張景思，吳倫宇，葛建忠，丁平興

(1.華東師范大學(xué) 河口海岸學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200241；2.國(guó)家海洋環(huán)境預(yù)報(bào)中心，北京 100081)

1 引言

海流是海洋學(xué)研究中最基礎(chǔ)的觀測(cè)要素之一，對(duì)海上救援以及溢油、藻類(lèi)等的輸運(yùn)有著十分重要的影響[1-2]。以往關(guān)于海流資料的獲取，通常采用的是船舶、浮標(biāo)、潛標(biāo)等傳統(tǒng)方法[3]；海洋衛(wèi)星遙感觀測(cè)通常利用熱紅外或者合成孔徑雷達(dá)進(jìn)行成像，再通過(guò)對(duì)圖像的反演來(lái)獲取海流資料[4-5]。傳統(tǒng)觀測(cè)的優(yōu)點(diǎn)是能夠獲取高時(shí)間分辨率的海流數(shù)據(jù)，但往往只能反映某一很小范圍的狀態(tài)[6]，很難反映海流的空間變化。海洋衛(wèi)星遙感的優(yōu)點(diǎn)是能夠獲取大范圍區(qū)域的流場(chǎng)資料，但缺點(diǎn)也較為明顯，如數(shù)據(jù)易受到云層厚度影響，時(shí)間分辨率較低等[5]。而高頻地波雷達(dá)作為一種較新的觀測(cè)技術(shù)，可以利用高頻電磁波（3～30 MHz）在海表傳播時(shí)衰減小的特點(diǎn)以及海表對(duì)電磁波的散射機(jī)制，實(shí)現(xiàn)對(duì)100～400 km 范圍內(nèi)的大面積流場(chǎng)進(jìn)行觀測(cè)[7-8]。高頻地波雷達(dá)能夠獲取觀測(cè)范圍內(nèi)的高時(shí)間分辨率表層海流數(shù)據(jù)，很大程度上彌補(bǔ)了傳統(tǒng)觀測(cè)手段的不足，從而兼顧了較大的空間范圍覆蓋和較高的時(shí)間采樣率，在海洋觀測(cè)中有十分重要的應(yīng)用價(jià)值。目前，許多國(guó)家都在沿岸建設(shè)了雷達(dá)觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)海流的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，如美國(guó)已在其東西部沿岸區(qū)域布設(shè)了雷達(dá)觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)，歐洲已部署50 多部高頻地波雷達(dá)觀測(cè)站，并在努力構(gòu)建一個(gè)綜合觀測(cè)系統(tǒng)[9-10]。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)對(duì)高頻地波雷達(dá)進(jìn)行了非常多的研究和應(yīng)用，包括理論研究[11]、徑向流矢量合成[12]以及驗(yàn)證測(cè)量結(jié)果的合理性[13]。這些研究極大地促進(jìn)了高頻地波雷達(dá)的發(fā)展，同時(shí)也使高頻地波雷達(dá)廣泛地應(yīng)用于數(shù)據(jù)同化[14]、溢油擴(kuò)散[15]、粒子軌跡追蹤[16]等領(lǐng)域。這些研究表明，高頻地波雷達(dá)的發(fā)展正日趨完善，對(duì)于海洋方面的研究具有廣泛的應(yīng)用價(jià)值。

高頻地波雷達(dá)長(zhǎng)時(shí)間大范圍的觀測(cè)在海流科學(xué)研究方面具有巨大優(yōu)勢(shì)，朱大勇等[17]使用一整年的高頻地波雷達(dá)資料并結(jié)合ADCP 數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)臺(tái)灣海峽沿岸流的季節(jié)性波動(dòng)受季風(fēng)控制，同時(shí)還發(fā)現(xiàn)了常年存在的背景流；Ebuchi 等[18]利用高頻地波雷達(dá)研究了Soya 灣暖流的季節(jié)性變化；Gough 等[19]對(duì)Farallones灣海流進(jìn)行了潮周期和月際的研究，確定了該地區(qū)3 種主要的季節(jié)性環(huán)流體系。這些研究中很少有關(guān)于年際和極端事件方面的研究，這對(duì)于具有多種特征的動(dòng)力過(guò)程的海流來(lái)說(shuō)缺少整體性，很難全面了解海流在不同時(shí)間尺度下的動(dòng)力特征和變化過(guò)程。我國(guó)近海每年都會(huì)有多個(gè)臺(tái)風(fēng)登陸，對(duì)沿海區(qū)域生命財(cái)產(chǎn)和社會(huì)經(jīng)濟(jì)造成巨大影響[20]。高頻地波雷達(dá)的優(yōu)勢(shì)之一在于能夠?qū)崿F(xiàn)全天候觀測(cè)，受天氣影響較小，目前已有許多學(xué)者對(duì)其觀測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性進(jìn)行過(guò)研究[21-22]，研究結(jié)果表明，高頻地波雷達(dá)除了在常規(guī)時(shí)期能夠獲取有效數(shù)據(jù)外，在極端事件時(shí)期獲取的數(shù)據(jù)也十分可靠。

