魏詩(shī)晏, 楊 偉, 趙 亮

榮成外海海流特征及影響因素

魏詩(shī)晏1, 楊 偉2, 趙 亮1

(1. 天津科技大學(xué) 海洋與環(huán)境學(xué)院, 天津 300457; 2. 天津大學(xué) 海洋科學(xué)與技術(shù)學(xué)院, 天津 300072)

榮成是我國(guó)重要的海產(chǎn)養(yǎng)殖城市, 為掌握榮成外海的海流特征, 基于2016年1—10月于榮成外海楮島岬角南側(cè)布放的浮標(biāo)觀測(cè)數(shù)據(jù), 通過(guò)譜分析、調(diào)和分析等方法, 分析了實(shí)測(cè)流速時(shí)間序列剖面及季節(jié)變化, 分離出該觀測(cè)點(diǎn)的潮流和余流并進(jìn)行定性定量分析, 探討了該海域余流的影響因素。結(jié)果表明: 1) 榮成外海浮標(biāo)觀測(cè)點(diǎn)流速東西分量總體大于南北分量, 實(shí)測(cè)流速均值為0.20 m/s, 最大值為0.87 m/s, 實(shí)測(cè)流速存在明顯的季節(jié)差異, 秋季流速最大, 夏季次之, 冬春季較小且冬春季節(jié)差異小。實(shí)測(cè)流存在漲落潮不對(duì)稱(chēng)現(xiàn)象。2) M2分潮絕對(duì)占優(yōu), 觀測(cè)海域潮流性質(zhì)為規(guī)則半日潮流, 潮流以往復(fù)流形式運(yùn)動(dòng), 各層潮流均為順時(shí)針旋轉(zhuǎn)。淺水分潮十分顯著, 該點(diǎn)觀測(cè)得到的最大潮流流速為0.38 m/s。3) 余流相對(duì)較小, 日平均余流速度均值為冬季<春季<夏季<秋季; 流向上E和ENE向占優(yōu), 余流總體向東。弱風(fēng)條件下, 余流流向主要集中于NNE—ESE, 余流流速大于0.15 m/s的概率約為25%; 強(qiáng)風(fēng)條件下風(fēng)速和余流流速的互相關(guān)系數(shù)可達(dá)0.95, 夏秋季較強(qiáng)的風(fēng)速可能是流速增快的原因。

實(shí)測(cè)流; 調(diào)和分析; 潮流; 余流; 榮成外海

淺海水動(dòng)力過(guò)程是海流、波浪、風(fēng)和地形等多因素綜合作用的結(jié)果。狹義的海流定義為海流水平運(yùn)動(dòng)分量[1], 包含周期性潮流、由風(fēng)和地形等因素引起的余流和隨機(jī)高頻擾動(dòng)信號(hào), 潮流影響物質(zhì)短期輸運(yùn), 而余流則影響物質(zhì)長(zhǎng)期輸運(yùn)過(guò)程[2]。海流的影響因素包括風(fēng)、徑流、海區(qū)地形和大小等, 同時(shí)養(yǎng)殖活動(dòng)也是淺海水動(dòng)力變化的主要原因之一[3], 大量養(yǎng)殖物會(huì)消耗海域營(yíng)養(yǎng)物質(zhì), 同時(shí)可能造成水交換不及時(shí), 從而影響海域水質(zhì)環(huán)境和養(yǎng)殖效益[4]。因此, 掌握養(yǎng)殖海域自然狀態(tài)的海流特征, 對(duì)海區(qū)生態(tài)環(huán)境保護(hù)、沿海人民生產(chǎn)生活和海洋工程建設(shè)等具有重要意義。

榮成市三面環(huán)海, 海岸線總長(zhǎng)約500 km[5], 有榮成灣、桑溝灣、黑泥灣等多個(gè)海灣。榮成是我國(guó)重要的海產(chǎn)養(yǎng)殖城市, 其外海水產(chǎn)養(yǎng)殖發(fā)達(dá), 貝類(lèi)、藻類(lèi)等多種海產(chǎn)品養(yǎng)殖密度高。除了發(fā)達(dá)的養(yǎng)殖業(yè), 近年來(lái)榮成海島核電工程、臨海風(fēng)力發(fā)電項(xiàng)目和濱海旅游業(yè)也有所發(fā)展[6]。

