基于地波雷達(dá)觀測資料的爛沙洋海域表層海流特征研究

吉會峰，李用留，高清清，朱建斌，劉吉堂

（國家海洋局南通海洋環(huán)境監(jiān)測中心站，江蘇南通226005）

基于地波雷達(dá)觀測資料的爛沙洋海域表層海流特征研究

吉會峰，李用留，高清清，朱建斌，劉吉堂

（國家海洋局南通海洋環(huán)境監(jiān)測中心站，江蘇南通226005）

利用江蘇如東海域地波雷達(dá)獲得的長期的海流觀測資料對爛沙洋海域表層海流特征和余流特征進(jìn)行了分析。資料分析結(jié)果表明：本海域表層海流總體上呈西北-東南向，海域潮流動力較為強(qiáng)勁，各月最大流速介于125～150 cm/s；各月漲潮平均流速介于39～63 cm/s，落潮平均流速介于37～64 cm/s；表層潮流為正規(guī)半日潮，M2分潮為最主要分潮，潮流為往復(fù)流；東西向潮流流速大于南北向，東西向潮流最大流速為114 cm/s左右，南北向潮流最大流速為62 cm/s左右；該海域余流基本上呈現(xiàn)西向-南向流動，逐時余流方向頻率方向為S向或SSW向。

海流；地波雷達(dá)；調(diào)和分析；余流

1 引言

南黃海輻射沙洲位于江蘇海岸以東，自弶港向外呈輻射狀分布，其面積寬廣，南北長約200 km，東西寬約90 km。該海域處于東海前進(jìn)潮波與黃海旋轉(zhuǎn)潮波的輻合帶，由于潮波輻聚，波能集中，使得該區(qū)潮差大、潮流強(qiáng)，屬強(qiáng)潮區(qū)。輻射沙洲區(qū)域脊槽相間，地形復(fù)雜，是南黃海獨特的地貌類型。

爛沙洋潮流通道位于輻射沙脊群南部西太陽沙和鰳魚沙之間，是輻射沙洲沙基間的一個潮流深槽，被火星沙、大洪埂子、太陽沙分成南水道、中水道和北水道，爛沙洋槽寬水深，水道深槽離岸較近，是開發(fā)建設(shè)深水航道的理想地方[1]，爛沙洋北水道和南水道已成為江蘇如東海域重要的航運通道。

海流是海洋動力研究中的重要參數(shù)，是形成和維持輻射沙脊群的主要動力，余流對長期物質(zhì)的輸移具有指示作用。對輻射沙洲海域潮流和余流特征的研究對了解輻射沙洲海域地形地貌形成與演變及物質(zhì)的長期輸運特征都具有十分重要的意義。不少學(xué)者對南黃海海域的水文動力狀況作了大量工作，在以往的研究主要通過短期現(xiàn)場觀測資料和數(shù)值模擬來研究潮流對沙脊發(fā)育的動力作用、沿岸流特征及對物質(zhì)輸運的影響[2-6]。高頻地波雷達(dá)（HF Surface Wave Radar）是當(dāng)今國際上海洋觀測的先進(jìn)設(shè)備，利用海洋表面對高頻電磁波的一階散射和二階散射機(jī)制[7-9]，可以從雷達(dá)回波中提取風(fēng)場、浪場、流場等海況信息，實現(xiàn)對海洋環(huán)境大范圍、高精度和全天候的實時監(jiān)測，已成為重要的海洋觀測手段[10-12]。

本文根據(jù)地波雷達(dá)在爛沙洋海域獲取的長期海流觀測資料，利用matlab軟件編寫程序進(jìn)行分析，研究該海域潮流及長期余流分布特征及變化規(guī)律，為該海域深水航道的開發(fā)建設(shè)、地形演變研究及污染物質(zhì)的漂移擴(kuò)散研究等工作提供有益的參考。

2 雷達(dá)觀測資料

OSMAR-S型系列便攜式高頻地波雷達(dá)是一種相干散射雷達(dá)，它利用高頻電磁波隨水面?zhèn)鞑サ奶攸c，探測海洋表面流的反射回波信號，利用海洋波浪對高頻電波的傳輸和衰減的特性，對雷達(dá)接收信號進(jìn)行預(yù)處理，再結(jié)合雷達(dá)分辨率計算對應(yīng)回波處的海洋徑向表面流速。通過間隔一定距離的雙站雷達(dá)同時獲得同一地點的不同方向的徑向流，采用矢量合成的方法，獲得該點的矢量流。與傳統(tǒng)的儀器相比其具有探測范圍廣、分辨率高、全天候等諸多優(yōu)勢。

