東海北部1個(gè)潛標(biāo)連續(xù)觀測(cè)站的潮流垂向特征分析

田志光，楊春輝，王振峰

（1.92899部隊(duì)，浙江寧波 315200；2.東海艦隊(duì)海洋水文氣象中心，浙江寧波 315122）

東海北部1個(gè)潛標(biāo)連續(xù)觀測(cè)站的潮流垂向特征分析

田志光1，楊春輝2，王振峰2

（1.92899部隊(duì)，浙江寧波 315200；2.東海艦隊(duì)海洋水文氣象中心，浙江寧波 315122）

采用調(diào)和分析方法對(duì)東海北部海區(qū)1個(gè)坐底式潛標(biāo)連續(xù)觀測(cè)的近兩個(gè)半月的海流數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，研究了該站點(diǎn)的潮流空間結(jié)構(gòu)特征以及余流信息。調(diào)和分析結(jié)果表明，該點(diǎn)以半日潮流為主，潮流類型在40 m以上屬不規(guī)則半日潮流，40 m以下則屬規(guī)則半日潮流；該海區(qū)的潮流以順時(shí)針旋轉(zhuǎn)為主，潮流量值占海流的比率隨深度遞增，潮流橢圓要素存在明顯的垂向變化。本文研究有助于了解該站點(diǎn)潮流的垂直變化特點(diǎn)，并為潮流數(shù)值模擬提供校驗(yàn)依據(jù)。

潮流；分潮；調(diào)和分析；余流

0 引言

潮汐和潮流對(duì)東海的環(huán)流和混合具有較大貢獻(xiàn)，同時(shí)潮流垂直結(jié)構(gòu)與海洋湍流、物質(zhì)擴(kuò)散特別是沉積物的輸運(yùn)等都有密切的關(guān)系。近年來，人們利用觀測(cè)資料和數(shù)值模擬的方法對(duì)東海潮流系統(tǒng)進(jìn)行了大量的研究。丁文蘭［1］利用觀測(cè)資料對(duì)東海潮汐和潮流的特征進(jìn)行了分析；FANG［2］根據(jù)大量的實(shí)測(cè)資料以及一系列準(zhǔn)確度較高的數(shù)值結(jié)果，繪制了中國近海較完整的潮流圖；萬振文等［3］、王凱等［4］基于不同的數(shù)值模式對(duì)東中國海潮波運(yùn)動(dòng)進(jìn)行了模擬。對(duì)于潮流垂直結(jié)構(gòu)的研究，我國學(xué)者亦做了大量的工作，如方國洪等［5］采用常渦動(dòng)粘性系數(shù)模型定性地研究了潮流的垂直結(jié)構(gòu)；方國洪［6］還基于國內(nèi)、外一系列實(shí)測(cè)資料對(duì)潮流垂直結(jié)構(gòu)的基本特征作了理論和觀測(cè)結(jié)果的進(jìn)一步比較；葉安樂［7-8］曾分別就分潮流最大流速發(fā)生時(shí)刻和潮流橢圓長軸方向隨深度變化的特征等問題進(jìn)行了探討；李身鐸［9］基于大量近期的海流觀測(cè)資料研究了長江口潮流的垂直結(jié)構(gòu)。這些研究成果加深了人們對(duì)東海海域潮波的了解和認(rèn)識(shí)。由于潮流現(xiàn)象自身的復(fù)雜性，受地形、風(fēng)場(chǎng)、余流以及摩擦和非線性效應(yīng)等諸多因素的共同作用，加之東海北部海區(qū)長時(shí)間連續(xù)時(shí)間序列的海流觀測(cè)資料較為缺乏，因此本文利用投放在東海北部海區(qū)1個(gè)定點(diǎn)潛標(biāo)的海流觀測(cè)資料，研究了該站點(diǎn)潮流的性質(zhì)及其垂向分布特征，以期為更進(jìn)一步了解該海域的潮波狀況提供參考。

1 數(shù)據(jù)來源與分析方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

本文的海流數(shù)據(jù)來源于2011年5月投放在東海北部海區(qū)的1個(gè)坐底式Work Horse ADCP，該潛標(biāo)的位置如圖1所示。