近海海流受多種大氣、海洋動(dòng)力過(guò)程影響，近岸復(fù)雜的地形和岸線對(duì)其影響也不可忽視，這些因素的非線性作用導(dǎo)致近海海流在空間、時(shí)間的不同尺度上呈現(xiàn)出復(fù)雜的變化。本文通過(guò)布設(shè)在朱家尖-嵊山的高頻地波雷達(dá)觀測(cè)站多年所測(cè)流場(chǎng)資料，對(duì)舟山外海海流在潮周期、季節(jié)、年際以及極端事件下的動(dòng)力過(guò)程進(jìn)行解譯，并分析海流在不同時(shí)間尺度下的動(dòng)力特征和影響機(jī)制，為舟山海域赤潮、馬尾藻、漁業(yè)生產(chǎn)和環(huán)境監(jiān)測(cè)提供基礎(chǔ)海流背景。

2 研究區(qū)域

舟山海域作為東海陸架的重要組成部分，地處杭州灣東側(cè)、長(zhǎng)江口東南海域（圖1），是長(zhǎng)江口水體南下的必經(jīng)之路，同時(shí)是臺(tái)灣暖流和浙閩沿岸流交替影響的主要區(qū)域[23]，由于各種水體在此相互交匯，從而形成了我國(guó)最重要的近海漁場(chǎng)。舟山外海地形復(fù)雜，島嶼眾多，水深變化劇烈，近岸水深約10 m，外海最深可達(dá)100 m（圖1a）。此外，舟山海域還受到季風(fēng)以及臺(tái)風(fēng)的影響，在這些因素的共同作用下，此處的海流動(dòng)力過(guò)程復(fù)雜。

圖1 研究區(qū)域及舟山海域水深分布（a）和兩個(gè)雷達(dá)觀測(cè)站位置（b）Fig.1 The study area and the water depth in the Zhoushan sea area (a) and two radar stations (b)

3 數(shù)據(jù)和方法

3.1 高頻地波雷達(dá)資料

朱家 尖（29.893°N，122.428°E）-嵊 山（30.702°N，122.836°E）地波雷達(dá)組（圖1b）自2011 年建成以來(lái)，已累積了大量的觀測(cè)數(shù)據(jù)，本研究將以這些觀測(cè)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，研究舟山外海域海流的多時(shí)間尺度動(dòng)力過(guò)程。

本研究采用的數(shù)據(jù)來(lái)自武漢大學(xué)研發(fā)的OSMAR系統(tǒng)構(gòu)造的真實(shí)海表流觀測(cè)場(chǎng)，該系統(tǒng)在極坐標(biāo)系下利用自然三次樣條將徑向流插值到兩個(gè)扇形區(qū)域相交的公共網(wǎng)格上并合成得到矢量流[12]。時(shí)間分辨率為10 min，空間分辨率為0.05°，覆蓋范圍為28.95°～31.05°N，122.45°～124.45°E，觀測(cè)區(qū)域被劃分為41×43 的網(wǎng)格，實(shí)際觀測(cè)網(wǎng)格如圖1b 所示。關(guān)于該組高頻地波雷達(dá)的可靠性分析，前人已經(jīng)做了較多的研究，沈志奔[8]通過(guò)對(duì)比驗(yàn)證表明其在常態(tài)天氣條件下與ADCP 測(cè)流結(jié)果具有較好的一致性，其誤差在可以接受的范圍。李程等[22]對(duì)臺(tái)風(fēng)“燦鴻”期間的雷達(dá)資料進(jìn)行分析，對(duì)比浮標(biāo)ADCP 數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)流速平均誤差為3.43 cm/s，流向平均誤差為9.63°，相關(guān)系數(shù)分別為0.83 和0.92，具有較好的一致性。可以認(rèn)定該組地波雷達(dá)的觀測(cè)數(shù)據(jù)是可信的。

