韓國“世越號”沉船海域海流垂向分量研究

張?zhí)锢?/p>

(1.海島(礁)測繪技術(shù)國家測繪地理信息局重點實驗室，青島 266590； 2.天津水運工程勘察設(shè)計院，天津 300456)

海水在運動過程中，其質(zhì)量場隨之重新分布，但這種因運動引起的質(zhì)量分布的變化，必須遵守質(zhì)量守恒基本法則，即海水在運動過程中其總量既不會自動產(chǎn)生，也不會自動消失。由于海水的壓縮性微小，可以認為海水是不可壓縮的，因此海水的質(zhì)量連續(xù)方程可變?yōu)轶w積連續(xù)方程[1]。根據(jù)海水的連續(xù)性，只要水平流動的散度不為零，就必定產(chǎn)生垂向的運動。在海島礁、暗礁地區(qū)，由于地形的影響使海水堆積或流失，便加強了海水水平流動的散度，因此垂向流的現(xiàn)象顯得更加強烈，其對海區(qū)的水文要素分布和海洋生產(chǎn)力具有重要意義。

海水從深海流動至暗礁時，由于礁體阻流的作用，使周圍水體的壓力場出現(xiàn)變化，從而使流態(tài)發(fā)生改變，流場重新分布并形成新的流場。垂向流分量比水平方向的流分量小，但是它的變化是有規(guī)律的，隨漲潮、落潮發(fā)生變化[2]，張存勇采用經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解法對海州灣灣頂淺海區(qū)垂向流速分量與水平流速分量后進行了研究，發(fā)現(xiàn)二者內(nèi)在模在低頻模態(tài)和趨勢項具有較強的相關(guān)性[3]。除漲落潮運動影響垂向流速分量外，湍流、波浪、風(fēng)、潮流旋轉(zhuǎn)、表底層流向差異、海底摩擦、溫、鹽、密的垂直結(jié)構(gòu)、非線性效應(yīng)和海底地形等對海流垂向分量變化都有影響[3-4]。本文以“世越號”沉船海域為研究對象，利用“世越號”沉船打撈前后ADCP測流資料，研究該海域海流垂向分量的變化規(guī)律及其與潮流的關(guān)系。

1 資料與方法

1.1 觀測資料

2014年4月16日，載有476人的客船“世越號”，在韓國西南部海域沉沒，事發(fā)海域水深約為44 m。沉船船長145 m，寬22 m，沉船在海底艏向為52.8°，左舷陷入海底面，基本呈90°側(cè)臥于海床上，于2017年3月被打撈出水。使用Teledyne RDI公司的WorkHorse 300K ADCP于2015年10月13～22日(打撈前)及2017年5月10～16日(打撈后)進行了定點海流觀測，觀測點位距船頭北側(cè)約30 m(34.212 4°N，125.957 1°E)。觀測時，儀器入水6 m，單元層厚度為2 m，盲區(qū)2 m，采樣周期為60 s，流速測量精度±5 mm/s，羅經(jīng)采用外置Octans III 高精度光纖羅經(jīng)[5]，方精度為0.1°。該海域潮汐類型為正規(guī)半日潮，實測最大潮差439 cm，潮流類型為不正規(guī)半日潮流，呈往復(fù)流運動，實測最大流速1.82 m/s。

1.2 經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解法

經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解(Empirical Mode Decomposition，簡稱EMD)方法是依據(jù)數(shù)據(jù)自身的時間尺度特征來進行信號分解，無須預(yù)先設(shè)定任何基函數(shù)。EMD方法在理論上可以應(yīng)用于任何類型的信號的分解，因而在處理非平穩(wěn)及非線性數(shù)據(jù)上，具有非常明顯的優(yōu)勢，適合于分析非線性、非平穩(wěn)信號序列，具有很高的信噪比[6-7]。該方法的關(guān)鍵是經(jīng)驗?zāi)Ｊ椒纸?，它能使?fù)雜信號分解為有限個本征模函數(shù)(Intrinsic Mode Function，簡稱IMF)，所分解出來的各IMF分量包含了原信號的不同時間尺度的局部特征信號。經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解法能使非平穩(wěn)數(shù)據(jù)進行平穩(wěn)化處理，然后進行Hilbert變換獲得時頻譜圖，得到有物理意義的頻率[8]。