南通地波雷達(dá)站系統(tǒng)分為3個部分：洋口、呂四兩個分站點，南通中心站一個數(shù)據(jù)處理集成中心。呂四大唐電廠地波雷達(dá)站和如東洋口港地波雷達(dá)站相距約58 km；地波雷達(dá)站的采樣點（雷達(dá)元）以等間隔的距離（2.5 km）和角度（徑向流3°）分辨率在覆蓋海域分布；雷達(dá)單站采樣頻率為每6 min一次，合成后的海流采樣間隔為20 min。雷達(dá)建成運行后獲得了大量該海域連續(xù)的表層海流觀測資料。

便攜式高頻地波雷達(dá)的主要技術(shù)指標(biāo)如表1所示。

表1 便攜式高頻地波雷達(dá)OSMAR-S的主要技術(shù)指標(biāo)

2012年，國家海洋局南通海洋環(huán)境監(jiān)測中心站對地波雷達(dá)站進(jìn)行測流比對。在地波雷達(dá)高精度探測區(qū)內(nèi)，通過海上3個點的定點ADCP海流觀測和一個點的漂流浮標(biāo)觀測與雷達(dá)反演的同步海流資料進(jìn)行比對分析，獲取了該海域地波雷達(dá)測量表層海流的準(zhǔn)確度信息。對比分析表明，地波雷達(dá)測流結(jié)果與ADCP及漂流浮標(biāo)測流結(jié)果吻合較好，地波雷達(dá)測流與ADCP測流結(jié)果誤差最小水深層次基本在0.5 m層。地波雷達(dá)與ADCP測量結(jié)果相比，流速平均誤差為-7.58 cm/s，兩者相關(guān)系數(shù)為0.70，流向平均誤差為-2.53°，兩者相關(guān)系數(shù)為0.91。OSMAR-S地波雷達(dá)蘇北淺灘海域測量表層流是可行的，誤差基本在可接受范圍之內(nèi)[13]。

本文結(jié)合爛沙洋海域地形和水動力條件，在地波雷達(dá)的有效探測范圍內(nèi)，取位于爛沙洋海域靠近雷達(dá)系統(tǒng)高精度探測區(qū)中心附近具有較大代表性的A點、B點和C點，對獲取的海流資料進(jìn)行分析。其中，A點位于爛沙洋中部區(qū)域，周圍平均水深約15 m；B點位于爛沙洋北水道區(qū)域，其北側(cè)為太陽沙，南側(cè)為大洪埂子，周圍平均水深約17 m；C點位于爛沙洋南水道小洪區(qū)域，其北部為火星沙，周圍平均水深約13 m。本文選取2013年1月1日—2013年12月31日全年的表層海流觀測資料進(jìn)行分析。

當(dāng)前我國計算機(jī)技術(shù)與過去相比已經(jīng)有了明顯的變化，無形之中也加快了我國進(jìn)入知識信息時代的進(jìn)程。電子計算機(jī)技術(shù)與網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)的廣泛使用不僅降低了機(jī)關(guān)事業(yè)單位的工作成本，而且也很大程度的提升了工作的效率與質(zhì)量，實現(xiàn)了時間的合理運用。所以，把網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)與電子計算技術(shù)運用到機(jī)關(guān)事業(yè)單位的管理會計系統(tǒng)中是非常有必要的，但需要有專業(yè)的機(jī)構(gòu)人員來進(jìn)行培訓(xùn)，從而實現(xiàn)管理會計的現(xiàn)代化與專業(yè)化，實現(xiàn)我國機(jī)關(guān)事業(yè)單位的可持續(xù)發(fā)展。

3 潮流特征分析

3.1 實測海流特征

對各月實測海流資料進(jìn)行統(tǒng)計特征分析：由實測海流數(shù)據(jù)可以看出，本海域潮流基本為往復(fù)流，流向總體上呈西北-東南向，漲落潮流向比較集中，落潮流相基本集中在100°～130°，漲潮流向基本集中在270°～300°；海域潮流動力較為強(qiáng)勁，全年實測最大流速150 cm/s。