為加深對(duì)榮成外海海域水文環(huán)境的認(rèn)識(shí), 近年來(lái)學(xué)者們對(duì)該海域開(kāi)展了諸多研究工作。水動(dòng)力方面, 以風(fēng)浪為主[7], 冬半年波浪大, 夏季減弱[8]。風(fēng)向控制的風(fēng)浪和潮流的相干作用決定了黑泥灣海域懸浮體分布[9]。Fan等[10]在楮島南側(cè)海域研究發(fā)現(xiàn)往復(fù)式潮流導(dǎo)致漲落潮周期內(nèi)懸浮物質(zhì)量濃度的不對(duì)稱(chēng), 大量沉積物輸運(yùn)出研究區(qū), 有侵蝕事件發(fā)生。此外, 山東多處海岸處于侵蝕狀態(tài), 其中, 榮成沿岸屬于嚴(yán)重侵蝕型海灘。莊振業(yè)等研究表明, 楮島連島沙壩形成是多向泥沙縱向運(yùn)移的結(jié)果[11-12]。黑泥灣海區(qū)在風(fēng)浪較大時(shí), 尤其10 m水深以淺的海域泥沙易起動(dòng)并隨海流運(yùn)移。而10 m等深線直逼海岸線, 侵蝕主要發(fā)生在岬角處, 侵蝕物堆積在海底或在海灣成為袋狀沙灘[9]。宮立新等[13]指出楮島—鏌铘島砂質(zhì)海岸的侵蝕速率為每年2～3 m。

關(guān)于榮成外海筏式養(yǎng)殖對(duì)水動(dòng)力的影響等方面也有諸多研究。樊星等[14]通過(guò)準(zhǔn)調(diào)和分析法分析桑溝灣潮流流速垂向特征, 并建立了雙阻力模型, 發(fā)現(xiàn)養(yǎng)殖區(qū)底應(yīng)力比自然海區(qū)高一個(gè)量級(jí)。嚴(yán)立文等[9]通過(guò)SWAN模式分析了該海域海帶養(yǎng)殖區(qū)域的沉積環(huán)境效應(yīng), 結(jié)果顯示海帶架群消浪系數(shù)在0.2～0.4。此外, 榮成外海存在自北向南的沿岸流, 由于該海域有大面積養(yǎng)殖區(qū), 沿岸流主要影響?zhàn)B殖區(qū)外圍[15]。綜上所述, 該區(qū)域水動(dòng)力是海流、風(fēng)、波浪、地形、養(yǎng)殖活動(dòng)等多重因素綜合作用的結(jié)果?；谇叭说难芯? 對(duì)于該海域的水文背景環(huán)境等有了一定認(rèn)識(shí), 然而至今為止的研究主要基于較短的時(shí)間觀測(cè)序列或模型模擬, 長(zhǎng)期觀測(cè)資料的匱乏導(dǎo)致目前該海域海流季節(jié)變化特征和影響因素等尚未得到分析和解釋。

長(zhǎng)時(shí)間高質(zhì)量的實(shí)測(cè)海流數(shù)據(jù)能夠在垂向分布和不同時(shí)間尺度上多角度反映該海域水動(dòng)力條件。利用2016年1—10月在榮成外海楮島岬角南側(cè)布放的浮標(biāo), 基于該長(zhǎng)期海洋綜合觀測(cè)資料, 統(tǒng)計(jì)分析榮成外海海流特征, 分析潮流和余流特征, 并探究海流變化特征與影響因素。

1 數(shù)據(jù)與預(yù)處理

1.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

本文采用的數(shù)據(jù)源自2016年在榮成外海楮島岬角南側(cè)(122°33′38″E, 37°01′56″N)布放的1套綜合觀測(cè)浮標(biāo)。圖1(a)中五角星標(biāo)注處即為觀測(cè)站點(diǎn)位置。該浮標(biāo)站點(diǎn)在黑泥灣養(yǎng)殖區(qū)的西北側(cè)邊緣外, 與北側(cè)楮島岬角直線距離為0.8 km, 距離西側(cè)岸線約2.5 km。該觀測(cè)點(diǎn)水深在7 m左右, 海底沉積物為砂質(zhì)。為保證數(shù)據(jù)質(zhì)量, 進(jìn)行了3次浮標(biāo)的布放和回收, 以完成對(duì)儀器的檢修和校準(zhǔn)工作。本文數(shù)據(jù)的3個(gè)觀測(cè)階段分別為1月22日—2月13日、3月17日—6月20日、7月12日—10月17日。

