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    基于船載ADCP 觀測(cè)的紅沿河核電站周邊海域潮流-余流的分離計(jì)算

    2020-01-18 08:24:26唐華亮肖勁根魏皓聶紅濤張廣躍錢思萌
    海洋學(xué)報(bào) 2020年1期
    關(guān)鍵詞:余流分潮潮流

    唐華亮,肖勁根*,魏皓,聶紅濤,張廣躍,錢思萌

    ( 1. 天津大學(xué) 海洋科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,天津 300072)

    1 引言

    近海環(huán)流和物質(zhì)輸運(yùn)規(guī)律是海洋環(huán)境保護(hù)、資源可持續(xù)利用的重要基礎(chǔ),依此可確定海區(qū)水交換自凈能力,預(yù)測(cè)營(yíng)養(yǎng)鹽來源和污染物的遷移與歸宿,為保持環(huán)境健康提供科學(xué)指導(dǎo)。在近海環(huán)境中,周期性快速變化的潮流比低頻的環(huán)流運(yùn)動(dòng)(或稱余流)大一個(gè)量級(jí),觀測(cè)的流速中潮流將掩蓋低頻的余流信息,所以在分析近海環(huán)流之前必須分離潮流和余流[1-2]。

    船舶連續(xù)站或長(zhǎng)期潛標(biāo)測(cè)流的調(diào)和分析是獲得某空間點(diǎn)潮流和余流的傳統(tǒng)方法。船載走航多普勒流速剖面儀(Acoustic Doppler Current Profiler,ADCP)可以測(cè)得整個(gè)海域的瞬時(shí)流動(dòng),在近海設(shè)計(jì)特殊觀測(cè)航跡、從中分離出潮流和余流的信息,一直是物理海洋研究努力的方向。Foreman 和Freeland[3]及Isobe等[4]利用數(shù)值模式預(yù)報(bào)潮流與一次大面走航ADCP 對(duì)應(yīng)的瞬時(shí)流速之差獲得余流,進(jìn)行潮流分離,然而此方法依賴于模式的精度,對(duì)于潮流特性比較復(fù)雜的海區(qū)存在較大誤差。Candela 等[5]基于一個(gè)空間范圍內(nèi)多次重復(fù)的走航ADCP 觀測(cè)資料,通過選取空間插值節(jié)點(diǎn)構(gòu)造以格林函數(shù)為基函數(shù)的多項(xiàng)式,用最小二乘法計(jì)算潮流和余流基函數(shù)的系數(shù)得到潮流分離結(jié)果,此后國(guó)內(nèi)外學(xué)者[6-14]沿用此方法對(duì)不同海區(qū)潮流分離。Candela 法不再依賴于模式的精度,但需要足夠多的重復(fù)次數(shù)以滿足系數(shù)矩陣的穩(wěn)定性,當(dāng)重復(fù)走航次數(shù)較少時(shí)則難以獲得潮流分離的穩(wěn)定解。另一些國(guó)內(nèi)外學(xué)者[15-20]應(yīng)用相位平均方法(Phase-Averaging Method,PAM)對(duì)走航ADCP 資料進(jìn)行潮流分離,設(shè)計(jì)與主要分潮周期有關(guān)的時(shí)間間隔(如反相位)的重復(fù)走航觀測(cè),按照相位平均獲得余流,此方法重復(fù)觀測(cè)次數(shù)少,但需要嚴(yán)格按照時(shí)間間隔觀測(cè),對(duì)航跡設(shè)計(jì)的要求較高,并且僅能針對(duì)觀測(cè)海域的主要分潮進(jìn)行潮流分離。Zhu 等[21]利用一種基于病態(tài)矩陣正則解法(L 曲線法)的“改進(jìn)的調(diào)和分析法”,對(duì)瓊州海峽33 次重復(fù)走航ADCP 觀測(cè)資料進(jìn)行潮流分離,并與傳統(tǒng)方法進(jìn)行對(duì)比,證明了改進(jìn)方法能夠有效地得到潮流分離穩(wěn)定解,找到了一種廉價(jià)便捷的海峽通量測(cè)定方法,令人鼓舞。該方法在重復(fù)次數(shù)較少的走航觀測(cè)下是否依然可以有效分離潮流值得探討。

