月較小，約為41.8 cm/s；9月最大，為108.3 cm/s，其他月份在53~66 cm/s；

3號浮標(biāo)漲潮期間的最大流速11月最小，為28.5 cm/s，4月和9月較小，小于50 cm/s；10月最大，為77 cm/s，其他月份均在66 cm/s~77cm/s，落潮期間的最大流速也具有相似的分布。

4號浮標(biāo)漲潮期間的最大流速均在58~65 cm/s，落潮期間的最大流速1月和2月大于55 cm/s，3月最小為43.4 cm/s。

5號浮標(biāo)漲潮期間的最大流速1-4月、10-11月均在45cm/s左右，7-9月較大在50~55 cm/s，6月最大為61.8 cm/s。落潮期間的最大流速1月、2月、6-10月均在45 cm/s左右，3-5月較大為50~ 58 cm/s，11月最小為31.6 cm/s。

2.5最大可能流速

為了了解渤海中部的潮流強(qiáng)度特征，利用各分潮調(diào)和常數(shù)，按照《港口工程技術(shù)規(guī)范》（1987）的規(guī)定計(jì)算最大可能流速，對于半日潮流，計(jì)算公式選為：

由于本海域淺水分潮不可忽略，所以對最大流速進(jìn)行了淺水分潮訂正。計(jì)算出的各浮標(biāo)點(diǎn)的最大可能流速見下表。由表4可知最靠近中部的2號和3號浮標(biāo)的最大可能流速較大超過100 cm/s，潮流強(qiáng)度較大。1號、2號和5號浮標(biāo)最大可能流速較小，為75~95 cm/s。婁安剛（2002）對渤海中部一個(gè)月實(shí)測潮流資料的分析結(jié)果計(jì)算得到的最大可能流速為88.5 cm/s。

表4 各浮標(biāo)點(diǎn)最大可能流速列表

3 表層余流特征及影響因素分析

余流是指從實(shí)測海流中剔除周期性流（如潮流）以后的水體流動(dòng)，余流的量值雖不大，但它直接指示著水體的運(yùn)移和交換情況，對海水中懸浮物質(zhì)和可溶性物質(zhì)的輸運(yùn)、稀釋及擴(kuò)散等都起十分重要的作用（陳倩，2003）。

3.1表層余流特征分析

從浮標(biāo)月均余流的變化圖可以看出除4號浮標(biāo)外，其余浮標(biāo)的各月余流流向基本為北向，4號浮標(biāo)月均余流為西南向。渤海表層月均余流的季節(jié)變化不太明顯。

1號浮標(biāo)的余流5月至9月為西北向，4月和10月為東北向，11月為東南向，總體來說此海域的余流以北向?yàn)橹?，與M2分潮的長軸方向一致；1號浮標(biāo)的各月月均余流均較小，4月至9月余流均小于6 cm/s，10月和11月余流較大，在10 cm/s左右。

圖4 各浮標(biāo)點(diǎn)月均余流圖

2號浮標(biāo)的余流流向均為西北向。4月至10月余流較小，均在10 cm/s以下。1月至3月、11月余流較大，均在12 cm/s以上，最大月均余流出現(xiàn)在1月份，為17.05 cm/s。

3號浮標(biāo)的余流流向均為東北向。3月、4月和6月余流較大，均在10 cm/s以上，最大月均余流出現(xiàn)在3月份，為14.1 cm/s，其余月份余流較小。

4號浮標(biāo)缺測數(shù)據(jù)較多，1月至3月份的月均余流均為西南向，余流大小在8.7~10.4 cm/s之間。

5號浮標(biāo)的余流1月至6月流向?yàn)闁|北向，7月至11月轉(zhuǎn)為西北向。各月余流大小變化不大，5月份最大為13.49 cm/s，11月份最小為2.52 cm/s。

雖然浮標(biāo)數(shù)量較少，但是基于目前的研究成果和本文5個(gè)浮標(biāo)點(diǎn)的余流特征分析，本文推測渤海中部環(huán)流的流動(dòng)特征為順時(shí)針。流動(dòng)方向與Hainbucher等（2004）利用HAMSOM模式模擬得到的渤海冬季月均流場的流動(dòng)方式一致，不過除5號浮標(biāo)外本文推斷的余流場季節(jié)變化不明顯。

