曾銀東,郭民權(quán),方許聞,江毓武,鄭祥靖

(1.中國(guó)海洋大學(xué)海洋與大氣學(xué)院,山東 青島 266100;2.福建省海洋預(yù)報(bào)臺(tái),福建 福州 350003;3.廈門(mén)大學(xué)海洋與地球?qū)W院,福建 廈門(mén) 361102)

臺(tái)灣海峽及其鄰近海域由于自然條件及生產(chǎn)活動(dòng)的原因,船只事故時(shí)有發(fā)生,造成人員落水、海上溢油,加上近年頻發(fā)的有毒赤潮,這些事件對(duì)近海海洋經(jīng)濟(jì)發(fā)展和環(huán)境安全造成嚴(yán)重危害,并導(dǎo)致巨大的經(jīng)濟(jì)損失.因此,在臺(tái)灣海峽及其鄰近海域建立漂移軌跡預(yù)報(bào)模式,對(duì)落水人員、溢油、赤潮等漂浮物的運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行及時(shí)可靠的模擬預(yù)測(cè),能為開(kāi)展有效地搜救、防控、攔截以及減輕生態(tài)災(zāi)害損失、保障海洋生態(tài)環(huán)境安全等提供決策支持.

影響漂移運(yùn)動(dòng)的海表動(dòng)力環(huán)境主要包括海面的風(fēng)、浪、流等因素,漂移物主要隨海流運(yùn)動(dòng).浮子漂移實(shí)驗(yàn)?zāi)軌虿蹲窖芯亢Ｓ虮砻婧Ａ鞯奶卣?基于GPS的浮子具有高的精度(2～50 m)與采樣頻率等特點(diǎn),常被運(yùn)用于近岸海域的浮子漂移實(shí)驗(yàn)[1].Lin等[2]于2018年1月在大亞灣開(kāi)展了SUCE(surface current experiment)浮子漂移實(shí)驗(yàn),通過(guò)比較浮子漂移實(shí)驗(yàn)計(jì)算的流速與廣東沿海已有的再分析數(shù)據(jù),認(rèn)為浮子漂移實(shí)驗(yàn)結(jié)果能夠反映表層海流的特征.2020年Gao等[3]分析部署在大亞灣海域的120個(gè)浮子的實(shí)測(cè)資料,認(rèn)為漂流浮子總體上能夠捕捉到表面流(潮流與余流)特征.隨著互聯(lián)網(wǎng)以及通信定位技術(shù)的發(fā)展,漂流浮子由于成本更低,體積更小,已成為觀測(cè)近岸海域表層海流的重要工具.

目前國(guó)外海事發(fā)達(dá)國(guó)家的目標(biāo)漂移軌跡預(yù)測(cè)模型基本已形成較成熟的業(yè)務(wù)化預(yù)報(bào)體系,如英國(guó)的SARIS[4]、美國(guó)的HACSALV[5]、挪威的LEEWAY[6]等.國(guó)內(nèi)也開(kāi)展了不少相關(guān)的研究,如胡志武等[7]基于實(shí)測(cè)海流和水文圖表,以遇難船舶為對(duì)象,研究了在風(fēng)、浪、流共同作用下船舶的漂移軌跡,認(rèn)為考慮波浪作用后并未提高預(yù)測(cè)精度.近年來(lái),部分研究均采用數(shù)值模式,如肖文軍等[8]利用中尺度氣象研究與預(yù)報(bào)(weather research and forecasting,WRF)模式、無(wú)結(jié)構(gòu)網(wǎng)格近岸海洋模式(finite-volume coastal and ocean model,FVCOM)和基于蒙特卡洛隨機(jī)統(tǒng)計(jì)理論的海上搜救目標(biāo)漂移軌跡模式LEEWAY,建立了長(zhǎng)江口及鄰近海域海上搜救物漂移軌跡預(yù)測(cè)模型系統(tǒng).盡管大部分研究工作都不考慮波浪對(duì)物體的作用,但是部分學(xué)者認(rèn)為波浪的作用不可忽略.徐江玲等[9]基于海上大型浮標(biāo)(直徑10 m)脫離錨定(跑位)后的漂移軌跡實(shí)測(cè)數(shù)據(jù),對(duì)比了只考慮風(fēng)和流的漂移軌跡和增加波浪作用后的漂移軌跡,認(rèn)為波浪作用引起的漂移速度隨波陡或浮在海面上的體積增大而增加.

