層化對東海大陸架潮流垂向結(jié)構(gòu)的影響*

譚 偉 左軍成 李 娟 陳美香 楊逸秋

(1. 河海大學(xué) 南京 210098; 2. 國家海洋局南海預(yù)報(bào)中心 廣州 510310; 3. 國家海洋環(huán)境預(yù)報(bào)中心 北京 100091)

潮流是潮波運(yùn)動的一種表現(xiàn)形式。20世紀(jì)80年代以來, 對東中國海潮流的研究從傳統(tǒng)的觀測分析向數(shù)值模擬發(fā)展(萬振文等, 1998; 沙文鈺, 2000)。采用數(shù)值模式計(jì)算東中國海的全日及半日潮流, 證實(shí)M2分潮流在北黃海山東北部近海及南黃海北部海域各存在一個(gè)圓流點(diǎn)(趙保仁等, 1994)。隨著高性能計(jì)算機(jī)的發(fā)展, 為了能更精確地反映潮流的運(yùn)動規(guī)律,潮波數(shù)值模擬已經(jīng)從二維模型發(fā)展到三維模型(萬振文等, 1998; 王凱等, 1999; 沙文鈺, 2000; 朱學(xué)明等,2012)。利用POM三維數(shù)值模式模擬東中國海潮波系統(tǒng), 發(fā)現(xiàn) M2分潮在舟山群島附近存在一個(gè)圓流點(diǎn),M1分潮在黃海北部和臺灣海峽各存在一個(gè)圓流點(diǎn)(萬振文等, 1998)。采用高分辨率三維模式進(jìn)行模擬, 可以解釋遼東灣中M2分潮無潮點(diǎn)的出現(xiàn)以及黃海中出現(xiàn)的流速上下一致的現(xiàn)象(Guo et al, 1998)。

在近岸海域, 由于水深、地形、緯度不同和天體引潮力的驅(qū)動使潮流能量存在顯著的區(qū)域差異(Bruno et al, 2000; Tsimplis, 2000), 例如, 在直布羅陀海峽、海底門檻以半日分潮M2和S2為主, 而從德克薩斯州到美國路易斯安那州的大陸架則以全日分潮K1為主(DiMarco et al, 1998)。北海潮流垂向剖面觀測結(jié)果表明, 潮流振幅隨著水深的增大表現(xiàn)出減小的趨勢, 潮流位相隨著水深的增大而增大, 由于對潮流垂向結(jié)構(gòu)的分辨率較低, 因此不能很好地分析研究潮流的垂向結(jié)構(gòu)及影響因素(Maas et al, 1987)。影響潮流結(jié)構(gòu)的主要因素有摩擦力、層化和低頻海流的波動(Souza et al, 1996), 其中, 底摩擦力顯著影響潮流的垂向結(jié)構(gòu)和流速大小(Fan et al, 2009), 在黃海,底摩擦效應(yīng)會使 M2分潮流的流速迅速減小 20%—40%以及海洋底部的 M2分潮流的位相增加 15—20min。在淺水海域, 地形是引起潮流垂向結(jié)構(gòu)變化的主導(dǎo)因素, 層化主要影響潮流的垂向切變和季節(jié)變化(Lee et al, 2011), 在墨西哥瓜伊馬斯灣, 層化會導(dǎo)致全日潮流在海洋上層逆時(shí)針旋轉(zhuǎn), 而在海洋下層則是順時(shí)針旋轉(zhuǎn)(Gómez-Valdés et al, 2012)。

在潮流垂直結(jié)構(gòu)中, 分潮流最大流速發(fā)生時(shí)刻隨深度的加深而不斷提前, 不僅與摩擦有關(guān), 而且還受到水深以及科氏參量的影響(葉安樂, 1984a)。水深較淺的海域, 上層最大潮流時(shí)刻隨深度的變化率絕對值較大, 而水深較深的海域, 上層最大潮流時(shí)刻變化率的絕對值較小, 兩者在底層的變化率都比較接近(方國洪, 1984; 葉安樂, 1984a)。當(dāng)科氏參量f大于分潮角速率σ時(shí), 潮流最大流速方向隨著深度的增加向左偏(Fang et al, 1983; 葉安樂, 1984b)。外力強(qiáng)迫下,層結(jié)的海洋會激發(fā)出各種形式的內(nèi)波, 自由傳播的內(nèi)波其低頻部分的構(gòu)成必須與浮力頻率所決定的一組本征模態(tài)相符合(方國洪, 1984)。海洋內(nèi)部波動模態(tài)可以改變海流的垂直結(jié)構(gòu), 使海流表現(xiàn)出很強(qiáng)的斜壓性(葉安樂, 1984c), 在直布羅陀海峽, 垂向剖面中的內(nèi)波模態(tài)可以解釋潮流半長軸的位相隨深度的變化(Tsimplis, 2000)。Zuo等(2007)利用一個(gè)月的海流觀測數(shù)據(jù), 分析得到葡萄牙北部大陸架海域的潮流特征, 并使用 PWP模式探討風(fēng)應(yīng)力對流速的影響。在東海大陸架邊緣海域潮流橢圓隨深度旋轉(zhuǎn), 且潮流以順時(shí)針旋轉(zhuǎn)為主, 反映了潮流是正壓流的特點(diǎn)(Li et al, 2012)。

