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      粵東甲子附近海域潮流特征研究

      2015-03-18 04:52:08吳倫宇鄭斌鑫陳志杰
      海洋科學進展 2015年2期
      關(guān)鍵詞:分潮甲子海流

      吳倫宇,鄭斌鑫,曾 志,何 佳,陳志杰

      (1.國家海洋局 第一海洋研究所,山東 青島 266061;2.華東師范大學 河口海岸學國家重點實驗室,上海 200062;3.國家海洋局 第三海洋研究所,福建 廈門 361005)

      粵東甲子附近海域潮流特征研究

      吳倫宇1,鄭斌鑫2,3,曾 志3,何 佳3,陳志杰3

      (1.國家海洋局 第一海洋研究所,山東 青島 266061;2.華東師范大學 河口海岸學國家重點實驗室,上海 200062;3.國家海洋局 第三海洋研究所,福建 廈門 361005)

      針對2012-04—07甲子以東海域3個站的潮位和海流連續(xù)觀測資料,采用潮汐和潮流調(diào)和分析、海流旋轉(zhuǎn)功率譜等方法,研究了它們的潮汐和各層潮流的分布特征,探討了這些特征形成的原因。結(jié)果表明:1)甲子港及其以東40 km海域典型日潮的形成是由于M2分潮的無潮點的存在和潮能在甲子外海的輻散兩種原因引起的;2)日潮海域的潮流則是正規(guī)半日潮流的性質(zhì);3)研究海域的潮波較為復(fù)雜,駐波性質(zhì)不明顯,前進波性質(zhì)較為突出;4)通過類比黃河口M2分潮的無潮點,認為該海區(qū)存在一個退化到岸上的M2無潮點是可能的。

      粵東;甲子海域;潮流;潮流譜分析

      本文研究區(qū)域為南海北部陸架區(qū)甲子港附近海域。該海域東北方毗鄰臺灣海峽,地形復(fù)雜多變,潮汐分別受臺灣島南、北兩個方向潮波的影響。對南海包括南海北部潮波以及臺灣海峽潮波的研究,已有大量工作,俞慕耕[1]利用英文版潮汐表上刊出的調(diào)和常數(shù),選取了320個站的資料,計算了南海的潮汐性質(zhì)、潮差、半日潮和全日潮的同潮時線,繪制了K1,O1,M2,S2四個分潮的潮時和潮差分布;方國洪等[2-3]和曹德明等[4-5]采用二維流體動力學差分法計算了南海北部的潮汐潮流特征,得到了南海北部的潮汐潮流性質(zhì)分布圖,用沿岸和島嶼200多個驗潮站的調(diào)和常數(shù)給出了K1,O1,M2,S2四個主要分潮新的同潮圖;朱佳等[6]建立二維潮波模式,模擬了臺灣海峽及其鄰近海域8個主要分潮。夏綜萬等[7-8]對粵東甲子海域潮波異常和南海北部潮波的傳播進行了分析討論,并指出該區(qū)域的潮能輻散,可能是造成甲子站附近潮型系數(shù)變化的重要原因之一;楊萬康等[9]基于FVCOM對南海北部海域進行了精細化潮汐、潮流數(shù)值模擬。但是,以往對南海北部海域的研究多以數(shù)值計算為主,對粵東甲子附近海域不同水深的潮流特征研究很少,且過去使用的潮流資料多為周日連續(xù)觀測結(jié)果,缺乏對長序列海流資料的分析與研究。由此必然會帶來較多的偶然性和誤差。為此,本研究采用2012-05—07期間甲子附近海域3個站連續(xù)的流速、流向剖面資料進行分析,較好地反映了該海域晚春和初夏的潮流特征。

      1 資料與方法

      1.1 資料來源

      我們于2012-04—07在粵東靖海至神泉附近海域20 m等深線處布設(shè)3個錨碇站(圖1),取得了海流垂向剖面數(shù)據(jù)和潮位觀測資料。使用的儀器為挪威諾泰克生產(chǎn)的AWAC波浪海流剖面儀(1 MHz),其測量范圍為0~25 m,其中海流觀測層厚為0.5 m。

      圖1 觀測站位分布Fig.1 Locations of observational stations

      站 名位 置水深/m觀測設(shè)備觀測要素觀測時間/d觀測時段采樣間隔/minA(116°34′08″E,22°59′53″N)25.2AWAC剖面海流、潮位642012?04?30—07?0310B(116°26′28″E,22°52′08″N)22.3AWAC剖面海流、潮位722012?04?22—07?0310C(116°18′11″E,22°51′43″N)18.8AWAC剖面海流、潮位652012?05?14—07?1910

