海南島西南海域的潮流和潮汐觀測特征

李近元，方念喬，張吉，薛玉龍，王雪木，袁曉博

（1.中國地質(zhì)大學(xué)（北京），海洋學(xué)院，北京100083；2.國電新能源技術(shù)研究院，海洋地質(zhì)和水文研究室，北京102209；3.中能電力科技開發(fā)有限公司，北京100034；4.海南省海洋地質(zhì)調(diào)查研究院，海南?？?70206）

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海南島西南海域的潮流和潮汐觀測特征

李近元1，2，3，方念喬1，張吉2，3，薛玉龍4，王雪木4，袁曉博1

（1.中國地質(zhì)大學(xué)（北京），海洋學(xué)院，北京100083；2.國電新能源技術(shù)研究院，海洋地質(zhì)和水文研究室，北京102209；3.中能電力科技開發(fā)有限公司，北京100034；4.海南省海洋地質(zhì)調(diào)查研究院，海南?？?70206）

摘要：海洋觀測是研究近海水動力環(huán)境的一個重要手段，為了研究海南島西南海域的潮流和潮汐特征，在研究海域進(jìn)行了大、中、小潮期間的潮位和潮流觀測，基于實(shí)測資料，分析研究了該海域的潮汐和潮流特征。分析結(jié)果顯示：該海域外海潮汐性質(zhì)為不規(guī)則全日潮而近岸為規(guī)則全日潮；觀測期間實(shí)測最大流速為1.57 m/s，余流最大為0.20 m/s；10個觀測站位處，計(jì)算所得最大可能流速為2.58 m/s；各主要分潮流基本以O(shè)1和K1全日分潮流為主，不同層次潮流橢圓的旋轉(zhuǎn)方向順時針旋轉(zhuǎn)與逆時針旋轉(zhuǎn)數(shù)目基本相等。該研究成果對于該海域的水動力環(huán)境研究具有重要意義。

關(guān)鍵詞：海南西南海域；近海觀測；潮汐；潮流

1　前言

海洋觀測是研究近海水動力環(huán)境的一個重要手段，觀測數(shù)據(jù)能更加真實(shí)的反應(yīng)研究海域的潮汐潮流的性質(zhì)和特征［1，2］，同時對于數(shù)值模型的驗(yàn)證也至關(guān)重要［3］。

本文研究海域位于海南島西南，北部灣東南部，海南東方市外海。胡曉張等［4，5］在對海南東方電廠溫排水的研究中模擬了該海域的潮汐潮流，但是分析內(nèi)容主要為溫排水，且僅限于電廠區(qū)域。目前已有針對海南島海域的潮汐潮流特征研究［6-8］，但基于高分辨率實(shí)測資料，并且針對海南島西南海域的近岸水動力環(huán)境研究還幾乎沒有。

本文基于翔實(shí)的潮汐潮流觀測資料，對海南島西南海域的潮汐潮流特征、可能最大流速、余流等各個方面進(jìn)行了研究和計(jì)算。研究成果可為該海域水動力環(huán)境以及物質(zhì)輸運(yùn)研究，提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)及參考。

2　數(shù)據(jù)和方法

2.1數(shù)據(jù)采集

2014年6月13—21日，在風(fēng)電場規(guī)劃海域進(jìn)行了大、中、小潮期間的潮流觀測，共10個站位，每個觀測站位觀測層數(shù)為6層（表層、0.2H、0.4H、0.6H、0.8H和底層，其中H代表水深），時間間隔為1 h；2014年6月12日—7月22日進(jìn)行了為期41 d的連續(xù)潮位觀測，共3個站位，觀測時間間隔為10 min。10個潮流觀測站和3個潮位觀測站的位置分別如圖1和圖2所示。

2.2分析方法

2.2.1調(diào)和分析

為了提取潮汐和潮流觀測數(shù)據(jù)中不同分潮的信息，本文采用基于matlab平臺的t_tide工具包［9］對觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)和分析。分析時，主要考慮了M2，S2，K1，O1，M4，MS4共6個分潮。

