基于海床基觀測(cè)資料的遼東灣東部海流特征研究

趙 騫，陳 超，丁德文，陳偉斌

(1. 國(guó)家海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)中心，遼寧 大連 116023；2.國(guó)家海洋局第一海洋研究所，山東 青島 266061；3. 上海海洋大學(xué) 海洋科學(xué)學(xué)院，上海 201306)

基于海床基觀測(cè)資料的遼東灣東部海流特征研究

趙 騫1,2，陳 超3,1，丁德文2，陳偉斌1

(1. 國(guó)家海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)中心，遼寧 大連 116023；2.國(guó)家海洋局第一海洋研究所，山東 青島 266061；3. 上海海洋大學(xué) 海洋科學(xué)學(xué)院，上海 201306)

基于海床基觀測(cè)平臺(tái)，對(duì)2010年秋季遼東灣東部海域的海流開(kāi)展連續(xù)觀測(cè)，并運(yùn)用譜分析和調(diào)和分析方法對(duì)該海域的潮流和余流特征進(jìn)行研究。結(jié)果表明：遼東灣東北部潮流屬于規(guī)則半日潮流；而中東部和東南部?jī)烧境绷鲗儆诓灰?guī)則半日潮流。三個(gè)站位優(yōu)勢(shì)分潮流均為M2分潮，并呈往復(fù)流特征；其最大流速介于38～55 cm/s之間，流向?yàn)闁|北-西南，最大流速發(fā)生時(shí)刻隨深度增加而提前。最大可能潮流流速介于91～142 cm/s，流向與岸線走向大致平行。秋季遼東灣東部沿岸余流整體較弱，流向以西南向?yàn)橹?，從北往南三站余流流速分別約為3～5 cm/s，3 cm/s和2～5.5 cm/s。

遼東灣；譜分析；潮流；余流；海床基

Abstract: Based on the seabed based platform, we continuously observed ocean current, and then analyzed characteristics of tidal and residual currents by means of spectral and harmonic analysis in the east of Liaodong Bay in the autumn of 2010. The results showed that the tidal current in the northeast of Liaodong Bay was a regular semidiurnal one, while the tidal current in the mid-east as well as at the eastern part of the bay mouth was irregular semidiurnal; the dominant tidal current constituent was M2which flowed rectilinearly in the direction of northeast-southwest with the maximum speed of 38～55 cm/s; the moment of maximum M2tidal current was advanced with depth; the maximum possible velocity of tidal current ranged from 91 cm/s to 142 cm/s, and the direction paralleled to the coastline approximately; and the residual current was feeble in the eastern area of Liaodong Bay and mainly directed southwestward, with the typical velocity of 3～5cm/s, 3 cm/s and 2～5.5 cm/s from north to south, respectively.

Keywords: Liaodong Bay; spectral analysis; tidal current; residual current; seabed based platform

遼東灣是渤海的三大海灣之一，面積約3.6×104km2，灣口以河北大清河口至遼東半島西南端的老鐵山岬連線為界。遼東灣內(nèi)海流主要由潮流、入海徑流和風(fēng)海流組成，且存在季節(jié)性的環(huán)流系統(tǒng)[1]。趙保仁等[2]基于普查資料的再分析認(rèn)為，調(diào)查期間遼東灣環(huán)流除1959年表現(xiàn)為逆時(shí)針形態(tài)外，其他時(shí)間均表現(xiàn)為順時(shí)針流動(dòng)特征。此后，研究人員基于現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)對(duì)遼東灣局部海域的水動(dòng)力特征進(jìn)行了研究[3-6]，并利用投放人工水母的辦法初步估算了渤海及遼東灣底層環(huán)流的特征[7]。在觀測(cè)基礎(chǔ)上，科研人員也基于數(shù)值模擬技術(shù)對(duì)遼東灣的海流特征及機(jī)制進(jìn)行了研究[8-11]，并認(rèn)為遼東灣的環(huán)流具有顯著的季節(jié)性特征。上述工作為我們進(jìn)一步認(rèn)識(shí)遼東灣的海流及其它水動(dòng)力特征打下了良好的基礎(chǔ)。但由于缺乏長(zhǎng)期連續(xù)的實(shí)測(cè)資料，針對(duì)遼東灣冬夏季的環(huán)流特征尚未達(dá)成一致觀點(diǎn)，對(duì)秋春季的環(huán)流研究還未開(kāi)展。

