防城港外海海域夏冬季周日潮流的準調(diào)和分析*

張繼云，陳 波

(廣西科學(xué)院，廣西近海海洋環(huán)境科學(xué)重點實驗室，廣西南寧 530007)

防城港位于中國大陸海岸線的最西南端，灣門口向南敞開，東鄰企沙半島，西鄰白龍半島[1]。防城港灣是我國西南第一大港灣，是中國重要戰(zhàn)略物資的中轉(zhuǎn)基地，是中國向東南亞貿(mào)易輸出的窗口，其特殊的地理位置對廣西的經(jīng)濟發(fā)展有不可替代的作用[1]。準確地掌握潮汐潮流的運動變化規(guī)律對海上工程建設(shè)、海洋生物運動、海洋污染物輸運、海上貿(mào)易輸運、水面艦船航行、水下探測器應(yīng)用及某些測量儀器的潮流響應(yīng)改正等多方面應(yīng)用有重要作用[2]。

北部灣的海洋研究始于20世紀60年代的中越聯(lián)合調(diào)查，之后中國也先后進行了兩次全面的海洋普查工作，為北部灣海洋環(huán)境的基本特征研究奠定了基礎(chǔ)，同時也使人們對防城港的潮波系統(tǒng)有了初步了解[3]。防城港灣的潮汐屬于正規(guī)全日潮流，但是關(guān)于潮流的性質(zhì)仍有不同的觀點。孫洪亮等[4]和李樹華等[5]根據(jù)實測水位和潮流資料，認為防城港的潮流屬于不正規(guī)全日潮流。周爭橋等[6]對2019年秋季實測周日潮流資料進行準調(diào)和分析，認為防城港附近海域以不正規(guī)全日潮流為主，部分水層為不正規(guī)半日潮流。防城港灣中，往復(fù)流與旋轉(zhuǎn)流同時存在，但以旋轉(zhuǎn)流為主。潮流以逆時針運動為主，運動方向主要是東北-西南向[6]。而陳波等[7]根據(jù)白龍尾站點近一年的海流資料，得出白龍尾附近潮流屬于不正規(guī)半日潮流。防城港灣內(nèi)余流受潮致余流、風(fēng)生流和密度流的影響，但潮致余流較弱[8]。當(dāng)臺風(fēng)登陸時，余流流速可能超過正常值的3倍以上[9]。防城港灣的潮能主要來源于四大主要天文分潮，外海的潮波傳至近岸時，在地形的作用下衰減變形，在底摩擦的作用下，形成淺水分潮。防城港灣中淺水分潮的作用不可忽略[6,10]。

除了實測海流資料的研究外，諸多學(xué)者還應(yīng)用數(shù)值模型的方法對防城港近海海域的海洋動力特征進行深入研究。李樹華等[11]利用二維潮波基本方程，計算了防城港附近海域的潮汐和潮流，認為防城港受地形影響，潮致余流較為復(fù)雜。李誼純等[12]通過數(shù)值模型，得出防城港潮汐不對稱主要是由K1、O1、M2分潮組合引起。另外，劉愛菊等[13]、施華斌等[14]、高勁松等[15,16]多位學(xué)者利用不同數(shù)值模型對北部灣的環(huán)流結(jié)構(gòu)進行模擬，揭示了北部灣海域環(huán)流的基本特征。Gao等[17]的研究表明，冬季北部灣呈逆時針環(huán)流，而夏季北部灣的環(huán)流結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，整體上，北部灣南部海域呈順時針環(huán)流結(jié)構(gòu)，而北部海域呈逆時針環(huán)流。不同的數(shù)值模型最終都需要通過近海海域?qū)崪y水位、海流等資料的驗證，但是北部灣北部夏季環(huán)流結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，如今對于夏季環(huán)流的結(jié)構(gòu)及形成機制仍存在爭議[18-21]，還需要更多的實測數(shù)據(jù)進行驗證和研究。北部灣沿海海域?qū)崪y水文要素將是北部灣海洋動力研究的基礎(chǔ)和前提。

為了探究防城港附近海域的水文特征，本研究根據(jù)防城港外海4個站點夏、冬季2個周日連續(xù)潮流實測資料，通過引入差比關(guān)系，對防城港外海的潮流進行準調(diào)和分析，細致分析和探討潮流、余流的特征，以便進一步對北部灣環(huán)流和物質(zhì)輸運的數(shù)值進行研究。