      1.2 處理方法

      1)利用AWAC海流剖面儀自帶的ExploreP.exe軟件對各站的流速、流向原始數(shù)據(jù)進行高頻濾波處理,將實測數(shù)據(jù)中的高頻噪聲成分基本濾掉,得到潮流和定常余流為主的流動。然后從剖面數(shù)據(jù)中挑選表、中、底三層逐時數(shù)據(jù)進行分析,這里表層指水面下1 m處,底層指離海底高度約1.5 m處,中層指相對于表、底層中間的位置。

      2)潮流調(diào)和分析:采用T-Tide[10]程序包,計算得到各層的K1,O1,M2,S2等主要分潮潮流調(diào)和常數(shù)、橢圓要素。

      3)功率譜分析:就是通過能量相對于頻率的分布來確定構(gòu)成波面ξ(t)各組成波的相對大小,并依據(jù)在線性假設(shè)下導出的功率譜矩與外觀特征量之間的理論關(guān)系,來確定該標量過程的外觀統(tǒng)計特征。而高階譜分析則是企圖揭示各組成波之間的相互作用程度,即研究該過程的非線性特征。

      本文采用最大熵方法[11],取自由度ν=2,計算海流旋轉(zhuǎn)功率譜,對研究錨定站海流隨時間變化的特性進行分析研究。

      為了檢驗功率譜中主要周期是否存在,本文采用以下紅噪聲假設(shè):

      (1)

      (2)

      2 結(jié)果分析

      2.1 潮汐性質(zhì)

      潮汐類型是一個重要的指標,指的是兩個重要的全日分潮K1加O1與主要半日分潮M2的振幅之比[12]:

      (3)

      式中,F(xiàn)為潮汐性質(zhì)判別系數(shù);H為分潮潮汐振幅。F≤0.5為正規(guī)半日潮性質(zhì),0.54.0為正規(guī)日潮。若把潮汐振幅換為潮流振幅,則所得F值為潮流性質(zhì)判別系數(shù)。

      圖2 分潮振幅、等潮時線及潮汐性質(zhì)判別系數(shù)分布圖[9]Fig.2 Co-tide charts and of tidal characteristics[9]

      根據(jù)3個站的潮位資料進行調(diào)和分析得到:A站的F值為2.96,B站為6.46,C站為7.92。A,B站之間相距約18 km,B,C站之間相距約14 km,這3個站距離相近而潮型系數(shù)卻相差很大。圖2為廣東沿岸潮汐性質(zhì)判別系數(shù)分布圖[9],由圖可以看出:M2分潮從巴士海峽西傳到116°E附近,然后分成兩部分:一部分轉(zhuǎn)向東北,與臺灣海峽西傳的M2分潮相遇,造成等潮時線非常密集;另一部分轉(zhuǎn)向西北,向珠江口方向傳遞。在甲子的麒麟山(116°05′54″E,22°49′00″N)以東、B站以西(石碑山附近——116°29′48″E,22°56′06″N)這個海域是M2潮能輻散區(qū),所以振幅最小。而K1,O1分潮則無振幅降低的現(xiàn)象,故潮型系數(shù)F值增大(圖2d)。我們認為,這至少是形成日潮的原因之一。

      2.2 潮流性質(zhì)與橢圓要素

      2.2.1 潮流性質(zhì)

      對A,B,C這3個站各層的流速、流向進行潮流調(diào)和分析,得出各層各分潮的調(diào)和常數(shù),然后再進行性質(zhì)判別。其結(jié)果是:A站各層F值介于0.05~0.10,B站介于0.12~0.25,C站介于0.25~0.30,均屬于正規(guī)半日潮范圍。

      上述結(jié)果也為數(shù)值計算證實:從圖3可以看出,南海北部大部分陸架區(qū)域潮流性質(zhì)判別系數(shù)在1.0~2.0,屬于不規(guī)則半日潮流,但在甲子以東,潮流判別系數(shù)比較小,在0.4以下,屬于正規(guī)半日潮性質(zhì)。

      圖3 潮流性質(zhì)判別系數(shù)分布圖[9]Fig.3 Tidal current characteristics [9]

      2.2.2 潮流橢圓

      從潮流橢圓要素計算結(jié)果來看,這個海域潮流運動具有如下規(guī)律:

      1)半日潮分量中M2是主要的

      A站S2分潮流橢圓長軸為M2的24.84%,B站S2分潮流橢圓長軸為M2的31.25%, C站S2分潮流橢圓長軸為M2的24.48%。

      2)全日潮流和半日潮流相比,半日潮流是主要的

      從表2中可以看出,A站表中底層(O1+K1)值只占M2的9.6%,5.8%和5.7%;B站表中底層(O1+K1)值只占M2的25.1%,17.0%和12.9%;C站表中底層(O1+K1)值只占M2的35.0%,27.1%和24.7%;

      3)從東向西M2潮流迅速減小

      表層流速A站是B站的1.6倍,幾乎是C站的2.0倍;對于表、中、底層平均值流速,A站是B站的1.5倍,是C站的1.9倍,和表層流速特征基本一致。

      4)潮流基本是往復(fù)流性質(zhì)

      圖4給出這3個觀測站M2的潮流橢圓,由圖可以看出,潮流橢圓的短軸很短,除B站外潮流橢圓幾乎退化成直線。潮流橢圓長軸和等深線平行。

      圖4 各站M2潮流橢圓Fig.4 M2 tidal current ellipses at each station

      2.3 潮流與潮位關(guān)系

      歷史海流觀測結(jié)果表明,那里的潮波顯示駐波的性質(zhì),即最大潮流流速出現(xiàn)在半潮面附近。觀測結(jié)果顯示,上述結(jié)論并不完全正確。以B站中層海流觀測為例(圖5),在2012-04-22—05-14(農(nóng)歷初二—二十四)這一時段中,潮流與潮位對應(yīng)有以下幾個特征:

      圖5 B站中層潮流北、東分量與潮位的關(guān)系Fig.5 Relationship between the north/east component of the tidal current and tidal level of the middle layer at station B

      1)高潮位的兩個峰值基本與以東分量最大正、負流速對應(yīng),如圖5中A,B位置所示;對應(yīng)于低潮(圖5中C位置),最大流速一般出現(xiàn)在其約3 h之后。可見研究海域的潮波性質(zhì)較為復(fù)雜,如果從高潮對應(yīng)的最大流速來看,前進波的性質(zhì)還是較為明顯的,但是從低潮位與流速對應(yīng)關(guān)系來看,又接近駐波運動性質(zhì)。

      2)潮位最高值出現(xiàn)在農(nóng)歷初四—初七和十八—二十這兩個時段。同樣,東分量流速最大值也是出現(xiàn)在這個時段,而不是與渤、黃、東海半日潮流總是出現(xiàn)在農(nóng)歷初一—初二和十六—十七相一致。

      3)它也不具有典型的日潮海區(qū)潮位與潮流的對應(yīng)關(guān)系(圖6)。

      由圖6可以看出,潮位最高是在農(nóng)歷初六—初九、二十—二十三這個時段,但是這個時段的流速卻是最小。

      圖6 廣西白龍尾潮位與流速對應(yīng)關(guān)系Fig.6 Relationship between tidal level and tidal current at Bailongwei of Guangxi

      4)它具有M2無潮點海域潮流與潮位對應(yīng)關(guān)系。

      例如,1976年以前老黃河口附近M2無潮點有些相像:首先,潮位變化是日潮型,潮型系數(shù)為12.1;其次,潮流是典型半日潮流,潮流性質(zhì)判別系數(shù)為0.20~0.43;第三,潮差小,但是潮流流速大:黃河大港平均潮差76 cm,但是最大流速接近1 m/s; B點觀測平均潮差84 cm,但是最大流速接近0.5 m/s,是南海北部陸架區(qū)(除臺灣海峽)潮流較強區(qū)域;第四,潮流流速強弱也與水位高低有關(guān)。例如,老黃河口2009-04-27—05-03測流結(jié)果:04-27—28潮差1.15 m,8個測站垂直平均漲落潮流速分別為0.39和0.42 m/s;05-02—03潮差0.92 m,8個測站垂直平均漲落潮流速分別為0.31和0.35 m/s;而觀測的B點,也能夠看出流速與潮位之間存在正比的關(guān)系。

      2.4 潮流譜分析

      1)A站

      圖7是A站表、中、底層譜計算結(jié)果,可以看出:無論是f>0(逆時針運動)還是f<0(順時針運動),各層日分潮在譜圖中均無明顯的峰值出現(xiàn),而在半日分潮和1/4分潮附近均有明顯的譜峰。如果采用紅噪聲假設(shè)對各層海流譜峰進行顯著性檢驗,其檢驗結(jié)果列于表3中:

      (1)不論是f>0還是f<0,各層日分潮O(jiān)1,K1均未通過顯著性檢驗;各層半日分潮M2則均通過顯著性檢驗;各層半日分潮S2基本通過顯著性檢驗,但在f<0分量上,中層并未通過顯著性檢驗。

      (2)由于日分潮均為通過顯著性檢驗,且半日分潮M2分潮在各分潮中占據(jù)絕對的譜峰,本文以M2分潮為參照,可以看出,其順時針和逆時針分量相差很小。

      (3)不論是f>0還是f<0,表層和底層1/4分潮M4也均通過顯著性檢驗,但中層則無法通過。

      (4)此外,在中層的f>0分量上,6.8~8.0,12.3~13.0,59.5和69.4 d等一些周期也通過顯著性檢驗。

      表3 A站采用紅噪聲假設(shè)對各層海流譜峰進行顯著性檢驗

      圖7 A站表、中、底層潮流譜Fig.7 Tidal current spectrum of surface, middle and bottom layers at station A

      2)B站

      圖8是B站表、中、底層譜計算結(jié)果,可以看出:無論是f>0(逆時針運動)還是f<0(順時針運動),各層日分潮在譜圖中均無明顯的峰值出現(xiàn),在半日分潮和1/4分潮附近均有明顯的譜峰。采用紅噪聲假設(shè)對各層海流譜峰進行顯著性檢驗,其檢驗結(jié)果列于表4中:

      (1)不論是f>0還是f<0,各層日分潮O(jiān)1,K1均未通過顯著性檢驗;各層半日分潮M2和S2則均通過顯著性檢驗,其順時針和逆時針分量相差很小。

      (2)不論是f>0還是f<0,1/4淺水分潮M4只有在底層才通過顯著性檢驗,在表層和中層則無法通過。

      (3)此外,表層在6.8~7.7,52.1,59.5,69.4和83.3 d等一些周期也通過顯著性檢驗;中層在6.8和6.9 d通過了顯著性檢驗;底層在2.1~2.4,4~8,12~14,18~20和59.5 d均有一系列周期通過顯著性檢驗。

      表4 B站采用紅噪聲假設(shè)對各層海流譜峰進行顯著性檢驗

      圖8 B站表、中、底層潮流譜Fig.8 Tidal current spectrum of surface, middle and bottom layers at station B

      3)C站

      圖9是C站表、中、底層譜計算結(jié)果,可以看出:無論是f>0(逆時針運動)還是f<0(順時針運動),各層日分潮在譜圖中均無明顯的峰值出現(xiàn),在半日分潮和1/4分潮附近均有明顯的譜峰。采用紅噪聲假設(shè)對表層海流譜峰進行顯著性檢驗,其檢驗結(jié)果列于表5中:

      (1)不論是f>0還是f<0,各層日分潮O(jiān)1、K1均未通過顯著性檢驗;各層半日分潮M2則均通過顯著性檢驗;中層和底層半日分潮S2基本通過顯著性檢驗,但表層并未通過顯著性檢驗。

      (2)不論是f>0還是f<0,各層1/4分潮M4均通過顯著性檢驗。

      (3)此外,表層59.5,69.4和83.3 d等一些長周期分潮也通過顯著性檢驗;中層在29.8,32.1,34.7,69.4和83.3 d均通過顯著性檢驗;底層在長周期分潮則無法通過顯著性校驗。

      表5 C站采用紅噪聲假設(shè)對各層海流譜峰進行顯著性檢驗

      圖9 C站表、中、底層潮流譜Fig.9 Tidal current spectrum of surface, middle and bottom layers at station C

      3 結(jié) 論

      本文在前人大量研究的基礎(chǔ)上,通過對粵東甲子附近海域3個站長序列的潮位和海流觀測資料進行研究,得出主要結(jié)論如下:

      1)甲子港附近潮位是日潮特征。俞慕耕[1]認為,這是M2分潮量值顯著降低引起的。M2分潮出現(xiàn)小值的原因是該海域附近存在一個退化到岸上的M2無潮點,不過Fang等[13]并沒有認為M2無潮點退化到岸上,而是在結(jié)構(gòu)上退化成為由甲子到臺灣島西南端之間的略呈弧形的波節(jié)帶 (nodal band), 兩種觀點說法不同,實質(zhì)都是臺灣海峽潮波和呂宋海峽傳來的M2潮波在此處產(chǎn)生干涉的結(jié)果(振幅基本相等,位相基本相反);夏綜萬等[8]認為,M2分潮潮汐弱小的一個重要原因,是由于M2分潮在甲子外海分成兩股,分別向東北和西南向傳播,潮能輻散,導致M2分潮潮高降低。我們認為,這個區(qū)域兩個原因都同時存在,且無潮點是主要原因。其理由是:單一的M2無潮點水域,潮差小,但是M2分潮潮流強。例如,黃渤海4個M2無潮點處,潮差小,潮流卻是這個區(qū)域最大者。但是我們研究海域,M2分潮流卻是從外圍向M2無潮點中心減少:A站的M2分潮流長軸40.5 cm,B站的M2分潮流長軸降到25.5 cm,C站的M2分潮流長軸只是20.6 cm,只有A站的1/2。其中固然有岬角地形的影響,但是,C站與B站處于岬角同一側(cè),其可比性是非常強的。由此可見,M2分潮的輻散,削弱了M2分潮流的能量;如果僅用M2分潮流輻散來解釋,那就無法說明潮位是日潮型、潮流是半日潮流型這種混合出現(xiàn)的特征:既然M2分潮輻散,潮流能量降低,那么日潮流應(yīng)該突出,實際表現(xiàn)卻恰恰相反。

      2)潮汐調(diào)和分析表明,A站潮型系數(shù)2.96,B站為6.46,C站為7.92。說明前人研究的粵東日潮區(qū),只集中在甲子向東這40 km范圍內(nèi),不會超過A站,因為A站已經(jīng)變成不規(guī)則日潮型了。

      3)淺水分潮流M4也大多通過著性檢驗, 且M4分潮流能量超過S2分潮流能量1.2倍。說明海底摩擦起到顯著作用。

      4)研究海域的潮波較為復(fù)雜,駐波性質(zhì)不明顯,前進波性質(zhì)較為突出。

      5)旋轉(zhuǎn)譜計算結(jié)果表明,3個站的M2分潮流、M4分潮流的能量,對f>0和f<0都基本相當,表明這里M2分潮潮波逆時針旋轉(zhuǎn)和順時針旋轉(zhuǎn)出現(xiàn)的概率是相同的;然而,日潮分量O1和K1能量,A站f>0是主要的,B,C站f>0和f<0都基本相當。

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      Received: November 13, 2014

      Tidal Current Characteristics in the Sea Area Near Jiazi in East Guangdong

      WU Lun-yu1, ZHENG Bin-xin2,3, ZENG Zhi3, HE Jia3, CHEN Zhi-jie3

      (1.TheFirstInstituteofOceanography,SOA, Qingdao 266061, China)(2.StateKeyLaboratoryofEstuarineandCoastalResearch,EastChinaNormalUniversity, Shanghai 200062, China)(3.TheThirdInstituteofOceanography,SOA, Xiamen 361005, China)

      The characteristics of the tide and the tidal current at three stations to the east of Jiazi are studied based on measurments from April to July, 2004 and methods of harmonic analysis and rotary spectrum. Results show that: 1) The typical diurnal tide formed at Jiazi port and its east waters is due to the exsitence of M2tidal amphidromic point and the divergence of the tidal energy in the waters off Jiazi; 2) Although the tide is dirnal,the tidal current is regular semidiurnal; 3)Tidal wave in the concerned area is relatively complicated where the characteristic of progressive wave properties is more obvious than that of standing wave; 4)In analogy with the M2tidal amphidromic point in Yellow River mouth, a M2tidal amphidromic point degenerated on land is considered possible there.

      East Guangdong; waters adjacent to Jiazi; tidal current; tidal current spectrum analysis

      2014-11-13

      國家自然科學基金——南海東北部開敞性海灣余環(huán)流特征及形成機制研究(41406031);國家海洋局青年海洋科學基金——基于VF方法的近岸波致流研究(2013204);中央級公益性科研院所基本科研業(yè)務(wù)費專項資金資助項目——高可靠性防拖網(wǎng)海床基觀測系統(tǒng)的研發(fā)、實驗及應(yīng)用(GY0213T02)

      吳倫宇(1982-),男,山東萊州人,助理研究員,博士,主要從事海洋數(shù)值模擬方面研究.E-mail:wuly@fio.org.cn

      *通訊作者:鄭斌鑫(1982-),男,福建福州人,博士研究生,主要從事物理海洋方面研究.E-mail:hysszbx@163.com

      (李 燕 編輯)

      P731.2

      A

      1671-6647(2015)02-0131-11

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