桑溝灣鄰近海域岬角潮余流渦對及其產(chǎn)生機理

周 煒，宣基亮*，黃大吉*,3

(1.衛(wèi)星海洋環(huán)境動力學國家重點實驗室，浙江 杭州 310012；2.自然資源部 第二海洋研究所，浙江 杭州 310012；3.自然資源部 第四海洋研究所 熱帶、亞熱帶海洋自然資源保護與修復重點實驗室，廣西 北海 536000)

0 引言

在山東半島東部的桑溝灣鄰近海域(36.95°N—37.25°N，122.4°E—122.7°E，圖1)，海水養(yǎng)殖幾乎覆蓋了30 m等深線以淺的近海，是中國北方最重要的海水養(yǎng)殖基地[1]。已有研究[2-3]指出流動狀況決定了桑溝灣內(nèi)外營養(yǎng)物質(zhì)的交換，從而對桑溝灣養(yǎng)殖區(qū)的養(yǎng)殖容量和養(yǎng)殖收入起到關(guān)鍵作用。桑溝灣的流動狀況主要為潮作用下的潮流和潮余流，目前對桑溝灣的潮流結(jié)構(gòu)和潮通量方面已有較多研究[4-7]，但潮余流方面的研究較少且局限在桑溝灣口門附近[7]，對于30 m等深線以淺的整個養(yǎng)殖海域潮余流的分布狀況尚不清楚。

桑溝灣潮流對物質(zhì)輸送的作用限制在潮沖程內(nèi)的短距離區(qū)域內(nèi)[8-9]。桑溝灣潮流屬于往復流類型的半日潮，漲潮時潮流從灣口中部和北部向西進入海灣，從南部向東南流出海灣；落潮時相反，潮流從南部向西北進入海灣，從灣口中部和北部向東北流出海灣[4,8]。桑溝灣內(nèi)M2分潮流速最大值出現(xiàn)在灣口北岸，大小接近30 cm/s，流速從灣口到灣底衰減了70%[3-5,10]。潮流能影響桑溝灣內(nèi)的營養(yǎng)鹽質(zhì)量濃度平面分布，該作用在春季尤為明顯[11-12]。

養(yǎng)殖區(qū)物質(zhì)輸運除了受到潮流短距離輸送作用外，還受到潮余流的遠距離輸送作用。在桑溝灣灣口附近，灣口中部的潮余流流向灣內(nèi)，灣口兩側(cè)靠近岸邊的潮余流流向灣外；在夏季的海帶育苗期，潮余流垂向分布較為均勻；而在冬季的海帶收獲期，潮余流從灣口南部局部地區(qū)底層流進海灣，從表層流出海灣[7]。前人的研究主要集中在桑溝灣灣口附近，目前對桑溝灣灣口附近的潮余流空間分布和時間變化已有很好的認識[7]，然而灣內(nèi)以及灣外鄰近海域的潮余流分布尚未見諸報道。

圖1 桑溝灣地理位置和地形(a)以及錨系觀測站點分布(b)Fig.1 Location and topography of the Sanggou Bay(a) and the distribution of mooring stations(b)

桑溝灣鄰近海域，存在著有利于潮余流產(chǎn)生的地形和岸線(圖1b)。桑溝灣是一個半封閉的海灣，灣外的岸線蜿蜒曲折，其附近有3個顯著的岬角，由北至南分別是俚島、尋山和楮山。前人的研究表明[13-16]，岬角岸線附近的潮余流通常以旋渦的形式出現(xiàn)，這類潮余流旋渦的產(chǎn)生，可以歸因于3種機制：一是海底地形變化引起的底摩擦應力旋度，二是側(cè)邊界摩擦引起的水平剪切，三是位渦守恒。根據(jù)桑溝灣鄰近海域岸線的特點可知，該海域應該存在由岬角誘導的顯著潮余流旋渦，但目前尚不清楚桑溝灣鄰近海域潮余流的整體分布特征，也不知道潮余流產(chǎn)生的主要機理。

本文利用自然資源部第二海洋研究所于2011—2017年在桑溝灣及其鄰近海域布放的22套錨系海流觀測資料，并結(jié)合三維非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格模式(Finite-Volume Community Ocean Model, FVCOM)的潮流數(shù)值模擬結(jié)果，研究桑溝灣及其鄰近海域潮余流的整體分布特征。在此基礎上，還用模式數(shù)據(jù)對桑溝灣及其鄰近海域潮余流的產(chǎn)生機理進行了動力診斷分析。