1 材料與方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

采用的野外觀測資料為防城港外海4個站點夏、冬季周日實測潮流數(shù)據(jù)，調(diào)查站位如圖1所示，其中B02、C03、D01、E02(D02)為觀測站點。數(shù)據(jù)來源于聲學(xué)多普勒流速剖面儀(Acoustic Doppler Current Profiler，ADCP)所得的觀測數(shù)據(jù)，采樣頻率為1次/10 min，垂向采樣間隔0.5 m，觀測時間見表1。數(shù)據(jù)處理時，首先對所得觀測資料進行質(zhì)量控制，過濾噪音，然后對各站點表、中、底層潮流數(shù)據(jù)進行準調(diào)和分析。由于疫情原因，冬季時E02站點屬于防控區(qū)而被取消，更改為D02站。由于ADCP固定在船體上，海水運動時，引起船體晃動，對海流的觀測結(jié)果產(chǎn)生一定的噪音。

圖1 觀測站站位

表1 周日海流的觀測時間

1.2 準調(diào)分析方法

海洋的潮波系統(tǒng)是由不同周期的分潮波疊加而來。當(dāng)觀測數(shù)據(jù)時間較長時，可以采用調(diào)和分析原理對潮流進行調(diào)和分析，并分離出不同頻率的眾多分潮，但當(dāng)實測數(shù)據(jù)時間較短或者顯著小于分潮之間的會合周期時，只有幾個主要分潮可以被辨別出來，其余相似頻率的分潮族都被歸納于主要分潮中而無法被分離。對1個月的數(shù)據(jù)進行調(diào)和分析時，需要引入P1、K1、S2和K2分潮的差比關(guān)系;而對1個周日的潮流資料，則需要引入K1、O1、M2、S2分潮之間的差比關(guān)系，將頻率相近的分潮進行分離，這便是引入差比關(guān)系的準調(diào)和分析方法。目前，沿海海域潮汐的調(diào)和常數(shù)已十分準確，由于長時間觀測的潮流數(shù)據(jù)較為缺乏，因此一般采用潮汐調(diào)和常數(shù)的差比關(guān)系來近似代替[22]。對于短期的周日潮流資料的處理，準調(diào)和分析方法已經(jīng)被逐漸應(yīng)用。諸多學(xué)者應(yīng)用潮流準調(diào)和分析的方法對不同海域的短期海流資料進行了分析，研究了各海域的潮流基本特征[23-27]。

根據(jù)北部灣數(shù)值模型中的計算結(jié)果[28]，計算各站位的差比關(guān)系，各站點計算的差比關(guān)系數(shù)值一致，差異可忽略不計。故，HO1/HK1=1.15，gO1-gK1=-57，HS2/HM2=0.25，gS2-gM2=38 (其中，H表示分潮流振幅，g表示分潮流遲角)。通過引入上述差比關(guān)系利用T_TIDE調(diào)和分析程序包[29,30]，對防城港夏、冬季周日潮流資料進行準調(diào)和分析，獲得每一站點表、中、底層分潮流的調(diào)和常數(shù)和潮流橢圓要素以及觀測期間的余流數(shù)據(jù)。由于防城港潮波能量主要來源于O1、K1、M2分潮[12]，因此重點列舉和分析O1、K1、M2分潮流。

2 結(jié)果與分析

2.1 潮流調(diào)和常數(shù)

夏季各站點潮流的調(diào)和常數(shù)如表2所示?？傮w來看，該海域各站點的全日潮流明顯占優(yōu)。K1和O1分潮流的振幅明顯高于M2振幅，其余分潮流的振幅更小，對海域潮流的性質(zhì)影響可忽略。在空間上，C03站和E02站的北分量明顯大于東分量；而B02站僅表層的北分量明顯大于東分量，中、底層的北分量和東分量的流速量值相差較小。相反地，D01站潮流的北分量小于東分量?？偠灾?，在外海北分量流速大于東分量流速。當(dāng)潮波從外海向陸地傳播時，受陸地邊界的影響，北分量流速明顯減弱，因而北分量流速小于東分量流速,如D01站潮流運動方向與陸地邊界平行，流向防城港灣。

表2 夏季4個站點潮流的調(diào)和常數(shù)

冬季4個站點潮流的調(diào)和常數(shù)如表3所示。在空間上，各站點中半日分潮流占優(yōu)，且東分量明顯大于北分量；而全日分潮流的北分量和東分量差距較小。整體來看，東側(cè)B02和C03站全日分潮流的北分量略大于東分量，而西側(cè)D01和D02站全日分潮流的北分量略小于東分量。以半日分潮M2分潮為例，越靠近陸地，潮流振幅衰減越顯著，如D01站。在垂直方向上，表層振幅最大，底層振幅最小。表層容易受外界冬季風(fēng)等影響，導(dǎo)致調(diào)和分析后的結(jié)果中東分量顯著大于北分量，如D02站。