目前關(guān)于臺(tái)灣海峽浮子漂移實(shí)驗(yàn)研究的報(bào)道較少,且局限于平潭等部分海域[10],本研究通過(guò)覆蓋福建近海的浮子漂移實(shí)驗(yàn),分析了研究海域的表面流特征,討論了FES潮流模型在福建近海的適用性;并采用已在臺(tái)灣海峽業(yè)務(wù)化運(yùn)行的具有港灣分辨率的三維海洋動(dòng)力模型,在對(duì)港灣海流模擬的基礎(chǔ)上,結(jié)合拉格朗日粒子追蹤方法,建立了福建近海海上目標(biāo)物漂移軌跡預(yù)測(cè)模式,利用浮子漂移實(shí)驗(yàn)對(duì)漂移模型在福建近海的適用性進(jìn)行了較全面的驗(yàn)證,并分析了不同海域漂移軌跡預(yù)測(cè)誤差來(lái)源.

1 漂移物漂移軌跡預(yù)測(cè)模式

1.1 拉格朗日粒子追蹤法

漂移是一個(gè)連續(xù)變化的過(guò)程,但在實(shí)際處理中認(rèn)為漂移物在某時(shí)間段內(nèi)的速度不變.假定漂移物的初始位置為S0,經(jīng)過(guò)一定的時(shí)間步長(zhǎng)Δt后漂移到新的位置S,根據(jù)拉格朗日粒子追蹤法可得[11]:

(1)

式中:t0為初始時(shí)刻;Vt為t時(shí)刻漂移物的漂移速度,是各環(huán)境因子綜合作用所產(chǎn)生的速度;Δα為湍流渦動(dòng)造成的隨機(jī)運(yùn)動(dòng)距離(α代表x、y或z方向).

本研究認(rèn)為海上漂移物受海面風(fēng)和流的作用,即Vt主要由風(fēng)導(dǎo)漂移和海表流場(chǎng)兩個(gè)分速度構(gòu)成,風(fēng)與流產(chǎn)生的漂移物漂流速度可采用下式計(jì)算[10]:

Vt=k×Vwind+Vcurrent.

(2)

式中:Vwind為海面風(fēng)速;Vcurrent為海表流速;k為風(fēng)導(dǎo)系數(shù),其值受漂移物種類(lèi)、漂移物沉浸狀態(tài)等因素影響,當(dāng)漂移物為船舶和浮標(biāo)時(shí),k=0.01～0.05,對(duì)于浮子本研究取k=0.02.

漂移物在湍流渦動(dòng)作用下的隨機(jī)運(yùn)動(dòng)距離可以由下式計(jì)算[12]:

(3)

式中,R為[-1,1]區(qū)間的均勻分布隨機(jī)數(shù),Kα為α方向上的擾動(dòng)系數(shù).

1.2 流場(chǎng)模型

ROMS(regional oceanic modeling system)模型是一個(gè)開(kāi)源的三維非線性斜壓海洋模型,具有自由表面、地形跟蹤、高分辨率等特點(diǎn)[13],此模型可以預(yù)測(cè)不同尺度的運(yùn)動(dòng).本研究在已研發(fā)的大小網(wǎng)格嵌套精細(xì)化三維溫、鹽、流數(shù)值預(yù)報(bào)模式[14]基礎(chǔ)上,采用最新的水深、地形等基礎(chǔ)數(shù)據(jù),利用全球模型提供邊界條件,采用大小網(wǎng)格嵌套的曲線正交網(wǎng)格方案,其中西北太平洋區(qū)為大網(wǎng)格區(qū),廈門(mén)灣、興化灣等重點(diǎn)港灣為小網(wǎng)格區(qū);通過(guò)不斷優(yōu)化完善,建立了具有港灣分辨率的重點(diǎn)海域三維海洋動(dòng)力模型.