本文獲取了舟山海域多個(gè)年份的雷達(dá)觀測(cè)資料（2017-2019 年），并統(tǒng)計(jì)各個(gè)月份的數(shù)據(jù)豐度（圖2）。其中，2017 年數(shù)據(jù)較為完整，只有7 月、8 月、10 月份豐度較低，而2018 年與2019 年均有較多月份的數(shù)據(jù)缺失。因此在后續(xù)的研究中只選取具有代表性月份的數(shù)據(jù)來(lái)研究不同季節(jié)的海流特征。

圖2 2017-2019 年各月份數(shù)據(jù)豐度百分比Fig.2 Percentage of data available for each month of 2017,2018 and 2019

3.2 風(fēng)場(chǎng)資料

本文所使用的風(fēng)場(chǎng)資料為歐洲中期天氣預(yù)報(bào)中心（ECMWF）下載的氣象再分析數(shù)據(jù)，選用的是距海表面10 m 高度的風(fēng)速，時(shí)間分辨率為1 h，空間分辨率 為0.25°×0.25°，時(shí)間從2017年1月1日至2019年12月31日。

3.3 質(zhì)量控制

本文所獲取的為已完成矢量合成的流場(chǎng)資料，通常由兩個(gè)及以上基站所測(cè)徑向流合成，當(dāng)兩個(gè)徑向流的觀測(cè)角度夾角接近180°和0°時(shí)，會(huì)使合成的結(jié)果存在一定誤差，而當(dāng)角度在90°左右時(shí)合成結(jié)果最佳[21]。此外由于天氣以及設(shè)備維護(hù)等原因，也會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)存在著質(zhì)量問(wèn)題，因此對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行質(zhì)量控制是十分有必要的。本文將通過(guò)以下方法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行質(zhì)量控制[8]：

（1）在空間上剔除異常值，即在空間上剔除相對(duì)于平均值離散程度較大的值

式中，vt(x,y) 為t時(shí)刻空間上任意點(diǎn)的流速；vˉ為t時(shí)刻空間上流速的平均值；δ為標(biāo)準(zhǔn)差；N為t時(shí)刻的空間樣本容量。通過(guò)該方法定義特定時(shí)刻任意位置流速與整場(chǎng)平均流速的差大于兩倍標(biāo)準(zhǔn)差的流速為空間異常值[8,21]。

（2）在時(shí)間序列上剔除異常值，即在時(shí)間序列上剔除相對(duì)于平均值離散程度較大的值

式中，vx,y(t)為在(x,y)坐標(biāo)下t時(shí)刻的流速；為在(x,y) 坐標(biāo)下的樣本平均值；δ 為標(biāo)準(zhǔn)差；N為該坐標(biāo)下的時(shí)間序列樣本容量。通過(guò)該方法定義特定位置任意時(shí)刻流速與全時(shí)段平均流速的差大于兩倍標(biāo)準(zhǔn)差的流速為時(shí)間序列異常值。

（3）在時(shí)間序列上剔除跳躍值，即剔除相鄰時(shí)間數(shù)據(jù)之間差異存在異常變幅的值

式中，vx,y(t)為在(x,y)坐標(biāo)下t時(shí)刻的流速；為在(x,y) 坐標(biāo)下的樣本平均值；δ 為標(biāo)準(zhǔn)差；N為該坐標(biāo)下的時(shí)間序列樣本容量，該方法可以去除時(shí)間相鄰流速差異大于兩倍標(biāo)準(zhǔn)差的流速跳躍值。

以2017 年1 月的數(shù)據(jù)為例（圖3），圖中黑色矩形框?yàn)閿?shù)據(jù)豐度大于60%的點(diǎn)位。質(zhì)量控制前、后的差異主要體現(xiàn)在觀測(cè)區(qū)域的邊緣位置（圖3a，圖3b）。如前文提到的，這主要是合成角度造成的誤差，經(jīng)過(guò)質(zhì)量控制后，這些誤差得以消除。而在觀測(cè)核心區(qū)域的數(shù)據(jù)豐度（黑色矩形）所受影響并不顯著。對(duì)比質(zhì)量控制前后每日的數(shù)據(jù)豐度（圖3c），發(fā)現(xiàn)質(zhì)量控制對(duì)整體數(shù)據(jù)的豐度影響并不大，觀測(cè)區(qū)域邊緣位置數(shù)據(jù)的剔除占主要原因。可以認(rèn)為質(zhì)量控制對(duì)異常值的剔除效果較為明顯，對(duì)核心區(qū)域數(shù)據(jù)豐度影響不大，本文認(rèn)為質(zhì)量控制能夠有效剔除數(shù)據(jù)中的異常值，提升數(shù)據(jù)的可靠性。