圖1潮流觀測站位圖

圖2潮位觀測站位圖

2.2.2最大可能潮流計(jì)算

根據(jù)《港口工程技術(shù)規(guī)范》的規(guī)定，對于規(guī)則半日潮海區(qū)，最大可能流速按式（1）計(jì)算，而對于規(guī)則全日潮海區(qū)最大可能流速按式（2）計(jì)算：

式中：WM2，WS2，WK1，WO1分別為M2，S2，K1，O1這4個主要分潮流的橢圓長半軸矢量，若同時存在半日潮流和全日潮流，則最大可能流速按照上述兩式中的最大值計(jì)算。式中的Vmax為潮流的最大可能流速。由于式（1）和（2）中的WM2，WS2，WK1，WO2皆為矢量，在具體計(jì)算時根據(jù)各個分潮流的方向，分多組進(jìn)行計(jì)算，取最大值，方向取最大值那組的方向。

3　結(jié)果分析

3.1潮汐和潮流類型

根據(jù)實(shí)測資料，計(jì)算得到的3個站位處的分潮類型判別系數(shù)如表1所示。

表1潮汐類型判別系數(shù)

由表1可知，在近岸的L1和L2站位處，潮汐類型為規(guī)則全日潮，而在近海的L3站位處，潮汐類型為不規(guī)則全日潮。這是由于潮波在向近岸傳播的過程中，分潮的振幅發(fā)生了變化所致。

對10個站位處的海流觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行了調(diào)和分析，計(jì)算了10個站位處的潮流類型判別系數(shù)（見表2），計(jì)算結(jié)果顯示，各測站垂線平均的振幅比F值在3.91—10.47之間，平均為6.29，表明本海域潮流類型同時具有規(guī)則和不規(guī)則全日潮流性質(zhì)，但以規(guī)則全日潮流占主。

表2垂向平均潮流類型判別系數(shù)

進(jìn)一步分析10個潮流觀測位置處的半日分潮和全日分潮調(diào)和常數(shù)（本文未給出具體值）可以發(fā)現(xiàn)，半日潮和全日潮波的傳播方向在該海域基本一致，都是由南向北傳播。王延強(qiáng)等［10］利用衛(wèi)星高度計(jì)資料分析了整個南海的潮汐傳播規(guī)律，對比顯示，在該海域，其研究結(jié)果和本研究的結(jié)論基本一致。

3.2實(shí)測潮流

3.2.1最大流速

對各站在大、中、小潮觀測期間出現(xiàn)的流速最大值進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，最大值及其所在層次如表3所示。

對觀測期間的實(shí)測流速進(jìn)行分析可以看出：大潮期間，觀測到的最大速度為1.57 m/s，出現(xiàn)在S1測站的表層；中潮觀測期間，觀測到的最大速度為1.34 m/s，出現(xiàn)在S4測站的表層；小潮觀測期間，觀測到的最大速度為0.9 m/s，出現(xiàn)在S2測站的表層?？梢钥闯觯捍?、中、小潮的流速基本呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢，并且最大流速基本都出現(xiàn)在表層。

3.2.2流速垂向分布

將大、中、小潮觀測期間，各站各個層次的速度大小進(jìn)行平均，得到表4。由表4可以看出：流速隨著深度的增加逐漸變小，這是由于海流受到海底的摩擦而造成了能量損失。進(jìn)一步分析可以發(fā)現(xiàn)離岸較遠(yuǎn)的S1、S2和S3站位的流速垂向變化量明顯高于離岸較近的S8、S9和S10站位，這應(yīng)該是由于S8、S9和S10站水深較淺，受外界擾動后垂向混合比較充分的原因。

