北部灣北部白龍尾附近海域潮流譜分析＊

鄭斌鑫，侍茂崇，廖康明，王 璐，何 佳

（1.華東師范大學 河口海岸學國家重點實驗室，上海200062；2.國家海洋局 第三海洋研究所，福建 廈門361005；3.中國海洋大學 海洋環(huán)境學院，山東 青島266003）

廣西海岸帶位于我國沿海的西南端，南臨北部灣，西起中越界河北侖河口，東至兩廣界灣英羅港口，海岸線總長1 595km，沿海屬半封閉性的大陸架海域，自西向東有珍珠港、防城港、欽州灣、大風江口、廉州灣和鐵山港等［1］。對于廣西沿岸及北部灣的水動力特征很多學者進行了大量的調(diào)查研究。20世紀60年代初，中越合作開展北部灣海洋綜合調(diào)查。在20世紀60～70年代，中國科學院南海海洋研究所等投放了大量漂流瓶，用來研究北部灣的表層海流狀況。20世紀80年代的“全國海岸帶和海涂資源綜合調(diào)查”以及1988－1995年期間的“全國海島資源綜合調(diào)查”等［2－3］，對北部灣環(huán)流和廣西近岸部分的水動力有了進一步認識。在調(diào)查基礎(chǔ)上，不少學者專門對北部灣和廣西沿岸的潮汐、潮流進行分析和數(shù)值研究［4－14］。這些研究對北部灣環(huán)流和廣西沿岸流季節(jié)性特點，特別是對夏季環(huán)流結(jié)構(gòu)卻有著不同的認識。傳統(tǒng)上認為北部灣受季風控制，冬季為逆時針型環(huán)流：海水從灣口東部的鶯歌海沿海南島西海岸向北流，到達淺水后主流轉(zhuǎn)而向西，最后沿廣西、越南沿岸向南流出；夏季為順時針型環(huán)流：外海水由越南沿岸進入灣內(nèi)，沿岸北上，在廣西沿岸由西向東流，靠近淺水后再分成兩支，一支向東穿過瓊州海峽，進入粵西海域，而另一支沿海南島西海岸向南流出。后來許多研究表明［6－11］，北部灣常年都是氣旋渦占主導地位。潮流是廣西沿岸最為重要的水動力現(xiàn)象之一，而余流則對水體的運移和交換，對海水中懸浮及可溶性物質(zhì)的稀釋、擴散和輸運起著重要的作用。過去使用的研究資料一般基于周日連續(xù)海流觀測結(jié)果，缺乏對長序列海流資料的研究，用這些資料分析潮流和余流，有較多的偶然性和誤差，不足以反映水動力長時間尺度的變化。另外，之前研究大多對不同季風下的表層流進行探討，很少對不同深度的流動差異進行分析。本文主要對廣西沿岸白龍尾附近一年連續(xù)的流速和流向垂向資料進行分析，了解其潮流、余流運動規(guī)律，從而加深對北部灣環(huán)流及廣西沿岸流季節(jié)性垂向流動的認識，可對了解污染物的擴散路徑，預防和治理污染起到一定的指導作用。

1 研究與方法

1.1 資料來源

調(diào)查站位S1站位于廣西防城港市白龍半島南部的開闊水域（圖1）。東、南、西三面環(huán)海，海圖水深約為8m。

觀測使用的儀器為ADCP聲學多普勒海流剖面儀。其中流速和流向采用座底方式向上進行觀測，觀測層間距為0.5m。儀器每1min發(fā)射60個聲脈沖，經(jīng)平均得到整個剖面海流數(shù)據(jù)。我們從剖面數(shù)據(jù)中挑選表、中、底三層數(shù)據(jù)進行分析。這里的表層是指水面下1m處，底層是指距海底約1.5m處，中層是指相對于表和底層中間的位置。觀測時間為2011－05－01—2012－04－30，歷時1a。

圖1 調(diào)查站位圖Fig.1 Location of observation station

1.2 處理方法

潮流旋轉(zhuǎn)譜分析：旋轉(zhuǎn)譜估計較分量譜估計有明顯的優(yōu)越性［15］，在海洋學研究中有廣泛的應用。我們采用最大熵方法計算海流旋轉(zhuǎn)功率譜，取自由度ν＝2，對研究錨定站海流隨時間變化的特性進行分析研究。

