劉鵬霞， 劉子洲， 宋 新， 顧艷鎮(zhèn)， 翟方國， 李培良

(1.中國海洋大學(xué)海洋與大氣學(xué)院，山東 青島 266100； 2.山東省濰坊市海洋環(huán)境監(jiān)測中心站，山東 濰坊 261100； 3.浙江大學(xué)海洋學(xué)院，浙江 舟山 316021)

海洋牧場指在一定的海域內(nèi)，采用規(guī)?；瘽O業(yè)設(shè)施和系統(tǒng)化管理，對魚、蝦、藻、貝等海洋生物資源進(jìn)行有目的、有計(jì)劃的海上放養(yǎng)。海洋牧場對于推進(jìn)“藍(lán)色糧倉”建設(shè)有重要意義，是提升經(jīng)濟(jì)社會效益的重要途徑[1]。目前及以后一段時期是我國海洋漁業(yè)乃至整個海洋產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級的關(guān)鍵階段。魯海豐海洋牧場位于青島市黃島區(qū)，屬南黃海西北海域。探究魯海豐海洋牧場的流場分布及變化特征，實(shí)現(xiàn)對海洋牧場的可測、可控化管理，對提高我國海洋牧場的漁情預(yù)測和預(yù)報(bào)減災(zāi)能力具有指導(dǎo)意義。

魯海豐海洋牧場區(qū)域的流場受到鄰近海域甚至整個南黃海的動力環(huán)境影響，針對該海域流系特征，前人已經(jīng)做過不少研究：趙保仁[2]根據(jù)青島近海某浮標(biāo)站的海流觀測數(shù)據(jù)分析了局地風(fēng)對當(dāng)?shù)睾Ａ鞯挠绊懀赋鲇嗔麟S風(fēng)變化的反應(yīng)敏感。湯毓祥等[3]采用一種二維非線性潮汐模式對南黃海的潮流和潮余流進(jìn)行模擬，指出該海域M2潮流的運(yùn)動規(guī)律受到旋轉(zhuǎn)潮波系統(tǒng)的控制，在山東半島南岸近海和膠州灣一帶，潮流為左旋。湯毓祥等[4]根據(jù)中韓黃海水循環(huán)動力學(xué)合作調(diào)查所獲資料指出，初春時節(jié)來自山東沿岸的低鹽水，自成山頭近海區(qū)域大致沿50 m等深線向南部延伸，至青島外海在36°5′N, 122°E形成低溫中心，即青島冷水團(tuán)。Tang等[5]根據(jù)2003年青島外海的實(shí)測海流資料分析指出，在該海域潮流作用顯著，其中半日潮流占主，全日潮流次之，潮流垂向均勻且多是逆時針旋轉(zhuǎn)；余流有3～5 d的波動周期，主要源于對經(jīng)向風(fēng)的響應(yīng)。Pang等[6]利用POM模式得出在青島以東的山東南部近海存在反氣旋式海水運(yùn)動的結(jié)論。張志欣[7]根據(jù)2006—2007年青島近岸水域的海床基測流站數(shù)據(jù)，指出青島外海水域余流是風(fēng)和山東半島地形共同作用的結(jié)果，夏季該水域表層余流呈現(xiàn)西北向，并與南側(cè)相鄰海域的余流構(gòu)成氣旋式環(huán)流，與夏季青島外海冷水團(tuán)環(huán)流一致。

前人對于黃海海域的水動力環(huán)境做了大量的研究工作并取得了許多重要成果。但是，由于密集的垂釣和拖網(wǎng)捕魚活動使得南黃海長期觀測的海流資料缺乏[8]；其次，以往的調(diào)查多集中在冬、夏兩季，導(dǎo)致研究資料具有較大的時、空局限性。本文旨在總結(jié)前人研究成果的基礎(chǔ)上，利用魯海豐海洋牧場站點(diǎn)的實(shí)測海流資料，對該海域的流場結(jié)構(gòu)進(jìn)行深入的分析，進(jìn)一步掌握該海洋牧場的水動力環(huán)境特征，為其建設(shè)提供指導(dǎo)。

