平潭海域定點(diǎn)實(shí)測海流資料分析

陳金瑞，李雪丁，郭民權(quán)，陳凌彥，林梅輝，陳劍橋（.福建省海洋預(yù)報(bào)臺，福建福州350003；.河海大學(xué)，江蘇南京0098）

平潭海域定點(diǎn)實(shí)測海流資料分析

陳金瑞1，李雪丁1，郭民權(quán)1，陳凌彥2，林梅輝1，陳劍橋1
（1.福建省海洋預(yù)報(bào)臺，福建福州350003；2.河海大學(xué)，江蘇南京210098）

利用2014年8月11日—2015年3月19日布放在平潭海域海床基海流調(diào)查資料，通過調(diào)和分析、EOF分解和低通濾波等方法，對海流剖面分布特征進(jìn)行了分析，結(jié)果表明：4個(gè)主要分潮潮流橢圓主軸方向呈現(xiàn)西南-東北方向；準(zhǔn)定常流呈現(xiàn)出上下兩層流速方向相反的垂直空間結(jié)構(gòu)，以水深32 m處為界，上層呈現(xiàn)偏南方流動(dòng)，下層則呈現(xiàn)偏北方流動(dòng)，流向隨深度增加不斷向左偏；9月份準(zhǔn)定常流垂直結(jié)構(gòu)開始發(fā)生變化，于次年1月份轉(zhuǎn)流深度達(dá)到最深；U、V分量第一空間模態(tài)方差貢獻(xiàn)分別為60.8%、76.5%；近表層余流隨時(shí)間的變化與海面風(fēng)基本一致，對風(fēng)的響應(yīng)非常迅速；上層余流流速隨著水深增加逐漸減小同時(shí)滯后的規(guī)律，說明風(fēng)變化的信號由表層逐漸向下傳播且影響逐漸減弱，傳播的深度主要取決于海表面風(fēng)速的大小。

平潭；海床基；海流分析；余流

1　引言

平潭島位于福建省東部沿海，東臨臺灣海峽，西隔海壇海峽，其周邊海域島嶼眾多，地形復(fù)雜，加上臺灣海峽的狹管效應(yīng)，使得附近海域海流復(fù)雜，結(jié)構(gòu)形態(tài)多變。隨著近年來平潭的開放和開發(fā)上升為國家戰(zhàn)略，周邊海域的海上活動(dòng)日益頻繁，船只航行安全等問題日益突出，開展其周邊海域海洋環(huán)境的調(diào)查研究愈發(fā)重要。

針對該海域流系特征，前人已經(jīng)做過不少研究：平潭附近海域的海流具有季節(jié)性變化［1-2］，夏季西南季風(fēng)控制整個(gè)臺灣海峽，使得海水流動(dòng)的總趨勢是向東北方流動(dòng)，進(jìn)而導(dǎo)致平潭附近海域上升流運(yùn)動(dòng)；林培根等［3］根據(jù)2011年夏季臺灣海峽的調(diào)查資料分析平潭附近海域上升流的變化主要受西南季風(fēng)的影響，大概有3 d左右的滯后響應(yīng)時(shí)間；肖暉等［1］指出平潭上升流區(qū)形成的主要原因是地形抬升、北上海流經(jīng)向運(yùn)動(dòng)和西南季風(fēng)作用等所致。冬季平潭周邊海域主要受浙閩沿岸流控制，朱大勇［4］對“908”臺灣海峽西側(cè)沿岸海床基觀測資料進(jìn)行分析，猜測2007年冬季平潭島南部海域近底層的暖水來源于黑潮南海分支或者黑潮與南海的混合后并由臺灣海峽東側(cè)運(yùn)移到臺灣海峽西側(cè)；潘愛軍等［5］發(fā)現(xiàn)平潭島外海浙閩沿岸流對冬季風(fēng)松弛的響應(yīng)（海流和近海底水溫）主要是由于冬季影響中國東南沿海的大氣鋒面系統(tǒng)過境激發(fā)的沿岸向南傳播的陸架截獲開爾文波引起的，而非局地風(fēng)場驅(qū)動(dòng)的埃克曼平流及其產(chǎn)生的向（離）岸水體堆積效應(yīng)所致。本文旨在總結(jié)前人研究成果的基礎(chǔ)上，利用平潭海域定點(diǎn)連續(xù)實(shí)測海流和海面風(fēng)資料開展垂向結(jié)構(gòu)特征分析，加深對平潭海域海流的了解和認(rèn)識。