遼東灣東部海域位于遼東半島西側(cè)，沿岸有大清河、熊岳河、復(fù)州河和鞍子河等徑流匯入，是遼東灣與黃海進(jìn)行水交換的重要通道[12]。這里利用海床基平臺(tái)，在對(duì)秋季遼東灣東部代表性站點(diǎn)長(zhǎng)期同步觀測(cè)的基礎(chǔ)上，利用譜分析和調(diào)和分析的方法對(duì)該海域的潮流、余流特征進(jìn)行了研究，并估算了調(diào)查期間遼東灣環(huán)流的形態(tài)。通過(guò)該研究，不僅有助于豐富對(duì)遼東灣及渤海環(huán)流的認(rèn)識(shí)，也可為遼東灣沿岸海洋環(huán)境綜合防治提供科學(xué)依據(jù)。

圖1 海床基平臺(tái)位置Fig. 1 Location of seabed based platform

1 資料與方法

觀測(cè)資料來(lái)源于2010年秋季投放于該海域東北部、中東部和東南部的三個(gè)海床基平臺(tái)(站名分別以A、B、C表示，如圖1所示)，各平臺(tái)均配置一臺(tái)ADCP以獲取海流剖面，觀測(cè)對(duì)象、儀器(型號(hào))、采樣間隔和局地水深等信息如表 1所示。鑒于ADCP上盲區(qū)、海平面起伏及海浪效應(yīng)對(duì)海洋上層流動(dòng)的影響，文中的觀測(cè)剖面表層取為海平面以下約4 m處。此外，A、B、C三站的觀測(cè)剖面底層分別設(shè)置為距換能器1.9 m、1.9 m和2.1 m，考慮到ADCP換能器距海底約0.5 m，因此，三站觀測(cè)剖面底層的實(shí)際高度分別為距海底2.4 m、2.4 m和2.6 m。對(duì)所采集的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行質(zhì)量控制后，選取2010年10月1日至11月30日時(shí)間段的同步觀測(cè)資料來(lái)研究各站的潮流和余流特征。

利用Pawlowicz等[13]提供的T_TIDE程序包對(duì)潮流進(jìn)行分析，該程序用調(diào)和分析方法來(lái)計(jì)算海流時(shí)間序列中包含的周期性潮流成分。它的優(yōu)點(diǎn)包括：根據(jù)觀測(cè)時(shí)間計(jì)算交點(diǎn)因子；對(duì)因資料長(zhǎng)度限制而無(wú)法分離的次要分潮，可通過(guò)它們和主要分潮的差比關(guān)系將其分離；對(duì)計(jì)算所得的分潮作顯著性檢驗(yàn)；計(jì)算出各分潮流的橢圓要素，如長(zhǎng)軸、短軸、旋轉(zhuǎn)率、最大流速方向和遲角等。文中使用的功率譜估計(jì)是非參數(shù)化方法中較為常用的韋爾奇(Welch)方法，該方法通過(guò)除以樣本長(zhǎng)度，確保估計(jì)值是漸進(jìn)無(wú)偏的。

表1 觀測(cè)站位背景信息Tab. 1 Background information of observation stations

2 結(jié)果分析

2.1 潮流

2.1.1 海流旋轉(zhuǎn)譜

海流旋轉(zhuǎn)譜可分為順時(shí)針譜和逆時(shí)針譜，它們分別反映了海流順時(shí)針和逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)分矢量的能量分布情況。從各站表、中、底層的旋轉(zhuǎn)譜(圖2)可以看出，頻率為0.08 cph附近的海流波動(dòng)信號(hào)最強(qiáng)，對(duì)應(yīng)著半日分潮流。各站表層半日分潮流的順時(shí)針旋轉(zhuǎn)波動(dòng)信號(hào)均略強(qiáng)于逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)波動(dòng)信號(hào)，表明表層半日分潮流按順時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)；中層，C站半日分潮流呈順時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)，其余兩站呈逆時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)；底層半日分潮流均按逆時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)。此外，頻率為0.04 cph附近的波動(dòng)信號(hào)亦較強(qiáng)，對(duì)應(yīng)全日分潮流。A站和B站表、中、底三層全日分潮流均為順時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)；C站表層和中層全日分潮流呈順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，底層則呈逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)。此外，圖中所示的逆時(shí)針和順時(shí)針旋轉(zhuǎn)譜均未表現(xiàn)出顯著的慣性周期譜鋒，主要是由于研究海域水深較淺且離岸較近，海流運(yùn)動(dòng)受科氏力的影響不明顯。