這些研究成果加深了人們對東中國海潮波的認(rèn)識。但已有的東海實(shí)測潮流資料主要集中于近岸海域和東北部海域, 東海東南部大陸架邊緣海域的實(shí)測潮流資料還比較少。本文利用 973計(jì)劃“近海及鄰近大洋動力環(huán)境低頻變異的可預(yù)測性研究”項(xiàng)目投放在東海的海床基觀測系統(tǒng)得到的 6個(gè)多月的實(shí)測潮流數(shù)據(jù), 研究該海域的潮流垂向結(jié)構(gòu), 探討層化對潮流垂向結(jié)構(gòu)的影響。

圖1 觀測站點(diǎn)的位置和東中國海水深(單位: m)Fig.1 The observation site and bathymetric map of the Bohai Sea, Yellow Sea, and East China Sea

1 數(shù)據(jù)

海流資料來源于東海海床基觀測系統(tǒng)的 ADCP(聲學(xué)多普勒流速剖面儀) 觀測結(jié)果。觀測點(diǎn)位于東海大陸架邊緣海域(26°30.052′N, 122°35.998′E), 水深約為113m(圖1)。采樣時(shí)間從2008年9月20日5:30到2009年4月22日11:00, 實(shí)際有效觀測時(shí)間是從2008年9月20日6:00到09年4月6日7:00, 采樣時(shí)間間隔為10min, 有效數(shù)據(jù)共28519組。垂向空間采樣間隔為8m, 共13層, 實(shí)際可供分析的連續(xù)資料有 11層, 分別位于 24、32、40、48、56、64、72、80、88、96m和104m層上。由于天氣和儀器原因, 海流數(shù)據(jù)在不同的時(shí)間段和不同層次皆有缺測, 缺測部分用鄰近時(shí)刻觀測值線性內(nèi)插加以彌補(bǔ)。水深資料來源于海軍航海保證部提供的海圖水深。本文采用的Argo溫鹽數(shù)據(jù)是基于Argo浮標(biāo)資料、Triangle Trans-Ocean Buoy Network(TRITON)和CTD數(shù)據(jù)進(jìn)行融合插值后形成逐月的格點(diǎn)數(shù)據(jù), 空間分辨率為 1°×1°,垂向 25層分別為10、20、30、50、75、100、125、150、200、250、300、400、500、600、700、800、900、1000、1100、1200、1300、1400、1500、1750m和 2000m, 時(shí)間從 2001年 1月開始, 下載網(wǎng)址為http://www.argo.ucsd.edu/Gridded_ fields.html。本文選取的是觀測點(diǎn)附近的一個(gè)格點(diǎn)(26.5°N, 122.5°E)上125m層的溫鹽數(shù)據(jù), 時(shí)間段是 2008年 9月至 2009年4月。

2 分析結(jié)果

2.1 密度的垂向結(jié)構(gòu)

夏季, 充分的潮汐能和太陽熱能傳輸?shù)胶Ｑ蟊韺? 導(dǎo)致大陸架海洋層化加強(qiáng)(Howarth, 1998)。圖 2給出了利用觀測點(diǎn)附近的Argo溫鹽數(shù)據(jù)計(jì)算得到的位勢密度的垂向分布(2008年9月到次年4月)。除9月份外, 上混合層密度的垂向分布相對比較均勻, 而在密度躍層, 海水密度隨深度的增加顯著增大, 密躍層以深密度增大的趨勢減緩, 到底層密度達(dá)到最大,而9月份海水上層溫度仍比較高, 密度較低, 層化加強(qiáng), 密躍層強(qiáng)度大, 幾乎沒有上混合層的存在, 海水密度在整個(gè)深度上遞增。隨著時(shí)間推移, 海水上層溫度降低, 密度逐月增大, 出現(xiàn)上混合層, 并且隨著對流混合的加強(qiáng), 上混合層有逐漸加深的趨勢, 到次年2月份密度達(dá)到最大, 密躍層幾乎消失, 海水密度在整個(gè)深度上變化較小。3月份密度垂向結(jié)構(gòu)與2月份相近, 但上層海水密度開始減小, 到4月份上層海水密度已明顯減小, 躍層重新出現(xiàn)。