3.2表層余流影響因素分析

渤海屬于屬陸架型超淺海性質(zhì)，響應(yīng)強(qiáng)迫因子的時(shí)間比較短，對渤海環(huán)流動(dòng)力學(xué)的研究必須同時(shí)考慮風(fēng)、潮和熱鹽的綜合作用（李國勝，2005）。

在渤海，潮波系統(tǒng)受海底地形及海岸邊界條件的影響，特別是岸線形態(tài)和淺海地形的摩擦作用，使得潮流在一個(gè)周期的運(yùn)動(dòng)中，海水質(zhì)點(diǎn)的位移不為零，這樣便產(chǎn)生了余流（董年虎，1997）。本文5個(gè)浮標(biāo)點(diǎn)所觀測潮余流的流向與Wei等（2001）用HAMSOM模式模擬得到的渤海對應(yīng)位置的表層歐拉潮余流的流向一致。與趙保仁等（1995）得到的歐拉潮余流、拉格朗日潮余流的流動(dòng)方向一致。與Wei等（2004）使用HAMSOM模式模擬得到的渤海表層歐拉潮余流的流動(dòng)方式較為一致。可見潮余流對渤海中部海區(qū)順時(shí)針向環(huán)流有重要貢獻(xiàn)，與趙保仁等（1995）的分析結(jié)果一致，但是潮余流的量級較小。

由于浮標(biāo)同期觀測了風(fēng)場，因此可以進(jìn)一步分析余流與風(fēng)的關(guān)系。利用浮標(biāo)長期觀測資料，統(tǒng)計(jì)得到各浮標(biāo)每月的常風(fēng)向。

當(dāng)考慮單獨(dú)由風(fēng)引起的海流時(shí)，根據(jù)勻和海水中風(fēng)海流理論，可證明風(fēng)生余流的方向偏于風(fēng)向（指風(fēng)的去向）之右45°角（指北半球情況）（董年虎，1997）。董年虎等（1997）在統(tǒng)計(jì)資料時(shí)提出“由于受地形及岸線的影響較大，因此，盡管有些余流是由風(fēng)引起的，但也不盡能按風(fēng)海流理論的夾角反映出來，如果我們認(rèn)為在這些因素的影響下，夾角在-90°~90°之間就可認(rèn)為是由風(fēng)的影響而產(chǎn)生”。表5統(tǒng)計(jì)了各浮標(biāo)點(diǎn)各月的常風(fēng)向。圖5繪制了各浮標(biāo)點(diǎn)月均余流與常風(fēng)向的夾角圖。

從表5各浮標(biāo)點(diǎn)各月常風(fēng)向以及渤海歷史風(fēng)況分析，可以推斷出冬季（11、1、2月）大致以北風(fēng)（東北、西北）為主，夏季（6、7、8月）則以南風(fēng)（東南、西南）偏多，春季以西南風(fēng)為主，秋季風(fēng)向多變，西南風(fēng)較多。但沿岸海區(qū)由于受陸地的影響每個(gè)點(diǎn)每個(gè)月的常風(fēng)向也不盡相同。從圖6月均余流與常風(fēng)向夾角圖仍然可以看出，冬季2號、4號、5號浮標(biāo)余流流向均偏向風(fēng)向的右側(cè)，由于冬季風(fēng)速強(qiáng)勁，這種情況下風(fēng)對余流起重要影響作用。春夏季3號、5號浮標(biāo)的余流偏向風(fēng)向的右側(cè)，這種情況下由于風(fēng)引起的表層海流與潮余流的流向一致，風(fēng)起到增強(qiáng)作用，余流流速較大。春夏季2號浮標(biāo)風(fēng)海流的方向與潮余流的方向不一致，導(dǎo)致了余流流速較小。

表5 各浮標(biāo)點(diǎn)各月常風(fēng)向統(tǒng)計(jì)表

圖5 月均余流與常風(fēng)向夾角圖（藍(lán)色為月均余流，綠色為常風(fēng)向，其中常風(fēng)向?yàn)槭疽鈭D，未標(biāo)明大?。?/p>

總體來說，渤海中部（2-5號）冬季觀測期間風(fēng)力較大，表層余流除了受潮余流的影響外，還受制于風(fēng)的作用。進(jìn)一步推斷如果風(fēng)力較大，較為寬闊的渤海中部海域的表層余流將被淺海風(fēng)海流所取代。春夏季3號和5號浮標(biāo)余流受風(fēng)的影響也較大，可以看成是潮汐余流和淺海風(fēng)海流的合成。春夏季2號浮標(biāo)主要以潮余流為主?？拷哆叺?號浮標(biāo)主要以潮余流為主。