1 數(shù)據(jù)和方法

1.1 數(shù)據(jù)

本文采用坐底式觀測平臺在魯海豐海洋牧場站點(diǎn)連續(xù)觀測的流矢量資料，站點(diǎn)位置為120°12′51.69″E, 35°55′41.52″N，站點(diǎn)的平均水深為12.4 m，地形特征如圖1所示。流矢量資料由AWAC浪龍采集所得，采樣時間范圍為2016年3月15日—6月30日，原始采樣頻率為10和20 min。設(shè)置垂直測量單元層數(shù)為20層，每層間隔2 m，盲區(qū)為0.51 m，傳感器具有3個波束，自海底向上發(fā)射，根據(jù)層數(shù)返回相應(yīng)的流速數(shù)據(jù)?？紤]到觀測點(diǎn)的水深及儀器在近表層的觀測誤差，本文選擇以海底為基準(zhǔn)向上5層的流矢量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。在進(jìn)行數(shù)據(jù)分析前，對原始觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行質(zhì)量控制，剔除奇異值，通過線性插值補(bǔ)齊缺省值并對每層數(shù)據(jù)進(jìn)行小時平均，得到觀測期間每層2 592個數(shù)據(jù)。

(紅色五角星為魯海豐海洋牧場位置。Red star is the location of LHF Marine Ranch.)

為了解觀測點(diǎn)及鄰近海域的地形狀況，本文采用美國國家地球物理數(shù)據(jù)中心(The National Geophysical Data Center)發(fā)布的全球海底地形數(shù)據(jù)etopo1和etopo5(https://www.ngdc.noaa.gov/mgg/global/global.html)，etopo1數(shù)據(jù)網(wǎng)格精度為1′×1′, etopo5數(shù)據(jù)網(wǎng)格精度為1/12°×1/12°。

為探究觀測點(diǎn)的流矢量與海面風(fēng)的相關(guān)關(guān)系，本文采用歐洲中尺度天氣預(yù)報(bào)中心(ERA-Interim)發(fā)布的10 m處風(fēng)矢量數(shù)據(jù)(http://apps.ecmwf.int/datasets/data/interim-full-daily/levtype=sfc/), 選取時間范圍為2016年3月15日—6月30日，水平分辨率為0.125°×0.125°，采樣間隔為6 h。將ERA-Interim再分析的海面10 m處風(fēng)場資料進(jìn)行雙線性插值獲得觀測點(diǎn)處的風(fēng)矢量數(shù)據(jù)，并進(jìn)行日平均處理。

為探究鄰近海域流場對觀測點(diǎn)流場的作用，本文采用HYCOM(Hybrid Coordinate Ocean Model)再分析的日平均表層流矢量資料(https://hycom.org/dataserver/gofs-3pt0/analysis), 選取范圍為20°N～42°N，115°E～135°E，選取的時間范圍為2016年3月15日—6月30日，數(shù)據(jù)水平分辨率為1/12°×1/12°。

1.2 方法

本文通過功率譜分析、調(diào)和分析、旋轉(zhuǎn)譜分析、相關(guān)分析等方法對觀測點(diǎn)的平均流、潮流和余流特征進(jìn)行分析和研究。

利用T_TIDE MATLAB程序包對實(shí)測海流資料進(jìn)行潮流調(diào)和分析[9]，得到各分潮的頻率、長軸、短軸、傾角、初相位等要素信息。根據(jù)中國《港口工程技術(shù)規(guī)范》(中華人民共和國交通部，1988)的規(guī)定，潮流類型特征值可以按照下式計(jì)算得到：

(1)

