膠州灣灣口夏季海流時空分布特征＊

蔡忠亞，劉 哲＊＊，陳子煜，郭新宇，高會旺

（1.中國海洋大學(xué)海洋環(huán)境與生態(tài)教育部重點實驗室，山東 青島266100；2.日本愛媛大學(xué)沿岸環(huán)境科學(xué)研究中心，日本 松山7908577）

膠州灣位于黃海之濱，山東半島的南岸，以團(tuán)島頭（36°02′36″N，120°16′49″E）與薛家島腳子石（36°00′53″N，l20°17′30″E）連線為界，與黃海相通（見圖1）。膠州灣是潮運動占優(yōu)的海灣，其中M2分潮對灣內(nèi)動能的貢獻(xiàn)超過80%[1]，為典型的半日潮海灣。灣口位于團(tuán)島與薛家島之間，口門最窄處為3.1km，因此膠州灣具有很強(qiáng)的封閉性，與外海的物質(zhì)交換能力差。作為海灣與黃海相連接的通道，灣口是膠州灣與外海進(jìn)行水交換的關(guān)鍵界面。因此，定量認(rèn)識灣口流場的時空分布特征和控制機(jī)制，無疑有助于深入理解膠州灣水交換過程和物理自凈能力。

以往的研究中對膠州灣水動力基本特征和水交換機(jī)制已經(jīng)有一定基礎(chǔ)[2－12]。特別是自21世紀(jì)初以來，走航式聲學(xué)多普勒剖面流速儀（Acoustic Doppler Current Profiler，簡稱ADCP）開始應(yīng)用于研究膠州灣灣口流速分布特征。喬貫宇等使用灣口ADCP走航資料計算了膠州灣納潮量[13]，盧燕等使用ADCP資料分析了灣口處團(tuán)島－薛家島斷面大、小潮時期的歐拉余流空間分布特征[14]。這些研究為認(rèn)識膠州灣灣口水交換過程奠定了基礎(chǔ)，但在之前研究中多側(cè)重于歐拉余流的空間結(jié)構(gòu)，對灣口瞬時流時空分布特征的認(rèn)識以及灣口斷面海水運動的控制機(jī)制分析不夠。

本文基于夏季中潮膠州灣灣口走航ADCP觀測數(shù)據(jù)，詳細(xì)分析膠州灣灣口斷面瞬時流和歐拉余流的時間、空間分布特征，探討灣口處海水運動的控制機(jī)制。

圖1 膠州灣地形圖Fig.1 Topography of Jiaozhou Bay

1 海上觀測與數(shù)據(jù)處理

1.1 海上觀測與數(shù)據(jù)來源

2009年8月17 日13時～8月20日15時組織開展了膠州灣灣口團(tuán)島－薛家島斷面 ADCP（The SonTek/YSI Current Surveyor）走航觀測（見圖1）。觀測期間正值夏季中潮，具有較好的代表性。觀測中ADCP儀器固定在水下1m，每隔10s測定1次海流數(shù)據(jù)，船速為2.0～2.5m/s，由于灣口較窄（約3km），每個單項航程約20～30min，大約每小時可以往返1趟，共得到120個左右的剖面數(shù)據(jù)。走航觀測過程中ADCP與差分GPS連接，記錄剖面位置，并用于對流向進(jìn)行校正。

收集了觀測期間大港驗潮站的逐時水位數(shù)據(jù)以及小麥島氣象觀測站的逐時風(fēng)速數(shù)據(jù)，用于確定潮時并研究風(fēng)對灣口斷面海水運動的影響。由于膠州灣灣口與灣頂處潮時相差小于10min[4]，大港處與灣口處差異更小；小麥島處氣象站離灣口斷面距離約為13km，兩處風(fēng)速風(fēng)向沒有顯著變化，因此兩處數(shù)據(jù)可以用于對灣口流速數(shù)據(jù)的分析。