    為了研究渤海遼東灣紅沿河核電站周邊海域的余流對(duì)致災(zāi)水母聚集、遷移等運(yùn)動(dòng)行為的影響,防范水母堵塞核電站取水口而造成重大經(jīng)濟(jì)損失,本課題組設(shè)計(jì)了核電取水口鄰近海域垂直于岸線斷面的1~2 個(gè)潮周期內(nèi)的多次重復(fù)走航ADCP 觀測(cè),通過傳統(tǒng)調(diào)和分析方法和L 曲線方法進(jìn)行潮流分離并予以對(duì)比,以期精確了解周邊海域潮余流特征和規(guī)律。

    2 數(shù)據(jù)獲取與潮流分離法

    2.1 數(shù)據(jù)獲取及處理

    在“我國(guó)近海水母災(zāi)害的形成機(jī)理、監(jiān)測(cè)預(yù)測(cè)及評(píng)估防治技術(shù)”重點(diǎn)研發(fā)項(xiàng)目支持下,本課題組于2017 年7 月、8 月與9 月在紅沿河核電取水口鄰近海域進(jìn)行3 次連續(xù)24 h 船載ADCP 斷面重復(fù)走航觀測(cè),并在7 月13-20 日進(jìn)行大面站水文觀測(cè),走航觀測(cè)斷面與CTD 站位分布如圖1 所示。大面站調(diào)查應(yīng)用RBR420-CTD 完成溫鹽水文要素觀測(cè)。7 月、8 月及9 月的走航斷面分別為A 斷面、B 斷面和C 斷面,觀測(cè)時(shí)間、斷面長(zhǎng)度及重復(fù)走航觀測(cè)次數(shù)如表1 所示。觀測(cè)儀器使用RTI 公司(ROWE Technologies Inc.)300 kHz ADCP,ADCP 通過不銹鋼支架固定于船舷,儀器參數(shù)及配置見表2。測(cè)船為木船,航速約為2.5 m/s。走航觀測(cè)采用底跟蹤模式,期間同時(shí)使用GPS(分米精度)記錄地理位置與航向信息。

    獲取ADCP 觀測(cè)數(shù)據(jù)后,按如下流程處理:首先,將觀測(cè)流速與底跟蹤船速矢量合成得到絕對(duì)流速,再以GPS 為準(zhǔn),將之與底跟蹤的方向相比較獲得兩者的夾角,基于此夾角對(duì)絕對(duì)流速進(jìn)行坐標(biāo)系旋轉(zhuǎn)校正,得到校正后的瞬時(shí)流速。剔除近水底4 m 左右受水底反射影響的不良數(shù)據(jù)后,分別對(duì)回波振幅、相關(guān)性、百分比良好數(shù)、水平流速二階導(dǎo)數(shù)等參數(shù)設(shè)置閾值,剔除不良信號(hào)。最后,對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行水平方向100 m 平均,得到標(biāo)準(zhǔn)船載ADCP 走航瞬時(shí)流速剖面觀測(cè)數(shù)據(jù)。觀測(cè)的流速垂直分布均勻(圖未給出),因此本文僅分析垂直平均流的潮流分離。CTD 數(shù)據(jù)處理流程如下:根據(jù)壓力要素提取儀器下降段數(shù)據(jù),設(shè)置閾值剔除不良數(shù)據(jù)后,對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行1 m 深度平均,得到標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)。

    2.2 傳統(tǒng)調(diào)和分析法與L 曲線方法

    圖 1 CTD 站位和ADCP 走航斷面分布Fig. 1 Distribution of CTD stations and ADCP survey sections

    近海水域的瞬時(shí)流速,可用如下函數(shù)形式表達(dá):

    表 1 走航ADCP 觀測(cè)信息Table 1 Information of shipboard ADCP observations

    表 2 走航ADCP 主要參數(shù)Table 2 Major parameters of shipboard ADCP

    其中

    式中,t為觀測(cè)時(shí)間;u(t)為某一點(diǎn)海流東分量的時(shí)間序列;u0為 東分量余流;分別是第i個(gè)分潮的角頻率、振幅和遲角;和為擬合系數(shù);為分潮個(gè)數(shù)。海流北分量的表達(dá)式與之類似。

