朱家尖島鄰近海域潮流時空變化及其影響因素

何海豐，楊世倫，張朝陽，張文祥

（華東師范大學河口海岸學國家重點實驗室，上海 200062）

朱家尖島位于杭州灣口東南的舟山群島中部，是舟山島東部的天然屏障。島嶼附近海域受長江南向沿岸流影響顯著，東部是開闊海域。東岸受到波浪的強烈作用，岸線以基巖、礫石、砂質海岸為主，由南至北分布有烏石塘、南沙、大青山等旅游景區(qū)；西岸水動力條件較東岸弱，發(fā)育有泥灘及潮間帶。西岸沉積物主要由長江南向沿岸流攜帶的泥沙組成，這些泥灘已被圍墾作曬鹽場等之用。該島東岸是海底管線重要的登入點。

該區(qū)域流場受潮流、風、長江沿岸流、臺灣暖流及地形等因素影響，潮流特征的研究，不僅對該區(qū)域長江沿岸流作用、懸沙輸移趨勢、沉積物起動等科學問題至關重要，同時也對該海域航運、尤其是東海海底觀測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸線路選擇與登陸點確定有現(xiàn)實意義。

1 觀測方法與數(shù)據(jù)處理

1.1 研究區(qū)域及現(xiàn)場觀測

2011年10月20至28日期間，對朱家尖島東部附近海域進行潮流、風向觀測。觀測區(qū)域（圖1：122? 25' ～122? 35' E，29? 50' ～29? 55' N）位于朱家尖島東部海域5～10海里處，水深在10～30m之間。自西向東設置內(nèi)(NC)、中(ZC)、外(WC)三個觀測點(平均水深分別為18.66、19.14和26.3m)進行大、小潮同步觀測：NC點用ADCP waves-600K進行坐底自容觀測，每隔20分鐘進行流速剖面觀測， OBS-3A的深度探頭每隔2分鐘記錄水深；ZC、WC點用ADCP-600K向下(入水深度0.8～1.2m)觀測流速剖面及瞬時水深，采集頻率2～10秒并實時記錄，整點時刻用手持風速儀在船頭記錄距離甲板2m處的風速。

圖1 研究區(qū)與觀測點位置Fig.1 Location of study area and monitoring stations

1.2 數(shù)據(jù)處理方法

NC點潮位過程線由OBS記錄的平均水深插值，ZC、WC點的潮位過程線由ADCP記錄的瞬時水深的10分鐘滑動平均獲得。按時隔30分鐘(NC點時隔20分鐘)，深度間隔0.5m選取ADCP流速剖面的數(shù)據(jù)，繪制流速矢量圖。風速資料按16分向進行統(tǒng)計，并計算各分向平均風速。余流及余風按下式計算：

式中V是余流(余風)值，θ是余流(余風)方向，Vx是流速(風)矢量的東分量，Vy是流速(風)矢量的北分量。

2 結果與分析

2.1 潮汐特征

（1）潮汐類型

本區(qū)潮汐運動的基本能量來自西北太平洋，潮波由M2、S2分潮為主的東海前進波控制[1～3]，本區(qū)潮振動主要為太平洋潮波的協(xié)振動[4]。受長江沿岸流和海域地形的影響，致使觀測區(qū)域的潮流獨具特點。數(shù)據(jù)顯示，調(diào)查海域為不正規(guī)半日潮（圖2），潮汐日不等現(xiàn)象顯著[5]，漲、落潮流呈NNW-SSE方向（圖3）。朱家尖島將由杭州灣向東海SSE向的退潮流和NNW向推進的漲潮流分為兩支[6]。

圖2 朱家尖島海域潮位過程線Fig.2 Time series of tidal level in the sea adjacent to Zhujiajian island

（2）潮差

最小潮差0.75m(NC點20日20:48至21日02:12)，最大潮差4.32m(NC點28日03:00至09:14)；日均潮差在1.38～4.01m之間(表1)，大、小潮平均潮差為2.64m，屬于中等潮差海岸[7]，為浙江近岸最小潮差分布區(qū)域[1]。這與多年統(tǒng)計的朱家尖海域平均潮差2.61m[8]相近，而略大于長江口門外的佘山站(平均潮差2.49m)[9]。大、小潮期間ZC、WC點潮差相對接近，NC點的潮差比ZC、WC點小，潮位過程線顯示潮致余流的存在。

（3）漲落潮歷時

從本次觀測可以發(fā)現(xiàn)（表1）：從時間過程來看，朱家尖島東部海域大、小潮期間均存在明顯的漲、落潮歷時不等現(xiàn)象，表現(xiàn)為漲潮歷時較落潮歷時短1小時左右，這個時差未隨大、小潮發(fā)生明顯變化；從空間分布看，各測點間無明顯的漲、落潮歷時不等現(xiàn)象，表現(xiàn)為小潮時ZC點滯后WC點10分鐘左右，大潮時ZC、WC點幾乎同步。