其中UK1、UO1、UM2分別為K1,O1,M2的最大分潮流，即潮流橢圓的長半軸。

2 結(jié)果

2.1 平均流

鑒于當(dāng)?shù)仄骄顬?2.4 m, AWAC自海底向上獲得流矢量資料，故分別取第1、3、5層作為觀測點(diǎn)的底、中、表層。U、V別表示緯向流和經(jīng)向流，在U、V方向上分別計(jì)算各層流的相關(guān)系數(shù)(見表1)，結(jié)果均大于0.8，說明上下層水體的運(yùn)動具有良好的一致性。

表1 各層流速相關(guān)系數(shù)

2.1.1 垂向平均流 對1～5層的實(shí)測流資料進(jìn)行垂向平均，然后分別對U分量和V分量做功率譜分析，得到垂向平均流的功率譜(見圖2)。觀測點(diǎn)的經(jīng)向流和緯向流均表現(xiàn)出12.35 h的顯著周期，并通過了紅噪聲置信度檢驗(yàn)，說明觀測點(diǎn)的流具有顯著的半日周期波動特征。另外，U、V分量流速還呈現(xiàn)出幾個更高頻的周期，但是這種波動周期是否顯著，還需進(jìn)一步驗(yàn)證。

圖2 垂向平均流功率譜分析

2.1.2 觀測期間平均流 對實(shí)測海流資料進(jìn)行48 h低通濾波去除潮流的影響，再對得到的余流場進(jìn)行時間平均并計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)差，得到整個觀測期間的平均流和標(biāo)準(zhǔn)差(見圖3)。結(jié)果顯示，觀測期間U、V方向的平均流速均在10 cm/s以內(nèi)，U分量表現(xiàn)為西向流，V分量表現(xiàn)為北向流。由表及底，西向流先增大后減小，至底層達(dá)到最小；北向流隨深度緩慢增大，至底層趨于穩(wěn)定且達(dá)到最大。U分量的標(biāo)準(zhǔn)差隨深度減小，減小的速度先快后慢，說明西向流在表層變化較大，至中層和底層趨于穩(wěn)定；V分量的標(biāo)準(zhǔn)差在底層以上與U分量的標(biāo)準(zhǔn)差變化一致，但在底層突然增大?？傮w上，由表及底U分量減弱，V分量增強(qiáng)，且流速逐漸趨于平穩(wěn)。

2.1.3 月平均流 對實(shí)測海流資料進(jìn)行48 h低通濾波去除潮流的影響，再對得到的余流場進(jìn)行月平均處理并分別計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)差，得到每月的平均流和標(biāo)準(zhǔn)差的垂向分布圖(見圖4)。整體看來，月平均流在垂向上的分布情況與總的平均流相差不大。其中4月的U分量最強(qiáng)，V分量最弱，且V分量在表層出現(xiàn)流速轉(zhuǎn)向；6月的U分量最弱，V分量最強(qiáng)，U分量隨深度逐漸減小，V分量隨深度先減小后增大而后減小，變化較大；3和5月呈現(xiàn)中等強(qiáng)度的U向流和V向流。每月的標(biāo)準(zhǔn)差與上述總的標(biāo)準(zhǔn)差變化基本一致，U分量的標(biāo)準(zhǔn)差在3月最小，在5月最大；V分量的標(biāo)準(zhǔn)差在6月最小，在其它月份量值相差無幾，另外，在5月V分量的標(biāo)準(zhǔn)差至底層突然增大，表現(xiàn)出流動的不穩(wěn)定性。

2.2 調(diào)和分析和旋轉(zhuǎn)譜分析

2.2.1 潮流調(diào)和分析 對實(shí)測海流資料進(jìn)行潮流調(diào)和分析，得到O1、K1、M2、S2四個最顯著分潮的潮流橢圓參數(shù)(見表2)。總體看來，觀測點(diǎn)處M2分潮具有最大的分潮流速，其次為S2分潮，O1和K1分潮相對較小，表現(xiàn)出半日潮族和全日潮族的特征。潮流類型判別標(biāo)準(zhǔn)表明，A≤0.5為正規(guī)半日潮流，計(jì)算得表、中、底層的A分別為0.27, 0.21, 0.21，均小于0.5，故觀測點(diǎn)的潮流類型為正規(guī)半日潮。

圖3 平均流速和標(biāo)準(zhǔn)差垂向分布圖

(實(shí)線表示U分量；虛線表示V分量。The solid line represents the U component and the dotted line represents the V component.)