2　數(shù)據(jù)來源

2.1海流數(shù)據(jù)

本文所用海流數(shù)據(jù)由福建省海洋預(yù)報(bào)臺于2015年7月份布設(shè)在平潭海域（水深50 m，見圖1）的海床基監(jiān)測系統(tǒng)［6］獲取。該系統(tǒng)由國家海洋技術(shù)中心研發(fā)，自帶羅盤，能記錄海床基的方向、傾斜和搖擺等角度，用于間接監(jiān)測測量數(shù)據(jù)的有效性；采用Nortek 600 KHz AWAC自底向上測量剖面海流數(shù)據(jù)，流速測量準(zhǔn)確度為（±1%測量值±1）cm/s，流向?yàn)椤?°，垂向分辨率為2 m/層，測量范圍為2—48 m，采樣間隔為1 h，本文選取了各深度上比較完整的2014年8月11日—2015年3月19日的海流數(shù)據(jù)，有效觀測數(shù)據(jù)達(dá)98%。

圖1　定點(diǎn)觀測站位圖

2.2海面風(fēng)數(shù)據(jù)

本文所用海面風(fēng)數(shù)據(jù)由位于海床基監(jiān)測系統(tǒng)東偏北方39 km（見圖1）的大型海洋環(huán)境監(jiān)測浮標(biāo)（3號大浮標(biāo)）獲取。該浮標(biāo)采用Young 05106型風(fēng)速風(fēng)向傳感器測量距海面上方10 m高的風(fēng)矢量，采樣間隔為10 min。選取3號大浮標(biāo)的海面風(fēng)數(shù)據(jù)作為參考主要依據(jù)為二者相對較近，觀測的海面風(fēng)數(shù)據(jù)受陸地影響較小。

3　分析與討論

3.1潮流橢圓

平潭附近海域?qū)儆趶?qiáng)潮區(qū)，潮流作用尤為明顯。通過調(diào)和分析可以將實(shí)測海流分解成由不同天文潮的作用引起的流動(dòng)和非周期性的余流部分［7］，本文采用Pawlowicz等［8］提供的潮流調(diào)和分析Matlab程序包計(jì)算站點(diǎn)的潮流橢圓要素（見表1），橢圓短軸正值表示潮流橢圓逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，負(fù)值表示潮流橢圓順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，傾角表示橢圓長軸與正東方逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)的夾角。站點(diǎn)4個(gè)主要分潮潮流橢圓垂向結(jié)構(gòu)如圖2所示。

表1　主要分潮潮流橢圓參數(shù)

從該站點(diǎn)的潮流橢圓垂向結(jié)構(gòu)可以看出：4個(gè)主要分潮潮流橢圓主軸方向基本一致，呈現(xiàn)西南-東北方向，M2分潮橢圓主軸方向隨深度增加先呈逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)至6 m水深后轉(zhuǎn)為順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，S2分潮橢圓主軸方向隨深度增加呈順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，K1分潮橢圓主軸方向隨深度增加呈逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)；從表層至10 m層，M2和S2兩個(gè)主要半日分潮潮流橢圓長軸隨深度增加急劇增大，K1和O1兩個(gè)主要全日分潮潮流橢圓長軸則隨深度增加先減小后增大，從44 m層至底層，各分潮潮流橢圓長軸隨深度增加急劇減小，中間層各分潮潮流橢圓變化不大；M2分潮潮流橢圓長軸在22 m水深處達(dá)到最大值，為46.4 cm，S2分潮潮流橢圓長軸在32 m水深處達(dá)到最大值，為16.3 cm，K1分潮潮流橢圓長軸在12 m水深處達(dá)到最大值，為13.7 cm。各分潮橢率隨深度增加先減小后增大，M2和S2分潮潮流橢圓呈逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，K1和O1分潮潮流橢圓在15—20 m水深以淺呈順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，以深呈逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)。