圖3 質(zhì)量控制前后數(shù)據(jù)豐度對(duì)比Fig.3 Percentage of data available before and after quality control

3.4 數(shù)據(jù)處理方法

為了確保在后續(xù)的研究過(guò)程中數(shù)據(jù)的完整性，減少觀測(cè)邊緣的合成誤差，以及數(shù)據(jù)在時(shí)間以及空間上的完整性，本文選取質(zhì)量控制后數(shù)據(jù)豐度大于60%的點(diǎn)位進(jìn)行研究。同時(shí)，本文還對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行了逐小時(shí)平均從而減少觀測(cè)中的隨機(jī)誤差[8]。

T_tide 是在最小二乘法的基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)的一套matlab 工具包[24]，能夠?qū)Τ毕绷鬟M(jìn)行調(diào)和分析。利用T_tide 對(duì)高頻地波雷達(dá)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得到4 個(gè)主要分潮（M2、S2、K1、O1）的橢圓要素（最大流速、最小流速及最大流速方向等）。

余流是指海流去除潮流等周期性信號(hào)后剩下的部分，直接標(biāo)示著水體的凈輸運(yùn)趨勢(shì)，對(duì)海水中懸浮物和可溶性物質(zhì)的稀釋、擴(kuò)散及輸運(yùn)等有著十分重要的指示意義。本文采用PL64 濾波器的33 h 半振幅周期低通濾波對(duì)逐小時(shí)平均的高頻地波雷達(dá)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理[25]，從而濾掉半日及全日潮潮流，得到余流。

4 結(jié)果分析

4.1 潮周期變化

根據(jù)潮流調(diào)和分析得到各分潮潮流橢圓，見(jiàn)圖4。4 個(gè)主要分潮中，M2分潮所占比重最大，S2分潮次之，M2與S2分潮橢圓方向分布較一致（圖4a），但M2分潮橢圓大小為S2分潮橢圓的2 倍以上（注意圖中二者比例尺不同）。舟山海域以M2分潮為主導(dǎo)，其最大流速（橢圓長(zhǎng)半軸）分布從東北區(qū)域向西南區(qū)域逐漸減小，最大流速方向（橢圓長(zhǎng)軸方向）也隨著離岸距離的減小而發(fā)生偏轉(zhuǎn)，在近岸區(qū)域表現(xiàn)出順岸的趨勢(shì)，呈現(xiàn)往復(fù)流為主的特征，而外海旋轉(zhuǎn)流特征較為顯著。K1與O1分潮橢圓方向分布在外海區(qū)域基本一致（圖4b），但在近岸出現(xiàn)了較大的差異，近岸K1分潮振幅明顯大于O1分潮。日分潮在近岸也出現(xiàn)了往復(fù)流的趨勢(shì)，這可能是受到了島嶼岸線的影響。

圖4 M2、S2 潮流橢圓（a）和 K1、O1 潮流橢圓（b）Fig.4 M2,S2 (a),K1,O1 (b) tidal current ellipses

4.1.1 潮流性質(zhì)

潮流的研究主要有潮流的性質(zhì)以及潮流的運(yùn)動(dòng)形式。潮流性質(zhì)是指日分潮K1、O1與半日分潮M2之間的相對(duì)比重F，可根據(jù)公式（4）判斷潮流的類(lèi)型：

潮流的運(yùn)動(dòng)形式可以根據(jù)潮流橢圓的短軸與長(zhǎng)軸比值K來(lái)確定，當(dāng) |K|大于0.25 時(shí)，潮流表現(xiàn)出較強(qiáng)的旋轉(zhuǎn)性，同時(shí)根據(jù)K值正負(fù)可以確定潮流的旋轉(zhuǎn)方向。由于舟山海域由M2分潮主導(dǎo)，因此計(jì)算M2分潮K值來(lái)判斷其運(yùn)動(dòng)形式。按照《港口工程技術(shù)規(guī)范（上冊(cè)》[26]中的相關(guān)規(guī)定，根據(jù)全日分潮O(jiān)1、K1和半日分潮M2、S2的橢圓的長(zhǎng)半軸可以計(jì)算最大可能流速：