表2 潮流橢圓參數(shù)

短軸的正負(fù)表示潮流橢圓的旋轉(zhuǎn)方向，正值表示潮流橢圓左向旋轉(zhuǎn)(逆時針)，負(fù)值表示潮流橢圓右向旋轉(zhuǎn)(順時針)[10]。畫出各層的潮流橢圓(見圖5)，可以看出，當(dāng)?shù)爻绷鞅憩F(xiàn)為以東北向和西南向流為主導(dǎo)的往復(fù)流，與當(dāng)?shù)貣|北-西南向的岸線一致。其中，M2(分潮)為第一大主要分潮，在各層占有絕對優(yōu)勢，由表到底幾乎不發(fā)生偏轉(zhuǎn)，只是強(qiáng)度略有變化；S2分潮為第二大分潮，由表及底傾角變化不大，強(qiáng)度相對來說有明顯減??；O1和K1分潮在各層都很小，由表及底強(qiáng)度明顯變小且旋轉(zhuǎn)明顯，在表層時均為右旋的橢圓，而到中、底層變?yōu)樽笮?，這與Tang等[5]的結(jié)論基本一致。

圖5 表、中、底層潮流橢圓

2.2.2 流矢量的旋轉(zhuǎn)譜分析 流速數(shù)據(jù)是在地球慣性坐標(biāo)系中測量的，流速矢量具有旋轉(zhuǎn)性，隨時間做順時針或逆時針方向旋轉(zhuǎn)，單純地把流速矢量分解成東、北兩個正交分量并分別進(jìn)行功率譜分析和調(diào)和分析的做法是存在缺陷的[11]。為了更好地反映驅(qū)動力的作用和地球自轉(zhuǎn)對海水的影響，本文對流速矢量進(jìn)行旋轉(zhuǎn)譜分析，結(jié)果如圖6所示。

(實(shí)線代表逆時針旋轉(zhuǎn)譜，虛線表示順時針旋轉(zhuǎn)譜。The solid line represents the counterclockwise rotary spectra and the dotted line represents the clockwise rotary spectra.)

通過圖6可以看出觀測點(diǎn)處半日周期潮流占主，全日潮流次之。半日周期(12.4 h)潮流的逆時針部分在整個水體厚度上均略大于順時針的部分，說明當(dāng)?shù)氐陌肴粘绷鞅憩F(xiàn)為一種逆時針旋轉(zhuǎn)的近乎直線的往復(fù)運(yùn)動。全日周期潮流的順時針部分在表層略大于逆時針部分，而在中層和底層相反，說明表層全日潮流(24 h)為順時針旋轉(zhuǎn)，隨著深度增加改變旋轉(zhuǎn)方向，且全日潮流也表現(xiàn)出往復(fù)流的特點(diǎn)，這與調(diào)和分析的結(jié)果完全一致。

另外，觀測點(diǎn)處的慣性流為順時針方向，由慣性運(yùn)動的周期公式T=2π/f，其中f為觀測點(diǎn)所在緯度的科氏參數(shù)，計(jì)算知當(dāng)?shù)貞T性流周期約為20.5 h，與全日潮流周期接近。分段選取流矢量資料做旋轉(zhuǎn)譜分析，得到各層順時針旋轉(zhuǎn)的全日潮流的周期均為24 h左右，即未表現(xiàn)出顯著的慣性周期特征，說明總體上觀測點(diǎn)表現(xiàn)出的日周期波動只由全日潮流引起，不受慣性流影響。