1.2.1 嵌套模型與網(wǎng)格分布

本模型用大小區(qū)域單向嵌套方法進(jìn)行,大區(qū)域網(wǎng)格計(jì)算的結(jié)果進(jìn)行插值后作為小網(wǎng)格的邊界條件;小區(qū)域網(wǎng)格的環(huán)流參數(shù),如水位、溫、鹽、環(huán)流由大網(wǎng)格提供,潮汐參數(shù)(潮位、潮流)由調(diào)和常數(shù)計(jì)算.

水平網(wǎng)格(圖1):大網(wǎng)格區(qū)為95°～147.9° E,9° S～44.01° N.大區(qū)域網(wǎng)格在開(kāi)邊界處網(wǎng)格距為15 km,在臺(tái)灣海峽西岸網(wǎng)格距為2 km.小區(qū)域網(wǎng)格在廈門(mén)灣口、興化灣等海域達(dá)到100 m的分辨率.在模型計(jì)算中,與大洋資料相一致,取最大水深為5 500 m.

(a)大網(wǎng)格區(qū),一個(gè)網(wǎng)格表示15個(gè)實(shí)際網(wǎng)格;(b)廈門(mén)灣網(wǎng)格,一個(gè)網(wǎng)格表示60個(gè)實(shí)際網(wǎng)格.圖1 模型計(jì)算區(qū)域和水深分布Fig.1 Model calculation area and water depth distribution

垂向網(wǎng)格:大區(qū)域網(wǎng)格垂向均取30層,最小水深為10 m.小區(qū)域網(wǎng)格垂向取10層,并考慮潮汐漫灘過(guò)程,臨界水深為0.5 m.本模型采用對(duì)數(shù)形式進(jìn)行垂向分層,不同水深區(qū)域和不同層次的間隔不同.在海表分層較密,以反映海表混合層及溫、鹽躍層的復(fù)雜直結(jié)構(gòu);在海底分層較疏.

1.2.2 開(kāi)邊界控制條件

大網(wǎng)格水動(dòng)力的開(kāi)邊界采用歐洲MyOcean的業(yè)務(wù)化產(chǎn)品,包括海表高度、溫度、鹽度和流速(https:∥www.copernicus.eu/en/myocean).海表的凈熱通量、水氣通量和動(dòng)量通量則采用福建省海洋預(yù)報(bào)臺(tái)每日業(yè)務(wù)化運(yùn)行的WRF模式的預(yù)報(bào)產(chǎn)品進(jìn)行計(jì)算.模型計(jì)算中的江河輸入均以《中國(guó)海灣志》[15]的主要河流各月多年平均流量代入模型計(jì)算,入海鹽度取0.開(kāi)邊界潮汐所引起的水位與潮流過(guò)程采用FES2014潮汐模型(https:∥www.aviso.altimetry.fr/en/data/products/auxiliary-products/global-tide-fes.html)的天文潮調(diào)和常數(shù),包含M2、S2、K1、O1、N2、P1、K2、Q1、M1、J1、2N2、Mu2、Nu2、L2和T2,共計(jì)15個(gè)分潮.模型設(shè)定詳細(xì)方案可參考文獻(xiàn)[14].小網(wǎng)格開(kāi)邊界來(lái)源于大網(wǎng)格的濾潮計(jì)算結(jié)果,以及潮汐調(diào)和常數(shù)所計(jì)算的潮位及潮流.

已有研究[14]利用福建近岸海洋監(jiān)測(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)評(píng)估模型性能,并以平均偏差、相關(guān)系數(shù)、均方根誤差等指標(biāo)比較了模型結(jié)果與觀測(cè)數(shù)據(jù),認(rèn)為模型能較準(zhǔn)確地模擬臺(tái)灣海峽海流狀態(tài),本研究不再詳述.

2 結(jié)果與討論

2.1 浮子漂移實(shí)驗(yàn)與時(shí)段選取

本研究中浮子漂移實(shí)驗(yàn)的浮子內(nèi)置GPS定位模塊(含GSM通訊模塊),能定時(shí)將浮子的運(yùn)動(dòng)軌跡坐標(biāo)信息發(fā)回服務(wù)器,內(nèi)置鋰電池的電量理論上在連續(xù)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)可供5 d以上續(xù)航時(shí)間,外部采用密閉性塑料瓶安裝保證不進(jìn)水.同時(shí)會(huì)在浮子內(nèi)部裝有適量砂石,使浮子在海面上的部分不超過(guò)2 cm,以減少風(fēng)對(duì)浮子運(yùn)動(dòng)的直接影響.浮子結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2.