表3各測站潮流實(shí)測最大速度統(tǒng)計(jì)表（單位:m/s）

表4各測站各層潮流實(shí)測平均速度統(tǒng)計(jì)表（單位:m/s）

圖3大潮期間垂向平均海流矢量圖

圖4中潮期間垂向平均海流矢量圖

3.2.3海流矢量分析

對研究海域海流矢量進(jìn)行分析，繪制出大、中、小潮3個潮次的垂向平均海流矢量圖分別如圖3、圖4和圖5所示。

由圖3至圖5可知：大、中、小潮期間，10個站位處的潮流表現(xiàn)出往復(fù)流的性質(zhì)，流軸在S3、S6、S7和S10四個站位處，大體為NNW—SSE向，S5和S9號站為N—S向，而在S1、S2、S4和S8四個站位處則表現(xiàn)為NNE—SSW向。通過對比相關(guān)海圖資料可以發(fā)現(xiàn)，觀測所得的潮流流軸方向，基本與該海域的等深線一致，這說明水深對該海域的潮流流向的影響非常重要。

3.2.4潮流調(diào)和分析

（1）潮流橢圓要素

由計(jì)算所得各分潮潮流橢圓長軸長、短軸長及長軸向可知，各主要分潮流基本以O(shè)1和K1全日分潮流為主，其次是M2半日分潮流，S2半日分潮流、M4四分之一分潮和MS4復(fù)合潮均較小。O1全日分潮流和K1全日分潮流最大流速（長半軸）的最大值分別為0.857 m/s（S7測站表層）和0.663 m/s（S3測站0.4倍深度層）。

圖5小潮期間垂向平均海流矢量圖

各站不同層次橢圓率的計(jì)算結(jié)果如表5所示，可以看出：橢圓率值很小，潮流屬往復(fù)流性質(zhì)。值的正負(fù)反映的是潮流橢圓的旋轉(zhuǎn)方向，當(dāng)值為正時，逆時針方向旋轉(zhuǎn)；當(dāng)為負(fù)值時，順時針方向旋轉(zhuǎn)。表5可以看出：不同層次潮流橢圓的旋轉(zhuǎn)方向有一定差別，由于該海灣潮流較弱，因此不同層次之間的補(bǔ)償性海水流動比較顯著，從而體現(xiàn)在潮流橢圓的旋轉(zhuǎn)方向，不同層次之間不完全一致?？偟目磥?，順時針旋轉(zhuǎn)與逆時針旋轉(zhuǎn)數(shù)目基本相等。

表5觀測海域各測點(diǎn)潮流橢圓率表

（2）最大可能潮流流速

根據(jù)《港口工程技術(shù)規(guī)范》的規(guī)定，10個站位處的最大可能潮流計(jì)算結(jié)果如表6所示。

由計(jì)算結(jié)果可以看出：可能最大潮流流速以風(fēng)電場南側(cè)水域的S7測站的表層為最大，為2.58 m/s。由表5還可以看出，最大可能速度由表到底逐漸變小。各測站層可能最大流速介于0.92—2.58 m/s之間?？傮w來看，S1、S2、S3和S7測站的可能最大流速比其他站位要大，這4個測站的垂線平均可能最大流速在2.02—2.39 m/s之間；其他（S4、S5、S6、S8、S9和S10）6個測站，垂向平均可能最大流速在1.12—1.80 m/s之間。

表6各測站潮流最大可能流速（單位:m/s）

表7觀測海域各測站余流統(tǒng)計(jì)表（速度:m/s）

（3）余流

余流一般指實(shí)測海流扣除周期性潮流后所剩留部分［11］，本次全潮觀測大、中、小潮觀測的總體余流計(jì)算結(jié)果如表7所示：從計(jì)算結(jié)果來看，各站垂線平均余流速度均較小，變幅在0.06—0.20 m/s之間。觀測海區(qū)垂向平均余流流速，S7和S6測站為最大，平均約為0.20 m/s，其次是S2測站為0.19 m/s，S4測站處的余流最小，垂向平均為0.06 m/s。本次觀測10個站位的余流矢量圖如圖6所示，在觀測時間段內(nèi)，該海域余流方向基本為由南流向北。在3個潮次的觀測中，我們同時在S5和S6兩個站位進(jìn)行了風(fēng)速風(fēng)向觀測，觀測結(jié)果顯示：在觀測時間段內(nèi)，兩個站位處的平均風(fēng)向分別為171°和169°，這與觀測得到的余流方向也基本一致，因此可以推測，圖6的余流矢量分布圖，在很大程度上是受大氣強(qiáng)迫的影響。該海域受季風(fēng)影響明顯，冬季風(fēng)向會發(fā)生變化，在冬季，該海域的余流方向仍然值得進(jìn)一步研究。