2.3 余流分析

2.3.1 觀測點(diǎn)余流 余流是指從實(shí)測海流中剔除周期性流動之后剩余的水體流動[12]。為了探究當(dāng)?shù)赜嗔鞯慕Y(jié)構(gòu)特征及其對海面風(fēng)的響應(yīng)，從原始的觀測海流中減去經(jīng)調(diào)和分析得到的周期性潮流成分，然后再進(jìn)行24 h平均即得到觀測點(diǎn)處的日平均的余流時間序列，海面10 m處風(fēng)速和觀測點(diǎn)處各層余流的時間序列如下圖7所示。

通過余流的時間序列可以看出觀測點(diǎn)的余流主要呈現(xiàn)西北向，且由表及底余流減小。其中，表層余流最強(qiáng)，方向變化劇烈，在觀測期間表現(xiàn)出順時針旋轉(zhuǎn)的特征，中層和底層余流較弱且流向平穩(wěn)，以西北向和北向流為主。結(jié)合風(fēng)速的時間序列可以看出，在觀測期間當(dāng)?shù)匾阅巷L(fēng)為主，表層余流對風(fēng)的響應(yīng)敏感，余流隨時間的變化與風(fēng)基本一致，風(fēng)較強(qiáng)時余流加強(qiáng)，風(fēng)較弱時余流較弱，風(fēng)轉(zhuǎn)向時余流也隨之轉(zhuǎn)向，計(jì)算風(fēng)場與表層余流的相關(guān)系數(shù)，得到緯向風(fēng)與緯向流的相關(guān)系數(shù)為0.68，經(jīng)向風(fēng)與經(jīng)向流的相關(guān)系數(shù)為0.64(置信水平超過95%)，而對比中層和底層余流與海面風(fēng)的時間序列發(fā)現(xiàn)中層和底層余流對海面風(fēng)的響應(yīng)差。因此魯海豐海洋牧場的表層余流主要受風(fēng)場驅(qū)動，而中層和表層余流受風(fēng)影響較小。

圖7 海面風(fēng)矢量與余流矢量圖

2.3.2 觀測點(diǎn)鄰近海域余流 為了進(jìn)一步探究觀測點(diǎn)的余流結(jié)構(gòu)，結(jié)合觀測期間平均的HYCOM表層流場資料(HYCOM再分析的流資料已剔除潮流)，得到觀測點(diǎn)與鄰近海域的平均余流場對比圖(見圖8)?；贖YCOM資料得到的余流場，發(fā)現(xiàn)在青島近岸海域呈現(xiàn)東北向流，與青島近岸西南-東北向的地形基本一致，與Tang等[5]對站點(diǎn)C的觀測結(jié)果一致。同時，在觀測點(diǎn)的東南部存在一個反氣旋式環(huán)流，該環(huán)流的中心大約位于121°30′E, 35°30′N，與青島冷水團(tuán)位置相近，該結(jié)果與Pang等[6]用POM模式得出的在青島以東的山東南部近海存在反氣旋式的海水運(yùn)動的結(jié)論相符，證明了結(jié)合HYCOM再分析資料來探究觀測點(diǎn)的流場特征是可行的。

觀測期間平均海面10 m處風(fēng)場(見圖8)表明，在整個研究區(qū)域盛行東南風(fēng)和南風(fēng)，其中觀測點(diǎn)附近為較強(qiáng)的東南風(fēng)。觀測點(diǎn)離岸較近，其平均流在各層均表現(xiàn)為西北向，呈現(xiàn)出向岸流的特點(diǎn)，且由表及底，西向流減弱，北向流增強(qiáng)，方向右旋。為探究實(shí)測流表現(xiàn)出的右旋特征，利用有限深海Ekman理論的解析解進(jìn)行驗(yàn)證計(jì)算，發(fā)現(xiàn)計(jì)算得到的Ekman流方向?yàn)闁|北向，由表及底右旋，這與實(shí)測流方向并不一致，且量值遠(yuǎn)小于實(shí)測流的量值。因此觀測點(diǎn)處的平均流表現(xiàn)出的右旋特征受到多種因素的影響，不能簡單描述該流動為有限深海Ekman流。