圖2　主要分潮潮流橢圓垂向結(jié)構(gòu)圖

3.2準(zhǔn)定常流

近海海流中除了由引潮力引起的周期性潮流運(yùn)動(dòng)外，還包括準(zhǔn)定常流動(dòng)，準(zhǔn)定常流能直接反映水體的運(yùn)移和交換情況，對水中懸浮物質(zhì)和可溶性物質(zhì)的輸運(yùn)、稀釋及擴(kuò)散等都起十分重要的作用。

本文對實(shí)測海流數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)間序列平均得到準(zhǔn)定常流［7］，圖3給出了準(zhǔn)定常流的垂向結(jié)構(gòu)，該站點(diǎn)的準(zhǔn)定常流在垂直方向上呈現(xiàn)出上下兩層流速方向相反的空間分布結(jié)構(gòu)，以水深32 m處為界，上層呈現(xiàn)南偏西方流動(dòng)，下層則是東北方流動(dòng)，上層準(zhǔn)定常流流速大小隨深度增加不斷減小，下層準(zhǔn)定常流流速大小隨深度增加逐漸增大，近底層又開始減?。簧蠈恿魉倜黠@大于下層流速，最大值出現(xiàn)在表層，達(dá)42 cm/s，最小值出現(xiàn)在32 m層，為2.7 cm/s；各層準(zhǔn)定常流流向隨深度增加不斷向左偏，表層準(zhǔn)定常流流向?yàn)槟掀?5°，底層則為北偏東8°；在垂直方向上以v變化明顯。通過垂向平均準(zhǔn)定常流得到全流流速大小為9.6 cm/s，流向南偏西17°。

圖3　準(zhǔn)定常流的垂向結(jié)構(gòu)圖

圖4　準(zhǔn)定常流隨時(shí)間的變化

為了更細(xì)致分析準(zhǔn)定常流隨時(shí)間的變化，對實(shí)測海流進(jìn)行月平均（見圖4），8月份準(zhǔn)定常流以東北方流動(dòng)為主；9月份準(zhǔn)定常流垂直結(jié)構(gòu)開始發(fā)生變化，上層開始呈現(xiàn)西南方流動(dòng)，下層還是以東北方流為主；10月份上層準(zhǔn)定常流相比于其他月份的準(zhǔn)定常流偏大，且轉(zhuǎn)流深度偏深，筆者認(rèn)為是由于10月份期間1419號臺風(fēng)“黃蜂”和冷空氣配合影響，加大臺灣海峽的海表面風(fēng)，增強(qiáng)上層水體的流動(dòng)，從而影響該點(diǎn)準(zhǔn)定常流的轉(zhuǎn)流深度；11月份至次年1月份，無臺風(fēng)影響，冷空氣影響逐漸加強(qiáng)，在其作用下的準(zhǔn)定常流也逐漸加強(qiáng)，且轉(zhuǎn)流深度變深；2月份之后，準(zhǔn)定常流又開始逐漸恢復(fù)到夏季整個(gè)水層的東北方流動(dòng)。

3.3 EOF分解

經(jīng)驗(yàn)正交函數(shù)分解（Empirical Orthogonal Function，EOF）是一種處理大量時(shí)空變化數(shù)據(jù)比較有效的多元分析方法［9］，它的主要優(yōu)點(diǎn)在于對數(shù)據(jù)時(shí)空分離，即能分解成不隨時(shí)間點(diǎn)變化的空間函數(shù)和不隨空間點(diǎn)變化的時(shí)間系數(shù)，從而揭示變量的基本特征和演變規(guī)律。