海流數(shù)據(jù)的時(shí)間分辨率為5 min，垂向空間采樣間隔為4 m。由于儀器坐底的原因，海流數(shù)據(jù)在海表附近的某些水層存在不同時(shí)間段的缺測(cè)。為了分析該海區(qū)的潮流空間結(jié)構(gòu)，本文選取了各深度層海流數(shù)據(jù)都比較完整的2011年05月12日—2011年07月30日近兩個(gè)半月的海流數(shù)據(jù)，垂向跨度為12.8～96.8 m。

1.2 分析方法

潮流的調(diào)和分析可以將實(shí)測(cè)海流按天文分潮的頻率進(jìn)行展開，得到各個(gè)天文分潮的潮流橢圓要素。潮流橢圓要素包含4個(gè)特征參量，分別為最大分潮流流速（橢圓長半軸）、方向、發(fā)生的時(shí)間以及橢圓率。潮流橢圓短半軸與長半軸之比值稱為潮流橢圓率，若潮流按逆時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)，潮流橢圓率為正值，否則為負(fù)值。本文采用了國際上比較通用的T-tide調(diào)和分析工具包［10］對(duì)12.8～96.8 m總共22層的海流數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)和分析。該Matlab程序包是由加拿大學(xué)者Rich Pawlowicz聯(lián)合美國伍茲霍爾海洋研究所的2位科學(xué)家Bob Beardsley和Steve Lentz共同開發(fā)，其準(zhǔn)確性和可靠性已經(jīng)得到國際公認(rèn)。圖2為隨機(jī)選取的44.8 m層調(diào)和分析回報(bào)結(jié)果與該層深原始海流觀測(cè)數(shù)據(jù)的比較。

從圖2中可以清楚地看到調(diào)和分析回報(bào)結(jié)果與原始觀測(cè)數(shù)據(jù)變化趨勢(shì)吻合良好，其中u分量二者的相關(guān)系數(shù)為91.3%，均方根誤差為9.4 cm/s；v分量二者的相關(guān)系數(shù)為87.2%，均方根誤差為8.6 cm/s。對(duì)各層深的調(diào)和分析回報(bào)結(jié)果進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，均方根誤差隨水深增加而遞減，說明水深越深，調(diào)和分析的回報(bào)結(jié)果與原始觀測(cè)數(shù)據(jù)吻合程度越好。

2 數(shù)據(jù)分析

2.1 站點(diǎn)海流的基本特征

對(duì)海流數(shù)據(jù)進(jìn)行初步處理后，隨機(jī)選取10 d（2011年5月12日至5月21日）的原始海流數(shù)據(jù)，選取12.8，52.8和92.8 m這3個(gè)深度分別代表該站點(diǎn)上、中、下三層，通過繪制海流時(shí)間序列圖以此說明該站點(diǎn)實(shí)測(cè)海流的特征（圖3）。

由圖3a可知，各層深的流速值均小于0.8 m/s，上層海流的流速稍大于下層。流向曲線的變化表明該站點(diǎn)各層深的潮流性質(zhì)應(yīng)屬旋轉(zhuǎn)流（圖3b）。利用矢量分解法把流速和流向值轉(zhuǎn)化成東分量和北分量，從圖3c和圖3d中都可以看到，各層深的速度分量變化曲線都呈明顯的半日周期性。

2.2 潮流的分離以及余流信息

圖4a為經(jīng)過調(diào)和分析后分離出來的潮流量值占海流的比率隨深度的變化曲線?？傮w上，潮流量值占比隨深度呈遞增趨勢(shì)。其中20 m以淺潮流量值占比小于80%，這是由于上層海水受風(fēng)影響相對(duì)較大，因此12.8 m處的潮流量值占比最小，僅為68.5%；20～50 m層的潮流量值占比約為80%；50～70 m層的潮流量值占比介于80%～90%之間；70 m以深的潮流量值占比達(dá)到90%以上。