1 研究數(shù)據(jù)與方法

1.1 錨系觀測數(shù)據(jù)

2011—2017年進行的錨系觀測中，使用ADCP海流計獲得了22個測站的海流觀測資料(位置和時間見表1，站位見圖1b)，其中2個測站位于俚島東北，20個測站位于桑溝灣內(nèi)(17個測站位于尋山和楮山之間的灣口附近，3個測站位于灣內(nèi)的西北部)。

獲得的錨系海流觀測資料集中在以下幾個時間段內(nèi)：2011年4—6月，2011年10—12月，2012年6月，2015年4—6月以及2017年4—5月(表1)。除5個測站的觀測時間小于10 d外，其它17個測站的持續(xù)工作時間都大于10 d，最長觀測時間為70 d。另外，第4、第12、第20測站的海流觀測資料都包含不連續(xù)的幾段有效數(shù)據(jù)，這里用持續(xù)時間最長的兩段有效數(shù)據(jù)進行分析和研究。

表1 22個錨系站點位置和獲得有效數(shù)據(jù)的持續(xù)時間Tab.1 Locations of the 22 mooring stations and the duration of valid data on each station

本文研究對象是桑溝灣潮余流，因此需要將錨系觀測資料中的海流分成潮流和潮余流兩部分。采用PAWLOWICZ et al[17]提供的T_TIDE程序?qū)Ａ鲾?shù)據(jù)進行調(diào)和分析，先得到各分潮流，然后從海流數(shù)據(jù)中去除各分潮流，得到潮余流。

1.2 FVCOM模式的配置

利用FVCOM模式模擬桑溝灣及其鄰近海域中的海流(圖2)。該模型采用σ坐標系，垂向上共分為20層。這是一個兩層嵌套模型，外層模型區(qū)域網(wǎng)格分辨率低，包含了渤海、黃海、東海和一部分日本海以及太平洋(圖2a)；而內(nèi)層模型區(qū)域網(wǎng)格分辨率高(50～500 m，圖2b)，可以較為準確地反映桑溝灣復雜的地形和岸線。

模式3個開邊界(臺灣海峽，西太平洋和日本海)中的水位來自全球潮模式[18-19]，包含了渤、黃、東海的11個主要分潮，分別為M2、S2、N2、K2、K1、O1、P1、Q1、M4、MS4和MN4；開邊界中的流速采用零梯度的輻射邊界條件。模式輸出數(shù)據(jù)的時間間隔為1 h。該模式數(shù)據(jù)在先前的研究中已經(jīng)得到驗證[12]，可以合理地反映中國近海流場的實際變化情況。模式流場數(shù)據(jù)中的潮流和潮余流成分利用T_TIDE程序提取。

1.3 FVCOM模式的驗證

與前人的研究結(jié)果一致[4,8]，本文中錨系觀測和FVCOM模擬得到的桑溝灣海域潮流特征以M2分潮最為顯著，且轉(zhuǎn)流時刻相差不大，半潮時的潮流流速最強，平潮時的潮流流速最弱。本文研究區(qū)域(圖2b)中觀測和模擬得到的所有M2分潮流橢圓的旋轉(zhuǎn)率都小于0.15，其中的絕大多數(shù)旋轉(zhuǎn)率小于0.1，符合前人研究結(jié)果[4]中的往復流特征。通過對比觀測和模擬所得的M2分潮流橢圓長軸(振幅)和遲角(相位)兩個要素，可驗證模式的模擬能力(表2)。由表2可知，觀測和模擬的M2分潮流振幅的均方根誤差為1.9 cm/s，相對誤差在1%～19%之間；相位的均方根誤差為8.4°，最大誤差在21°以內(nèi)?？傮w來說，模擬所得的M2分潮流與觀測結(jié)果符合度較好。

圖2 兩層嵌套模式區(qū)域圖Fig.2 The area of the two-level nested model

表2 觀測和模擬的M2分潮潮流橢圓的振幅和相位Tab.2 Observed and simulated amplitude and phase of the M2 tidal current