2 分析結(jié)果

2.1 表層海流譜分析

圖2為表層譜計算結(jié)果，從圖中可知：無論是f＞0（逆時針運動）或f＜0（順時針運動），日潮、半日潮和1/3、1/4諸分潮在譜圖中都有明顯表現(xiàn)。

圖2 表層潮流譜Fig.2 Rotary spectra of tidal current of surface layer

采用紅噪聲假設(shè)對表層海流譜峰進行顯著性檢驗，其檢驗結(jié)果列于表1（表中W（fm）表示譜能量）。由表1可以看出其存在如下顯著譜峰周期：

1）當f＞0時，日分潮 K1（周期約為23.9h）通過顯著性檢驗，半日潮 M2（周期約為12.4h），S2（周期約為12h）通過顯著性檢驗，半日潮譜峰高于全日潮譜峰；f＜0時，主要全日分潮和主要半日分潮未通過顯著性檢驗。

2）在半日潮和全日潮分量中，逆時針分量是主要的：日分潮K1的順時針能譜峰值只有逆時針的38.8%；半日潮 M2，S2順時針能譜峰值只有逆時針的6.9%，52.2%。

3）周期為8.3，6.2h的淺水分潮也有表現(xiàn)，但是未通過顯著性檢驗。

4）周期超過24h的，特別是3d以上的也有明顯表現(xiàn)，其中周期為8.3d的在f＞0時通過檢驗；11.5d的則在f＜0時通過顯著性檢驗。

表1 采用紅噪聲假設(shè)對表層海流譜峰進行顯著性檢驗Table 1 Significance test of spectrum crest of tidal current of surface layer under hypothesis of red noise

2.2 中層海流譜分析

圖3是中層海流譜計算結(jié)果，從圖中可以看出：無論是f＞0或f＜0，日潮、半日潮和1/3、1/4諸潮分量在譜圖中都有明顯表現(xiàn)。

圖3 中層潮流譜Fig.3 Rotary spectra of tidal current of middle layer

采用紅噪聲假設(shè)對中層海流譜峰進行顯著性檢驗，其檢驗結(jié)果列于表2中。從表2中可以看出如下規(guī)律：

1）當f＞0時，日分潮K1（周期約為23.9h）和O1（周期約為25.8h）通過顯著性檢驗，半日潮 M2（周期約為12.4h）和S2（周期約為12h）通過顯著性檢驗，半日潮譜峰高于全日潮譜峰；f＜0時，只有O1分潮和M2分潮通過顯著性檢驗，全日分潮和半日分潮譜峰接近。

2）在半日潮和全日潮分量中，逆時針分量是主要的：日分潮K1，O1的順時針能譜峰值分別只有逆時針的17.4%，52.0%；半日潮 M2，S2順時針能譜峰值分別只有逆時針的13.4%，19.8%。

3）周期為8.3，4.1h的淺水分潮也有表現(xiàn)，但是未通過顯著性檢驗。

4）周期超過24h的，特別是3d以上的也有明顯表現(xiàn)，其中周期為5.2，8.3d的在f＞0時通過顯著性檢驗。

表2 采用紅噪聲假設(shè)對中層海流譜峰進行顯著性檢驗Table 2 Significance test of spectrum crest of tidal current of middle layer under hypothesis of red noise

2.3 底層海流譜分析

圖4為底層譜計算結(jié)果，從圖中可知：無論是f＞0或f＜0，日潮、半日潮和1/3、1/4諸潮分量在譜圖中都有明顯表現(xiàn)。

圖4 底層潮流譜Fig.4 Rotary spectra of tidal current of bottom layer

采用紅噪聲假設(shè)對底層海流譜峰進行顯著性檢驗，其檢驗結(jié)果列于表3中。從表3中可以看出如下規(guī)律：

1）當f＞0時，日分潮K1（周期約為23.9h）和O1（周期約為25.8h）通過顯著性檢驗，半日潮 M2（周期約為12.4h）和S2（周期約為12h）通過顯著性檢驗，半日潮譜峰高于全日潮譜峰；f＜0時，只有K1分潮和M2分潮通過顯著性檢驗，全日分潮和半日分潮譜峰接近。

