關(guān)于潮汐與潮流性質(zhì)不同海區(qū)全潮觀測日期選擇的分析＊

胡筱敏，熊學(xué)軍，陳 超，王冠琳，吳倫宇

（1.國家海洋局 第一海洋研究所，山東 青島266061；2.海洋環(huán)境科學(xué)與數(shù)值模擬國家海洋局重點實驗室，山東 青島266061；3.深圳中廣核工程設(shè)計有限公司，廣東 深圳518029）

在近海工程建設(shè)中，有關(guān)工程選址、水工建筑物和航道布置、拋泥地選擇、作用于水工建筑物上的水流力和船舶系靠力以及泥沙淤積和沖刷等問題，均應(yīng)考慮當(dāng)?shù)氐暮Ａ鳡顩r。全潮海流觀測為近海工程建設(shè)中了解工程海域海流狀況、獲取有關(guān)海流參數(shù)的一個基本手段［1］。絕大多數(shù)近岸海區(qū)的潮汐與潮流性質(zhì)相同或相近，因此在開展全潮海流觀測時，通過工程海區(qū)或附近驗潮站潮汐的預(yù)報結(jié)果來確定大、中、小潮觀測時間一般都能符合各個潮期海流觀測的代表性要求［2-5］。

但也存在少數(shù)海區(qū)，潮汐與潮流性質(zhì)并不相同，如渤海秦皇島附近海域、東營港附近海域，黃海煙臺附近海域、連云港外海，南海陸豐碣石附近海域、海南島東北部海域等，這些海區(qū)或潮汐為半日潮性質(zhì)、潮流為日潮性質(zhì)，或二者正好相反［6］。對這類海區(qū)，單純用附近潮汐測站的預(yù)報結(jié)果來確定全潮海流觀測各個潮次的觀測時間明顯存在不合理性［7］，在以往這些海域的工程應(yīng)用實例中，曾出現(xiàn)過全潮海流觀測資料代表性不好，給其后的工程設(shè)計帶來困難的現(xiàn)象。

以廣東陸豐碣石海域為例（圖1），根據(jù)碣石及附近的遮浪、甲子等地的潮汐觀測數(shù)據(jù)顯示，碣石海域向西至遮浪一帶海域潮汐為不正規(guī)日潮海區(qū)，甲子海域為正規(guī)日潮海區(qū)；而據(jù)碣石附近海域海流觀測資料顯示，這一海域海流為正規(guī)半日潮流或不正規(guī)半日潮流性質(zhì)。在這種潮汐與潮流性質(zhì)不同的海域開展全潮海流觀測時，不能依照常規(guī)方式來確定觀測時間。針對這一情況，以陸豐碣石海域為例，分別用潮位法和潮流法開展2012年冬季與夏季航次全潮海流觀測時觀測日期的選擇，并進(jìn)行方案優(yōu)選，現(xiàn)場實際觀測后，利用觀測結(jié)果對觀測日期選擇的合理性、代表性進(jìn)行論證。

圖1 廣東陸豐碣石海域示意圖Fig.1 Location of the Jieshi Sea area in Lufeng of Guangdong

1 全潮海流觀測日期的選取

1.1 利用潮位法選取全潮海流觀測日期

潮位法為全潮海流觀測普遍采用的觀測日期選擇方法。

采用碣石海域?qū)崪y的一年潮位資料（觀測站位：22°44′43″N，115°48′18.2″E；觀測時間：2006-05-2007-04）進(jìn)行調(diào)和分析，得出各分潮調(diào)和常數(shù)，應(yīng)用調(diào)和常數(shù)預(yù)報每日高低潮的潮高和潮時，計算潮差（H），根據(jù)日平均潮差進(jìn)行1 a的潮差累積頻率統(tǒng)計，潮差累積頻率曲線見圖2。

圖2 碣石海域潮差累積頻率曲線Fig.2 The cumulative frequency curve of tidal range in the Jieshi sea area