圖2 觀潮點(diǎn)附近的位勢密度垂向分布Fig.2 Profiles of the potential density nearby the observation site

圖3 觀測點(diǎn)的浮力頻率垂向分布Fig.3 Profiles of the buoyancy frequency nearby the observation site

2.2 平均流

本文分別對海流的x方向流速U分量和y方向流速V分量在觀測期間躍層強(qiáng)度最大的9月份和最弱的2月份做時(shí)間平均(圖4), 在各觀測層上U分量明顯大于V分量, 海流基本為偏東的東北向流。海洋密度層結(jié)對流速結(jié)構(gòu)的影響非常明顯, 9月份幾乎不存在上混合層, 在56m以淺U分量隨深度的增加而增大, 在躍層最強(qiáng)處達(dá)到最大, 躍層以深流速變化較小,在底層, 流速因受底摩擦的影響而迅速減小; 2月份,位勢密度躍層最弱(圖1), U分量只在近底層迅速減小,在其它深度上變化不大(圖4)。與U分量類似, V分量的變化同樣以56m為界。56m以淺V隨深度略微減小; 在躍層以深, 9月份V分量隨深度的增大而增大,而2月份變化很小; 9月份和2月份V分量在底層都迅速減小。以上結(jié)果表明該海域海流的動量受到密度層結(jié)的約束, 層化加強(qiáng)減小了動量和質(zhì)量的垂向湍流交換, 導(dǎo)致密度垂向微分在層化處加強(qiáng)(Howarth,1998)。圖 3中浮力頻率在密躍層深度處最大也可以由此得到解釋。

2.3 觀測點(diǎn)的潮流調(diào)和分析

2.3.1 垂向平均潮流 原始觀測的流速中包含潮流成分, 潮流的調(diào)和分析可以對實(shí)測潮流按各天文分潮的頻率進(jìn)行分離。為了除去高頻噪音, 取 60min滑動平均, 采用Pawlowicz等(2002) 提供的潮流調(diào)和分析, 在 95%的置信度下得到垂向平均的 O1、K1、M2和S2這4個(gè)主要分潮的潮流橢圓要素(表1), 并繪制潮流橢圓(圖 4)。潮流橢圓短軸為正值, 表示潮流矢量隨時(shí)間逆時(shí)針旋轉(zhuǎn), 短軸為負(fù)表示潮流矢量隨時(shí)間順時(shí)針旋轉(zhuǎn)。從表1和圖5中可以明顯看出, 觀測站點(diǎn)以半日潮流為主, M2分潮最大, 其次為S2分潮,K1和 O1分潮則相對較小。潮汐性質(zhì)比為0.12, 小于0.5, 說明該觀測點(diǎn)所在海域?yàn)檎?guī)半日潮海域。除了 O1分潮外, 其余 3個(gè)分潮的潮流橢圓均做順時(shí)針旋轉(zhuǎn)。這4個(gè)主要分潮的長軸指向基本一致, 均是西北—東南方向。

圖4 觀測點(diǎn)海流的U、V分量在9月份和2月份的垂向分布Fig.4 Profiles of the time-averaged U and V components of observed currents in the September and February nearby the observation site

表1 主要分潮的垂向平均潮流橢圓參數(shù)Tab.1 The vertical average tidal current ellipse parameters of the main constituent

2.3.2 潮流的垂向結(jié)構(gòu) 在淺海海域?qū)踊茱@著影響潮汐混合和潮流的垂向結(jié)構(gòu), 層化的影響是減小密度躍層內(nèi)的擾動/湍流, 導(dǎo)致潮流振幅、位相和傾角在通過密度躍層時(shí)發(fā)生較大改變(Howarth, 1998)。

本文對9月、12月、次年2月和4月這4個(gè)典型月份的潮流進(jìn)行調(diào)和分析, 得到主要分潮M2和K1的潮流橢圓要素, 并給出橢圓要素的垂向分布。

(1)橢圓長軸的垂向結(jié)構(gòu)