圖5　測站U、V的前3個(gè)垂向模態(tài)

本文將站點(diǎn)實(shí)測海流數(shù)據(jù)先經(jīng)過濾潮，然后采用EOF分析方法分解得到的前3個(gè)垂向模態(tài)（見圖5），U分量的前3個(gè)空間模態(tài)方差貢獻(xiàn)分別為60.8%、18.2%和8.2%，V分量的前3個(gè)空間模態(tài)方差貢獻(xiàn)分別為76.5%、12.3%和5.0%。U和V分量的第一模態(tài)的方差貢獻(xiàn)大于其他模態(tài)，占主導(dǎo)地位，其垂直模態(tài)都是正值，但從表層到海底逐漸變小；第二模態(tài)揭示一個(gè)反向流，在16 m水深處發(fā)生變化，所以為一階模態(tài)；第三模態(tài)的符號在6—8 m和26—28 m處改變了兩次，為二階模態(tài)。

第一模態(tài)是零階模態(tài)，體現(xiàn)準(zhǔn)定常流特性。其余各模態(tài)為不同階數(shù)的高階模態(tài)，體現(xiàn)了海流的斜壓特征。U、V分量第二模態(tài)和第三模態(tài)有一定程度的反相關(guān)性。

3.4風(fēng)生余流

為了探討海面風(fēng)對海流垂向結(jié)構(gòu)的影響，本文將實(shí)測海流數(shù)據(jù)剔除周期性潮流成分后，進(jìn)行40 h低通濾波得到各層次時(shí)間序列余流認(rèn)為該站點(diǎn)的風(fēng)生余流［10-11］。

本文僅給出3個(gè)典型月份（2014年9月、10月和2015年1月）的海表面風(fēng)矢量與余流的對比圖（見圖6—8），近表層余流隨時(shí)間的變化與海面風(fēng)基本一致，對風(fēng)的響應(yīng)非常迅速，風(fēng)較強(qiáng)時(shí)余流加強(qiáng)，風(fēng)較弱時(shí)余流減弱，風(fēng)轉(zhuǎn)換方向時(shí)余流方向也隨之轉(zhuǎn)換；上層余流流速隨水深增加逐漸減小同時(shí)滯后的規(guī)律，說明風(fēng)變化的信號由表層逐漸向下傳播且影響逐漸減弱，傳播的深度主要取決于海表面風(fēng)速的大??；下層余流流速呈現(xiàn)與海面風(fēng)不一致變化規(guī)律。

9月份副高逐漸南退，大陸冷高壓開始建立并加強(qiáng)，冬季風(fēng)迅速建立，弱冷空氣開始影響我省海域，但臺風(fēng)次數(shù)仍較多。臺灣海峽受夏冬季風(fēng)交替驅(qū)動(dòng)下，風(fēng)向變化明顯；除了受臺風(fēng)影響期間（9月14—16日和20—22日）海表面風(fēng)速較大，其他時(shí)段風(fēng)速普遍較小。9月14—16日受弱冷空氣與1415號臺風(fēng)“海鷗”共同影響和9月20—22日受1416號臺風(fēng)“鳳凰”影響下，海面風(fēng)力大，各層余流流向基本一致，風(fēng)生余流能傳播到底層。