4 結(jié)論與討論

目前對渤海中部海域潮流性質(zhì)的分析較多，結(jié)論也較一致。由于地形和時(shí)間變化的影響，關(guān)于其余流的分析尤其是細(xì)節(jié)結(jié)構(gòu)的分析目前還未形成比較統(tǒng)一的結(jié)論。而關(guān)于其余流的形成機(jī)制目前也是研究的重點(diǎn)。本文對渤海中部海域潮流性質(zhì)的分析與前人較一致，而對于余流的結(jié)構(gòu)也得出了相應(yīng)的結(jié)論，同時(shí)還討論了其形成機(jī)制，主要是了潮余流和風(fēng)的影響。下一步可進(jìn)一步開展影響因素的定量分析。主要結(jié)論如下：

（1）渤海中部大部分海域潮流性質(zhì)屬于不正規(guī)半日潮性質(zhì)。渤海水深較淺，淺水分潮的影響不可忽略，其中M4分潮的影響更為顯著，

（2）渤海中部海域潮流運(yùn)動(dòng)形式以旋轉(zhuǎn)流為主，但其西部和北部兩個(gè)浮標(biāo)點(diǎn)為往復(fù)流。旋轉(zhuǎn)方向均為逆時(shí)針。

（3）渤海中部實(shí)測漲落潮流除最北端的2號浮標(biāo)點(diǎn)為108.30 cm/s以外，均小于75 cm/s。漲落潮流的強(qiáng)度較一致。

（4）渤海中部的余流除4號浮標(biāo)點(diǎn)以外均為偏北的流動(dòng)，表層月均余流的季節(jié)變化不太明顯。本文推測渤海中部環(huán)流的流動(dòng)特征為順時(shí)針。

（5）冬季渤海中部表層余流受制于風(fēng)的作用，春夏季某些區(qū)域余流受到風(fēng)的影響較大，是潮汐余流和淺海風(fēng)海流的合成。而靠近岸邊的1號浮標(biāo)點(diǎn)以潮余流為主。

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（本文編輯：李曉光）

Characteristics of surface tidal and residual currents of the central Bohai Sea

XU Shan-shan,YANG Jin-kun,WU Shuang-quan,DONG Ming-mei,MIAO Qing-sheng
(National Marine Data and InformationService,Tianjin,300171)

Based on the surface current data obtained from the buoy observation of each month in 2014,the tidal and residual currents are characterized.The harmonic analysis results show that irregular semi-diurnal currents dominate most of the central Bohai Sea.The central Bohai Sea has shallow water,and the shallow water tides cannot be ignored,and the M4's influence is more significant;the central Bohai Sea is dominated by rotary currents except the west and the north buoy points, and the direction of rotation is counter-clockwise;the velocities of ebb currents and the flood currents are less than 75cm/s except that of the northernmost point.The intensities of the ebb currents and the flood currents are consistent.The residual currents all flow north besides the 4th point buoy.Residual currents of sea surface show inconspicuous seasonal characteristics.It's speculated that the flow of the central Bohai Sea is characterized by the clockwise circulation.The residual currents of central Bohai sea in winter are mainly influenced by wind,and some area is affected by wind strongly.The residual currents are the compound of tidal residual flows and wind-driven currents,while residual currents with the buoy near the seaboard are mainly influenced by tidal residual flows.

the central Bohai Sea;tides;residual currents;tidal residual flow;wind-driven current

P731.2

A

1001-6932（2017）02-0128-07

10.11840/j.issn.1001-6392.2017.02.002

2015-08-26；

2016-05-24

關(guān)島中南部氣象資料等搶救與標(biāo)準(zhǔn)化處理（GASI-01-01-02-04）；海洋公益性行業(yè)科研專項(xiàng)（基于數(shù)字海洋的資料整合及其共享服務(wù)應(yīng)用示范）子任務(wù)：海洋水體環(huán)境資料整合處理技術(shù)研究與產(chǎn)品研制（201305029-01）。

徐珊珊（1985-），碩士，工程師，研究方向?yàn)樗臍庀筚Y料處理及分析。

楊錦坤，高級工程師，研究方向?yàn)樗臍庀筚Y料管理和國際海洋資料交換。郵箱：yangjinkun@mail.nmdis.org.cn。