根據(jù)各觀測時段內(nèi)的日平均潮差，按潮差累積頻率的要求，確定2012年冬、夏季大、中、小潮的觀測日期（表1）。如遇天氣或其它不可抗力影響則從大潮或小潮開始順延至下一個周期。

表1 利用潮位法挑選的大、中、小潮海流觀測時間表Table 1 The time schedule for observing the entire tidal hydrology by using tidal-level method

從表1中對應(yīng)的潮差累積頻率看，計劃觀測時間對應(yīng)的預(yù)報潮差基本滿足該海域累積頻率統(tǒng)計結(jié)果10%，50%，90%潮差要求，符合潮汐大、中、小潮的要求。

利用潮位法挑選的大潮時間2012-02-18-19，2012-07-02-03與2012-07-17-18均為月赤緯最南附近的日子，加上當(dāng)?shù)氐娜粘饼g，則上述日期對應(yīng)日潮性質(zhì)的回歸潮。小潮時間2012-02-12-13，2012-02-25-26和2012-07-09-10也是月赤緯為零附近的日子，同樣加上當(dāng)?shù)氐娜粘饼g，這幾個日期對應(yīng)日潮性質(zhì)的分點潮。因此利用潮位法挑選的大、中、小潮觀測日期也是符合回歸潮大潮、分點潮小潮這種日潮性質(zhì)大、小潮日期的。

1.2 利用潮流法選取全潮海流觀測日期

基于碣石海域潮流與潮汐性質(zhì)不符，提出了從潮流角度出發(fā)，直接選取全潮海流觀測日期的方法，稱之為潮流法。具體做法：

搜集到碣石海域2005-07-14-08-12為期約一個月的錨定海流觀測資料（觀測地點：22°44′17.28″N，115°50′25.28″E），對該資料進(jìn)行調(diào)和分析，利用調(diào)和常數(shù)對2012年冬季與夏季潮流進(jìn)行預(yù)報，根據(jù)預(yù)報結(jié)果（圖3～圖4）直接挑選大、中、小潮潮流的觀測日期。挑選出來的全潮海流觀測日期如表2所示。

圖3 2012-02潮流預(yù)報過程曲線圖Fig.3 Time variations of the tidal current forecasted in February 2012

圖4 2012-07潮流預(yù)報過程曲線圖Fig.4 Time variations of the tidal current forecasted in July 2012

由表2可看出，利用潮流法選取的大潮時間2012-02-09-10（農(nóng)歷正月十八～十九），2012-02-21-22（正月三十～二月初一），2012-07-05-06（農(nóng)歷五月十七～十八），2012-07-19-20（六月初一～初二）正值農(nóng)歷望、朔附近的日期，加上本海域的半日潮齡，上述日子與半日潮性質(zhì)的朔、望大潮是對應(yīng)的。利用潮流法選取的小潮時間2012-02-15-16（農(nóng)歷正月廿四～廿五）和2012-07-12-13（農(nóng)歷五月廿四～廿五）正值農(nóng)歷下弦附近的日子，加上半日潮齡則對應(yīng)半日潮性質(zhì)的上、下弦小潮。因此利用潮流法挑選的全潮觀測日期符合朔、望大潮及上、下弦小潮的半日潮性質(zhì)，從而也證實表2所選出的觀測時間是合理的。

表2 利用潮流法挑選的冬季和夏季大、中、小潮流觀測時間表Table 2 The time schedule for observing the entire tidal hydrology by using tidal-current method

1.3 2種方法比較

對以上2種方法的選取結(jié)果及歷史潮位與潮流觀測資料的綜合比較明顯看出，在碣石海域，用潮位法按潮差累積頻率的要求來確定大、中、小潮觀測時間，雖然滿足潮差的要求，但由于碣石海域潮汐與潮流性質(zhì)不一致這種特殊性，利用潮位法選取的觀測時間并不符合半日潮流大、中、小潮流分布規(guī)律，因而這種方法對碣石海域并不適用。

對于全潮海流觀測，利用潮流預(yù)報值確定大、中、小潮流觀測日期基本能反映碣石海域潮流分布特征的典型規(guī)律，比利用潮位分析方法確定的大、中、小潮流觀測日期明顯要準(zhǔn)確、合理，因此推薦用潮流預(yù)報方法來確定大、中、小潮流的觀測日期。