圖2 海流探測范圍示意圖（黃色為高精度區(qū)）

表2 A點實測各月最大流速、漲落潮平均流速

圖3 A點實測各月最大流速、漲落潮平均流速變化曲線

對各月實測海流數(shù)據(jù)進(jìn)行矢量平均，可得平均漲落潮流速和流向：A點各月漲潮平均流速介于44～61 cm/s，全年漲潮平均流速54 cm/s；落潮平均流速介于43～62 cm/s，全年落潮平均流速53 cm/s。B點各月漲潮平均流速介于45～63 cm/s，全年漲潮平均流速55 cm/s；落潮平均流速介于45～64 cm/s，全年落潮平均流速56 cm/s。C點各月漲潮平均流速介于39～61 cm/s，全年漲潮平均流速50 cm/s；落潮平均流速介于37～58 cm/s，全年落潮平均流速48 cm/s。

由分析結(jié)果可以看出本海域表層海流平均漲落和潮流速之間相差不大，從全年平均來看，位于爛沙洋北水道的B點平均漲、落潮流速最大，位于爛沙洋南水道的C點平均漲、落潮流速最小，這可能是由于B點所處位置位于東西向兩沙之間，水道狹窄且水深較深，而C點所處位置受南北向沙脊的影響且水深較淺所致。

3.2 潮流調(diào)和分析

潮流調(diào)和分析將不同的天文潮的頻率固定，將海水的流動分解成不同天文分潮作用引起的流動，只要足夠長的時間序列，就能將頻率相近的潮流完全進(jìn)行分立，得到每個天文分潮的橢圓要素[14]。本文采用Pawlowicz等[15]提供的潮流調(diào)和分析程序包對實測海流數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)和分析。

表3 B點實測各月最大流速、漲落潮平均流速

圖4 B點實測各月最大流速、漲落潮平均流速變化曲線

表4 C點實測各月最大流速、漲落潮平均流速

圖5 C點實測各月最大流速、漲落潮平均流速變化曲線

表5 主要分潮橢圓要素

由調(diào)和分析可得各分潮的長軸、短軸、偏角等橢圓要素，本文選取其中8個主要分潮，這8個主要分潮按長軸大小排列分別為：M2、S2、N2、K2、K1、M4、O1、MS4，其橢圓要素見表5。表中橢圓短軸正值表示潮流是逆時針旋轉(zhuǎn)，橢圓短軸負(fù)值表明潮流橢圓順時針旋轉(zhuǎn)，傾角是橢圓長軸與正東方向逆時針?biāo)纬傻膴A角。

由各分潮橢圓要素可知：該海域M2分潮為最主要分潮，其橢圓長軸遠(yuǎn)大于其他分潮，其次為S2分潮；其余6個分潮長軸較小，均在12 cm/s以下。因此，以M2分潮為主對3點進(jìn)行比較：位于爛沙洋北水道的B點橢圓長軸最長，位于爛沙洋中部的A點次之，位于爛沙洋南水道的C點長軸最短。

從潮流運動形式看，本海域M2分潮橢圓率均小于0.15，表明潮流呈現(xiàn)較強(qiáng)的往復(fù)性，其中C點處橢圓率最小，表明該處潮流往復(fù)性最強(qiáng)，其次為B點處，A點處最弱。

經(jīng)調(diào)和分析后，可從實測海流中分離出純潮流部分，其U（東方向）和V（北方向）分量隨時間的變化如見圖4—6，可以看出A、B兩處U、V兩個方向的潮流均具有明顯的半月周期；C處U方向潮流半月周期明顯，V方向周期性較弱；3處U方向流速幅度均大于V方向。

A處潮流U方向上的最大值（見圖7），即東向潮流最大流速為112 cm/s左右；最小值，即西向潮流最大為114 cm/s左右。V方向上潮流的最大值，即北向潮流最大流速為62 cm/s左右；最小值，即南向潮流最大為48 cm/s左右。

B處潮流U方向上的最大值（見圖8），即東向潮流最大流速為114 cm/s左右；最小值，即西向潮流最大為111 cm/s左右。V方向上潮流的最大值，即北向潮流最大流速為60 cm/s左右；最小值，即南向潮流最大為44 cm/s左右。