圖2 浮子結(jié)構(gòu)圖(單位:cm)Fig.2 Structure diagram of float (unit:cm)

2019年6月至2021年6月,福建省海洋預(yù)報(bào)臺(tái)在福建近海共開(kāi)展了17個(gè)航次調(diào)查,期間共釋放245個(gè)漂移浮子,獲取漂移點(diǎn)信息42萬(wàn)個(gè),累計(jì)1 600多天,累計(jì)漂移距離4.2萬(wàn)km.

浮子在漂移過(guò)程中存在擱淺、信號(hào)中斷、定位數(shù)據(jù)異常、擱淺后重新漂移等情況,因此通過(guò)判讀漂移數(shù)據(jù)的連續(xù)性,選取連續(xù)漂移時(shí)段>24 h的漂移過(guò)程,最終獲得273個(gè)漂移過(guò)程,圖3為遴選出的部分浮子漂移軌跡圖.可以看出:灣內(nèi)的浮子(如廈門(mén)灣與興化灣海域)主要受潮流作用,在灣內(nèi)呈往復(fù)運(yùn)動(dòng),并有流出灣外的趨勢(shì).灣外的浮子則主要沿著福建海岸運(yùn)動(dòng);在春、秋季東北風(fēng)盛行時(shí)節(jié),在各河口淡水形成的浮力推動(dòng)下[16],沿福建近海南下的沿岸流勢(shì)力較強(qiáng),因此浮子主要是沿岸向南運(yùn)動(dòng),并具沿等深線運(yùn)動(dòng)的趨勢(shì);而在夏季西南風(fēng)盛行時(shí)節(jié),同時(shí)在南高北低的水位條件下[17],沿福建近海以北向流為主,并有跨等深線向外海運(yùn)動(dòng)的趨勢(shì),這主要由與上升流有關(guān)的離岸運(yùn)動(dòng)造成.

圖3 福建近海部分浮子漂移軌跡Fig.3 Part of float drift trajectory in Fujian offshore

2.2 浮子漂移實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

綜合統(tǒng)計(jì)分析福建近海預(yù)測(cè)時(shí)段內(nèi)浮子的漂移,主要有3種形態(tài):第1種,受漲落潮作用,浮子在一段時(shí)間內(nèi)在某一海域往復(fù)運(yùn)動(dòng),這主要發(fā)生在福建沿岸的強(qiáng)潮海灣內(nèi);第2種,受長(zhǎng)時(shí)間的季風(fēng)和海流的作用,浮子在一段時(shí)間內(nèi)沿一個(gè)方向持續(xù)運(yùn)動(dòng),這主要在沿岸近海區(qū)域,也會(huì)受離岸流的作用跨岸遷移;第3種是前兩種的結(jié)合,主要在河口區(qū),如九龍江河口區(qū)等.

針對(duì)不同漂移形態(tài),本研究從北至南選取3種特征浮子進(jìn)行分析(圖4):1號(hào)浮子在興化灣內(nèi)往復(fù)運(yùn)動(dòng),運(yùn)動(dòng)時(shí)間段為2021年3月30日18:00至2021年4月1日6:00;2號(hào)浮子沿福建近岸海域往南運(yùn)動(dòng),運(yùn)動(dòng)時(shí)間段為2019年10月24日8:00至2019年10月30日0:00;3號(hào)浮子在廈門(mén)灣內(nèi)往復(fù)運(yùn)動(dòng),運(yùn)動(dòng)時(shí)間段為2021年3月28日8:00至2021年3月29日20:00.

圖4 特征浮子漂移軌跡Fig.4 Typical float drift trajectory

2.2.1 海灣內(nèi)浮子運(yùn)動(dòng)軌跡分析

1) 興化灣1號(hào)浮子

興化灣海域整體呈長(zhǎng)方形,無(wú)大河流直接流入,僅在灣頂附近有木蘭溪和荻蘆溪兩條小溪,與灣外臺(tái)灣海峽相連的有南日水道和興化水道.興化灣的潮流為正規(guī)半日潮,灣內(nèi)漲落潮流由南日水道和興化水道兩股水流形成,流路穩(wěn)定,呈現(xiàn)往復(fù)流,水流流向與深槽軸線基本一致[18].