圖1 榮成外海(a)浮標(biāo)位置和(b)浮標(biāo)結(jié)構(gòu)示意圖

如圖1(b)所示, 浮標(biāo)觀測(cè)系統(tǒng)上部為總高度3.5 m的不銹鋼支架, 在高度3.2 m處裝載了Young公司的風(fēng)向風(fēng)速儀, 其測(cè)量范圍為0～100 m/s, 風(fēng)速精度為讀數(shù)1%, 方向精度為±3°。風(fēng)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)回傳至CR1000數(shù)據(jù)采集器中并傳回地面基站。在浮標(biāo)中部, 裝載了2款Nortek公司的聲學(xué)多普勒海流剖面儀: 觀測(cè)階段1為采樣頻率2 MHz的“闊龍”流速剖面儀(Aquapro Profiler)和觀測(cè)階段2、3為采樣頻率600 kHz的“浪龍”流速剖面儀(AWAC), 2款測(cè)流儀器的采樣分辨率均為1 mm/s, 精確度均是海流流速測(cè)量值的1%。兩個(gè)儀器均采用下視工作方式, 換能器位置分別距水面1.5 m和1.2 m。除上述測(cè)量?jī)x器, 浮標(biāo)配置了太陽(yáng)能供電板用于實(shí)時(shí)供電, 支架上放置了GPS16X-HVS用于對(duì)浮標(biāo)位置進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控, 浮標(biāo)系統(tǒng)底部有坐底重石以固定浮標(biāo)位置。具體參數(shù)如表1所示。

表1 2016年觀測(cè)起止時(shí)間和聲學(xué)多普勒海流剖面儀參數(shù)設(shè)置

1.2 數(shù)據(jù)預(yù)處理

觀測(cè)使用的測(cè)流儀器在輸出實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)文件時(shí)會(huì)進(jìn)行移動(dòng)校準(zhǔn), 儀器的俯仰角(pitch)和橫滾角(roll)均在±15°以?xún)?nèi)。以同一站點(diǎn)同一浮標(biāo)相同測(cè)流儀器觀測(cè)到的底層流速數(shù)據(jù), 與楮島岬角南側(cè)相鄰海床基觀測(cè)點(diǎn)S6站(122°33′54″E, 37°01′59″N)同時(shí)期使用ADV觀測(cè)的流速數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比和相關(guān)性分析, 計(jì)算得到浮標(biāo)數(shù)據(jù)的底層流速與海床基測(cè)得的流速東西分量之間的相關(guān)系數(shù)值為0.91, 證實(shí)了浮標(biāo)系統(tǒng)與數(shù)據(jù)的可靠性。

觀測(cè)使用的聲學(xué)多普勒海流剖面儀采取下視工作方式, 可以通過(guò)回聲強(qiáng)度特征實(shí)現(xiàn)對(duì)流速剖面數(shù)據(jù)的判斷和預(yù)處理[16]。由于2016年1—2月數(shù)據(jù)未全部測(cè)量到海底, 因此以回聲強(qiáng)度小于50為判斷閾值; 2016年3月之后剖面數(shù)據(jù)則通過(guò)對(duì)6 m以深的相鄰層回聲強(qiáng)度差進(jìn)行統(tǒng)計(jì), 最終對(duì)每月流速剖面數(shù)據(jù)以相應(yīng)的第+1層回聲強(qiáng)度減去第層回聲強(qiáng)度大于25或30來(lái)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選。

由于觀測(cè)過(guò)程中可能存在的不穩(wěn)定性和信號(hào)噪聲擾動(dòng), 在計(jì)算分析前, 基于統(tǒng)計(jì)理論的Grubbs準(zhǔn)則[17], 對(duì)海流、風(fēng)速等實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了質(zhì)量控制, 并對(duì)異常值進(jìn)行去除和線性插值。本文將浮標(biāo)原位觀測(cè)的風(fēng)速換算至10 m高度風(fēng)速并進(jìn)行6 h平均, 隨后與ERA-Interim 10 m風(fēng)速再分析數(shù)據(jù)(ERA, 即ECMWF Re-Analysis, 來(lái)源于European Center for Medium-Range Weather Forecasts[18])離浮標(biāo)點(diǎn)經(jīng)緯度最近的網(wǎng)格進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證, 經(jīng)計(jì)算, 二者10 m風(fēng)速相關(guān)系數(shù)為0.73。浮標(biāo)數(shù)據(jù)采集器未能采集到的第三觀測(cè)階段9月、10月部分風(fēng)速數(shù)據(jù), 通過(guò)ERA- Interim風(fēng)速再分析數(shù)據(jù)進(jìn)行插值補(bǔ)齊。

2 海流特征分析

2.1 海流特征

觀測(cè)期間內(nèi), 該浮標(biāo)觀測(cè)點(diǎn)流速東西分量變化范圍為–0.72～0.79 m/s(東向?yàn)檎? 西向?yàn)樨?fù), 下文同), 流速南北分量的變化范圍為–0.62～0.64 m/s(北向?yàn)檎? 南向?yàn)樨?fù), 下文同), 平均流速大小為0.20 m/s, 最大值出現(xiàn)在10月13日, 最大值為0.87 m/s。從圖2(a)和圖2(b)可以看出, 流速東西分量總體大于流速南北分量, 從圖2(c)中可以看出流速大小存在明顯季節(jié)變化, 夏秋季節(jié)的流速較大。