圖6　2014年9月海面風(fēng)和余流的矢量圖

圖7　2014年10月海面風(fēng)和余流的矢量圖

圖8　2015年1月海面風(fēng)和余流的矢量圖

10月份開始，臺灣海峽基本上受冷高壓天氣系統(tǒng)控制，以偏北風(fēng)為主。雖然由于狹管效應(yīng)造成臺灣海峽的海面風(fēng)普遍比其他海域大，但從圖7和8可以看出，大部分時(shí)間段的風(fēng)生余流無法傳播到底層；在天氣系統(tǒng)減弱期間（冷空氣交替），如1月5日或26日附近，東北風(fēng)減弱，風(fēng)生余流僅能傳到很淺的深度，甚至整層都轉(zhuǎn)為東北風(fēng)流動(dòng)；在兩種情況下風(fēng)生余流能傳播到底層，一種是10月10日受冷空氣與1419號臺風(fēng)“黃蜂”共同配合影響下，海面風(fēng)足夠大；第二站情況是冷空氣影響足夠強(qiáng)，使得海表面風(fēng)大，如1月28日附近。

4　結(jié)論

本文通過對平潭海域7個(gè)多月定點(diǎn)連續(xù)實(shí)測海流和海面風(fēng)資料進(jìn)行定量分析，結(jié)論如下：

（1）潮流調(diào)和分析表明：4個(gè)主要分潮潮流橢圓主軸方向基本一致，呈現(xiàn)西南-東北方向，10—44 m層各分潮潮流橢圓變化不大，橢率隨深度增加先減小后增大；

（2）準(zhǔn)定常流在垂直方向上呈現(xiàn)出上下兩層流速方向相反的空間分布結(jié)構(gòu)，以水深32 m處為界，上層呈現(xiàn)偏南方流動(dòng)，下層則是偏北方流動(dòng)；準(zhǔn)定常流流向隨深度增加不斷向左偏；

（3）EOF分解結(jié)果顯示：U、V分量第一空間模態(tài)方差貢獻(xiàn)分別為60.8%、76.5%，體現(xiàn)了準(zhǔn)定常流特性；

（4）通過對海面風(fēng)與余流的對比分析，近表層余流隨時(shí)間的變化與海面風(fēng)基本一致，對風(fēng)的響應(yīng)非常迅速；上層余流流速隨著水深增加逐漸減小同時(shí)滯后的規(guī)律，說明風(fēng)變化的信號由表層逐漸向下傳播且影響逐漸減弱，傳播的深度主要取決于海表面風(fēng)速的大小。

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Analysis of the observed current data near Pingtan islands

CHEN Jin-rui1，LI Xue-ding1，GUO Min-quan1，CHEN Ling-yan2，LIN Mei-hui1，CHEN Jian-qiao1
（1.Fujian Marine Forecasts，F(xiàn)uzhou 350003 China；2.Hohai University，Nanjing 210098 China）

The flow profiles，measured by a sea-bed buoy around Pingtan Island from August 11，2014 to March 19，2015，are analyzed by tidal current harmonic analysis，empirical orthogonal function（EOF）and low pass filter.The results show that the long axis directions of four major semi-diurnal tidal currents ellipse are from southwest to northeast.The subtidal flow is characterized by two layers with a southward flow in the upper layer and a northward flow in the lower layer.Vertically，the flow tends to flow leftward with an increase of depth and these two layers are divided at 32 m.In September，the two-layer flow profile starts to form and the border line of these two layers is the deepest in January.The EOF results indicate the first mode of velocity in U and V direction contributes 60.8%and 76.5%，respectively.The surface subtidal current coincides well with the wind variation through a fast response.The flow velocity and corresponding response time to wind in the upper layer decrease with depth.This suggests the signal of wind variation transports downward with a reduced effect on velocities and the transportation depth depends on the wind speed.

Pingtan；seabed-based；current analysis；residual current

P731.21

A

1003-0239（2016）04-0046-07

10.11737/j.issn.1003-0239.2016.04.006

2015-11-25

國家科技支撐計(jì)劃資助項(xiàng)目（2013BA04B00）；國家海洋局2014年海域使用金福建省海洋預(yù)警報(bào)能力升級改造項(xiàng)目。

陳金瑞（1985-），男，工程師，碩士，從事海洋預(yù)報(bào)工作。E-mail：chenjinrui0@163.com