2 現(xiàn)場觀測情況

按潮流法選擇的大、中、小潮首選觀測日期方案，即冬季2012-02-08-16、夏季2012-07-05-13，在碣石海域分別開展了2個航次全潮海流觀測。每航次進(jìn)行14個站的同步海流觀測，觀測時間持續(xù)26 h，各站均采用ADCP等聲學(xué)多普勒海流儀進(jìn)行現(xiàn)場觀測。2航次的觀測結(jié)果如圖5和圖6所示（圖中矢桿代表各站27次整點時刻海流大小和方向）。

圖5 冬季航次大、中、小潮期各站垂線平均海流平面分布矢量圖Fig.5 The plane vector diagram of the vertically averaged currents observed in the spring，moderate and neap tide periods at each stations during the winter cruise

圖6 夏季航次大、中、小潮期各站垂線平均海流平面分布矢量圖Fig.6 The plane vector diagram of the vertically averaged currents observed in the spring，moderate and neap tide periods at each stations during the summer cruise

從冬季航次調(diào)查結(jié)果可以看出，碣石灣外大、中潮期各站表層均為往復(fù)性流動，流向主要呈ENE-WSW走向，流速偏大，而碣石灣內(nèi)受地形等因素的影響，各站的流速均明顯小于灣外各站的流速。小潮期間潮流流速小，碣石灣外的流向基本上為偏ENE向。

夏季航次大潮和中潮觀測期間，碣石灣內(nèi)幾個測站、霞博附近的幾個測站及甲子附近的個別測站呈往復(fù)式流動，碣石灣內(nèi)海流也表現(xiàn)出順應(yīng)灣內(nèi)地形的流動；其它各測站各次觀測的海流均表現(xiàn)為呈從NE到ENE方向的流動。

3 2航次各潮期潮流流況分析比較

由于碣石海域地處南海東北部、呂宋海峽以西、臺灣海峽西南，該處潮流受到多種因素的影響，如粵東沿岸流、經(jīng)呂宋海峽西傳的中尺度渦、風(fēng)等等，現(xiàn)場觀測獲得的實測海流包括眾多余流信息。從直觀上看，有時甚至掩蓋了潮流信息，且2個航次的余流特征及影響因素并不相同。

對于全潮海流觀測，應(yīng)從實測海流中剔除掉非周期性的余流，用各次觀測得到的潮流來分析大、中、小潮的典型性和代表性。

利用準(zhǔn)調(diào)和分析方法［6］計算出各航次、各站的垂線平均余流，用實測垂線平均海流減去相應(yīng)余流后，得到各站的垂線平均潮流，各次觀測各站垂線平均潮流的最大流速見表3。

表3 冬季航次與夏季航次各站垂線平均潮流的最大流速（單位：cm·s-1）Table 3 Maximum velocity of depth averaged tidal current in each station during the winter and summer cruise（unit：cm·s-1）

冬季觀測的14個站中，有11個站符合大潮、中潮、小潮最大潮流順次減小的規(guī)律。05和11號站是小潮最大流速大于中潮的；13號站則是中潮最大流速，略大于大潮。夏季觀測14個站中有9個站符合大潮、中潮、小潮最大潮流順次減小的規(guī)律，01，06，07和13號站中潮的略大于大潮的，05號站為小潮最大。由于夏季航次沿岸流對碣石海域的影響更強(qiáng)些，大、中、小潮三個潮次均受到明顯影響，因此在進(jìn)行潮流準(zhǔn)調(diào)和分析計算余流時不可避免會帶來一些誤差。碣石海域海流分布異常復(fù)雜，但從總體上看，絕大多數(shù)站的觀測結(jié)果證實了這種方法選擇的全潮海流觀測日期是基本符合各潮次典型特征，是具備大、中、小潮代表性的。