圖2 榮成外海流速時(shí)間序列剖面圖

以1、4、7、10月為代表月(具體時(shí)間以1月22日—2月13日代表冬季, 以4月1日—4月30日代表春季, 以7月17日—8月15日代表夏季, 以9月18日—10月17日代表秋季), 對(duì)四季實(shí)測(cè)流速raw進(jìn)行分級(jí)分向統(tǒng)計(jì)。結(jié)果如圖3所示, 可以看出, 該浮標(biāo)觀測(cè)點(diǎn)流向以E向、W向和WNW方向?yàn)橹鲗?dǎo), 流速主要集中在0～0.3 m/s, 流速流向存在明顯季節(jié)變化, 冬季以東西向往復(fù)流為主; 春季流速偏小, 流向較分散, 夏秋季漲落潮不對(duì)稱(chēng)現(xiàn)象比較顯著, 東向流速增大。Fan等[10]通過(guò)觀測(cè)流速和懸浮顆粒物濃度等數(shù)據(jù)分析研究得到, 榮成近海潮流呈東西向往復(fù)運(yùn)動(dòng), 且漲落潮不對(duì)稱(chēng), 近岸泥沙、海底沉積物被帶出近海區(qū)域, 從而導(dǎo)致侵蝕事件的發(fā)生, 該觀測(cè)點(diǎn)漲落潮不對(duì)稱(chēng)特性與Fan等[10]在鄰近站位的研究結(jié)果一致。統(tǒng)計(jì)得到, 冬季、春季、夏季、秋季的流速的平均值分別為0.18 m/s、0.18 m/s、0.22 m/s、0.24 m/s, 實(shí)測(cè)流速均值冬春季<夏季<秋季。

圖3 榮成外海實(shí)測(cè)流速玫瑰圖

2.2 頻譜分析

為分析海流時(shí)間序列的周期特征, 對(duì)三個(gè)觀測(cè)階段實(shí)測(cè)流速的東西分量、南北分量分別作垂向平均, 其后對(duì)三個(gè)觀測(cè)階段垂向平均流分別作功率譜分析, 譜分析結(jié)果如圖4所示, 縱坐標(biāo)頻譜幅值log10C/(m2?s–2?d) 指示著海流在不同的頻率上的能量。圖4(a)中的譜線相對(duì)于圖4(b)、圖4(c)較稀疏, 這是由于觀測(cè)階段1僅有23 d, 而觀測(cè)階段2和3時(shí)間長(zhǎng)度近100 d, 因此階段一的譜圖在頻域上的分辨率較低。從圖4可以看出, 流速存在多個(gè)顯著周期。浮標(biāo)觀測(cè)站的垂向平均流能量在主要半日分潮M2對(duì)應(yīng)的頻率處最大, 具有較強(qiáng)的半日潮信號(hào), 圖4(b)、圖4(c)中主要半日分潮S2存在譜峰。全日潮信號(hào)相對(duì)較弱, 全日分潮K1存在譜峰, 全日分潮O(jiān)1相對(duì)不顯著。淺水分潮M4能量值相比全日分潮高2個(gè)量級(jí), 淺水分潮MS4和M6能量也十分顯著。浮標(biāo)觀測(cè)點(diǎn)的近慣性振蕩頻率為1.204 5 d–1, 所對(duì)應(yīng)能量沒(méi)有出現(xiàn)明顯譜峰, 說(shuō)明該點(diǎn)近慣性振蕩不顯著。總的來(lái)說(shuō), 三個(gè)觀測(cè)時(shí)間段的譜線趨勢(shì)較為一致, 該觀測(cè)點(diǎn)以半日潮為主, 淺水分潮也有顯著貢獻(xiàn)。

3 潮流、余流特征分析

海流是多時(shí)間尺度信號(hào)共同作用的結(jié)果, 通過(guò)調(diào)和分析、濾波等方法可以將海流分解成潮流和余流等部分。潮流是潮波現(xiàn)象在水平方向的表現(xiàn)形式, 主要影響海域物質(zhì)在潮周期內(nèi)的運(yùn)輸, 長(zhǎng)時(shí)間序列流速數(shù)據(jù)能夠得到更準(zhǔn)確的回報(bào)潮流值。余流是指實(shí)測(cè)海流中去掉周期性天文分潮后的部分, 余流主要由海面風(fēng)場(chǎng)、外海環(huán)流、河流徑流等驅(qū)動(dòng)。