C處潮流U方向上的最大值（見圖9），即東向潮流最大流速為107 cm/s左右；最小值，即西向潮流最大為107 cm/s左右。V方向上潮流的最大值，即北向潮流最大流速為42 cm/s左右；最小值，即南向潮流最大為36 cm/s左右；東西向流速幅度明顯大于南北向。

圖6 3個地點分潮流特征

圖7 A點U、V方向潮流曲線

圖8 B點U、V方向潮流曲線

3.3 余流特征分析

余流一般指實測海流扣除周期性潮流后的非周期性的流動，余流包括風(fēng)海流、密度流、徑流和潮汐余流，它主要受地形、氣象、徑流等因素的影響和控制。由于余流是常向運動，它往往指示著水沙和污染物質(zhì)運移的方向，余流分析是研究海岸帶泥沙運動和污染物擴(kuò)散的一種有效手段。

對各點U、V兩個方向上余流分別作月平均處理，由表6可見在兩個方向上余流基本都為負(fù)值，說明月平均余流基本上呈西向和南向流動。對各點逐時的余流流向進(jìn)行頻率統(tǒng)計，各點頻率曲線如圖10所示，從圖中可以看出，本海域余流最大頻率方向為S向或SSW向，也就是以指向近岸為主，這與吳德安等[16]基于1998年10月實測數(shù)據(jù)分析的結(jié)果“爛沙洋近海段余流指向近岸”較為一致。

圖9 C點U、V方向潮流曲線

表6 各點位U、V方向月平均余流（單位：m/s）

圖10 各方向余流所占頻率曲線

4 結(jié)論

通過對爛沙洋海域地波雷達(dá)表層海流觀測數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析、潮流調(diào)和分析以及余流分析，初步可以得出以下結(jié)論：

（1）本海域表層海流總體上呈西北-東南向，落潮流相基本集中在100°～130°，漲潮流向基本集中在270°～300°；海域潮流動力較為強(qiáng)勁，全年實測最大流速150 cm/s；各月漲潮平均流速介于39～63 cm/s，落潮平均流速介于37～64 cm/s；從全年平均來看，位于爛沙洋北水道的B點平均漲、落潮流速最大，位于爛沙洋南水道的C點平均漲、落潮流速最小，這可能是由于B、C點所處水道位置不同，受周圍沙脊走向影響所致；

（2）該海域的表層潮流為正規(guī)半日潮，M2分潮為最主要分潮，其次為S2分潮。從潮流運動形式看，本海域潮流呈現(xiàn)較強(qiáng)的往復(fù)性，其中爛沙洋南水道潮流往復(fù)性最強(qiáng)，這可能與此處水道狹長有關(guān)，其次為爛沙洋北水道處；

（3）該海域U、V兩個方向的潮流均具有明顯的半月周期；東西向流速幅度明顯大于南北向；

（4）該海域余流基本上呈西向-南向流動，從逐時余流統(tǒng)計特征來看，本海域余流最大頻率方向為S向或SSW向。

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Surface current characteristics analyzed by HF Surface Wave Radar data in Lanshayang sea area

JI Hui-feng，LI Yong-liu，GAO Qing-qing，ZHU Jian-bin，LIU Ji-tang
（Nantong Marine Environmental Monitoring Center,State Oceanic Administration,Nantong 226005 China）

This paper analyses the characteristics of sea surface currents and residual currents in coastal area of Rudong County,in JiangSu Province,using long-term ocean observation data obtained by HF Surface Wave Radar.Results show that,the sea surface current direction is generally NW-SE.The maximum monthly flow is between 125～150 cm/s so that tidal energy is strong here.The average flood current velocity is between 39～63 cm/s and the average ebb current velocity is between 37～64 cm/s.The surface tide is regular semidiurnal and M2 is the most important constituent.The tidal current velocity in east-west is 114cm/s,which exceeds the tidal current velocity value of 62cm/s in north-south.The direction of residual current is west-south,and the direction frequency distribution of hourly residual current shows that southward is the largest,followed by southwestward.

ocean current；HF Surface Wave Radar；tidal harmonic analysis；residual current

P731.21

A

1003-0239（2017）05-0064-10

10.11737/j.issn.1003-0239.2017.05.007

2016-11-09；

2017-01-05。

國家海洋局東海分局青年科技基金（201624）。

吉會峰（1987-），男，工程師，碩士，主要從事物理海洋學(xué)、水文動力研究。E-mail:zqjhf@163.com