圖6給出了M2和K1分潮的潮流橢圓長軸的垂向分布。半日分潮M2潮流的最大流速(30—60cm/s) 遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于全日分潮K1(2—12cm/s), 9月份, M2分潮流的長軸在80m以淺的深度上變化不大, 在43cm/s 附近振蕩, 從表層開始先隨深度的增加略微增大, 在 32m處存在一個(gè)極大值, 然后隨深度的增大而減小, 在密躍層深度(48m)處有一極小值, 再然后隨深度顯著增大, 在 88m處達(dá)到最大值為 47.44cm/s, 由于受底摩擦的影響, 在近底層迅速減到最小為37.07cm/s(圖6),這與方國洪得到的理論結(jié)果吻合(方國洪, 1984)。12月份, M2分潮流的長軸的垂向結(jié)構(gòu)與9月份相近, 但隨著冬季的到來, 對流混合加強(qiáng), 密度躍層強(qiáng)度減弱,相比9月份, M2分潮流的長軸在整個(gè)深度上減小, 且在80m以淺的深度上垂向變化與9月份類似, 但變化幅度略小(圖6)。2月份, M2分潮流的長軸在垂向上幾乎沒有變化, 大小和12月份相當(dāng); 2月過后, 整個(gè)深度上的M2長軸開始增大, 4月份的長軸已明顯大于9月, 80 m以淺的垂向變化率也在增大, 并且伴隨著躍層的形成及加深, 極大、極小值出現(xiàn)的深度也隨之下移(圖 6); 另外, M2分潮流的長軸由于受底摩擦的影響在近底層迅速減小(Souza et al, 1996)。

圖5 垂向平均潮流橢圓Fig.5 Vertical average current ellipse nearby the observation site

圖6 潮流橢圓半長軸的垂向分布Fig.6 Profiles of major axes of current ellipse nearby the observation site

圖7 潮流橢圓率的垂向分布Fig.7 Profiles of tide ellipticity nearby the observation site

全日分潮流 K1的長軸大體表現(xiàn)為隨深度增加而遞減的趨勢, 各個(gè)月份的K1長軸在64m或72m層處有一個(gè)明顯的極小值, 然后隨深度增加而增大, 接近海底的深度上迅速減小, 最小可達(dá)2—3cm/s。全日潮流的強(qiáng)流會在上混合層出現(xiàn)的部分原因是日周期的冷卻、加熱以及風(fēng)混合的共同作用(Price et al, 1987) ,這在一定程度上也解釋了圖6中上混合層的K1長軸在2月最小, 之后開始增大這一現(xiàn)象。

(2)橢圓率的垂向結(jié)構(gòu)

橢圓長半軸與短半軸的比值被定義為橢圓率。橢圓率為正表示潮流按逆時(shí)針方向旋轉(zhuǎn), 為負(fù)表示潮流按順時(shí)針方向旋轉(zhuǎn), 橢圓率為0表示往復(fù)流, 此時(shí)潮流橢圓退化成線段, 為1或–1時(shí)表示橢圓變成圓周(DiMarco et al, 1998)。潮流橢圓率k隨深度增加而增大, 當(dāng)上層潮流左旋(k＞0) 時(shí), 到下層橢圓將變的較圓(k≈1); 當(dāng)上層潮流右旋(k＜0) 時(shí), 到下層橢圓將變的較扁(k～0) , 甚至有可能變成左旋(k＞0) ( Fang et al,1983)。M2半日分潮的橢圓率始終為負(fù)值, 并且變化很小, 均在–0.2-0之間變化, 說明 M2潮流橢圓在整個(gè)深度上順時(shí)針旋轉(zhuǎn), 并且橢圓較扁, 9月份的M2潮流在密度躍層(56m) 處幾乎退化為往復(fù)流(圖7)。

K1全日分潮的橢圓率隨接近海底而呈現(xiàn)出波動增加的趨勢, 上層橢圓率 k為負(fù), 潮流順時(shí)針旋轉(zhuǎn),在底層 9月份的橢圓率接近 0, 其余月份均為正, 即底層潮流橢圓變的較扁, 甚至是逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)(圖 7),與方國洪(1984) 得到的理論結(jié)果一致。在 9月和 4月層化較強(qiáng)的月份, 橢圓率在密躍層以深到 88m處在0附近出現(xiàn)震蕩。

(3)橢圓傾角的垂向結(jié)構(gòu)