圖4 實(shí)測(cè)流垂向平均流速頻譜分析

3.1 潮流特征

采用MATLAB的T_TIDE工具包[19]對(duì)2016年1—10月2～6 m水深中各層流速進(jìn)行調(diào)和分析。結(jié)果顯示, 通過(guò)信噪比檢驗(yàn)的分潮共39個(gè)。統(tǒng)計(jì)得到整個(gè)觀測(cè)期間的潮流東西分量范圍為–0.38～0.35 m/s(以東向?yàn)檎?, 潮流南北分量的范圍為–0.06～0.08 m/s(以北向?yàn)檎?, 潮流速度平均值為0.15 m/s, 潮流速度最大值為0.38 m/s。將四大分潮M2、S2、O1、K1和淺水分潮M4、MS4的潮流橢圓垂向分布繪制于圖5中, 圖中右上角的圖例正圓代表振幅單位大小0.01 m/s, 繪圖程序中預(yù)設(shè)黑色代表潮流橢圓順時(shí)針旋轉(zhuǎn), 紅色代表橢圓逆時(shí)針旋轉(zhuǎn), 由圖中可見(jiàn), 均為順時(shí)針旋轉(zhuǎn)。從圖5中可以看出, M2分潮絕對(duì)占優(yōu), 對(duì)潮流起主導(dǎo)作用。S2分潮為次顯著分潮, 淺水分潮M4、MS4比全日分潮O(jiān)1、K1更為顯著。橢圓長(zhǎng)軸從海水上層到下層逐漸減小, 潮流會(huì)出現(xiàn)越來(lái)越扁的情況。潮流在垂向上越接近海底, 通常長(zhǎng)半軸越小; 上層橢圓為右旋時(shí), 下層橢圓將逐漸變扁[20], 本文結(jié)果與前人觀測(cè)到的潮流垂向變化的一般結(jié)果相符。

各深度的分潮的長(zhǎng)軸、短軸分別列于表2中。如表中所示, M2分潮的最大流速的最大值出現(xiàn)在水深2 m處, 大小為0.220 m/s, 隨深度增加M2分潮最大流速逐漸減小, 垂向上M2分潮最大流速變化量為0.02 m/s。S2分潮最大流速隨深度增加而單調(diào)減小, 最大流速約為0.05 m/s。淺水分潮M4最大流速出現(xiàn)在中層, 但整體上差異微小。淺水分潮MS4和全日分潮K1、O1的最大流速相對(duì)較小。各分潮短軸垂向上整體差異較小。M2分潮短軸垂向差異小, 計(jì)算得到M2分潮橢圓率在–0.064至–0.05。各主要分潮橢圓短軸均為負(fù)值, 因此該海域各主要分潮的旋轉(zhuǎn)方向一致, 均為順時(shí)針右旋。方國(guó)洪[20]研究認(rèn)為, 分潮流最大流流向的垂向變化取決于分潮角頻率和科式參量,>時(shí), 變動(dòng)較小,<時(shí), 隨著接近海底而向左偏轉(zhuǎn)。M2分潮角頻率大于該觀測(cè)點(diǎn)科式參量, 因此分潮流流向的垂向變化較小。近底層水深5.5 m處半日分潮和淺水分潮的調(diào)和常數(shù)傾角均大于上層水深5 m處和下層水深6 m處的調(diào)和常數(shù)傾角, 這可能是由于下邊界層底摩擦影響產(chǎn)生。但總體來(lái)說(shuō), 主要分潮傾角垂向變動(dòng)很小。

圖5 分潮潮流橢圓垂向分布圖

表2 分潮橢圓長(zhǎng)軸、短軸

從圖5可以看出, 主要分潮特征垂向變化較小, 因此可以根據(jù)垂向平均流調(diào)和分析結(jié)果對(duì)潮流特征進(jìn)行定性定量描述[21]。潮流性質(zhì)的判別可根據(jù)式(1)確定, 式中值為各分潮的潮流橢圓長(zhǎng)半軸長(zhǎng)度。當(dāng)≤0.5時(shí), 海域潮流性質(zhì)為規(guī)則半日潮流。

根據(jù)得到的潮流調(diào)和常數(shù)計(jì)算得到本海域值為0.06, 因此觀測(cè)海域潮流性質(zhì)為規(guī)則半日潮流。這一結(jié)果與海洋圖集結(jié)果相同[22]。根據(jù)運(yùn)動(dòng)形式, 潮流可以分為往復(fù)流和旋轉(zhuǎn)流, 一般以橢圓率值判斷, 具體公式如式(2)所示, 其中為潮流橢圓短半軸長(zhǎng)度,為潮流橢圓長(zhǎng)半軸長(zhǎng)度。的正負(fù), 即橢圓短軸的正負(fù),值為負(fù)時(shí)表示潮流橢圓順時(shí)針旋轉(zhuǎn),值為正時(shí)表示潮流橢圓逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)[20]。的絕對(duì)值越大, 旋轉(zhuǎn)流性質(zhì)越顯著, 若的絕對(duì)值在0～0.2時(shí), 則判定為往復(fù)流。