圖5a 展示了舟山海域的F值分布，整個(gè)觀測(cè)區(qū)域的F值都在0.5 以下，根據(jù)《港口工程技術(shù)規(guī)范（上冊(cè)）》[26]規(guī)定，該區(qū)域?qū)儆谡?guī)半日潮區(qū)域。觀察K值分布（圖5b）發(fā)現(xiàn)觀測(cè)區(qū)域內(nèi)的 |K|均大于0.25，可以確定舟山外海域潮流為旋轉(zhuǎn)流，且呈順時(shí)針旋轉(zhuǎn)。根據(jù)公式（5）計(jì)算最大可能流速分布如圖5c 所示，最大可能流速介于0.5～1.1 m/s 之間，其分布從東北部到西南部逐漸減小，并在近岸地帶得到加強(qiáng)，顯示了島嶼邊界的影響。

圖5 F 值（a）、K 值（b）和Vmax 值（c）分布Fig.5 Distribution of F-value (a),K-value (b),and Vmax-value (b)

4.1.2 月內(nèi)潮流變化

以2017 年1 月份為例，選取區(qū)域內(nèi)點(diǎn)A（30.0°N，123.5°E）（圖1b）繪制表層海流時(shí)間序列（圖6）。流速矢量的變化過(guò)程呈現(xiàn)出明顯的順時(shí)針旋轉(zhuǎn)的特性（圖6a）；速度與流向的變化過(guò)程呈現(xiàn)出明顯的周期性，能夠較好地反映大小潮的情況，大潮時(shí)最大流速可達(dá)0.8 m/s，小潮時(shí)最小流速接近0 m/s（圖6b，圖6c）。

圖6 2017 年1 月流速矢量時(shí)間序列（a）、流速時(shí)間序列（b）和流向時(shí)間序列（c）Fig.6 Time series of tidal current vector (a),time series of tidal current velocity (b),and time series of tidal current direction (c) in January,2017

4.2 季節(jié)和年際變化

對(duì)各月份數(shù)據(jù)進(jìn)行質(zhì)量控制和濾波處理，并計(jì)算得到月平均余流與風(fēng)場(chǎng)。由于數(shù)據(jù)在某些月份存在一定的缺失（圖2），因此統(tǒng)計(jì)時(shí)選取數(shù)據(jù)較全的月份作為代表性季節(jié)進(jìn)行分析。各季度月平均余流和風(fēng)場(chǎng)結(jié)果都表現(xiàn)出非常強(qiáng)的季節(jié)變化（圖7），以1 月份為代表的冬季（圖7a 至圖7c）主要受北風(fēng)影響，在離岸區(qū)域流速基本在5 cm/s 以?xún)?nèi)，而在近岸區(qū)域（靠近朱家尖島附近）存在著較明顯的從北向南的沿岸流，流速可達(dá)10～20 cm/s，從近岸往東，流速呈減小的趨勢(shì)。以6 月份為代表的夏季（圖7g 至圖7i）余流流速基本在10 cm/s 左右，分布較均勻，且大部分區(qū)域流向接近正北方向。春季（圖7d 至圖7f）和秋季（圖7j 至圖7l）屬于轉(zhuǎn)換階段，春季由北風(fēng)逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)闁|南風(fēng)，風(fēng)速減弱，余流流向逐漸向北轉(zhuǎn)換；秋季由東南風(fēng)轉(zhuǎn)變?yōu)楸憋L(fēng)，風(fēng)速逐漸增大，余流流向逐漸向南轉(zhuǎn)換。

對(duì)比2017 年與2018 年，冬季余流在近岸區(qū)域的變化并不顯著，均表現(xiàn)出明顯的自北向南的沿岸流，但在離岸區(qū)域余流變化則非常明顯，尤其在123.5°E以東和30°N 以南的區(qū)域，2018 年較2017 年流速相對(duì)增大（圖7a，圖7b）。夏季時(shí)，余流場(chǎng)的特征基本一致，無(wú)明顯的變化（圖7g 至圖7i）。春季時(shí)，2018 年較2017 年流速有所增強(qiáng)，這與風(fēng)速的變化是一致的（圖7d，圖7e）；秋季時(shí)，余流場(chǎng)具有較大的差異，2017 年的余流場(chǎng)方向?yàn)槲鞅毕?，?019 年的余流場(chǎng)方向?yàn)槲髂舷?，該變化與風(fēng)場(chǎng)的變化存在一致性（圖7j，圖7l）。

圖7 各月平均余流與風(fēng)場(chǎng)Fig.7 Average residual currents and wind fields for each month