圖3 朱家尖島海域流速矢量剖面（時間間隔：NC點20min，ZC、WC點30min；小潮NC、ZC、WC三點同步，大潮ZC、WC點同步）Fig.3 Velocity vector prof i les in the sea adjacent to Zhujiajian island

表1 朱家尖島海域潮汐特征Table 1 Tide characteristic in the sea adjacent to Zhujiajian island

2.2 潮流特征

觀測期間漲、落潮流分別以NNW、SSE方向為主，最大流速出現(xiàn)在WC點小潮落潮階段表層，流速為2.32m/s、流向174°(風速7.4m/s、風向60°)；最小流速0.01m/s(小潮近底層、表層2m左右的次極低值，大潮漲潮時表層均有出現(xiàn))。

就整個潮周期而言，WC點的最大漲潮流速(小潮0.77m/s，大潮1.29m/s)均小于ZC點(小潮0.89m/s，大潮1.45m/s)（表2）。

表層平均流速(全潮平均0.8～1.1m/s，大小潮差別不顯著)大于底層平均流速(小潮平均0.2～0.3m/s、大潮平均0.5～0.6m/s)。垂線平均流速(30多層流速之平均值，層間距0.5m)最小0.17m/s，最大1.51m/s(出現(xiàn)在大潮)，小潮平均值0.5m/s，大潮平均值0.8m/s。小潮漲潮階段近底層存在“流速核”現(xiàn)象(圖3:a,b,c)，大潮漲潮流在漲急階段可主控表層流(圖3:d,e)。

表2 朱家尖島海域潮流流速觀測統(tǒng)計(單位:m/s)Table 2 Current velocity of tide in the sea adjacent to Zhujiajian island

（1）小潮

小潮NC、ZC、WC測點實測流速分別在0.03～1.86m/s、0.01～1.78m/s、0.01～1.88m/s之間，對應流向為189°和186°、55°和199°、112°和169°。最大流速均為落潮階段表層流速，NC、ZC點最小流速出現(xiàn)在“流速核”頂端和近底層，WC點出現(xiàn)在近底層。最大流速自西向東呈減小趨勢。

從小潮時期觀測點的流速剖面矢量圖(圖3)可以發(fā)現(xiàn)：NC點潮流以旋轉流為主，漲急流為N向，落急流為S-SSE向，落潮階段底層流先于表層流1小時左右轉向，漲急時“流速核”頂端(表層以下2m左右)有憩流現(xiàn)象(圖3:a)；ZC點潮流特征與NC點基本一致，漲落潮“流速核”現(xiàn)象不如NC點明顯，落潮階段底層流轉向滯后表層流半小時左右(圖3:b)；WC點潮流特征基本同NC、ZC點一致，落潮階段表、底層流轉向滯后性不明顯(圖3:c)；三測點落潮后期流向改為SE-SSE向，漲潮流無法漲至表層。這體現(xiàn)了長江沿岸流的作用。

（2）大潮

大潮NC、WC測點實測流速分別在0.01～1.98m/s、0.04～2.32m/s之間，對應流向252°和171°、205°和174°。最大流速均出現(xiàn)在落潮表層。與小潮不同的是：NC、WC點的最小流速出現(xiàn)在漲落潮過渡階段底部、漲急時刻的表層，WC點最大流速要大于ZC點。

從大潮流速剖面矢量圖(圖3:d)顯示：ZC點大潮潮流形態(tài)同小潮基本一致，漲潮流方向呈SSW-SSE過渡，“流速核”頂端現(xiàn)象消失，漲潮流可漲至表層流速，漲潮流速整體較小潮時大(圖3:d)；WC點基本形態(tài)同ZC點一致，最大落潮流速大于ZC點，相對小潮時，流速較大，表層流在漲急時刻由漲潮流控(圖3:e)。

（3）流速的垂向變化

從流速垂向分布來看，全潮平均流速自表層向下呈顯著下降趨勢，但在表層以下2m左右出現(xiàn)一個次極低值(圖4)，反映表層風生漂流和主體水層的潮致流在方向相反時的邊界剪切作用的影響。這一現(xiàn)象大小潮都有，但小潮更顯著(圖3)。在落潮階段，垂向各層流速均向南，流速自表層向底層減小最顯著。反之，在漲潮階段，潮流向北，而表層流在北風吹刮下向南或顯著減弱，往往導致近底層流速大于表層流速的反向結構或中層流速大于表、底流速的結構(圖3)。

2.3 風場特征

根據(jù)ZC測點在觀測期間連續(xù)25小時整點的風場資料（表3）分析：現(xiàn)場實測風速4.4～8.8m/s，盛行NNWNNE風向；小潮期間主導風向為NNW方向，NNW向平均風速最大，為7.43m/s；大潮期間NNE為主導風向，NEE向平均風速最大，達7.00m/s。

圖4 全潮平均流速剖面(小潮NC點：圖中水平線代表流速標準差)Fig.4 The vertical distribution of average velocity of tide