從圖5可以看出,1號(hào)浮子運(yùn)動(dòng)海域?yàn)榕d化灣海域南日水道與興化水道的交匯處,浮子主要在灣內(nèi)興化水道呈往復(fù)運(yùn)動(dòng),流向與深槽軸線基本一致.浮子在海域最大漂移速度為0.87 m/s,浮子在轉(zhuǎn)向時(shí)流速最小.流速大小與流速方向均呈周期性變化.

u、v分別表示流速的東分量和北分量.圖5 1號(hào)浮子漂移軌跡Fig.5 Drift trajectory of float No.1

FES是基于有限元流體動(dòng)力模型的同化潮流模型,FES2014是FES系列潮流模型的最新版本,空間分別率為1/16°×1/16°[19].而福建沿海海域?yàn)檎?guī)半日潮,S2分潮振幅約為M2分潮的一半,N2和K2分潮則要小得多[20],M2分潮占主導(dǎo).本研究從FES模型獲取15個(gè)分潮的調(diào)和常數(shù),圖5插圖為根據(jù)M2分潮調(diào)和常數(shù)計(jì)算得到的M2分潮潮流橢圓圖,其最大流速為0.45 m/s,與郭玉臣等[21]利用實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)調(diào)和分析得出的結(jié)果(0.47 m/s)基本一致,可以看出浮子的運(yùn)動(dòng)方向與M2分潮最大流速方向基本一致.

余流是海流分離出潮流后的水體運(yùn)動(dòng),具有單向流動(dòng)特性,因此與近海的物質(zhì)輸運(yùn)密切相關(guān).在余流非線性作用比較弱的海域,拉格朗日余流可以代表長(zhǎng)期平均水量傳輸速度.拉格朗日余流可以使用Awaji等[22]提出的近似算法進(jìn)行計(jì)算.假設(shè)Xt是浮子在t時(shí)刻的位置,Xt+T是在一個(gè)潮周期T(本研究取12 h)之后的位置,則拉格朗日余流流速VL可以用下式進(jìn)行計(jì)算:

(4)

利用上述公式,將實(shí)測(cè)海流分離成余流與潮流,同時(shí)利用從FES模型獲取的15個(gè)分潮的調(diào)和常數(shù)計(jì)算潮流,將模型結(jié)果與實(shí)測(cè)潮流結(jié)果對(duì)比.計(jì)算結(jié)果如圖6所示,興化灣內(nèi)的海流主要以潮流為主,拉格朗日余流較小,最大值為0.13 m/s,略大于郭玉臣等[21]利用實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)調(diào)和分析得出的興化灣最大余流(0.10 m/s).基于FES模型調(diào)和常數(shù)計(jì)算得到的潮流與浮子軌跡計(jì)算得到的潮流存在一定差異,前者流速比后者小0.20 m/s左右,且轉(zhuǎn)向時(shí)間約延遲1 h.這是由于興化灣海域雖然是M2分潮占主導(dǎo),但是淺海分潮影響明顯[20],同時(shí)FES2014作為全球潮汐數(shù)據(jù)可能在沿岸港灣的準(zhǔn)確性不足,所以振幅與相位存在一定偏差.

圖6 調(diào)和常數(shù)計(jì)算潮流流速與1號(hào)浮子軌跡計(jì)算流速Fig.6 Tidal velocity calculated from harmonic constant and velocity calculated from the trajectory of float No.1

綜上,興化灣內(nèi)徑流影響較小,浮子在興化灣內(nèi)的運(yùn)動(dòng)主要受潮流作用,浮子的運(yùn)動(dòng)軌跡也與該區(qū)域的潮流運(yùn)動(dòng)一致.

2) 廈門(mén)灣3號(hào)浮子

廈門(mén)灣位于臺(tái)灣海峽西岸南口,是一個(gè)半封閉型海灣,潮流屬半日潮流,往復(fù)流.廈門(mén)灣海域主要受河流徑流與海洋潮流的相互作用.九龍江是流入廈門(mén)灣海域的最大河流,年平均徑流量為150億m3[23].