通過計(jì)算K1和O1全日分潮流的最大流速之和與M2半日分潮流的最大流速的比值，可對(duì)潮流類型進(jìn)行分類［11］，圖4b顯示了潮流性質(zhì)的垂直變化特征：潮流類型系數(shù)隨深度的增加而減小。其中潮流類型系數(shù)在40 m水深以上介于0.5～1.0之間，潮流類型應(yīng)屬不規(guī)則半日潮流；而40 m以下的水層潮流類型系數(shù)小于0.5，因此潮流類型屬規(guī)則半日潮流。

圖4c顯示的是余流隨深度變化特征。余流流速量值介于6～13 cm/s之間，余流流向都呈東北向，量值介于30°～62°之間。垂向上余流流速、流向都隨深度的增加而遞減，且余流流向自上而下逐漸向左偏轉(zhuǎn)。

2.3 潮流主要分潮的垂直特征

調(diào)和分析結(jié)果顯示觀測(cè)站點(diǎn)振幅較為顯著的5個(gè)分潮分別為M2、S2、N2、O1和K1，5個(gè)分潮的橢圓長半軸及其最大流方向、橢圓率的垂直變化如圖5和圖6所示。

2.3.1 橢圓長半軸隨深度的變化

從圖5a中可以看出：M2分潮的橢圓長半軸最大，量值介于24～30 cm/s，其它4個(gè)分潮的量值介于1～16 cm/s。由于全日分潮波的能量從太平洋進(jìn)入東海后，受到陸坡的阻擋，一部分能量又折回了太平洋［12］，因此全日分潮的量值占比較少，潮流以半日潮為主。垂向上，M2分潮的最大流速在60～80 m處，橢圓長半軸接近30 cm/s，越接近海底，流速顯著減小，到底層處時(shí)橢圓長半軸減小為24.7 cm/s。O1和K1分潮的橢圓長半軸基本隨水深的增加而減小，橢圓長半軸在12.8 m層最大，分別為11.9和15.6 cm/s，至底層時(shí)橢圓長半軸都減為1.4 cm/s左右。S2和N2分潮的橢圓長半軸垂向上變化較小，其橢圓長半軸分別在10和5 cm/s左右輕微擺動(dòng)，只是S2分潮的橢圓長半軸在靠近上層和底層時(shí)稍有變小約為8 cm/s，而N2分潮的橢圓長半軸在上層最大約為6.6 cm/s，在底層處最小約為4.0 cm/s。

2.3.2 最大流方向隨深度的變化

圖5b顯示了5個(gè)分潮最大流的方向隨水深變化情況：總體上，半日分潮的最大流方向在垂向上較為穩(wěn)定，基本都維持在210°左右，各層最大流速方向均以西向偏南為主；而全日分潮最大流的方向在垂向上擺動(dòng)幅度較大，其中K1分潮最大流的方向在16.8～32.8 m深度上在350°附近小幅振蕩，36.8～60.8 m處由190°遞增到270°左右，64.8 m以下基本維持在260°左右；O1分潮最大流的方向在16.8～72.8 m深度上以西向偏南為主，而在12.8 m和76.8 m以下都以南向偏東為主。

2.3.3 橢圓率隨深度的變化

調(diào)和分析計(jì)算得到的M2、S2、N2、O1以及K1分潮大部分的橢圓短半軸均為負(fù)值，因此從圖6上可以看到5個(gè)分潮的潮流橢圓率在整個(gè)測(cè)量深度上基本都為負(fù)值，說明該站點(diǎn)的分潮均順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，具有地轉(zhuǎn)效應(yīng)特征。圖6a顯示M2分潮的橢圓率介于-0.63～-0.55之間，其中50.0 m以上的橢圓率變化較小，50.0～75.0 m呈單調(diào)遞減趨勢(shì)，76.8 m處的橢圓率最小，即M2分潮的潮流橢圓在此處最接近于圓，76.8 m以下的橢圓率隨著水深的增加而緩慢增加。圖6b顯示S2分潮的潮流橢圓率介于-0.60～-0.45之間，其中12.8 m處橢圓率最大，約為-0.45，28.8 m附近最小約為-0.58。圖6c與圖6d顯示的N2分潮的潮流橢圓率介于-0.70～-0.50之間、O1分潮的潮流橢圓率介于-1.00～-0.60之間，二者隨深度的變化趨勢(shì)較為一致，潮流橢圓在40.0～70.0 m處相較于其它水層更扁。圖6e顯示了K1分潮的潮流橢圓率隨深度呈單調(diào)遞增趨勢(shì)，潮流橢圓在上層接近于圓，而在底層處潮流變?yōu)橥鶑?fù)流。