為了進(jìn)一步探究余流變化與風(fēng)之間的關(guān)系，選取點(diǎn)A（圖1b）繪制余流和風(fēng)的時(shí)間序列，并以24 h 為窗口滑動(dòng)計(jì)算風(fēng)速、風(fēng)向與余流流速、流向之間的相關(guān)系數(shù)（圖8）。由于常規(guī)的風(fēng)向指風(fēng)的來(lái)向，與流向相反，在接下來(lái)的分析中均將風(fēng)向定義為風(fēng)的去向。余流流速和相關(guān)性均與風(fēng)速有較強(qiáng)的一致性，流速最大可達(dá)0.8 m/s，同時(shí)相關(guān)系數(shù)最大可接近1。但從圖中可以發(fā)現(xiàn)流速的變化相對(duì)于風(fēng)速變化具有一定的滯后性，主要表現(xiàn)為T(mén)1-T2期間當(dāng)風(fēng)速由增大轉(zhuǎn)為減小時(shí)，流速還保持著增長(zhǎng)的趨勢(shì)（圖8a）。這一現(xiàn)象在T5-T6期間以及風(fēng)速相對(duì)較小的T3-T4和T7-T8期間均有體現(xiàn)，而反映在相關(guān)性上就會(huì)有負(fù)相關(guān)的現(xiàn)象產(chǎn)生（圖8b 至圖8d）。風(fēng)速與余流流速之間總體表現(xiàn)為風(fēng)速較大時(shí)相關(guān)性較強(qiáng)，風(fēng)速較小時(shí)相關(guān)性普遍較低，當(dāng)風(fēng)速迅速變化時(shí)，會(huì)有負(fù)相關(guān)的現(xiàn)象產(chǎn)生。說(shuō)明在風(fēng)速較小情況下海流以非當(dāng)?shù)仫L(fēng)強(qiáng)迫導(dǎo)致的余流為主，如一些陸架波動(dòng)、潮汐余流、密度流等。風(fēng)向與流向之間也存在著類(lèi)似的關(guān)系（圖8b，圖8d）。但由于風(fēng)向的變化頻率較快，而余流由于存在相對(duì)滯后性，導(dǎo)致流向變化較為平緩，方向相關(guān)系數(shù)具有較大的波動(dòng)。

選取風(fēng)速大于8 m/s 時(shí)期的余流流速、流向與風(fēng)速、風(fēng)向（圖8 中黃色背景），計(jì)算平均值和相關(guān)系數(shù)（表1），結(jié)果顯示在風(fēng)速最大期間（T1-T2和T7-T8）風(fēng)速與流速相關(guān)系數(shù)分別為0.90 與0.78，方向夾角的平均值分別為48.8°和47.8°，相關(guān)系數(shù)為0.62 和0.55，相關(guān)性較強(qiáng)。T5-T6期間風(fēng)向與流向相關(guān)系數(shù)達(dá)到了0.68，但方向夾角只有22.0°，同時(shí)風(fēng)速與流速之間的相關(guān)系數(shù)只有0.48（表1）。這可能是由于此期間風(fēng)速和風(fēng)向均發(fā)生了較快的變化，導(dǎo)致Ekman 輸運(yùn)并沒(méi)有充分發(fā)展并穩(wěn)定。T3-T4期間，風(fēng)速較小且波動(dòng)較大，余流流速與風(fēng)速之間的相關(guān)系數(shù)為0.55，而流向與風(fēng)向之間卻出現(xiàn)了負(fù)相關(guān)的現(xiàn)象（表1）。說(shuō)明相比于流速，流向?qū)τ陲L(fēng)的響應(yīng)可能更加滯后。

表1 大風(fēng)時(shí)期風(fēng)與余流相關(guān)性統(tǒng)計(jì)Table 1 Correlation statistics between wind and residual currents during strong wind

圖8 2017 年與2019 年秋季余流與風(fēng)的時(shí)間序列對(duì)比和相關(guān)系數(shù)Fig.8 Time series comparison and correlation between the residual current and the wind in the autumn of 2017 and 2019