圖2 海流旋轉(zhuǎn)譜Fig. 2 Rotational spectrum of current

2.1.2 橢圓要素的垂向分布

利用T_TIDE程序包計(jì)算潮流東分量和北分量的調(diào)和常數(shù)，并在此基礎(chǔ)上計(jì)算潮流橢圓要素。從各分潮流的調(diào)和常數(shù)中可以看出，最顯著的半日分潮流為M2分潮流，最顯著的全日分潮流為K1分潮流，據(jù)此文中給出遼東灣東部各站M2、K1分潮流的最大流速、旋轉(zhuǎn)率、最大流速方向和最大流速發(fā)生時(shí)間的垂向分布(圖3、圖4)。

圖3 M2分潮流橢圓要素Fig. 3 Ellipse elements of M2 tidal current component

圖4 K1分潮流橢圓要素Fig. 4 Ellipse elements of K1 tidal current component

如圖3、4所示，A、B、C三站M2分潮流流速范圍分別為43～54 cm/s、43～55 cm/s 、38～54 cm/s。A站和C站M2分潮流流速的最大值都出現(xiàn)在表層，最小值出現(xiàn)在底層；B站流速的最大值則出現(xiàn)在表層以下的7 m處，流速最小值同樣位于底層。三站流速最大值近乎相同，且靠近底部部分的流速基本呈指數(shù)變化，越靠近海底流速越小，這是由于海底摩擦作用的結(jié)果。A、B、C三站K1分潮流最大流速范圍為8.5～9.8 cm/s、11.5～16.3 cm/s 、16.1～26.8 cm/s，可以看出越靠近遼東灣口最大流速越大。各站最大流速垂直變化情況同與之對(duì)應(yīng)的M2分潮流最大流速變化趨勢(shì)相似，A站和C站的最大值出現(xiàn)在表層，B站的最大值出現(xiàn)在6 m層，從最大值所在水層往下，最大流速隨深度增加逐漸減小。

旋轉(zhuǎn)率k又稱之為橢圓率，是潮流運(yùn)動(dòng)形式的反映。當(dāng)k>0時(shí)，潮流呈逆時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)；反之則呈順時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)。三站M2分潮流的旋轉(zhuǎn)率介于-0.04～0.06之間，隨深度增加而增大。A站表層至7 m層呈順時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)，7 m層以下則呈逆時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)；B站表層至6 m層呈順時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)，6 m層以下呈逆時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)；C站表層至24 m層呈現(xiàn)順時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)，24 m層以下則轉(zhuǎn)為逆時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)。K1分潮流旋轉(zhuǎn)率的垂向變化較為復(fù)雜，A站和B站各層均呈順時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)；C站18 m層以上呈順時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)，18 m層以下則呈逆時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)。三站旋轉(zhuǎn)率隨深度增加均呈現(xiàn)增大的趨勢(shì)。Qiao等[5]的研究認(rèn)為遼東灣頂部M2分潮流表層和底層均呈逆時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)，K1分潮流表層為順時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)，而底層為逆時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)，這與本文研究結(jié)果有所不同。除了觀測(cè)位置不完全一致外，其可能原因是兩者海流觀測(cè)方式及數(shù)據(jù)長(zhǎng)度不同，前者基于船載海流計(jì)觀測(cè)，觀測(cè)時(shí)間為1周左右；而本文基于坐底式ADCP觀測(cè)且持續(xù)兩月，因此導(dǎo)致數(shù)據(jù)分析結(jié)果有所不同。研究表明，如果上層潮流是逆時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)的，則隨深度增加旋轉(zhuǎn)率將變大，即橢圓將越來(lái)越圓；如果上層潮流是順時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)，則下層的潮流橢圓將變扁，甚至可能變成逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)[13]，文中各站旋轉(zhuǎn)率的變化趨勢(shì)均符合上述觀點(diǎn)。