3 結(jié)論

本文通過對(duì)布放在東海北部海區(qū)的1個(gè)潛標(biāo)觀測(cè)到的海流數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)和分析得到以下結(jié)論：

（1）潮流在該觀測(cè)站點(diǎn)占很大比率，且潮流量值占海流的比率隨深度而遞增。

（2）調(diào)和分析結(jié)果主要為M2、S2、N2、O1和K15個(gè)主要分潮，其中又以M2半日分潮所占比率最大。

（3）5個(gè)分潮的橢圓長半軸在接近海底時(shí)顯著減小，具有明顯的淺水分潮特征，與前人研究一致。

（4）半日分潮最大流的方向在垂向上較為穩(wěn)定，基本都以西向偏南為主，而全日分潮最大流的方向在垂向上擺動(dòng)幅度較大。

（5）5個(gè)分潮的潮流橢圓率在整個(gè)測(cè)量深度上基本都為負(fù)值，說明該站點(diǎn)各層深的潮流均為順時(shí)針旋轉(zhuǎn)流。

（6）余流流速量值介于6～13 cm/s之間，余流流向都呈東北向，量值介于30°～62°之間。垂向上余流流速和流向都隨深度的增加而遞減，且余流流向自上而下逐漸向左偏轉(zhuǎn)。

本文采用數(shù)據(jù)的連續(xù)性強(qiáng)，分析結(jié)果可信度高，可以很好地表述該測(cè)站潮流特征，對(duì)數(shù)值模式檢驗(yàn)具有重要意義。

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Vertical feature of the tidal current in the north of the East China Sea based on a moored buoy

TIAN Zhi-guang1，YANG Chun-hui2，WANG Zhen-feng2
（1.92899 PLA Troops，Ningbo 315200，China；2.Ocean Hydrometeorology Institute，Navy Donghai-Armada，Ningbo 315122，China）

Based on the ocean current data observed by a moored buoy in the north of the East China Sea for two and a half months，the special structure characteristics of tidal current and the information of the residual current in the observed area were studied using the harmonic analysis method.The results show that it is dominated by the semidiurnal tide in this area.The type of tidal current in the depth less than 40 m belongs to irregular semidiurnal tide，while it belongs to regular semidiurnal tide in the depth more than 40 m.The tidal current is dominated by clockwise rotation in this area，and the proportion of the tidal current accounted for the ocean current increases with the depth.There are significant vertical variations in the tidal current ellipses elements.This research work will be helpful for understanding the vertical feature of tidal current in this area and the observed data can be provided to calibrate the ocean model on tidal current.

tidal current；tidal constituent；harmonic analysis；residual current

P731.2

A

1001-909X（2014）02-0040-06

10.3969/j.issn.1001-909X.2014.02.005

田志光，楊春輝，王振峰.東海北部1個(gè)潛標(biāo)連續(xù)觀測(cè)站的潮流垂向特征分析［J］.海洋學(xué)研究，2014，32（2）：40-45，

10.3969/j. issn.1001-909X.2014.02.005.

TIAN Zhi-guang，YANG Chun-hui，WANG Zhen-feng.Vertical feature of the tidal current in the north of the East China Sea based on a moored buoy［J］.Journal of Marine Sciences，2014，32（2）：40-45，doi：10.3969/j.issn.1001-909X.2014.02.005.

2013-08-26…………

2014-04-01

田志光（1974-），男，山東昌樂縣人，高級(jí)工程師，主要從事海洋環(huán)境預(yù)報(bào)與資料處理方面的研究。E-mail：tianzhg@126.com