4.3 極端事件

以2017 年9 月份的臺(tái)風(fēng)“泰利”（201718，TALIM）為例，高頻地波雷達(dá)探測(cè)到了完整的臺(tái)風(fēng)過(guò)境數(shù)據(jù)。該臺(tái)風(fēng)于2017 年9 月9 日在西北太平洋生成，并于9 月13日14 時(shí)達(dá)到了超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)等級(jí)。臺(tái)風(fēng)從東南向雷達(dá)觀測(cè)區(qū)域接近（圖9），在臺(tái)風(fēng)臨近研究區(qū)域時(shí)段中心風(fēng)速達(dá)到了50 m/s，觀測(cè)區(qū)域內(nèi)風(fēng)速最大可達(dá)23 m/s，而后往東北方向遠(yuǎn)離觀測(cè)區(qū)域。從空間上來(lái)看，受臺(tái)風(fēng)期間極端大風(fēng)影響，舟山外海的平均余流場(chǎng)流速整體較大，可達(dá)0.62 m/s。選擇臺(tái)風(fēng)靠近觀測(cè)區(qū)和離開(kāi)觀測(cè)區(qū)的兩個(gè)時(shí)刻統(tǒng)計(jì)其流速與流向，以及在觀測(cè)區(qū)域內(nèi)的平均風(fēng)速與風(fēng)向。在臺(tái)風(fēng)臨近前（2017 年7 月15 日0 時(shí)）平均余流流速為0.37 m/s，流向?yàn)?67.7°，平均風(fēng)速為14.4 m/s，風(fēng)向?yàn)?39.2°（圖9a），而臺(tái)風(fēng)遠(yuǎn)離時(shí)刻（2017 年7 月16 日0 時(shí)）平均余流流速為0.62 m/s，流向?yàn)?33.6°，平均風(fēng)速為18.2 m/s，風(fēng)向?yàn)?07.4°（圖9b），這兩個(gè)時(shí)段平均風(fēng)向與平均流向的夾角分別為28.5°與26.2°。

圖9 臺(tái)風(fēng)靠近與離開(kāi)時(shí)刻余流場(chǎng)與風(fēng)場(chǎng)Fig.9 The residual current and wind fields of the moment when the typhoon approach and leave

從時(shí)間序列上來(lái)看，選取點(diǎn)A（圖1b）繪制時(shí)間序列對(duì)比（圖10），在臺(tái)風(fēng)接近的過(guò)程中，流場(chǎng)的潮周期運(yùn)動(dòng)逐漸被壓制，流速雖仍然存在著周期性變化，但流向逐漸偏向風(fēng)的右側(cè)，而在臺(tái)風(fēng)離開(kāi)后流場(chǎng)又逐漸恢復(fù)成漲落潮的形態(tài)（圖10b）。在臺(tái)風(fēng)作用最強(qiáng)烈期間（圖10 中綠色背景部分），流向基本維持在210°～330°之間，流速最大可達(dá)1 m/s 以上。余流的流向隨著風(fēng)向逐漸產(chǎn)生逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，在臺(tái)風(fēng)作用最強(qiáng)期間，平均流向?yàn)?49.35°，平均風(fēng)向?yàn)?08.49°，其夾角為40.86°，相關(guān)系數(shù)達(dá)到了0.91（圖10b），風(fēng)速與余流流速的相關(guān)系數(shù)達(dá)到了0.92，說(shuō)明此時(shí)臺(tái)風(fēng)對(duì)表層余流過(guò)程起主要作用，兩者之間高度相關(guān)。

圖10 2017 年9 月風(fēng)速、余流流速、實(shí)際流速對(duì)比（a）和風(fēng)向、余流流向、實(shí)際流向?qū)Ρ龋╞）Fig.10 Comparison of wind speed,residual current velocity,actual current velocity (a),and comparison of wind direction,residual current direction,actual direction (b) in September 2017

5 討論

5.1 不同時(shí)間尺度海流的特征

舟山海域島嶼眾多、岸線曲折，海流不僅受到長(zhǎng)江入海徑流、潮汐、風(fēng)等影響，同時(shí)還受到地形影響[27]。從整體看，地波雷達(dá)解譯的海表流動(dòng)特征與前人其他形式的觀測(cè)結(jié)果吻合[27-29]。本研究通過(guò)地波雷達(dá)解譯得到了較大范圍、較高頻率的表層流場(chǎng)，能更好地刻畫(huà)潮流空間變化特征。

舟山外海域海流存在著較為明顯的季節(jié)變化，其主要特征為冬季向南、夏季向北的余流。由于冬季長(zhǎng)江口徑流沿岸南下，同時(shí)冬季北風(fēng)強(qiáng)勁[28]，形成冬季沿岸較強(qiáng)的沿岸流；而夏季臺(tái)灣暖流較為強(qiáng)勁[23,30]，東南向?yàn)橹鞯娘L(fēng)[28]形成夏季向北的余流。值得注意的是陳倩等[28]認(rèn)為表層余流流速受風(fēng)力影響較大，導(dǎo)致浙江近海表層余流流速冬強(qiáng)夏弱，可能是由于陳倩等[28]選取的站位更靠近岸。本文研究結(jié)果表明，冬季余流流速分布具有空間上的差異，只有在近岸區(qū)域余流流速可能出現(xiàn)大于夏季的情況（圖7）。由此可見(jiàn)高頻地波雷達(dá)數(shù)據(jù)的應(yīng)用在空間上具有一定的優(yōu)勢(shì)。