    L 曲線方法[21-23],通過引入一個(gè)“妥協(xié)參數(shù)”來尋找一個(gè)合適的解,避免矩陣病態(tài)對(duì)解產(chǎn)生影響。引入妥協(xié)參數(shù)后,目標(biāo)函數(shù)變成如下形式:

    3 走航觀測(cè)與潮流分離結(jié)果

    3.1 走航觀測(cè)結(jié)果

    3 個(gè)斷面每次走航ADCP 觀測(cè)的深度平均瞬時(shí)流如圖2 所示。在A 斷面上,第9、10 次觀測(cè)之間由于儀器故障導(dǎo)致部分?jǐn)?shù)據(jù)缺失;B 斷面,第2、5、9、10 次觀測(cè)同樣由于儀器故障,缺失部分?jǐn)?shù)據(jù);C 斷面,第5 次觀測(cè)儀器發(fā)生故障,第6~12 次觀測(cè)數(shù)據(jù)缺失是由觀測(cè)船未跑完整個(gè)斷面所致。在A 斷面上,受風(fēng)浪、海流等觀測(cè)環(huán)境的影響,有部分航次測(cè)船未能嚴(yán)格按斷面走航觀測(cè)(第2、3、11、12、13、14 次觀測(cè));在B、C 斷面上,測(cè)船均嚴(yán)格按照斷面走航觀測(cè),流速觀測(cè)結(jié)果不受影響。

    3 個(gè)斷面上的深度平均流總體上均沿與岸線平行的方向流動(dòng),垂直岸線方向的流速較小。A 斷面上,深度平均流東北向最大流速為110.2 cm/s,西南向最大流速為123.5 cm/s;B 斷面上,東北向最大流速為99.7 cm/s,西南向最大流速為85.0 cm/s;C 斷面上,東北向最大流速為93.2 cm/s,西南向最大流速為83.7 cm/s。A 斷面上的流速整體稍大于B、C 斷面上的流速,并且B 斷面和C 斷面上東北向流速整體上稍大于西南向的流速。在這3 次觀測(cè)中,在24 h 的連續(xù)觀測(cè)時(shí)間內(nèi)均觀測(cè)到4 次流速轉(zhuǎn)向現(xiàn)象,分別發(fā)生在:A 斷面第3~4 次、7~8 次、12 次、15 次;B 斷面第2 次、4 次、6 次、9 次;C 斷面第1 次、3 次、6 次、10 次。瞬時(shí)流速轉(zhuǎn)向是由潮流相位的時(shí)間變化所引起,2 次流速轉(zhuǎn)向經(jīng)歷的時(shí)間可大致視為1 個(gè)潮周期,24 h 的觀測(cè)時(shí)間內(nèi)發(fā)生4 次流速轉(zhuǎn)向,即大約經(jīng)歷2 個(gè)潮周期。

    3.2 潮流分離結(jié)果

    3.2.1 L 曲線法潮流分離結(jié)果

    使用L 曲線法對(duì)深度平均流進(jìn)行潮流分離,獲得4 個(gè)主要分潮M2、S2、K1和O1的潮流橢圓以及余流(圖3)。由式(2)可知,求解4 個(gè)分潮和余流至少需要9 個(gè)方程組成線性方程組。在3 次走航觀測(cè)中,僅在A 斷面觀測(cè)完整(16 次),可以求解斷面上全部空間點(diǎn)的解;而在B 斷面和C 斷面觀測(cè)中,由于儀器故障或觀測(cè)船未跑完整個(gè)斷面,導(dǎo)致部分空間點(diǎn)上的觀測(cè)次數(shù)不足9 次,無法建立線性方程組求解結(jié)果(圖3b與圖3c 斷面上空白部分),只有部分?jǐn)嗝娅@得了分離結(jié)果。

    圖 2 深度平均瞬時(shí)流時(shí)間序列Fig. 2 Time series of the depth-averaged instantaneous current

    圖 3 基于L 曲線方法的深度平均潮流橢圓與余流Fig. 3 Depth averaged tidal current ellipses and residual current derived from the L-curve method