1.2 數(shù)據(jù)處理

為了方便對斷面走航數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，將膠州灣灣口斷面南北方向上等間距劃分為30個網(wǎng)格，每個網(wǎng)格水平間隔約為100m，垂向間隔為1m（見圖1中子圖），走航觀測數(shù)據(jù)中落在每個網(wǎng)格中的流速進(jìn)行空間平均作為該網(wǎng)格的流速。由于儀器自身的地理定位并不準(zhǔn)確，導(dǎo)致所測流速的方向與流速實際的方向相差1個偏角，需要對ADCP數(shù)據(jù)進(jìn)行校正，降低系統(tǒng)誤差[15－16]。參照差分GPS的定位數(shù)據(jù)，通過統(tǒng)計計算，這個角度在8°左右。因此，將所得流場東西和南北方向的流速重新計算，得到東西和南北方向更為準(zhǔn)確的流速。另外，由于走航觀測中各個網(wǎng)格點觀測時間不同，采用同步訂正，將各點的流速內(nèi)插到每次走航的中間時刻所對應(yīng)流速，以保證每趟走航的各點流速在同一時間。

處理之后可以得到灣口斷面每個網(wǎng)格點上流速的時間序列，觀測中得到的海流數(shù)據(jù)包括周期運動的潮流和余流兩部分。余流決定了潮際或更長時間尺度上的物質(zhì)輸運過程。由于，余流產(chǎn)生于海水運動的非線性過程，無法通過直接觀測獲得，需要從振蕩瞬時海流中進(jìn)行時間平均提取。根據(jù)所用濾潮方法不同，余流可分為拉格朗日余流和歐拉余流兩種[17－20]。前者需要根據(jù)1個或數(shù)個潮周期后流體微團(tuán)的凈位移除以相應(yīng)的時間間隔來得到[18]。鑒于本文使用的是走航數(shù)據(jù)，無法獲得拉格朗日余流，只能據(jù)此得到歐拉余流，其計算方法如下：

式中：u，v代表斷面海水流動的東西分量和南北分量；T為1個太陰日的時間25h；－u，－v代表東西方向和南北方向的歐拉余流。

2 流速潮內(nèi)時空分布特征

由于流速為矢量，為便于討論將流速分解為東西、南北方向2個分量，加以分析。由于灣口斷面呈南北向，流速的東西分量決定了進(jìn)出膠州灣水體通量，故下文重點分析流速東西分量。

2.1 流速東西分量潮內(nèi)時空分布特征

流速東西分量整體上表現(xiàn)為駐波的性質(zhì)。以第一個觀測的潮周期的流場為例（8月17日13時～18日4時），強(qiáng)流發(fā)生在漲急和落急時刻，在高潮和低潮時流場中各點流速接近于0（見圖2a，b）。漲潮過程中，海水主要從灣口北側(cè)西向流動進(jìn)入膠州灣，北側(cè)海水入流速度大于南側(cè)流速，進(jìn)水速度最快可達(dá)130cm/s左右；在落潮過程中，海水主要從南側(cè)東向流動流出海灣，南側(cè)海水速度大于北側(cè)速度，相對于斷面北側(cè)，南側(cè)水深較深，因此落急流速（90cm/s左右）相對弱于漲急流速（見圖2c，d）。漲、落潮過程中流速東西分量在所測量的垂直范圍內(nèi)分布比較均勻，體現(xiàn)出潮流的正壓特性，亦與之前的研究[5]一致。

為討論灣口斷面海水運動的同步性，將斷面南北兩側(cè)（各5個網(wǎng)格）和中部區(qū)域（10個網(wǎng)格）流速東西分量進(jìn)行空間平均得到平均流速的時間序列（見圖3）。斷面北側(cè)區(qū)域先于其他區(qū)域達(dá)到最大正向流速（落急），亦最早轉(zhuǎn)向（漲潮），漲急和落潮的時刻大體與中心區(qū)域相同?？傮w上，斷面北側(cè)的正向流動（出流）被抑制，而負(fù)向流動（入流）加強(qiáng)。斷面南側(cè)則與北側(cè)正相反，最早達(dá)到最大負(fù)向流速（漲急），并最早轉(zhuǎn)向（落潮）。因此，灣口斷面北側(cè)先漲潮且入流加強(qiáng)，南測先落潮且出流加強(qiáng)。