A、C兩站M2分潮流最大流速方向隨深度增加向右偏，底層比表層分別右偏約1.7°、1.8°；而B(niǎo)站自7 m以下最大流速方向隨深度增加向左偏，底層比表層左偏1.2°。A、C兩站K1分潮流最大流速方向隨深度增加向左偏，底層相對(duì)表層分別左偏5.2°和8.4°；而B(niǎo)站僅7 m層以下最大流速方向隨深度增加呈左偏趨勢(shì)，底層與7 m層相比左偏約2.2°。方國(guó)洪[14]的研究認(rèn)為，分潮流最大流速方向的垂向變化取決于分潮角頻率σ和科氏參量f。當(dāng)σ>f時(shí)，變動(dòng)較小；當(dāng)σf的條件，各站最大流速方向的垂向分布規(guī)律不盡相同，但總體上變化幅度較??；K1分潮流滿足σ

M2分潮流最大流速發(fā)生時(shí)間的垂向分布趨勢(shì)在各站大致相同，即隨深度增加發(fā)生時(shí)間提前，底層最大流速發(fā)生時(shí)間比表層提前15～30 min。A站和C站K1分潮流最大流速發(fā)生時(shí)間的變化與M2分潮流相比變化較小，B站最大流速發(fā)生時(shí)間從上到下先延后然后又提前。方國(guó)洪[14]指出最大流速發(fā)生時(shí)間的垂向變化也決定于σ和f的相對(duì)大小，當(dāng)σ>f時(shí)，隨著接近海底時(shí)間提前，當(dāng)σ

2.1.3 潮流類型

潮流類型通常是以全日、半日分潮流最大流速的比值F=(WO1+WK1)/WM2作為判別指標(biāo)[15]。F≤0.5為規(guī)則半日潮流，0.54.0為規(guī)則全日潮流。另外，文中還通過(guò)計(jì)算G=(WM4+WMS4)/WM2的大小來(lái)衡量淺水分潮流在總潮流中的影響，當(dāng)G>0.04時(shí)認(rèn)為淺水分潮比較顯著。三個(gè)沿岸站點(diǎn)F，G值的垂向分布如圖5所示，可以看出，A站各層的F值在0.31～0.33之間，其潮流類型屬于規(guī)則半日潮流；B站、C站各層的F值分別介于0.53～0.60及0.77～0.91之間，潮流類型屬于不規(guī)則半日潮流。A站各層G值在0.05～0.06之間，淺水分潮較為顯著；B、C兩站的G值范圍為0.016～0.04，淺水分潮不顯著。上述計(jì)算結(jié)果表明，在遼東灣東部海域，越靠近灣頂半日分潮流在潮流中所占的比重越大，這與Qiao等[5]的研究結(jié)果一致；此外，由于靠近灣頂水深變淺，潮流的淺水效應(yīng)逐步顯著。

2.1.4 最大可能潮流

根據(jù)《海港水文規(guī)范》[16]，最大可能潮流采用公式：

及

進(jìn)行計(jì)算。對(duì)于規(guī)則半日潮流區(qū)，采用式(1)計(jì)算；對(duì)于不規(guī)則半日潮流區(qū)，則首先按式(1)、(2)分別計(jì)算，然后取兩者中的大值作為最大可能潮流。從圖6可以看出，三個(gè)站位最大可能潮流流速的分布特征與上述M2、K1分潮流最大流速的特征基本相同，即A站和C站最大值都出現(xiàn)在表層，B站最大值出現(xiàn)在7 m層，最大值以下流速隨深度的增加而減小，至底層流速達(dá)到最小。其中，A、C兩站表層和底層的最大可能潮流流速分別為111.64 cm/s、91.79 cm/s及142.50 m/s、92.15 cm/s；B站7 m層和底層最大可能潮流流速分別為124.19 cm/s和97.30 cm/s。各站最大可能潮流流向整體變化幅度較小，除B站7 m以上水層外，其余水層均呈現(xiàn)隨深度增加而減小的趨勢(shì)，A、C兩站底層比表層分別左偏0.51°和2.69°；B站底層比7 m層左偏約1.7°。由計(jì)算結(jié)果可知，三個(gè)站位最大可能潮流流速均大于90 cm/s，屬于強(qiáng)潮流區(qū)；流向整體變化較小，表現(xiàn)出與岸線近乎平行的特征。