如圖7所示,3號(hào)浮子運(yùn)動(dòng)海域?yàn)榫琵埥诤Ｓ蛞约扒鄮Z水道,浮子有時(shí)也會(huì)發(fā)生偏移,流向廈門(mén)東側(cè)水道.浮子在海域最大漂移速度為1.39 m/s,出現(xiàn)在九龍江河口處,從整體運(yùn)動(dòng)軌跡上看,浮子呈往復(fù)運(yùn)動(dòng),漲落行程約15 km.

圖7 3號(hào)浮子漂移軌跡及流速Fig.7 Drift trajectory and velocity of float No.3

將實(shí)測(cè)海流分離成余流與潮流,同時(shí)利用從FES模型獲取的15個(gè)分潮的調(diào)和常數(shù)計(jì)算潮流,結(jié)果如圖8所示.FES模型M2分潮的最大流速為0.11 m/s,遠(yuǎn)小于靖春生等[24]和綦夢(mèng)楠[25]在廈門(mén)灣的研究結(jié)果(最大流速約0.48 m/s).同時(shí)從圖8可以看出,基于FES模型調(diào)和常數(shù)計(jì)算得到的潮流與浮子軌跡計(jì)算得到的潮流存在很大差異,基于FES模型調(diào)和常數(shù)計(jì)算得到的潮流流速均小于0.2 m/s,遠(yuǎn)小于浮子軌跡計(jì)算得到的潮流流速,因此對(duì)于九龍江口-廈門(mén)灣海域,FES模型數(shù)據(jù)并不適用.圖8顯示研究海域的拉格朗日余流最大值為0.25 m/s,出現(xiàn)在九龍江口海域,平均為0.15 m/s,方向?yàn)榱鞒龊涌趨^(qū),這主要體現(xiàn)的是九龍江徑流的作用.此外,采用3號(hào)浮子軌跡計(jì)算的潮流并不像1號(hào)浮子一樣呈現(xiàn)周期性變化,這是由于3號(hào)浮子運(yùn)動(dòng)所屬海域在河口區(qū)及廈門(mén)港交匯區(qū),流場(chǎng)較為復(fù)雜,九龍江河口區(qū)的轉(zhuǎn)流時(shí)刻落后于高、低潮,而廈門(mén)港海域轉(zhuǎn)流時(shí)刻卻比高、低潮超前20～40 min[26].

圖8 調(diào)和常數(shù)計(jì)算潮流流速與3號(hào)浮子軌跡計(jì)算流速Fig.8 Tidal velocity calculated from harmonic constant and velocity calculated from the trajectory of float No.3

2.2.2 海灣外浮子運(yùn)動(dòng)軌跡分析

2號(hào)浮子運(yùn)動(dòng)軌跡分布在福建近海,從圖9可以看出,浮子漂移軌跡受沿岸流與潮流的共同作用:沿岸流導(dǎo)致的沿岸向南運(yùn)動(dòng)以及潮流導(dǎo)致的周期性往復(fù)運(yùn)動(dòng).浮子起點(diǎn)為興化灣灣口附近,沿著海岸向南漂移,每移動(dòng)一段時(shí)間后,浮子漂移方向會(huì)發(fā)生改變,向岸移動(dòng)一段距離;在到達(dá)廈金海域附近時(shí),浮子會(huì)改變路徑,沿岸向北運(yùn)動(dòng)一段距離,回旋形成一個(gè)橢圓,然后接著繼續(xù)往南運(yùn)動(dòng).根據(jù)圖9中的近岸海域基于FES模型數(shù)據(jù)計(jì)算的M2分潮潮流橢圓分布可以看出,在興化灣南部海域,潮流橢圓的橢率接近1,為旋轉(zhuǎn)流特征,因此浮子漂移運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)為垂直向岸、離岸運(yùn)動(dòng)與沿岸向南運(yùn)動(dòng)的組合.到了泉州和廈門(mén)附近海域,潮流橢圓長(zhǎng)軸方向?yàn)檠匕斗较?漲落潮流較大,因此浮子軌跡受潮流影響,可以回旋形成一個(gè)橢圓,浮子的漂移軌跡與潮流橢圓有一致性.