4 討 論

需要指出，我們的分析比較只能從觀測獲得的流速的相對大小以及觀測日期選擇的理論分析角度來判別大、中、小潮觀測結(jié)果的典型性和代表性。由于近岸海流常常受天氣、沿岸流系及其它因素影響顯著，并沒有辦法確知一個潮流周期中海流的分布、演變過程，無疑是具有局限性的。而分段觀測的全潮海流觀測方式注定這種局限性必然會存在。

全潮海流觀測是在早期觀測手段較為落后、技術(shù)力量及財力有限的情況下提出的獲取近海海洋參數(shù)的一種重要觀測手段，沿用已久，在近海海洋研究、工程應(yīng)用等方面發(fā)揮了巨大的作用。但是，隨著觀測要求的不斷提高和技術(shù)的不斷發(fā)展，尤其是目前大量較先進(jìn)的連續(xù)式觀測儀器普遍應(yīng)用到近海海洋觀測中，其不足之處也逐漸顯現(xiàn)，主要體現(xiàn)在以下幾個方面：

1）分潮次觀測每次觀測時間短，在資料分析時，只能利用準(zhǔn)調(diào)和分析方法對海流數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，尤其對于海流較復(fù)雜或較弱的海區(qū)，分析結(jié)果準(zhǔn)確度不高；

2）觀測時間往往只能根據(jù)距離較近驗潮站的潮位預(yù)報資料來選擇，由于觀測海區(qū)與驗潮站位置、地形等的差異，各潮次的代表性無法準(zhǔn)確評判。而且實際觀測受制于天氣和海況等影響，觀測時間難以理想控制。

3）海洋的運動是流體的連續(xù)性運動，這種分時段的觀測，尤其是遭遇惡劣海況出現(xiàn)有的潮次推后觀測時，不同潮次間隔時間過長，不符合流體運動的連續(xù)性特征，觀測結(jié)果的代表性不好。

4）分潮次觀測難以保證每次觀測各測站處于同一位置，資料的可比性受到影響。

基于上述原因，推薦采用適用于近海的自記式、全剖面海流觀測儀器，開展跨越大潮、中潮和小潮三個潮次、不少于15 d的連續(xù)海流觀測，作為近海研究及工程應(yīng)用的一種基本資料獲取手段。這種觀測方式將會避免傳統(tǒng)分潮段全潮海流觀測中的諸多問題，大大提高海流資料質(zhì)量及海流參數(shù)的準(zhǔn)確性、可靠性。特別是在潮流與潮汐性質(zhì)不一致的近海海區(qū)，或是受其它流系影響顯著、海流極其復(fù)雜的近海海區(qū)，或是附近歷史觀測數(shù)據(jù)極少甚至為零的近海海區(qū)，或是強(qiáng)天氣過程頻發(fā)的海區(qū)，這種觀測方式的作用尤為重要。雖然觀測成本可能有所提高，但是能夠大大提高資料的可利用性、海流參數(shù)的準(zhǔn)確性，在其后的工程論證、設(shè)計過程中將會帶來極大的便利。

5 結(jié) 語

針對近海海洋工程應(yīng)用中普遍采用的全潮海流觀測，在潮汐與潮流性質(zhì)不一致海區(qū)關(guān)于觀測日期選擇方面存在疑慮的問題，以廣東陸豐碣石海域為例，提出了利用潮流資料進(jìn)行預(yù)報，根據(jù)預(yù)報結(jié)果選擇全潮觀測日期的方法。碣石海域的現(xiàn)場觀測結(jié)果的分析表明，這種觀測日期確定方法基本符合全潮海流觀測大、中、小潮潮流的典型性、代表性。

在潮汐與潮流性質(zhì)不一致的特殊海區(qū)開展全潮海流觀測時，應(yīng)充分考慮潮流特征，盡可能搜集、利用調(diào)查海區(qū)的歷史海流觀測資料，從潮流分布角度來選取各潮次觀測日期。

為獲取質(zhì)量更好、更有代表性的觀測結(jié)果，宜采用跨越大、中、小潮三個潮次、不少于15 d的全剖面連續(xù)海流觀測方式。

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