整個走航觀測過程中主要風(fēng)向發(fā)生了變化，在觀測前半段以東南風(fēng)為主，在后半段時間中風(fēng)速轉(zhuǎn)向，主要表現(xiàn)為南風(fēng)。為了分析風(fēng)對灣口歐拉余流空間結(jié)構(gòu)的影響，特選擇兩個時間段（長度均為25h）分別考察歐拉余流形態(tài)。第一時段為8月17日13∶30～18日14∶30；第二時段為8月19日06∶00～8月20日07∶00。在2個時段東西向歐拉余流均體現(xiàn)出“北進(jìn)南出”的時空分布特征（見圖2e，f），灣口北側(cè)歐拉余流東西向分量水平梯度大于南側(cè)，南北兩側(cè)歐拉余流最大值均位于斷面表層位置。第一時段北側(cè)入流最大值可達(dá)35cm/s，而南測流出最大值可達(dá)20cm/s；第二時段歐拉余流強(qiáng)度有所加強(qiáng)，入流和出流最大可達(dá)44和25cm/s。在垂直方向上2個時段東西向歐拉余流的空間結(jié)構(gòu)存在明顯區(qū)別。第一時段斷面東西向歐拉余流在垂直方向上存在梯度，斷面表層的入流區(qū)域（負(fù)值）向南側(cè)延伸，底層的出流區(qū)域（正值）向北側(cè)延伸，在中心區(qū)域表層和底層的歐拉余流方向相反，表層表現(xiàn)為入流而底層為出流；第二時段斷面東西向歐拉余流在垂向上分布比較均勻，不存在顯著的表底差異，在以往對灣口走航ADCP觀測研究[5，14]中東西向歐拉余流多為此結(jié)構(gòu)。

圖2 4個典型潮時灣口斷面瞬時流動?xùn)|西分量（a，b，c，d）Fig.2 E－W component of instantaneous current at four typical tide phases（a，b，c，d）

2.2 流速南北分量潮內(nèi)時空分布特征

與東西分量類似，流速南北分量在高、低潮時刻流速較弱（見圖4a，b）。漲、落潮過程中，海水流動主要在斷面的中心及偏北位置處。漲潮時斷面海水北向流動，漲急時刻最大流速在60cm/s左右；落潮時斷面海水南向流動，落急時刻最大流速在80cm/s左右（見圖4c，d）。

在第一和第二時段，灣口南北向歐拉余流空間結(jié)構(gòu)形態(tài)大體相同。整個斷面南北方向上存在水平梯度，在斷面北側(cè)離岸較近區(qū)域為北向歐拉余流，在所測范圍垂向上分布比較均勻，其他區(qū)域歐拉余流為南向流動且由表至底逐漸減弱，在斷面南側(cè)底層的小部分區(qū)域存在較弱的北向歐拉余流。第二時段整體上歐拉余流強(qiáng)度要強(qiáng)于第一時段。兩個時段北向歐拉余流最大約為15和20cm/s，南向歐拉余流最大約為20和30 cm/s（見圖4e，f）。

3 機(jī)制分析

灣口海水運動存在不對稱現(xiàn)象（見圖2c－f，圖3），并且灣口東西向歐拉余流空間結(jié)構(gòu)會隨時間產(chǎn)生變化。為此，對膠州灣岸線誘導(dǎo)，“潮流調(diào)整”及風(fēng)的影響進(jìn)行分析。

圖3 灣口斷面南北兩側(cè)和中心區(qū)域東西向平均流速時間序列Fig.3 Time series of average velocity in E－W direction at north，south and middle part of bay mouth section

3.1 岸線誘導(dǎo)

膠州灣僅通過狹窄的東南灣口與外海相連接（見圖1），使得流速東西向分量顯著強(qiáng)于南北向分量。受岸線誘導(dǎo)，在漲潮過程中，斷面上海水西北方向流動才能進(jìn)入海灣，落潮時海水東南方向流動才能流出。

3.2 “潮流調(diào)整”

Huijts等[21]指出，海水運動過程中平流項在海峽橫向斷面不同位置方向不同，且在整個潮周期內(nèi)方向基本不發(fā)生變化，平流項所導(dǎo)致的該現(xiàn)象稱之為“潮流調(diào)整”?！俺绷髡{(diào)整”會引使斷面一側(cè)的出流加強(qiáng)，而另一側(cè)入流加強(qiáng)，從而使沿海峽方向歐拉余流產(chǎn)生不對稱現(xiàn)象。本文使用其理論來分析膠州灣灣口處海水運動的不對稱現(xiàn)象。

圖4 4個典型潮時灣口斷面瞬時流動南北分量（a，b，c，d）Fig.4 N－S component of instantaneous current at four typical tide phases（a，b，c，d）