1.3 功率譜分析法

在海洋中廣泛地存在各種現(xiàn)象，他們大多可用標量過程或矢量過程來描述。在其研究方法上又可以分為兩類：一是用統(tǒng)計方法研究外觀量，即在時空域內(nèi)對所描述的現(xiàn)象進行研究；另一類方法就是譜分析方法，企圖從內(nèi)部結(jié)構(gòu)上，即在頻率域或波數(shù)域內(nèi)對描述的過程進行研究。所謂功率譜分析，就是通過能量相對于頻率的分布來確定構(gòu)成波面各組成波的相對大小，并依據(jù)在線性下導(dǎo)出的功率譜矩與外觀特征量之間的理論關(guān)系，來確定該標量過程的外觀統(tǒng)計特征。

2 結(jié)果與討論

2.1 實測海流垂向分量

沉船打撈前，下層(30 m)的垂向流整體上大于上層(10 m)，中層(20 m)最小，平均值上、中、下層分別為47 mm/s、36 mm/s、48 mm/s，最大值分別為175 mm/s、178 mm/s、215 mm/s；沉船打撈后，上層(10 m)的垂向流整體上大于中層(20 m)，下層(30 m)最小，平均值上、中、下層分別為59 mm/s、25 mm/s、17 mm/s，最大值分別為312 mm/s、114 mm/s、71 mm/s。

圖1 逐時流矢圖Fig.1 Hourly velocity vector diagram

垂向流速分量受漲落潮運動影響，圖1為選取2015年10月17～18日期間一個潮周期過程的水平及垂向的流速數(shù)據(jù)繪制的逐時流矢圖，圖中水平方向(EN)流速向上為北方向，單位為cm/s，垂向(U)流速向上為正，單位為mm/s。從圖中可以看出，漲潮過程中，垂向流方向向下，落潮過程方向向上。深度為10 m、20 m、30 m的垂向流與水平流的相關(guān)系數(shù)分別為-0.8(高度相關(guān))、-0.36(實相關(guān))、-0.02(微相關(guān))，從計算結(jié)果來看，上層的垂向流與水平流的相關(guān)程度高于下層水流。沉船打撈后垂向流與水平流的相關(guān)程度較弱，為微相關(guān)。

2.2 EMD分析

垂向流速分量逐時數(shù)據(jù)經(jīng)EMD分解共得到6個內(nèi)在模(IMF)和一個剩余項(Res)，海流垂向流速分量的分解過程表明垂向流速分量可分解為不同周期的函數(shù)，表現(xiàn)為由不同頻率、不同振幅的分量疊加而成(圖2)。海流受暗礁及其他因素影響，非線性過程明顯，經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解能夠把非線性的海流分成準線性的子波，對這些子波進行Hilbert 變換，進而得到各自的瞬時振幅和瞬時頻率(表1)。

圖2 垂向流經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解(打撈前，10 m深度)Fig.2 EMD result (Before refloating, 10 m depth)

表1 打撈前不同深度各模態(tài)的方差貢獻率、平均周期及平均振幅Tab.1 Variance contribution rate, mean period and mean amplitude of different depths and IMFs before refloating

不同深度各模態(tài)對整個波動的貢獻差異明顯，10 m深度IMF2方差貢獻率最大，IMF3、IMF1次之；20 m深度IMF1方差貢獻率最大，IMF3、IMF2次之；30 m深度IMF1方差貢獻率最大，達到53.34%，IMF2次之。不同深度各模態(tài)的平均振幅差異明顯，10 m深度IMF3平均振幅最大，為42.70 mm，對應(yīng)的平均周期為12.50 h，與半日分潮的周期相近；20 m深度同樣為IMF3平均振幅最大，為34.06 mm，對應(yīng)的平均周期為12.79 h，與半日分潮的周期相近；30 m處IMF1平均振幅最大，為43.30 mm，對應(yīng)的周期為3.18 h，與八分日潮族的周期相近。

垂向流速分量與東向、北向流速分量各內(nèi)在模函數(shù)具有一定的相關(guān)性。垂向流速分量與水平流速分量的趨勢項相關(guān)性強，表明垂向流速分量與水平流速分量在波動趨勢上具有一定的聯(lián)系。與10 m、20 m深度不同的是，30 m深度各模態(tài)的相關(guān)系數(shù)，在前4個模態(tài)中，第一模態(tài)最大，該模態(tài)的周期與淺水分潮的周期接近，其平均振幅最大，說明下層水流垂向流速分量主要來源于淺水分潮潮致貢獻。