為了更進一步比較觀測和模擬的時間演變過程，隨機挑選一個站位(3號站)來比較該位置上觀測和模擬中M2分潮流的時間變化特征。圖3展示了3號站上觀測和模擬的M2分潮在東西向和南北向上的流速分量ut和vt。從圖中可以看出，觀測和模擬的M2分潮流流速在絕大多數(shù)時間幾乎重合。通過計算相關(guān)系數(shù)得知，觀測和模擬的ut的相關(guān)系數(shù)為0.89，vt的相關(guān)系數(shù)為0.94。在其他站位上，對比觀測和模擬的M2分潮同樣可以發(fā)現(xiàn)流速的高相關(guān)性，因此可以認為本文所用的FVCOM模式很好地模擬了桑溝灣及其鄰近海域的潮流狀況。

圖3 3號站位上錨系調(diào)查和模式數(shù)據(jù)中的潮流流速Fig.3 The observed and simulated tidal current velocity at station 3 (圖中ut為東西向分量，vt為南北向分量。) (ut is the east-west component, and vt is the north-south component.)

圖4展示了3號站上觀測和模擬的潮余流，ur是潮余流東西方向上的分量，vr是潮余流南北方向上的分量。圖中觀測和模擬的結(jié)果比較接近，觀測得到的潮余流平均流速大小是1.2 cm/s，而相同時間段內(nèi)模式模擬得到的潮余流平均流速大小是1.1 cm/s。另外，該站位觀測和模擬的潮余流都指向接近正西的方向。因此，F(xiàn)VCOM模式較好地模擬了3號站位處的潮余流。

圖4 3號站位上錨系調(diào)查和模式數(shù)據(jù)中的潮余流流速Fig.4 The observed and simulated tidal residual current velocity at station 3 (圖中ur為東西向分量，vr為南北向分量。) (ur is the east-west component, and vr is the north-south component.)

表3為觀測和模擬的潮余流流速大小和方向的對比。表格中，余流流速方向用從正東方向(0°)逆時針旋轉(zhuǎn)到流速方向的旋轉(zhuǎn)角度來表示。在大部分站位，觀測和模擬得到的潮余流都比較相近，流速大小之間的相對誤差在30%以下，流速方向誤差在25°以內(nèi)。在5號、8號、11號、19號、20號和22號這6個測站的流速大小誤差較大，在5號和11號測站流速方向誤差較大。可以發(fā)現(xiàn)，誤差較大的站位，觀測得到的余流普遍較弱(除5號測站)，流速小于1.5 cm/s。明顯的誤差可能產(chǎn)生于從海流中提取潮余流的過程，因為真實海洋中的余流有多種生成機制，而本文將所有這些余流視作了潮余流。所以，當潮余流較強時，觀測得到的余流與模擬得到的潮余流很接近，而潮余流較弱時則會出現(xiàn)較大誤差。本文所用的FVCOM模式較好地模擬了桑溝灣及其鄰近海域中較強的潮余流，所以模擬結(jié)果可以反映研究區(qū)域中主要的潮余流分布特征。

綜上所述，本文所用的FVCOM模式數(shù)據(jù)可以合理地反映桑溝灣及其鄰近海域潮流和潮余流的狀況。在此前提下，該模式的結(jié)果可以用于分析桑溝灣及其鄰近海域潮余流的分布特征及其產(chǎn)生機理。

表3 觀測和模擬的潮余流流速的大小和方向Tab.3 The amplitude and direction of tidal residual velocity in observation and model

2 結(jié)果

2.1 潮余流的空間特征

圖5a為用錨系觀測資料得到的潮余流，圖5b為FVCOM模式模擬得到的潮余流,圖5c和5d為3個岬角附近的潮余流模擬結(jié)果放大圖。

由圖5a所示的22個觀測站上的潮余流可知，俚島、尋山和楮山3個岬角鄰近海域的潮余流普遍較強，大于1.0 cm/s；而離3個岬角較遠的桑溝灣西北海域潮余流較弱，小于1.0 cm/s。

下面對3個岬角鄰近海域的較強潮余流分布特征作進一步分析：

(1)俚島東北部海域有2個觀測站，都位于俚島岬角的北方?？拷到钦?15 m等深線附近)潮余流大小約為3.3 cm/s，方向指向西南；遠離岬角站(30 m等深線附近)潮余流大小約為4.3 cm/s，方向指向西北，潮余流總體分布形態(tài)為氣旋式。