將測點大、小潮風場矢量化后，可以發(fā)現(xiàn)：大、小潮合成平均風速4.73m/s、風向11?，其中小潮平均風速5.05m/s、風向345?，大潮平均風速5.41m/s、風向36?。觀測結果與多年實測資料統(tǒng)計得出秋季盛行N、NNW、NNE風的結論相符[8]。

表3 觀測期間風速、風向記錄統(tǒng)計(風速:m/s)Table 3 Record statistics of wind speed and wind direction

2.4 余流

通過計算發(fā)現(xiàn)，觀測區(qū)域的垂線平均余流(Vvr)、表層平均余流(Vsr)、底層平均余流(Vbr)分別在0.12～0.32m/s、0.48～0.73m/s和0.04～0.10m/s之間（表4），呈SSW、SSW、NW-NNW方向。整個潮周期，Vvr值在Vsr和Vbr之間，Vbr最??；從余流方向看，Vvr、Vsr與風向較為一致，Vbr同風向反向呈一定角度。從大小潮合成平均余流來看，自東向西Vsr、Vbr均呈減小趨勢，而ZC、WC點Vvr的量值、方向比較一致。觀測結果符合余流速冬強夏弱，余流方向冬季向南的基本趨勢[4]。

表4 余流計算結果Table 4 The computation results of residual currents

（1）時間變化特征

由ZC測點看，小潮Vvr、Vsr值大于大潮，Vbr大潮時值較大。WC測點，Vvr、Vsr值大潮略大于小潮(同風速大小潮變化一致)，Vbr大潮小于小潮，Vvr、Vsr、Vbr的流向大小潮變化較ZC點大，其中Vbr流向改變達40°。Vbr比Vvr、Vsr小一個量級；不同測點的Vvr、Vsr、Vbr隨大小潮周期變化不均。

（2）空間變化特征

從平面上看，Vvr的變化趨勢由小潮時的自東向西逐漸增大，變?yōu)榇蟪睍r的WC點大于ZC點，流向變化各測點也不盡相同；大小潮周期Vsr的變化趨勢呈自東向西逐漸減小，且大潮時WC點的余流較ZC點大近一倍，而流向大潮時較為一致，小潮時WC點流向偏離ZC、NC點較多；三測點的Vbr差值較小，但流向變化不穩(wěn)定。Vsr的平面分布特征主要由風導致，整個潮周期內(nèi)盛行偏北風，NC點由于受到島嶼避風作用表層余流較小，ZC、WC點相對開闊則值較大，ZC、WC點余流差值大潮時較大，這與大、小潮風速改變、大潮時漲潮流漲至表層而小潮不能有關；Vvr的變化趨勢主要因素是大潮時漲潮流可漲至表層，故WC點余流相對較小，小潮時漲潮流無法漲至表層。Vbr的變化趨勢揭示了該海區(qū)底部余流控制因素動力較為穩(wěn)定。

從垂向上看，整個潮周期，三個觀測點的表層余流均遠大于底層余流，Vvr、Vsr流向隨潮期基本幅度較底層余流小。大小潮合成平均來看，ZC、WC點的Vvr、Vsr、Vbr的流向較為一致，除Vsr外，值也相對接近；Vsr主要受偏北風控制；Vbr流向同漲潮流有一定的夾角，是臺灣暖流、底部摩擦、波浪等因素共同作用的體現(xiàn)；Vvr的流向位于Vsr和Vbr之間，且更接近于Vsr流向，說明該海域Vvr主要受風場、潮致余流和徑流的作用。

3 討論與結論

風場資料結合流速與余流分析可以發(fā)現(xiàn)：大、小潮流主要受潮汐控制，風場及地形也有一定影響[10]；Vvr、Vsr方向同余風向較為一致，余流值同風力成正比，且Vbr比Vvr、Vsr小一個量級，可見該海域的余流主要由風生流控制[11]。表層余流與表層平均流速對比可以發(fā)現(xiàn)：兩量值在小潮時相近，大潮相差較大，原因是大潮漲潮流可以漲至表層，體現(xiàn)了長江沿岸流作用和潮致余流的存在。除此之外，海域峽道開口也會影響余流[12]；最大流輸運態(tài)勢和余流輸運態(tài)勢基本一致[13]，這有利于懸沙、污染物質等的南向輸運。該區(qū)域的潮流是控制泥沙運移的主要動力因子[14,15]，而近底層0～1.0m/s的流速變化，解釋了舟山海域細顆粒物質憩流時沉降、流速增大后再懸浮起來[16]反復的現(xiàn)象。

可見，朱家尖島東部近岸海域的流速流向的時空變化顯著，這些變化除了受到天文因素引起的潮汐控制外，還與風場的變化有關。潮周期內(nèi)近底層趨于0的最小流速和0.5～1.0m/s的最大流速，表明研究區(qū)淤泥質海床處于頻繁的交替變化之中。偏北風條件下出現(xiàn)的量級較大(垂向平均＞0.2m/s)的向南余流，為長江入海泥沙在冬半年北風盛行背景下向南輸運提供了動力條件，這從動力機制上佐證了長江入海泥沙進入浙閩沿岸并塑造浙閩沿岸泥質沉積體的理論假說。

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