對于固定觀測點(diǎn), 由于密度水平差異產(chǎn)生的斜壓海流導(dǎo)致潮流橢圓傾角θ隨水深發(fā)生旋轉(zhuǎn), 且傾角的垂向結(jié)構(gòu)與科氏力也有關(guān)。當(dāng)相應(yīng)的天文潮頻率σ大于局地慣性頻率 f時(shí), 橢圓長軸方向變化不大, 如水深足夠大, 從表層到中層潮流橢圓略向右偏轉(zhuǎn), 到底層又有向左偏回來的趨勢; 當(dāng) σ小于或等于 f時(shí),隨著水深的不斷加深, 最大流速方向逐漸向左偏(方國洪, 1984; 葉安樂, 1984)。該觀測點(diǎn)( 26°30.052′N,122°35.998′E) 的局地慣性頻率 f=0.0373/h, 而 M2天文分潮頻率天文潮頻率大于局地頻率f, M2傾角先向右略偏, 密躍層以深至底層左偏; K1天文分潮頻率與局地慣性頻率f相近,除4月份外, K1傾角隨著接近海底明顯左偏, 與上述理論結(jié)果吻合, 4月份相對異常分布的原因還需進(jìn)一步的探討(圖8)。

圖8 潮流橢圓傾角的垂向分布Fig.8 Profiles of tide ellipse inclination nearby the observation site

3 結(jié)論

觀測點(diǎn)位于東海大陸架邊緣海域, 它的潮流特征能夠反映該海域的潮流特點(diǎn), 本文利用 Argo數(shù)據(jù)分析觀測點(diǎn)附近位勢密度的垂向結(jié)構(gòu); 基于觀測點(diǎn) 6個(gè)多月的ADCP海流數(shù)據(jù)分析研究了觀測點(diǎn)潮流的垂向結(jié)構(gòu)及層化對其垂向結(jié)構(gòu)的影響, 得到以下結(jié)論

(1)海水密躍層在9月份強(qiáng)度最大, 此時(shí), 位勢密度在表層最大, 并隨著深度的增加而逐漸遞減; 隨著冬季的到來, 對流混合逐漸增強(qiáng), 最終在整個(gè)深度上混合均勻, 此時(shí)密度躍層消失, 而位勢密度逐漸增加,到次年2月份達(dá)到最大; 從4月份開始, 海水位勢密度明顯減小, 密度躍層重新出現(xiàn)。相應(yīng)的浮力頻率在夏季達(dá)到最大值冬季最小, 且在各個(gè)月份的密度躍層深度處最大。

(2)觀測點(diǎn)海域的潮汐性質(zhì)比為 0.12, 屬于正規(guī)半日潮海域, 其中M2分潮最大, S2次之, K1和O1相對較小; 4個(gè)分潮的最大流速方向基本一致, 均為西北－東南方向; 分別對4個(gè)典型月份的海流數(shù)據(jù)進(jìn)行潮流調(diào)和分析, 得到 M2和 K1分潮流的潮流橢圓要素,發(fā)現(xiàn)本文結(jié)果與前人的理論結(jié)果吻合較好。

a. M2分潮流橢圓長軸的垂向結(jié)構(gòu)在各個(gè)月份相近, 潮流橢圓長軸在 88m 以深直到底層由于底摩擦的影響迅速減到最小。冬季隨著對流混合增強(qiáng), 海水層化減弱, 潮流橢圓長軸在整個(gè)深度上同步減小; 從3月份開始, 潮流橢圓長軸開始逐漸增大, 到 4月份達(dá)到最大。K1分潮的潮流橢圓長軸在上混合層較大,可能與日周期的冷卻、加熱和風(fēng)混合的共同作用有關(guān),與M2相似, K1分潮的潮流橢圓長軸在底層達(dá)到最小。

b. M2分潮的潮流橢圓率在整個(gè)深度上變化不大,且在各個(gè)月份變化相似; 在海水層化效應(yīng)較強(qiáng)的月份, K1分潮的潮流橢圓率在整個(gè)深度上在0值附近振蕩隨接近海底而增加, 這與方國洪的理論結(jié)果吻合。

c. 潮流橢圓傾角的垂向結(jié)構(gòu)與相應(yīng)的天文潮頻率 σ和局地慣性頻率f的相對大小有關(guān)。觀測點(diǎn)M2分潮的頻率大于f, M2分潮流的橢圓傾角先向右略偏, 在密躍層以深海域向左偏; K1分潮的頻率與局地慣性頻率f相近, 潮流橢圓傾角接近海底時(shí)明顯左偏。

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