5.2 風(fēng)與余流的關(guān)系

余流除了與徑流、潮汐、地形等相關(guān)外，與風(fēng)力之間存在著較大的關(guān)系[29]。在風(fēng)向、風(fēng)速相對(duì)較穩(wěn)定的情況下，余流對(duì)風(fēng)的響應(yīng)比較迅速[27]，在大風(fēng)時(shí)期更為顯著，但余流與風(fēng)之間存在著一定的響應(yīng)滯后性[31]，這主要與Ekman 輸運(yùn)的形成和穩(wěn)定有關(guān)。Ekman[32]指出在高緯度穩(wěn)定的風(fēng)使海流完全發(fā)展需要經(jīng)過(guò)12～24 h，并且這一時(shí)間會(huì)隨著緯度的減小而減小。而表層海流由于受到風(fēng)的直接作用，發(fā)展時(shí)間會(huì)比完全發(fā)展更短。如圖8 所示，當(dāng)風(fēng)變化迅速時(shí)，速度相關(guān)性往往會(huì)表現(xiàn)出與風(fēng)速一致的變化趨勢(shì)，而方向相關(guān)性則并不十分一致。由于慣性，海流相對(duì)于風(fēng)存在一定滯后性，方向相關(guān)性的這一現(xiàn)象說(shuō)明海流方向可能比流速更難改變，長(zhǎng)期持續(xù)的風(fēng)可能對(duì)余流的形成起著重要作用。

6 結(jié)論

對(duì)朱家尖-嵊山測(cè)站所測(cè)雷達(dá)表層流資料進(jìn)行質(zhì)量控制、潮流調(diào)和分析、低通濾波和相關(guān)性分析，可以得到以下結(jié)論。

（1）舟山海域?qū)儆诘湫偷恼?guī)半日潮區(qū)域，潮流運(yùn)動(dòng)形式以順時(shí)針旋轉(zhuǎn)流為主，最大可能流速介于0.5～1.1 m/s 之間，流速大小分布為東北區(qū)域較大，西南區(qū)域較小，在近岸得到一定的增強(qiáng)。

（2）2017-2019 年間舟山海域余流場(chǎng)的年際變化并不顯著，但存在著明顯的季節(jié)變化，主要表現(xiàn)為流向冬季向南，夏季向北。冬季余流整體較小，但是在沿岸處存在著非常顯著的自北向南的沿岸流，其流速可達(dá)10～20 cm/s，隨著離岸距離增大，流速逐漸減小。夏季余流整體較大，流速在10 cm/s 左右，流向基本為正北向。春秋季屬于轉(zhuǎn)換時(shí)期，流場(chǎng)的流向與季風(fēng)的風(fēng)向有關(guān)。

（3）風(fēng)與余流存在著較強(qiáng)的相關(guān)性，尤其是在大風(fēng)期間，流速與風(fēng)速的相關(guān)系數(shù)在0.48～0.90 之間，流向與風(fēng)向的相關(guān)系數(shù)在0.55～0.68 之間，風(fēng)速對(duì)速度、方向相關(guān)性有較大影響，風(fēng)速較大時(shí)相關(guān)性普遍較大，速度相關(guān)性與風(fēng)速之間具有很強(qiáng)的一致性，而方向相關(guān)性則存在著一定的波動(dòng)。

（4）在臺(tái)風(fēng)期間會(huì)形成由臺(tái)風(fēng)主導(dǎo)的余流場(chǎng)，在臺(tái)風(fēng)作用最強(qiáng)烈的兩個(gè)時(shí)刻，流向夾角分別為28.5°與26.2°，流速較常態(tài)天氣下顯著增大。余流與臺(tái)風(fēng)之間具有極大的相關(guān)性，臺(tái)風(fēng)期間平均風(fēng)向與余流平均流向夾角為40.86°，風(fēng)向與余流流向的相關(guān)系數(shù)達(dá)到了0.91，風(fēng)速與余流流速的相關(guān)系數(shù)達(dá)到了0.92。