    潮流橢圓的參數(shù)見表3。在這4 個(gè)主要分潮中,半日潮流M2、S2占主導(dǎo)地位,全日潮流K1、O1占的比重較小。在A 斷面,M2、S2、K1、O14 個(gè)主要分潮斷面平均的潮流橢圓長(zhǎng)軸比率為1∶1.17∶0.37∶0.33;B 斷面上的比率為1∶0.89∶0.25∶0.16;C 斷面上的比率為1∶0.97∶0.08∶0.16??梢姡肴粘弊逯械腗2與S2分潮的平均潮流橢圓長(zhǎng)軸長(zhǎng)相差不大,在A 斷面,S2分潮稍大于M2分潮,在B 斷面和C 斷面,M2分潮均大于S2分潮。3 個(gè)斷面上,潮流橢圓的主軸方向均大致與岸線平行,表現(xiàn)為東北-西南向,并且潮流橢圓的橢率均小,基本上不超過0.1,各個(gè)分潮基本表現(xiàn)為往復(fù)流的性質(zhì)。整體上,由于觀測(cè)的空間跨度并不大、地形變化小,相同斷面上的潮流的性質(zhì)都比較相似。相同斷面上各個(gè)空間點(diǎn)的潮流性質(zhì)相似,也表明了使用L 曲線方法獲得的解是穩(wěn)定的,并且符合海流結(jié)構(gòu)的實(shí)際特征,具有真實(shí)的物理意義。

    分離之后,得到各斷面上的余流分布(圖3 最右側(cè)一列)。A 斷面上余流較大,并且余流在斷面中間(25 m 等深線處)位置發(fā)生轉(zhuǎn)向,西側(cè)余流流向東北,流速最大為8.47 cm/s,自西向東流速逐漸減小直至25 m 等深線處,余流轉(zhuǎn)向西南,流速再逐漸增大,西南方向的流速最大達(dá)到10.63 cm/s。B 斷面上,大部分余流流向東北方向,流速大小約為2.50 cm/s,最大達(dá)到3.23 cm/s,水深淺于25 m 后余流轉(zhuǎn)向西南,流速最大達(dá)4.57 cm/s。C 斷面有效點(diǎn)均位于25 m 以深,余流均流向東北,流速相對(duì)7 月、8 月較小,流速大小約1.50 cm/s。

    表 3 潮流橢圓參數(shù)Table 3 Parameters of tidal current ellipses

    3.2.2 傳統(tǒng)調(diào)和分析法潮流分離結(jié)果

    使用傳統(tǒng)方法對(duì)深度平均流進(jìn)行潮流分離,得到M2、S2、K1和O14 個(gè)主要分潮的潮流橢圓以及余流(圖4)。傳統(tǒng)方法4 個(gè)分潮的潮流橢圓長(zhǎng)軸長(zhǎng)最小為20 m/s 左右(圖4c),最大已超過100 m/s(圖4a),潮流橢圓長(zhǎng)軸的量級(jí)已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出潮流的物理極限。潮流分離后得到的余流大小基本超過1 m/s,流向分布沒有規(guī)律,余流的大小和方向均不合理??梢?,傳統(tǒng)方法的潮流和余流結(jié)果都明顯與實(shí)際不符,傳統(tǒng)方法未能有效地進(jìn)行潮流分離。相比之下,L 曲線方法能夠有效減小由于系數(shù)矩陣病態(tài)問題對(duì)解產(chǎn)生的影響,在觀測(cè)時(shí)間較短、重復(fù)走航觀測(cè)次數(shù)不滿足傳統(tǒng)方法潮流分離的情況下,可使用L 曲線法代替?zhèn)鹘y(tǒng)方法潮流分離。

    圖 4 基于傳統(tǒng)方法的深度平均潮流橢圓與余流Fig. 4 Depth averaged tidal current ellipses and residual current derived from the classical method