2）在半日潮和全日潮分量中，逆時針分量是主要的：日分潮K1，O1的順時針能譜峰值分別只有逆時針的3.7%，5.4%；半日潮 M2，S2順時針能譜峰值分別只有逆時針的5.1%，5.0%。

3）周期為8.3，6.2，6.1和4.1h的淺水分潮也有表現(xiàn)，只有在f＞0時，6h附近周期通過顯著性檢驗。

4）周期超過24h的，特別是3d以上的也有明顯表現(xiàn)，其中周期為3.4，5.2和8.3d的在f＜0時通過顯著性檢驗。

表3 采用紅噪聲假設(shè)對底層海流譜峰進行顯著性檢驗Table 3 Significance test of spectrum crest of tidal current of bottom layer under hypothesis of red noise

3 討論

3.1 潮流類型

式中，A≤0.5，屬正規(guī)半日潮流型；0.5＜A≤2.0，屬不正規(guī)半日潮流型；2.0＜A≤4.0，屬不正規(guī)日潮流型；A＞4.0，屬正規(guī)日潮流型。

根據(jù)一年潮流觀測資料，計算的潮流調(diào)和常數(shù)為：WO1＝4.15cm/s，WK1＝5.84cm/s，WM2＝10.0cm/s，由此就算得到A≈1.00，屬不正規(guī)半日潮型。而廣西沿海從東向西：潿洲島、北海、防城港、東興海關(guān)碼頭的潮汐類型判別因子依次為：5.34，4.76，5.54，5.72，白龍尾介于防城港和東興中間，其潮汐類型判別系數(shù)5.63，由此可見，無一例外地都屬于典型日潮類型。白龍尾海域潮汐與潮流類型是不一致的。

潮流與潮位類型不一致也表現(xiàn)在其他海區(qū)：廣西最東部的鐵山港，潮流特征判別系數(shù)A值為1.45～2.89［16］，其中位于航道和深槽的大部分區(qū)域A值為2.03～2.89，屬于不規(guī)則日潮流，而淺水區(qū)A值大都在1.45～2.00，屬于不規(guī)則半日潮流。北海港潮流判別系數(shù)A值在1.78～2.89變化［17］，欽州灣的A值在1.58～2.97變化，說明那里是不規(guī)則半日潮流和不規(guī)則日潮流海域。

以白龍尾2011－05中層流向和潮位的變化過程為例，可以看出潮流和潮位類型的不同：在1個月的時間歷程中，潮位是日潮，而潮流基本是半日潮；在1個月中，出現(xiàn)60個潮流變化周期，但振幅不等（圖5）。

圖5 白龍尾中層流向和潮位的變化曲線Fig.5 Variations of tidal current direction and amplitude of middle layer

3.2 流速與潮位的對應關(guān)系

潮流最大流速不對應最大潮位，恰恰相反，最小流速對應最大潮差，最大流速對應最小潮差，這是日潮海域潮位與潮流的典型特征（圖6，以2011－05為例）。在半日潮海域，潮流流速與潮差基本呈正比關(guān)系。

圖6 白龍尾中層潮流流速和潮位的變化曲線Fig.6 Variations of tidal current veloccity and amplitude of middle layer

3.3 潮流主要運動特征

從表、中、底層潮流譜分析結(jié)果得知：

K1日潮流分量能量：相應表、中、底層，f＞0時分別為f＜0的2.6倍，5.6倍和26.9倍。O1分潮流能量：相應表、中、底層，f＞0時也分別為f＜0的1.5倍，1.9倍和18.6倍。

半日分潮流 M2，S2也是如此：相應表、中、底層，f＞0時 M2分潮流能量分別為f＜0的14.6倍，7.5倍和19.6倍；相應表、中、底層，f＞0時S2分潮流能量分別為f＜0的1.9倍，5.0倍和20.3倍。