(2)尋山岬角南部海域有5個觀測站，緊挨岬角的潮余流大小接近5.0 cm/s，方向向東；隨著調(diào)查站位往南，潮余流大小逐漸減弱至小于1.3 cm/s，方向轉(zhuǎn)為向西，潮余流總體分布形態(tài)為反氣旋式。

(3)楮山岬角北部海域有7個觀測站，緊挨岬角的4個站位潮余流較大，約為3.0～6.0 cm/s，主要呈向東方向；西部2個站位潮余流大小約為4.0 cm/s，方向指向西南；北部站位潮余流大小約為2.8 cm/s，方向指向西北，潮余流總體呈現(xiàn)氣旋式分布。

圖5 桑溝灣附近海域潮余流觀測(a)和模擬(b)結(jié)果，以及俚島和尋山岬角(c)和楮山岬角(d)附近海域模擬結(jié)果的放大圖Fig.5 Observed(a) and simulated(b) tidal residual currents in the adjacent area of the Sanggou Bay, and enlarged drawing of simulated tidal currents in the areas near the Lidao and Xunshan(c) and Chushan(d)

因此，錨系觀測資料中桑溝灣及其鄰近海域潮余流的分布特征表現(xiàn)為岬角附近的潮余流旋渦結(jié)構(gòu)，在岬角北部，如俚島和楮山北部，潮余流旋渦呈氣旋式；而在岬角南部，如尋山南部，潮余流旋渦呈反氣旋式。在上述3個潮余流旋渦中，尋山南部的潮余流旋渦處潮余流流速弱于其它2個岬角附近旋渦處的潮余流。

錨系觀測結(jié)果初步揭示了桑溝灣及其鄰近海域局部區(qū)域潮余流的分布狀況，但因觀測站點不足而難以揭示研究區(qū)內(nèi)潮余流的整體分布特征。FVCOM模式空間覆蓋廣而且分辨率高，其結(jié)果可以彌補觀測結(jié)果的不足，圖5b顯示了桑溝灣及其鄰近海域完整的年平均潮余流分布。由圖可知，在俚島北部、尋山南部和楮山北部分別存在較強氣旋式、反氣旋式和氣旋式潮余流旋渦，這3個潮余流旋渦的位置與觀測結(jié)果(圖5a)相符，旋渦處的潮余流流速也接近同旋渦處的觀測結(jié)果。模式得到的部分區(qū)域潮余流分布和觀測結(jié)果保持了一致性，這使模式得到的潮余流整體分布有了可信度。

在模式結(jié)果中，桑溝灣及其鄰近海域最顯著的潮余流分布特征是3個岬角外海的余流渦對。觀測資料在3個岬角處各顯示了一個余流旋渦，而沒能顯示另一個。模式模擬結(jié)果則補全了觀測結(jié)果中缺失的俚島南部和楮山南部的反氣旋渦，以及尋山北部的氣旋渦。從模式結(jié)果看，在每一個岬角北部潮余流都呈氣旋式分布，在南部潮余流都呈反氣旋式分布。

另外，在模式結(jié)果中尋山岬角外海不但潮余流流速弱于俚島和楮山兩個岬角外海的潮余流，潮余流旋渦的覆蓋范圍也比其他兩個岬角附近的旋渦小(圖5c和圖5d)。從潮余流流速上看，尋山外海旋渦處的潮余流最大流速在5.0～10.0 cm/s之間，而俚島和楮山外海潮余流旋渦處的流速達到10.0 cm/s以上。從潮余流旋渦覆蓋范圍上看，尋山外海的潮余流渦對覆蓋面積約為10 km2，而俚島和楮山外海的潮余流渦對覆蓋面積約為30 km2。

2.2 潮余流渦的生成機制

錨系觀測和模式模擬的結(jié)果都顯示，桑溝灣及其鄰近海域中最顯著的潮余流分布特征是3個岬角附近的3組潮余流渦對，這種分布特征符合前人對特殊地形下潮余流空間形態(tài)的相關(guān)分析[15-16]。另外，前人研究[13-16]發(fā)現(xiàn)岬角附近潮余流渦的生成機制一共有3種，分別是海底地形變化引起的底摩擦應力旋度，側(cè)邊界摩擦引起的水平剪切以及位渦守恒。在桑溝灣及其鄰近海域，潮余流旋渦的產(chǎn)生是否是這3種機制的作用？如果是這3種機制的作用，它們各自的重要性如何？因此本節(jié)從這3種機制出發(fā)，探究桑溝灣及其鄰近海域潮余流渦的產(chǎn)生機理。