圖5 潮流性質(zhì)判據(jù)Fig. 5 Criteria of tidal current property

圖6 最大可能潮流Fig. 6 Maximum probable tidal current

2.2 余流

余流是海水的定常運(yùn)動(dòng)，它對(duì)水體及污染物的長(zhǎng)期輸運(yùn)具有重要意義。將實(shí)測(cè)海流減去周期性潮流部分，獲得余流的時(shí)間序列；然后將其在觀測(cè)時(shí)段內(nèi)取平均，從而得到2010年秋季遼東灣東部沿岸3個(gè)站點(diǎn)的平均余流(圖7)。從圖中可以看出，受岸線和地形影響，遼東灣東北部余流的垂向分布特征較為復(fù)雜，表層余流流速約為4 cm/s，流向?yàn)槲髂舷?；隨著深度的增加，流速至中層逐漸減小至3 cm/s，流向由表層的247.2°逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)至中層的203.2°；中層以下流速維持在3 cm/s，流向由西南向逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)為東南向，呈向岸流動(dòng)的特征。中東部余流流速介于2～3 cm/s之間，最大流速出現(xiàn)在7米水層；流向在垂向上均為西南向。西南部表層余流流速約為5 cm/s，隨著深度的增加，流速先增大后減小，在18 m層附近流速達(dá)到最大，約為5.5 cm/s，18 m層以下流速開(kāi)始逐漸減小，至底層流速達(dá)到最小約為2.0 cm/s；流向在垂向各層均為西南向。上述觀測(cè)結(jié)果表明：秋季遼東灣東部沿岸的余流較弱，流速在2～5.5 cm/s之間；流向除東北部中層以下及中東部表層外，其余部分均為西南向，表現(xiàn)出與遼東灣東部岸線平行的特征。由此可進(jìn)一步推斷遼東灣秋季環(huán)流具有順時(shí)針流動(dòng)的特征，這與趙保仁等[2]和吳冠等[4]的研究結(jié)論較為符合。

圖7 余流的垂向分布Fig. 7 Vertical distribution of residual current

3 結(jié) 語(yǔ)

利用海床基觀測(cè)平臺(tái)，獲得2010年秋季遼東灣東部沿岸的水動(dòng)力連續(xù)觀測(cè)資料，在此基礎(chǔ)上對(duì)該海域的潮流、余流特征進(jìn)行研究，主要結(jié)論如下：

1)三個(gè)站位M2分潮流最大流速介于38～55 cm/s之間，A、C兩站最大值出現(xiàn)在表層，B站出現(xiàn)在7 m層，流向垂向變幅在2°以內(nèi)；最大流速發(fā)生時(shí)刻隨深度增加而提前，底層比表層提前約15～30 min。東部沿岸潮流均屬于往復(fù)流，漲、落潮流的方向與遼東灣東岸岸線走向一致。最大可能潮流流速介于91～142 cm/s之間，流向與岸線走向大致平行。

2)A站潮流屬于規(guī)則半日潮流，淺水分潮較為顯著；B、C兩站潮流屬于不規(guī)則半日潮流，淺水分潮不顯著。

3)秋季，遼東灣東部沿岸的余流整體較弱。其中，東北部余流流速為3～5 cm/s，流向由表層的西南向逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)至底層的東南向；中東部余流流速為3 cm/s，流向除表層外，其余各層均為西南向；西南部余流流速介于2～5.5 cm/s之間，流向均為西南向。由此可推斷秋季遼東灣環(huán)流具有順時(shí)針流動(dòng)的特征。

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Study on coastal current characteristics in the eastern area of Liaodong Bay based on the observed data from seabed based platform

ZHAO Qian1,2， CHEN Chao3,1， DING Dewen2， CHEN Weibin1

(1. National Marine Environmental Monitoring Center, Dalian 116023, China; 2. The First Institute of Oceanography, State Oceanic Administration, Qingdao 266061, China; 3. Shanghai Ocean University, College of Marine Science, Shanghai 201306, China)

1005-9865(2016)04-0118-07

P731.21

A

10.16483/j.issn.1005-9865.2016.04.016

2015-09-30

海洋公益性行業(yè)科研專項(xiàng)(200905007，201305043)；國(guó)家海洋局環(huán)保項(xiàng)目“渤海環(huán)境立體監(jiān)測(cè)和動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)專項(xiàng)”

趙 騫(1978-)，男，江蘇蘇州人，副研究員，從事近海環(huán)境動(dòng)力學(xué)研究。E-mail：qzhao@nmemc.org.cn