圖9 2號(hào)浮子漂移軌跡與M2潮流橢圓Fig.9 Drift trajectory of float No.2 and M2 tidal current ellipse

將實(shí)測(cè)海流分離成余流與潮流,同時(shí)利用從FES模型獲取的15個(gè)分潮的調(diào)和常數(shù)計(jì)算潮流,將模型結(jié)果與實(shí)測(cè)潮流結(jié)果對(duì)比.從圖10可以看出,福建近海的拉格朗日余流較大,最大值為0.56 m/s,平均值為0.31 m/s,方向主要沿岸向南;10月28日余流流速減小為0.2 m/s左右,此時(shí)浮子位于廈金海域附近,余流的減小使得潮流作用效果明顯,因此該海域的浮子回旋距離較遠(yuǎn),這與前文浮子軌跡基本一致.根據(jù)FES模型調(diào)和常數(shù)計(jì)算的潮流與浮子軌跡計(jì)算的潮流基本一致,說(shuō)明在外海開(kāi)闊海域,浮子的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分離出的潮流數(shù)據(jù)能較好地體現(xiàn)潮流運(yùn)動(dòng),同時(shí)FES模型能較好地模擬近海潮波運(yùn)動(dòng).從圖11的余流場(chǎng)圖與風(fēng)場(chǎng)圖可以看出:浮子運(yùn)動(dòng)這段時(shí)間,10月東北風(fēng)盛行,南下的沿岸流增強(qiáng).將余流流速與風(fēng)場(chǎng)速度投影到30 m等深線方向,并計(jì)算得兩組數(shù)據(jù)的相關(guān)系數(shù)為0.37,判斷浮子的余流主要受沿岸流與風(fēng)的作用.

圖10 調(diào)和常數(shù)計(jì)算潮流流速與2號(hào)浮子軌跡計(jì)算流速Fig.10 Tidal velocity calculated from harmonic constant and velocity calculated from the trajectory of float No.2

圖11 2號(hào)浮子余流場(chǎng)與風(fēng)場(chǎng)圖Fig.11 Residual flow of float No.2 and corresponding wind

綜上,秋季浮子在福建近海的運(yùn)動(dòng)主要受潮流、風(fēng)與沿岸流的共同作用,浮子的運(yùn)動(dòng)軌跡也顯現(xiàn)出潮流作用的周期性以及風(fēng)與沿岸流作用的均一性.當(dāng)沿岸流較弱且潮流呈現(xiàn)較強(qiáng)往復(fù)流時(shí),浮子可呈現(xiàn)回旋軌跡;反之浮子具有沿等深線南下趨勢(shì).

2.3 預(yù)測(cè)模式計(jì)算結(jié)果與分析

本研究用漂移軌跡距離平均誤差隨時(shí)間和漂移距離的變化兩種形式對(duì)漂移軌跡預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性進(jìn)行評(píng)判(圖12).從漂移浮子中選取273個(gè)有效漂移過(guò)程進(jìn)行評(píng)估,累計(jì)預(yù)測(cè)天數(shù)為570 d,進(jìn)行24和48 h的漂移預(yù)測(cè)次數(shù)分別為273和181.根據(jù)誤差統(tǒng)計(jì),得到24和48 h距離的平均相對(duì)誤差分別為17.3%和12.5%,而在120 km的模擬范圍內(nèi)距離平均相對(duì)誤差大多小于20%,說(shuō)明本預(yù)測(cè)模式在臺(tái)灣海峽海域及港灣區(qū)總體具有較高的準(zhǔn)確性.

圖12 距離誤差及其平均誤差隨漂移時(shí)間(a)和漂移距離(b)的變化Fig.12 Change of distance errors and their average errors with drift time (a) and drift distance (b)