因為FVCOM模式中的潮余流分布特征和錨系觀測得到的分布特征有很好的一致性，而且用模式輸出的流速來計算3種機制作用產(chǎn)生的潮余流渦更為方便，所以本節(jié)使用模式結(jié)果進行動力學分析。模式模擬結(jié)果中的潮余流的相對渦度記作：

(1)

3種潮余流渦的產(chǎn)生機理來源于對淺海正壓運動的深度平均動量方程求解旋度，這會得到如下拉格朗日形式的相對渦度變化率方程[13-14,16]：

(2)

式中：ω是相對渦度，uh表示垂向平均的水平流速，h是水深，ζ是海表面高度，kf是底摩擦參量，νH是水平的渦粘性系數(shù),f為地球自轉(zhuǎn)的科里奧利頻率。

因為在潮流占主導的近岸海域，底摩擦耗散項一般比水平擴散耗散項強一個量級以上[13-14,16]，所以底摩擦的耗散作用是渦度主要的耗散途徑。因此在渦度的生成和耗散大致平衡的情況下，式(2)右邊前四項大致平衡。PINGREE和MADDOCK[13]以及YANG et al[16]估算了在特定分潮流作用下，式(2)右邊前三項生成項分別與第四項底摩擦耗散項平衡時的相對渦度大?。?/p>

(3)

(4)

(5)

(6)

式中：上劃線代表時間均值，本文中是對全年的ωd1,ωd2和ωd3求時間平均。至此，從水平流速和水深數(shù)據(jù)可得到潮余流渦度的估算值。

圖和的計算結(jié)果Fig.6 The computation results of (圖中的虛線等值線代表水深。) (The dotted contours in theFigure indicate the water depth.)

綜上所述，桑溝灣及其鄰近海域岬角附近的潮余流渦旋主要產(chǎn)生于岸線的側(cè)邊界條件引起的水平剪切作用，只在俚島附近還受到底摩擦應力旋度作用的影響，在整個區(qū)域內(nèi)位渦守恒作用對潮余流渦的影響都可忽略。

本文的結(jié)果印證了前人的理論分析。ZIMMERMAN[15]定性分析了潮流作用下的半封閉港灣內(nèi)的潮余流，在只考慮水平剪切作用的情況下在灣口得到與本文潮余流渦分布類似的結(jié)果。楊昭慶[20]也認為，有限橫向邊界所包圍的海區(qū)，水平剪切的作用可能比底摩擦旋度和位渦守恒的作用更加重要。但在其他一些研究中，水平剪切作用并不是潮余流渦旋的主要生成機制。例如，PINGREE和MADDOCK[13]的研究中認為潮余流渦旋的主要生成機制是底摩擦旋度作用和位渦守恒作用，水平剪切作用被忽略，這是因為他們模擬的是水深徑向增加的規(guī)則圓形島嶼區(qū)域，不存在能使流速產(chǎn)生較強水平剪切的側(cè)邊界。

3 小結(jié)

本文使用2011—2017年22套錨系觀測資料和FVCOM模式模擬的海流數(shù)據(jù)，分析了桑溝灣及其鄰近海域潮余流的分布特征。發(fā)現(xiàn)俚島、尋山和楮山三個岬角附近潮余流大小強于其他區(qū)域，且常年存在3組潮余流渦對。對于每一個岬角，岬角北部外海存在氣旋渦，而南部存在反氣旋渦。通過動力診斷分析發(fā)現(xiàn)，桑溝灣潮余流渦旋的產(chǎn)生主要受側(cè)邊界岸線引起的水平剪切作用，底摩擦應力旋度作用只在俚島區(qū)域有一定影響，而位渦守恒作用可忽略。桑溝灣潮余流的分布特征與前人在Puget Sound[16]、膠州灣[21]、珠江口[22]等海域得到的結(jié)果一致，說明這種潮余流渦旋分布特征在河口、海灣等擁有復雜岸線的淺海海域中普遍存在。