通過(guò)計(jì)算得到M2分潮值為–0.06, 即該海域表現(xiàn)為往復(fù)流特征。原因可能是觀測(cè)站點(diǎn)離海岸和北側(cè)楮島岬角近, 受岸線和地形約束。由于觀測(cè)站點(diǎn)海域水深較淺, 因此淺水分潮的效應(yīng)不可忽視。一般以值[公式(3)]來(lái)判斷淺水分潮是否顯著, 當(dāng)值>0.04時(shí), 表明淺水效應(yīng)顯著。

通過(guò)計(jì)算得到值為0.15, 大于判別標(biāo)準(zhǔn)近4倍, 即該海域淺水分潮效應(yīng)顯著。

3.2 余流特征

在余流的計(jì)算方面, 前人主要通過(guò)實(shí)測(cè)流速減去調(diào)和分析回報(bào)潮流, 或進(jìn)行不同截止頻率的低通濾波。本文實(shí)測(cè)流速數(shù)據(jù)為300 s高頻采樣, 在調(diào)和分析后去潮余流結(jié)果中, 可能存在對(duì)風(fēng)瞬時(shí)響應(yīng)的信號(hào), 而低通濾波則會(huì)過(guò)濾掉高頻組分。為下一步分析余流的影響因素和對(duì)大氣強(qiáng)迫的響應(yīng), 選擇實(shí)測(cè)流經(jīng)調(diào)和分析去掉潮流后得到的余流res結(jié)果進(jìn)行分析。統(tǒng)計(jì)得到整個(gè)觀測(cè)時(shí)間段內(nèi), 榮成外海浮標(biāo)觀測(cè)點(diǎn)天平均余流東西分量變化范圍為–0.05～0.16 m/s,天平均余流南北分量變化范圍為–0.06～0.09 m/s, 最大值為0.16 m/s, 均值為0.05 m/s, 平均速度對(duì)應(yīng)方向?yàn)?9°, 呈現(xiàn)往東運(yùn)移的特征對(duì)泥沙物質(zhì)的長(zhǎng)期向外輸運(yùn)作用不容忽視。

進(jìn)一步分級(jí)分向統(tǒng)計(jì), 得到了該觀測(cè)站點(diǎn)的日平均余流季節(jié)變化特征, 四季余流玫瑰圖如6所示, 四季均使用同一個(gè)區(qū)間分級(jí)分向。從圖中可以看出, 余流流速流向季節(jié)變化均十分明顯, 四季余流流向均以東向或東北向?yàn)橹? 較大的速度值也出現(xiàn)在落潮流方向。計(jì)算得到余流冬季、春季、夏季、秋季的季節(jié)平均值分別為0.03 m/s、0.04 m/s、0.07 m/s、0.10 m/s。

圖6 榮成外海余流玫瑰圖

3.3 風(fēng)對(duì)余流的影響

余流特征往往是風(fēng)場(chǎng)、陸源輸入、地形、人類(lèi)養(yǎng)殖活動(dòng)、海岸工程建設(shè)等多種因素綜合作用的結(jié)果。在淺海區(qū)域, 局地風(fēng)對(duì)海流影響顯著[23]。風(fēng)場(chǎng)的非線性作用對(duì)余流有一定影響, 如在潮流相對(duì)較弱時(shí), 余流對(duì)風(fēng)響應(yīng)較為顯著, 余流和風(fēng)的相關(guān)性較好[24]。本文涉及的研究站位水深約7 m, 余流對(duì)風(fēng)的響應(yīng)更快, 且風(fēng)的影響可以直至海底。為具體分析風(fēng)w對(duì)余流的影響大小, 首先統(tǒng)計(jì)了與流速對(duì)應(yīng)的四季風(fēng)速風(fēng)向概率, 結(jié)果如圖7所示。從圖7中可以發(fā)現(xiàn), 榮成外海實(shí)測(cè)風(fēng)速風(fēng)向季風(fēng)特征顯著。通過(guò)統(tǒng)計(jì)得到, 冬季盛行W、WNW、NW、NNW、N向風(fēng), 春季風(fēng)向分散于16個(gè)分方向, 夏季集中于WSW、W、WNW3個(gè)方向內(nèi), 秋季主要集中于NNE、SSE、S、SSW、NNW方向內(nèi)。結(jié)合風(fēng)向與余流流向(圖6), 可以發(fā)現(xiàn), 冬、夏季風(fēng)向和余流流向的主要方向有較好的對(duì)應(yīng)關(guān)系。秋季風(fēng)向和余流流向關(guān)系不明顯, 可能受多種因素影響。并且由于秋季原位觀測(cè)的風(fēng)數(shù)據(jù)缺測(cè)而使用ERA數(shù)據(jù)代替, 盡管ERA數(shù)據(jù)與原位風(fēng)速變化趨勢(shì)相符, 但仍然不能排除ERA數(shù)據(jù)在近岸的不確定性。將四季風(fēng)速分級(jí)的概率統(tǒng)計(jì)列于表3中, 從表中可以看出, 冬季各級(jí)風(fēng)速概率大致相當(dāng), 春、夏季主要集中在0～6 m/s, 秋季大于8 m/s的風(fēng)速概率顯著增高。