表3 冬季4個站點潮流的調(diào)和常數(shù)

2.2 潮流性質(zhì)

根據(jù)《港口工程技術(shù)規(guī)范》潮流類型公式可知，判別系數(shù)F=(WK1+WO1)/WM2，其中，W為分潮流的橢圓長軸。F>4，為正規(guī)全日潮流；2

表4 夏、冬季潮流橢圓要素

綜上可知，防城港屬于混合潮，夏季以全日潮流占優(yōu)，冬季以半日潮流占優(yōu)，這與周爭橋等[6]得出的9月份防城港屬于不正規(guī)全日潮流的結(jié)果基本一致。但周爭橋等[6]認為O1分潮流小于K1分潮流，與本文結(jié)果不一致，這是由于用于計算差比關(guān)系的原始數(shù)據(jù)的長度和位置不同。陳波等[7]分析白龍尾附近近一年的海流數(shù)據(jù)，得出D01附近海域?qū)儆诓徽?guī)半日潮流，與本研究結(jié)果也略有差異，這與短期資料的不確定性有關(guān)。周日潮流的觀測時間較短，受天氣、海況等多種環(huán)境因素影響，導(dǎo)致準調(diào)和分析的結(jié)果略有差異。

2.3 潮流橢圓要素

各站點主要分潮流的橢圓要素如表4所示。潮流的運動形式可以由潮流旋轉(zhuǎn)率κ來表征，正號表示逆時針旋轉(zhuǎn)，負號表示順時針旋轉(zhuǎn)。當(dāng)|κ|>0.25，潮流表現(xiàn)為較強的旋轉(zhuǎn)流；當(dāng)|κ|<0.25，潮流表現(xiàn)為較強的往復(fù)流。根據(jù)夏季的潮流結(jié)果可知，B02站表、中、底層潮流均一致表現(xiàn)為往復(fù)流；C03站表層潮流為往復(fù)流，而中、底層表現(xiàn)為旋轉(zhuǎn)流。在C03站，全日分潮與半日分潮呈相反的旋轉(zhuǎn)性，全日分潮為順時針，而半日分潮則表現(xiàn)為逆時針。D01站表、中層全日分潮表現(xiàn)為往復(fù)流，而半日分潮則表現(xiàn)為逆時針旋轉(zhuǎn)流，同時底層表現(xiàn)為順時針旋轉(zhuǎn)流。E02站表、中層為往復(fù)流，底層全日潮流表現(xiàn)為旋轉(zhuǎn)流，而半日潮流表現(xiàn)為往復(fù)流。由此可見，防城港外海海域往復(fù)流與旋轉(zhuǎn)流同時存在，表層多為往復(fù)流，而底層多為旋轉(zhuǎn)流。

由于O1分潮流的流速最大，因此以O(shè)1分潮流為代表繪制潮流橢圓(圖2)。B02站的潮流橢圓長軸中層最大，其次是表層，底層最小，其余各站點的潮流橢圓長軸均由表層至底層逐漸減小。該海域潮流橢圓長軸方向為東北-西南向，其中E02站潮流橢圓長軸方向更偏南北，而D01站的潮流橢圓長軸與岸線平行，這是外海傳入的潮波與近岸地形相互作用的結(jié)果。

冬季該海域往復(fù)流和旋轉(zhuǎn)流同時存在，總體上以旋轉(zhuǎn)流為主(表4)。C03站表、中層表現(xiàn)為往復(fù)流，其余站點整體上均表現(xiàn)為旋轉(zhuǎn)流。冬季O1分潮流的潮流橢圓如圖3所示，可知潮流橢圓長軸方向為東北-西南向，各站點由表層至底層潮流橢圓長軸逐漸減小。綜上可知，冬季潮流的旋轉(zhuǎn)性強于夏季，而潮流大小明顯小于夏季。

Circles from top to bottom represent the surface layer,medium layer and bottom layer respectively

Circles from top to bottom represent the surface layer,medium layer and bottom layer respectively