從3.1中對灣口海流東西分量的分析來看，海流在垂直方向上分布比較均勻沒有顯著的垂向梯度，主要表現(xiàn)為南北方向上的流速變化。如果將東方向作為x正方向，北方向作為y正方向，可參照Huijts的理論[21]對平流項進(jìn)行分析。將該項分別在南北兩側(cè)（各5個網(wǎng)格）進(jìn)行空間平均，然后考察其時間變化可以看出，在漲潮和落潮時期，在斷面北側(cè)基本上表現(xiàn)為正值，在南側(cè)則為負(fù)值（見圖5）。因此在整個潮周期內(nèi)，斷面北側(cè)（南側(cè)）始終存在x負(fù)方向（正方向）的“潮流調(diào)整”作用力。對于灣口處海水運動?xùn)|西分量來說北側(cè)加強(qiáng)入流，而南側(cè)加強(qiáng)出流。因此，在漲潮時北側(cè)海水得以更早的轉(zhuǎn)為西向流動，并且在漲潮過程中海水主要從北側(cè)進(jìn)入膠州灣；而斷面南側(cè)則在落潮時可以更早的轉(zhuǎn)為東向流動，并且在落潮過程中海水主要從南側(cè)流出膠州灣（見圖3）。這造成膠州灣外灣口海水東西向運動的不對稱現(xiàn)象，其在歐拉余流表現(xiàn)為“北進(jìn)南出”。

圖5 漲潮、落潮過程中斷面南北兩側(cè)“潮流調(diào)整”作用Fig.5 Tidal rectification at north and south part of bay mouth section during flood and ebb tide

圖6 觀測期間逐時風(fēng)速Fig.6 Hourly wind data during ADCP observation

3.3 風(fēng)對歐拉余流的影響

對照觀測期間前后兩個階段的風(fēng)向變化，可以看到在第一時段主要為東南風(fēng)，而第二時段主要為南風(fēng)（見圖6）。對于尺度較小的海區(qū)，表層海水的主要流向基本與風(fēng)向一致，進(jìn)而在海灣內(nèi)產(chǎn)生逆風(fēng)向的海面坡度，在水平梯度力作用下，在深水部分的底層生成與風(fēng)應(yīng)力方向相反的流動，而在淺水區(qū)域的底層則沒有反向補(bǔ)償流的存在，整體上流動方向與風(fēng)應(yīng)力方向相同[22]。因此對于灣口斷面東西向歐拉余流，在第一時段東風(fēng)分量影響下，表層產(chǎn)生與風(fēng)向相同的西向流動，斷面北側(cè)海水負(fù)值歐拉余流（入流）加強(qiáng)，入流區(qū)域向南側(cè)延伸。相應(yīng)的在中心深水區(qū)域底層位置產(chǎn)生的風(fēng)生流方向與風(fēng)向相反，在斷面中心區(qū)域底層的正值歐拉余流（出流）加強(qiáng)并向斷面北側(cè)延伸，在斷面中心區(qū)域表底之間產(chǎn)生“表進(jìn)底出”的結(jié)構(gòu)。而在第二時段，風(fēng)向轉(zhuǎn)為南風(fēng)，不存在東風(fēng)分量，歐拉余流東西分量在垂直方向上相對比較均勻。因此在灣口斷面處，東向風(fēng)分量會對東西向歐拉余流有明顯的影響，改變歐拉余流空間結(jié)構(gòu)。對于灣口處南北方向歐拉余流，灣口的幾何形態(tài)使得南風(fēng)的風(fēng)區(qū)較短，并且南北兩側(cè)岸線處法線流速為0的條件也會限制南風(fēng)誘導(dǎo)的風(fēng)生流，因此灣口南北向歐拉余流的空間結(jié)構(gòu)沒有發(fā)生顯著變化。

4 結(jié)語

基于2009年夏季中潮時的ADCP走航數(shù)據(jù)，分析了膠州灣灣口斷面海流和余流的時空分布特征。發(fā)現(xiàn)平流非線性過程導(dǎo)致的“潮流調(diào)整”效應(yīng)使斷面北側(cè)（南側(cè)）始終存在西向（東向）作用力，造成了灣口歐拉余流“北進(jìn)南出”的不對稱現(xiàn)象。此外，夏季東南風(fēng)對歐拉余流垂向結(jié)構(gòu)的影響主要體現(xiàn)在，東風(fēng)分量擴(kuò)大了斷面中部的表層西向入流和底層?xùn)|向出流范圍。

致謝：感謝調(diào)查航次中的全體成員！此外，本文得到中國海洋大學(xué)謝立安教授的多次指導(dǎo)，中國海洋大學(xué)本科生褚強(qiáng)、宮磊參與了數(shù)據(jù)處理方面工作，在此一并致謝。

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