沉船打撈后EMD分解結(jié)果顯示，10 m、20 m深度第一模態(tài)的方差貢獻最大，介于44.50 %～-56.96 %，平均振幅也最大，介于43.84～112.74 mm，周期最小，平均周期介于2.98～3.19 h；第二模態(tài)僅次于第一模態(tài)，方差貢獻為18.47%～19.16 %，平均振幅為34.49～169.31 mm，平均周期為6.22 h。隨著模態(tài)序號的增大，模態(tài)方差貢獻變小。30 m深度第二模態(tài)方差貢獻率最大，平均振幅為32.30 mm，平均周期為6.83 h。

2.3 功率譜分析

對10～30 m深度各層海流垂向分量做譜分析(圖3、圖4)。沉船打撈前，垂向分量大小主要體現(xiàn)為12.8 h、6.1 h、4.1 h三種周期變化，該三周期分別對應(yīng)日分潮流、四分日分潮流、六分日分潮流流速變化周期。深度越小，半日潮流對應(yīng)譜峰越大；深度越大，六分日分潮流對應(yīng)的譜峰越大。比較不同深度的分析結(jié)果可以看出，10～16 m深度各層通過顯著性檢驗的主要譜峰對應(yīng)的周期分別為12.8 h、6.1 h、4.1 h；18～24 m深度各層通過顯著性檢驗的主要譜峰對應(yīng)的周期分別為12.8 h、4.1 h；26～30 m深度各層通過顯著性檢驗的主要譜峰對應(yīng)的周期為4.1 h。沉船打撈后，垂向分量大小主要體現(xiàn)為4.1 h周期變化，該周期對應(yīng)六分日分潮流流速變化周期。比較不同深度的分析結(jié)果可以看出，10～12 m深度各層通過顯著性檢驗的主要譜峰對應(yīng)的周期分別為12.8 h、4.1 h；14～30 m深度各層通過顯著性檢驗的主要譜峰對應(yīng)的周期為4.1 h。

圖3 打撈前不同深度海流垂向分量譜分析結(jié)果Fig.3 Power spectrum analysis result of U in different depths before refloating圖4 打撈后不同深度海流垂向分量譜分析結(jié)果Fig.4 Power spectrum analysis result of U in different depths after refloating

表2 垂向分量分別與東分量、北分量功率譜相關(guān)系數(shù)Tab.2 Correlation coefficient between U and E N of the power spectrum

分別對兩種情況下不同深度的垂向分量與東分量、北分量的功率譜結(jié)果做相關(guān)性分析(表2)，在打撈前，深度10～14 m垂向分量與東、北分量的功率譜相關(guān)系數(shù)皆大于0.80，為高度相關(guān)，最大達到0.95；深度16～24 m垂向分量與東、北分量的功率譜相關(guān)系數(shù)皆在0.54～0.82，為顯著相關(guān)，其中20 m深度垂向分量與東分量相關(guān)系數(shù)為0.82(高度相關(guān))；深度26～30 m垂向分量與東、北分量的功率譜相關(guān)系數(shù)皆在0.23～0.43，為實相關(guān)，其中28 m深度垂向分量與東分量相關(guān)系數(shù)為0.23(微相關(guān))。打撈后，深度10 m垂向分量與東、北分量的功率譜相關(guān)系數(shù)大于0.50，為顯著相關(guān)，最大為0.54；深度12～14 m垂向分量與東、北分量的功率譜相關(guān)系數(shù)皆在0.32～0.33，為實相關(guān)；深度16～30 m垂向分量與東、北分量的功率譜相關(guān)系數(shù)在0.09～0.30，為微相關(guān)。打撈前相關(guān)系數(shù)曲線在18～20 m深度處變化明顯，而該深度與沉船的頂部深度相近，說明垂向流速分量的分布及變化規(guī)律明顯受沉船的影響，過水斷面變化導(dǎo)致海水堆積或流失，加強了海水水平流動的散度，因此打撈前垂向流的現(xiàn)象顯得更加強烈。

3 結(jié)語

(1)“世越號”沉船海域海流垂向分量與水平分量尺度不同，但其在潮周期內(nèi)的變化也是有規(guī)律的。經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解和功率譜分析結(jié)果表明，該海域垂向流速分量受漲落潮運動影響，對垂向分量影響較大的分潮主要為半日分潮和淺水分潮，上層水的漲落潮流對垂向流影響程度高于下層水流。

(2)沉船對垂向流的分布及變化產(chǎn)生影響，在沉船海域由于地形的影響垂向流的現(xiàn)象顯得更加明顯，沉船打撈前垂向流與水平流的相關(guān)程度高于沉船打撈后。