(黑色箭頭表示HYCOM表層流場;綠色箭頭表示鄰近海域10 m處平均風(fēng)場;紅色五角星表示魯海豐海洋牧場的位置;藍(lán)色箭頭表示表層平均流;紅色表示中層流;黃色表示底層流。The black arrows represent the surface current field of HYCOM data；The green arrows represent the mean wind field at the adjacent sea area；The red star represents the location of LHFMarine Ranch；The blue arrow represents the surface mean flow；The red arrow represents the middle mean flow；The yellow arrow represents the bottom mean flow.)

將觀測的表層海流做天平均，然后與鄰近海域相同時間長度的HYCOM表層流場資料做相關(guān)性分析，得到通過95%置信水平的觀測點(diǎn)的日平均流與鄰近海域日平均流的相關(guān)系數(shù)等值線圖(見圖9)。在觀測期間內(nèi)，觀測點(diǎn)表層平均流的U分量與渤海萊州灣，黃海西部近岸海域和黃海中部海域相關(guān)性較高，表層平均流的V分量與渤海的渤海灣、萊州灣以及山東半島南部近岸海域相關(guān)性較好，表明觀測點(diǎn)海流具有的低頻時間變化特征與上述海域較一致,因此觀測點(diǎn)的余流也受到山東半島沿岸流的影響。

(a.U分量; b.V分量。a. U component; b.V component.)

3 結(jié)論

通過對魯海豐海洋牧場觀測的3個半月的流矢量資料進(jìn)行分析并結(jié)合鄰近海域的海流資料進(jìn)行研究，得出如下結(jié)論：

(1) 觀測點(diǎn)各層的水體運(yùn)動具有良好的一致性，時間平均的垂向流顯示，在整個水體厚度上，西北向流占優(yōu)，呈現(xiàn)出向岸流的特點(diǎn)，且西向流隨深度減小，北向流隨深度增大。

(2) 月平均流在垂向上的分布情況與總的平均流相差不大，其中4月份的U分量最強(qiáng)，V分量最弱，且V分量在表層出現(xiàn)流速轉(zhuǎn)向；6月份的U分量最弱，V分量最強(qiáng)，且U分量隨深度逐漸減小，V分量隨深度先減小后增大而后減小，變化較大；3和5月份呈現(xiàn)中等強(qiáng)度的U向流和V向流。

(3) 功率譜分析表明，觀測點(diǎn)的流具有顯著的半日周期特征；潮流調(diào)和分析表明，觀測點(diǎn)的潮流類型為正規(guī)半日潮，M2為主要分潮流，在各層占有絕對優(yōu)勢，各層潮流均顯示出旋轉(zhuǎn)流性質(zhì)，旋轉(zhuǎn)方向以逆時針為主；旋轉(zhuǎn)譜的分析結(jié)果與調(diào)和分析結(jié)果一致，總體上觀測點(diǎn)的日周期波動只由全日潮流引起，不受當(dāng)?shù)貞T性流影響。

(4) 觀測點(diǎn)表層余流對風(fēng)的響應(yīng)敏感，緯向風(fēng)與表層緯向余流的相關(guān)系數(shù)為0.68，經(jīng)向風(fēng)與表層經(jīng)向余流的相關(guān)系數(shù)為0.64；結(jié)合HYCOM再分析的表層流場資料發(fā)現(xiàn)觀測點(diǎn)的日平均流與鄰近的渤黃海近岸海域變化較一致，說明觀測點(diǎn)的平均余流受到海面風(fēng)的驅(qū)動和山東半島沿岸流的影響。