根據(jù)最大可能流速的計算公式Wh=1.29×WM2+1.23×WS2+WO1+WK1可知，夏季該海域C03站的最大可能流速最大，表層流速達120 cm/s；其次是B02站，最大可能流速為67-99 cm/s；D01站的最大可能流速最小，流速為23-45 cm/s。冬季該海域D02站表層的最大可能流速最大，流速為69 cm/s；其次是C03站的表層，最大可能流速是57 cm/s；D01站的最大可能流速最小，流速為11-17 cm/s。整體上，冬季的最大可能流速明顯小于夏季。

2.4 夏、冬季余流

夏、冬季4個站點余流觀測結(jié)果如表5所示。從整體上看，夏季余流流速由表層至底層逐漸減小，但是靠近岸邊的海域，如D01站中層余流流速明顯小于底層。冬季該海域余流流速顯著大于夏季，最大值為48 cm/s，位于D02站表層。整體上來看，冬季余流的變化趨勢與夏季較為一致，均為由表層至底層余流流速逐漸減小。

表5 夏、冬季各站點余流

不同站點不同層次的余流方向差異較大。由圖4可知，B02站余流在表、中層均為東南向，底層為西北向；C03站余流由表層至底層均為東北向；D01站余流在表層為西北向，底層為東北向；E02站余流由表層至底層均表現(xiàn)為統(tǒng)一的西南向。從垂向平均余流來看，E02站平均余流流速最大，為7 cm/s；D01站平均余流流速最小，為3 cm/s。在防城港灣東側(cè)的站點，平均余流為東北向；而西側(cè)的兩站點，平均余流分別為西北向和西南向。夏季，北部灣北部海域的環(huán)流結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，整體上呈現(xiàn)氣旋式環(huán)流，同時局部又存在多個反氣旋式渦旋結(jié)構(gòu)，因此導(dǎo)致防城港外海的余流結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜。夏季，西南季風(fēng)增強，外海水由西南向東北堆積，外海水在C03站進入防城港灣，導(dǎo)致灣內(nèi)海平面升高[31]，在海面壓力梯度和入海徑流的作用下，灣內(nèi)海水從西側(cè)流出，從而在防城港灣西側(cè)形成西南向流動。

圖4 夏季余流分布

從圖5可以看出，冬季余流方向由表層的東北向逐漸向右旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)至東北偏東向或東南向；平均余流為東北向；從外海到沿岸越靠近陸地余流越小。東北季風(fēng)在冬季比較強勁，導(dǎo)致整個北部灣的水體由北向南堆積，北部灣南部水面高于北部，在北部沿岸海域形成向北的補償流[16]。然而，有一個表現(xiàn)異常特殊的站點，即C03站，該站點的余流方向為西南向，與其他站點截然相反。當(dāng)外海水均呈東北向流動時，外海水將流入灣內(nèi)，如D01站，外海水從西側(cè)進入海灣，導(dǎo)致防城港灣內(nèi)漲水、水位升高。根據(jù)壓力梯度的原理，灣內(nèi)將形成向外的流動，沿東側(cè)(C03站)流出海灣，從而保證海灣內(nèi)海水平衡。

圖5 冬季余流分布

3 結(jié)論

通過引入差比關(guān)系，對防城港外海海域4個站點的夏、冬季2個周日潮流的短期資料進行準調(diào)和分析，得到以下結(jié)論：(1)防城港外海海域?qū)儆诨旌铣焙Ｓ?，其潮流基本屬于不正?guī)全日潮流或者不正規(guī)半日潮流，部分海域?qū)儆谡?guī)全日潮流。夏季以全日潮流占優(yōu)，冬季以半日潮流占優(yōu)。(2)該海域的潮流中旋轉(zhuǎn)流和往復(fù)流同時存在，但以旋轉(zhuǎn)流為主。潮流橢圓長軸以東北-西南方向為主。(3)整體上，余流流速由表層至底層逐漸減小。夏季,防城港西側(cè)D01和E02站余流方向為西北向或西南向；而東部B02和C03站余流方向為東北向。冬季,余流方向較為一致，除防城港灣口為西南向外，其余海域均為東北向。

由于周日海流數(shù)據(jù)長度較短，同時受天氣、海況、觀測時間、船只等因素影響，準調(diào)和分析的結(jié)果可能略有不同，但整體上呈現(xiàn)了防城港外海潮流的基本特征，有助于加深對該海域潮流特性的認知，并為后續(xù)的潮汐潮流及物質(zhì)輸運的數(shù)值模型研究提供驗證資料，為防城港海域的海洋工程建設(shè)、海洋生態(tài)保護、海洋經(jīng)濟發(fā)展等提供研究基礎(chǔ)。