    3.3 結(jié)果驗(yàn)證

    3.3.1 潮流驗(yàn)證

    根據(jù)《渤海黃海東海海洋圖集:水文》[24],在觀測(cè)海域內(nèi),4 個(gè)主要分潮的潮流橢圓主軸方向較為一致,均表現(xiàn)為沿岸線的方向,且均以往復(fù)流為主。水文圖集中M2、S2、K1、O14 個(gè)分潮的潮流橢圓長(zhǎng)半軸長(zhǎng)大致為65 cm/s、20 cm/s、15 cm/s、11.5 cm/s,相比表3 中3 個(gè)斷面上各分潮的平均潮流橢圓長(zhǎng)半軸,全日分潮K1與O1比較相近,但半日分潮M2和S2的結(jié)果存在明顯差異。水文圖集中的M2分潮潮流橢圓長(zhǎng)半軸顯著大于S2分潮,而L 曲線法的潮流分離結(jié)果中M2和S2分潮大小相當(dāng)。依據(jù)潮流分析的瑞利判據(jù)頻率分辨率正比于觀測(cè)時(shí)間長(zhǎng)度的倒數(shù),不夠長(zhǎng)的觀測(cè)時(shí)間將對(duì)各分潮潮流的分離產(chǎn)生影響。本文的觀測(cè)資料均為24 h 以內(nèi)的資料,同時(shí)個(gè)別斷面還包含一些缺測(cè),時(shí)空上可能未滿足分辨同一潮族分潮的要求,因此,造成了半日分潮(M2與S2)甚至全日分潮(K1與O1)之間不符實(shí)際的錯(cuò)誤結(jié)果。

    從L 曲線方法潮流分離的潮流結(jié)果來看,盡管相比于傳統(tǒng)方法已實(shí)現(xiàn)了將潮流的分離結(jié)果控制在合理的物理極限之內(nèi),但由于數(shù)據(jù)時(shí)間長(zhǎng)度較短,因而本文未能有效分離同一潮族的分潮潮流。區(qū)內(nèi)潮流場(chǎng)動(dòng)力方面的分析結(jié)果尚存半日潮M2和S2分潮大小相當(dāng)、全日潮分離結(jié)果不可信等不合理之處。進(jìn)一步的研究工作,可以以瑞利判據(jù)為基準(zhǔn)設(shè)計(jì)更長(zhǎng)時(shí)間的走航觀測(cè),改進(jìn)本文的不足。

    3.3.2 余流驗(yàn)證

    從CTD 大面站底層溫鹽的分布來看(圖5),調(diào)查海域的西南部存在低溫高鹽水團(tuán),而東北部則為高溫低鹽水團(tuán)。大量的淺海動(dòng)力學(xué)模型研究表明[25-28],該水團(tuán)分布與深水北上、沿岸南下的環(huán)流格局是一致的。即海域西南部的低溫高鹽水為北黃海冷水團(tuán)經(jīng)渤海海峽老鐵山水道進(jìn)入渤海,再沿遼東灣東側(cè)深水通道繼續(xù)向北入侵至紅沿河核電站附近(紅色箭頭);海域的東北部,高溫低鹽水來自于遼東灣,低鹽水沿遼東灣的東岸南下(藍(lán)色箭頭),余流的流向?yàn)槲髂舷?。余流方向和底層溫鹽、水團(tuán)運(yùn)動(dòng)的結(jié)果一致,證明了使用L 曲線方法潮流分離后得到余流是合理的。

    3.4 L 曲線法潮流分離的回歸分析

    L 曲線法解的回歸擬合的效果,是衡量L 曲線方法合理性的重要標(biāo)準(zhǔn)?;? 個(gè)觀測(cè)斷面的空間尺度均較?。?~18 km),可以假設(shè)在同一斷面上分潮潮流的調(diào)和常數(shù)相等。在A、B、C 3 個(gè)斷面上分別取一個(gè)空間點(diǎn)(圖6 藍(lán)色五角星)作為對(duì)照組,在對(duì)照組的3 個(gè)空間點(diǎn)使用L 曲線法計(jì)算得到各分潮潮流的調(diào)和常數(shù)。此后,再在3 個(gè)斷面上分別選取另一空間點(diǎn)(圖6 紅色五角星)作為實(shí)驗(yàn)組,以對(duì)照組計(jì)算所得的調(diào)和常數(shù)回歸擬合實(shí)驗(yàn)組的全流,確保回歸驗(yàn)證的獨(dú)立可信。對(duì)比觀測(cè)與回歸的結(jié)果(圖6),總體上,L 曲線法的回歸結(jié)果比較符合觀測(cè)值。

    圖 5 CTD 大面站底層溫度(a)和鹽度(b)Fig. 5 Bottom temperature (a) and salinity(b) at CTD stations