統(tǒng)計(jì)榮成外海2016年1—10月浮標(biāo)觀測(cè)站的所有風(fēng)速風(fēng)向情況, 以風(fēng)速大于等于13.9 m/s(風(fēng)級(jí)大于等于7)為強(qiáng)風(fēng)天氣情況, 風(fēng)速小于等于3.4 m/s(風(fēng)級(jí)小于等于2)為弱風(fēng)天氣情況, 得到強(qiáng)風(fēng)和弱風(fēng)天氣下10 min平均的風(fēng)和余流的對(duì)比, 如圖8所示。弱風(fēng)條件下, 余流信號(hào)以潮致余流為主, 余流的特征變化較小。共統(tǒng)計(jì)弱風(fēng)天氣累計(jì)時(shí)長(zhǎng)為97 d。弱風(fēng)風(fēng)向較為分散, 概率高于10%的風(fēng)向有WSW、W、WNW。從圖8(c)中可以看出, 在弱風(fēng)條件下, 余流流向主要集中于NNE—ESE, 余流流速大于0.15 m/s的概率為25%。風(fēng)速大于13.9 m/s屬于少發(fā)天氣事件, 從圖8(d)中可以看出, 余流流向在7級(jí)以上的強(qiáng)風(fēng)事件中, 余流流向發(fā)生明顯的變化。

圖7 榮成外海風(fēng)玫瑰圖

表3 榮成外海四季風(fēng)速分級(jí)概率統(tǒng)計(jì)對(duì)比表

風(fēng)速實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)中, 2月13日強(qiáng)風(fēng)持續(xù)時(shí)間最長(zhǎng)。如圖9所示, 在2月9日到2月10日風(fēng)速較小時(shí), 余流基本穩(wěn)定地向北流動(dòng), 在2月10日至2月11日北風(fēng)增強(qiáng)的過(guò)程中, 北向余流有相應(yīng)的小幅增大。值得注意的是, 2月13日風(fēng)往南吹且風(fēng)速逐漸增大, 在2月13日18時(shí)之后, 持續(xù)保持在風(fēng)力7級(jí)以上, 此時(shí)的余流由之前的穩(wěn)定向北流動(dòng)轉(zhuǎn)而向南流動(dòng), 但由于和弱風(fēng)條件下的背景余流方向相反, 因此2月13日的余流速度值并未明顯增大。進(jìn)一步使用N-CCF函數(shù)(the normalised cross-correlation function)[25]計(jì)算得到2月9日至2月13日的風(fēng)速和余流流速的互相關(guān)系數(shù), 圖9(c)的軸代表風(fēng)速和余流流速的超前滯后時(shí)間, 當(dāng)軸值為正時(shí), 代表風(fēng)速變化超前于余流流速變化。如圖9(c)所示, 兩者的互相關(guān)系數(shù)最大值為0.68。而僅計(jì)算2月13日18時(shí)之后的強(qiáng)風(fēng)事件時(shí)間段, 風(fēng)速和余流流速的互相關(guān)系數(shù)可達(dá)到0.95, 風(fēng)速和實(shí)測(cè)流速的相關(guān)系數(shù)達(dá)–0.49, 和余流流速的相關(guān)系數(shù)為–0.35。從中可以發(fā)現(xiàn), 強(qiáng)風(fēng)事件對(duì)該海域的余流有著顯著的影響, 甚至使余流轉(zhuǎn)向。

4 結(jié)論

基于2016年榮成外海的浮標(biāo)觀測(cè)數(shù)據(jù), 本文分析了榮成外海海流特征和影響因素, 得到結(jié)論如下:

1) 榮成外海浮標(biāo)觀測(cè)點(diǎn)流速東西分量總體大于南北分量, 實(shí)測(cè)流速平均流速大小為0.20 m/s, 最大值為0.87 m/s, 實(shí)測(cè)流速存在明顯的季節(jié)差異, 流速均值冬春季<夏季<秋季。該海域存在漲落潮不對(duì)稱(chēng)現(xiàn)象, 指征侵蝕事件。

圖8 (a)弱風(fēng), (b)強(qiáng)風(fēng), (c)弱風(fēng)時(shí)余流和(d)強(qiáng)風(fēng)時(shí)余流對(duì)比玫瑰圖(風(fēng)向?yàn)閬?lái)向, 流向?yàn)槿ハ?