圖6余流矢量圖

4　結(jié)語

（1）該海域外海潮汐性質(zhì)為不規(guī)則全日潮而近岸為規(guī)則全日潮；各測站海流垂線平均的振幅比F值在3.91—10.47之間，平均為6.29，潮流同時具有規(guī)則和不規(guī)則半日潮流性質(zhì)，以規(guī)則全日潮流為主；

（2）觀測期間實(shí)測最大流速為1.57 m/s；同時，各測站流速隨著深度的增加逐漸變小。經(jīng)計(jì)算，最大可能速度由表到底逐漸變小，各測站層可能最大流速介于0.92—2.58 m/s之間；

（3）由計(jì)算所得各分潮潮流橢圓長軸長、短軸長及長軸向可知，各主要分潮流基本以O(shè)1和K1全日分潮流為主，不同層次潮流橢圓的旋轉(zhuǎn)方向有一定差別，但總的來說，順時針旋轉(zhuǎn)與逆時針旋轉(zhuǎn)數(shù)目基本相等；

（4）本次全潮觀測大、中、小潮觀測的總體余流計(jì)算結(jié)果表明，各站垂線平均余流速度均較小，變幅在0.06—0.20 m/s之間。觀測海區(qū)垂向平均余流流速，S7和S6測站為最大，平均約為0.20 m/s，其次是S2測站為0.19 m/s，S4測站處的余流最小，垂向平均為0.06 m/s；

（5）基于實(shí)測數(shù)據(jù)，對海南島西南海域進(jìn)行潮汐和潮流的觀測特征分析，所得結(jié)論對該海域的水動力環(huán)境研究具有重要的參考意義。

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中圖分類號：P731.23

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1003-0239（2016）02-0045-08

DOI:10.11737/j.issn.1003-0239.2016.02.007

收稿日期：2015-08-04

基金項(xiàng)目：中國國電海上風(fēng)電技術(shù)開發(fā)項(xiàng)目“海南東方海上風(fēng)電場浪-潮-流同步觀測及實(shí)時數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)開發(fā)”

作者簡介：李近元（1984-），男，博士研究生，工程師，主要從事海上風(fēng)電開發(fā)技術(shù)研究。E-mail:lijinyuan84@126.com

Characteristics of the observed tide and tidal current at the southwest of Hainan Island

LI Jin-yuan1，2，3，F(xiàn)ANG Nian-qiao1，ZHANG Ji2，3，XUE Yu-long4，WANG Xue-mu4，YUAN Xiao-bo1
（1.China university of Ggosciences，School of ocean sciences，Beijing 100083 China；2.Marine Geology and Hydrology Research Laboratory，Guodian New Energy Technology Research Institute，Beijing 102209 China；3.Zhong Neng Power-Technology Development Company Limited，Beijing 100034 China；4.Marine Geological Institute of Hainan Province，Haikou 570206 China）

Abstract：In-situ observation is an important method to study the ocean dynamical environment.In order to study the characteristics of tide and tidal current at the southwest of Hainan Island，the tide and tidal current observations were carried out during the large，middle and neap tide times in the studed area.Based on the observed data，tide and tidal current characteristics in the study area were analyzed.The results show that it is irregular diurnal tide off the coast and regular diurnal tide along the coast.The measured maximum current speed was 1.57 m/s，and the residual current could reach 0.20 m/s.The calculated maximum probable velocity of the current is 2.58m/s among the 10 stations，and the main component of the tidal current is O1 and K1.The rotation direction of the tidal current component at different levels can be clockwise and counterclockwise，which are basically the same proportion.The findings in this paper have important implications for the study on hydrodynamic environment at this area.

Key words：Hainan；ocean observation；tide；tidal current.