    圖 6 L 曲線方法的回歸流速時(shí)間序列與走航觀測(cè)瞬時(shí)流速的比較Fig. 6 Comparison between the instantaneous velocity of the shipboard ADCP and the regression derived from L-curve method

    進(jìn)一步,對(duì)3 個(gè)斷面上所有空間點(diǎn)使用L 曲線方法計(jì)算得到的分潮調(diào)和常數(shù)進(jìn)行平均,以此調(diào)和常數(shù)重新對(duì)所有空間點(diǎn)進(jìn)行回歸擬合,得到所有觀測(cè)值對(duì)應(yīng)的回歸值,確?;貧w擬合的獨(dú)立性。對(duì)3 個(gè)斷面上流速東分量(u)和北分量(v)的所有回歸值進(jìn)行相關(guān)分析(圖7)。L 曲線方法的回歸值與實(shí)測(cè)瞬時(shí)流速的相關(guān)系數(shù)r處于較高水平A 斷面流速東分量的回歸值與觀測(cè)值的均方根誤差為9.39 cm/s,流速北分量為11.40 cm/s;B 斷面分別為7.63 cm/s 和6.66 cm/s;C 斷面分別為5.20 cm/s 和5.73 cm/s。A 斷面的均方根誤差略大于B 斷面與C 斷面,這是由于A 斷面的觀測(cè)中,有若干航次未能嚴(yán)格地按斷面走航觀測(cè),導(dǎo)致實(shí)測(cè)瞬時(shí)流速本身就包含了一定的觀測(cè)誤差,觀測(cè)本身的誤差一定程度上影響了擬合的效果。B 斷面與C 斷面未受觀測(cè)本身誤差影響,擬合效果更好,均方根誤差均為6 cm/s 左右,B、C 斷面所有回歸與觀測(cè)值的平均相對(duì)誤差百分比約為10%。

    圖 7 L 曲線方法的流速回歸值與實(shí)測(cè)瞬時(shí)流速的相關(guān)分析Fig. 7 Correlation analysis of the instantaneous velocity of the shipboard ADCP derived from L-curve method

    4 結(jié)論與展望

    本文使用L 曲線方法對(duì)紅沿河核電站取水口鄰近海域2017 年夏季(7-9 月)3 個(gè)斷面24 h 內(nèi)重復(fù)走航ADCP 觀測(cè)資料進(jìn)行潮流分離。分離得到的潮流特征與觀測(cè)結(jié)果一致,而傳統(tǒng)調(diào)和分析方法由于重復(fù)采樣次數(shù)少而不穩(wěn)定,不能用于短期且重復(fù)觀測(cè)少的走航流速資料潮流分離。與已知潮流特征對(duì)比,L 曲線法對(duì)半日潮族分潮和全日潮族分潮的能量分配合理,但未能給出可信的全日潮族分潮分析結(jié)果,半日分潮M2和S2的分析結(jié)果也尚存不合理之處,還需采用更長(zhǎng)時(shí)間、更多重復(fù)采樣次數(shù)的觀測(cè)進(jìn)一步研究。經(jīng)L 曲線方法分離后的余流流向,和觀測(cè)海域的底層溫鹽要素分布以及水團(tuán)運(yùn)動(dòng)規(guī)律是一致的,證實(shí)了余流的合理性。L 曲線法擬合得到的瞬時(shí)流回歸值與觀測(cè)值的相關(guān)程度處于較高水平均方根誤差約為6 cm/s,相對(duì)誤差百分比約為10%。

    L 曲線方法潮流分離一定程度上降低了船載ADCP 走航觀測(cè)的限制,使觀測(cè)時(shí)間相對(duì)自由,重復(fù)走航次數(shù)相對(duì)減少,節(jié)約了觀測(cè)成本。在一些近海的重要海域、灣口、海峽,均可通過合理地設(shè)計(jì)走航觀測(cè)或在渡輪安裝走航測(cè)流設(shè)備,獲得流速長(zhǎng)期變化特征、物質(zhì)輸運(yùn)通量等重要信息,以準(zhǔn)確評(píng)估水交換能力和環(huán)境容量。若走航配合潛標(biāo)同期觀測(cè),以定點(diǎn)觀測(cè)對(duì)L 曲線方法進(jìn)行校正與改進(jìn)將取得更好的結(jié)果。

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