圖9 榮成外海2月9日—13日(a)風(fēng)、(b)余流及(c)風(fēng)速和余流速度的互相關(guān)系數(shù)

注: (a)(b)中黑色加粗線為速度值, 黑色箭頭為速度矢量; (c)中軸代表風(fēng)速和余流流速的超前滯后時(shí)間, 值為正時(shí), 代表風(fēng)速變化超前于余流流速變化。風(fēng)矢量和流矢量均為去向

2) M2分潮絕對(duì)占優(yōu), 觀測(cè)海域潮流性質(zhì)為規(guī)則半日潮流, 潮流以往復(fù)流形式運(yùn)動(dòng), 各層潮流均為順時(shí)針旋轉(zhuǎn), 淺水分潮十分顯著。該點(diǎn)觀測(cè)得到的最大潮流流速為0.38 m/s。

3) 余流顯著弱于潮流, 天平均余流均值為冬季<春季<夏季<秋季; 流向上E和ENE向占優(yōu)。天平均余流均值為0.05 m/s, 相對(duì)潮流流速較小; 余流平均速度對(duì)應(yīng)方向?yàn)?9°, 由此看來(lái), 該海域總體呈現(xiàn)往東運(yùn)移的特征。

4) 弱風(fēng)條件下, 余流流向主要集中于NNE—ESE, 余流流速大于0.15 m/s的概率為25%。強(qiáng)風(fēng)條件下風(fēng)速和流速的互相關(guān)系數(shù)可達(dá)0.95。

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Characteristics and influencing factors of the currents in the Rongcheng offshore region

WEI Shi-yan1, YANG Wei2, ZHAO Liang1

(1. College of Marine and Environmental Science, Tianjin University of Science and Technology, Tianjin 300457, China; 2. School of Marine Science and Technology, Tianjin University, Tianjin 300072, China)

Rongcheng is an important mariculture city in China. To determine the characteristics of ocean currents in the Rongcheng offshore region, we investigated the features of the measured currents using spectral and harmonic analysis methods based on the in situ observations obtained from a moored buoy south of the Chudao Island from January to October 2016. The tidal and residual currents are analyzed separately. The influencing factors of the residual currents are highlighted. The main conclusions are as follows. (1) The zonal component of the velocity generally has larger amplitudes than the meridional component. The average and maximum values of the measured velocity are 0.20 and 0.87 m/s, respectively. In addition, the velocity of the currents shows strong seasonal variation; the velocity is the strongest in autumn, followed by summer and weakest in winter and spring. Significant asymmetries between flood and ebb flow are observed. (2) The observed currents are dominated by the M2tidal component and the shallow water tide is significant. Further analysis shows that the dominant tide belongs to a type of regular semidiurnal tidal current that rotates clockwise in all layers. The observed tidal current velocity is 0.38 m/s. (3) The residual current is relatively small compared to the tidal component. The daily averaged residual flow is the largest and smallest in autumn and winter, respectively. E and ENE are dominant, and the residual current generally exhibits the characteristics of eastward migration. Under the condition of weak wind, the residual current is primarily in the NNE–ESE direction. Approximately 25% of residual flow velocity is greater than 0.15 m/s. The correlation coefficient between the wind speed and velocity under strong wind conditions can reach 0.95. The strong wind speeds in summer and autumn may account for the increase of the residual velocity during that time.

observed current; tidal harmonic analysis; tidal current; residual current; Rongcheng offshore region

Apr. 12, 2021

P731

A

1000-3096(2022)04-0055-12

10.11759/hykx20210412003

2021-04-12;

2021-05-14

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41876018); 天津市自然科學(xué)基金項(xiàng)目(19JCZDJC40600)

[Project of National Natural Science Foundation of China, No. 41876018; Tianjin Natural Science Foundation project, No. 19JCZDJC40600]

魏詩(shī)晏 (1995—), 女, 江蘇鹽城人, 碩士, 主要從事淺海動(dòng)力學(xué)研究, E-mail: 1254510293@qq.com; 趙亮(1975—),通信作者, 教授, 主要從事淺海動(dòng)力學(xué)、海洋生態(tài)動(dòng)力學(xué)研究, E-mail: zhaoliang@tust.edu.cn

(本文編輯: 叢培秀)