數(shù)值計算結(jié)果［18－19，24－25］表明，日潮（K1）和半日潮（M2）潮波在廣西沿海也是呈逆時針運動的（圖7，圖8），潮波先到達北海，然后向西傳播。

圖7 K1分潮同潮時圖［18－19］Fig.7 Co－tidal chart of K［18－19］1

圖8 M2分潮同潮時圖［24－25］Fig.8 Co－tidal chart of M［24－25］2

實測結(jié)果也證明上述結(jié)果可信（表4）：

1）白龍尾日分潮（K1，O1，P1）的遲角比北海要大約2°，半日分潮 M2幾乎同時，而S2的遲角比北海要大2°左右。這表明，潮波先到北海，然后向西傳至白龍尾。

2）在傳播過程中，受海底摩擦的影響，能量衰減，潮汐振幅減少，其中日潮振幅減少較少，只有2～4cm，而半日潮M2振幅減少較多，接近11cm。

表4 白龍尾與北海東部主要日分潮和半日分潮振幅和遲角對比Table 4 Comparison of tidal phase and amplitude of major diurnal and semi－diurnal constituents between Bailongwei and the region east of Beihai

3.4 海底摩擦效應

表5中給出表、中、底層淺水分潮W（fm）值及其顯著性檢驗結(jié)果。由表中可以看出，越接近海底W（fm）值越大，到了底層，周期為6.2和6.1h的淺水分潮，均通過顯著性檢驗。說明海底摩擦是淺水分潮生成的主要機制。

表5 淺水分潮W（fm）的變化和顯著性檢驗Table 5 Significance test of W（fm）of shallow water constituents

3.5 余 流

全年余流各向出現(xiàn)頻率如圖9所示。由圖9可以看出：從表層到底層，東向流年出現(xiàn)頻率逐漸增大，西向流年出現(xiàn)頻率則逐漸減小。表、中層以WSW向年出現(xiàn)頻率最大，分別為25.4%和23.5%；底層則為NE向，年出現(xiàn)頻率為25.4%，可能是補償性效應引起的。

圖9 全年余流各向出現(xiàn)頻率Fig.9 Rose diagrams of residual current

大于3d的長周期（余流），通過顯著性檢驗的都是f＞0的條件下發(fā)生的，在f＞0情況下，周期超過3d以上的長周期運動（余流）有3個。其中8.3d的長周期運動，在表中底層都通過顯著性檢驗（表6）。5.2d在中、底層都通過顯著性檢驗，3.4d只在底層通過顯著性檢驗。

表6 余流W（fm）的變化和顯著性檢驗Table 6 Significance test of W（fm）of residual currents

研究余流產(chǎn)生機制是比較困難的。我們對風做過小波分析，沒有發(fā)現(xiàn)接近8.3d的周期，也沒有發(fā)現(xiàn)與3.4，5.2d相近的周期。因此，8.3d周期的余流產(chǎn)生機制和天氣過程特別是風不相關(guān)。我們認為，最有可能是和潮流本身引起的潮致余流有關(guān)。從圖5可以看出，5月中層潮流流速明顯具有3.4，5.2和8.3d的變化周期，特別是8.3d變化周期表現(xiàn)更為明顯。

4 結(jié)論

本文在廣西沿海第一次使用高精度的聲學多普勒海流剖面儀，對白龍尾開闊水域進行為期一年的分層海流觀測，通過譜分析方法，給出如下結(jié)論：

1）日分潮O(jiān)1，K1和半日分潮M2，S2是白龍尾主要分潮流。半日潮流的能量甚至大于日潮流能量。

2）在半日潮流和全日潮流分量中，逆時針分量是主要的。這可能與潮波旋轉(zhuǎn)形態(tài)有關(guān)。

3）只有到了底層，周期為6h左右的淺水分潮，通過顯著性檢驗。表明海底摩擦是淺水分潮生成的主要機制。

4）在f＞0情況下，周期超過3d以上的長周期運動（余流）有3種。其中8.3d的長周期運動，在表、中、底層都通過顯著性檢驗。5.2d在中、底層都通過顯著性檢驗。根據(jù)我們研究結(jié)果，認為該現(xiàn)象和天氣變化關(guān)系不大，可能主要是由潮余流引起的。

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