圖13為灣內(nèi)(受潮流作用為主)、灣外(受潮流、環(huán)流共同作用)的距離平均誤差,可以看出灣外浮子的距離平均誤差小于灣內(nèi)浮子.因此,相對(duì)于港灣區(qū)域,本軌跡預(yù)測(cè)模式對(duì)于福建近岸海域環(huán)流的模擬有更高精確度.選取前文的3個(gè)特征浮子進(jìn)行分析,從圖14可以看出,模式預(yù)測(cè)軌跡總體與實(shí)測(cè)浮子軌跡趨勢(shì)基本一致.對(duì)于1號(hào)浮子與3號(hào)浮子,預(yù)測(cè)浮子在灣內(nèi)呈往復(fù)運(yùn)動(dòng),且最大往復(fù)距離基本一致;對(duì)于2號(hào)浮子,受潮流與沿岸流的共同作用,預(yù)測(cè)浮子沿福建沿岸南下運(yùn)動(dòng)并在離岸線方向往復(fù)漂移,雖然在垂直岸線方向的距離存在偏差,但是總的遷移方向和距離基本一致.因此模擬結(jié)果能夠再現(xiàn)浮子實(shí)際漂移特點(diǎn).

圖13 距離平均誤差隨漂移距離的變化Fig.13 Change of distance average error with drift distance

圖14 特征浮子實(shí)測(cè)與預(yù)測(cè)軌跡對(duì)比Fig.14 Comparison of measured and predicted trajectories of characteristic floats

圖15為特征浮子預(yù)測(cè)軌跡與實(shí)測(cè)軌跡的距離平均誤差,從模擬的距離平均誤差來(lái)看,灣內(nèi)主要受潮流作用,廈門(mén)灣與興化灣灣內(nèi)潮流的往復(fù)流特征明顯,因此模擬軌跡漂移距離的平均誤差并非單調(diào)增加.1號(hào)浮子最大漂移距離平均誤差約11.6 km,這是由于浮子在轉(zhuǎn)向時(shí)間上存在差異,導(dǎo)致出現(xiàn)較大誤差,所以對(duì)于灣內(nèi)主要受潮流作用的海域,潮流模擬的準(zhǔn)確性會(huì)極大影響預(yù)測(cè)模式的結(jié)果.2號(hào)浮子主要受潮流與沿岸流作用,與灣內(nèi)浮子相比,距離平均誤差反復(fù)性變化較弱,其最大漂移距離平均誤差約7.2 km.

圖15 特征浮子預(yù)測(cè)與實(shí)測(cè)軌跡的距離平均誤差Fig.15 Distance mean errors between predicted and measured trajectories of characteristic floats

3 結(jié) 論

本研究采用風(fēng)場(chǎng)數(shù)值模型和業(yè)務(wù)化海流數(shù)值模型,結(jié)合拉格朗日粒子追蹤法,建立了福建近海海上漂移物漂移軌跡預(yù)測(cè)模式,模擬并分析實(shí)測(cè)浮子軌跡數(shù)據(jù),得到以下結(jié)論:

興化灣內(nèi)浮子的運(yùn)動(dòng)主要受潮流作用,其運(yùn)動(dòng)軌跡也與該區(qū)域的潮流運(yùn)動(dòng)一致,呈現(xiàn)往復(fù)運(yùn)動(dòng)的趨勢(shì);廈門(mén)灣內(nèi)的浮子運(yùn)動(dòng)主要受潮流與徑流的共同作用;而灣外近海的浮子運(yùn)動(dòng)主要受潮流與沿岸流的作用,在外流環(huán)流的驅(qū)動(dòng)下有沿等深線運(yùn)動(dòng)的趨勢(shì),在潮流作用下可能局部形成回旋軌跡.分析結(jié)果可以看出浮子漂移實(shí)驗(yàn)?zāi)軌虿蹲降窖芯亢Ｓ虮砻婧Ａ鞯某绷?、沿岸流及徑流共同作用的特?結(jié)果也表明FES2014全球潮汐數(shù)據(jù)在灣外近海區(qū)有較高的準(zhǔn)確性,而在港灣區(qū)準(zhǔn)確性差.福建近海海上浮子漂移實(shí)驗(yàn)表明,本模式模擬結(jié)果與浮子漂移結(jié)果基本一致;相對(duì)于灣內(nèi)的軌跡預(yù)測(cè),灣外的模擬有更高的可信度.這與浮子軌跡得到的潮流和余流(環(huán)流)分析結(jié)果是一致的.未來(lái)可通過(guò)提高潮流模擬的準(zhǔn)確度來(lái)進(jìn)一步提高灣內(nèi)漂移物漂移軌跡模擬的準(zhǔn)確度.