基于高頻地波雷達資料的海南中東部近海表層海流特征

周旋 , 李自強 安玉柱 張耀文 楊曉峰

1. 中國人民解放軍61741 部隊, 北京 100094;

2. 中國科學院空天信息創(chuàng)新研究院, 北京 100101

海南中東部近海海域位于南海西北部陸坡處, 海岸線曲折多彎, 港灣眾多, 漁業(yè)、航運、旅游等經濟活動頻繁, 受東亞季風、南海環(huán)流、海底地形和岸線等諸多因素影響, 其表層海流特征較為復雜。目前, 針對海南中東部海流特性的研究主要集中在上升流和大尺度環(huán)流特征(經志友 等, 2008; 許金電 等, 2013; 劉科峰 等, 2014; 盧燕 等, 2017), 采用的資料主要來源于聲學多普勒流速剖面儀和表層漂流浮標, 時間范圍較短、數據點稀疏且空間分布不均, 不能較好地表征海南中東部近海表層海流時空分布特性。

高頻地波雷達是一種新興的表層海流監(jiān)測技術, 利用高頻無線電波與海面作用時產生的布拉格散射和多普勒效應探測視距以外表層海流信息, 與傳統(tǒng)測流儀器觀測結果的均方差在10cm·s–1左右(朱大勇 等, 2013; Capodici et al, 2019)。高頻地波雷達作為能夠獲取大范圍海流觀測數據的設備, 能夠得到海流計、聲學多普勒流速剖面儀等傳統(tǒng)測流儀器無法得到的空間分布信息, 受到國內外研究學者的關注。Ullman 等(2004)利用2000 年6 月—2001 年12 月高頻地波雷達海流觀測資料研究了美國長島海峽沿岸急流的季節(jié)性變化。朱大勇等(2013)利用2006 年1 月—2009 年4月閩南沿岸高頻地波雷達的海流資料分析了中國臺灣海峽南部淺灘以西區(qū)域表層海流的季節(jié)與年際變化特征。沈志奔(2014)利用2005 年8 月舟山海域高頻地波雷達海流資料進行準調和分析, 研究了舟山外海潮流的空間分布特性。Cosoli 等(2015)利用2012 年8 月—2014 年7 月高頻地波雷達海流觀測資料研究了馬耳他—西西里海峽的表層潮流特征。吉會峰等(2017)和楊華等(2019)利用江蘇如東海域地波雷達獲得的長期海流觀測資料對爛沙洋海域表層海流特征進行了統(tǒng)計分析、潮流調和分析以及余流分析。

與傳統(tǒng)的測流儀器相比, 高頻地波雷達觀測資料具有高空間覆蓋和高空間分辨率的優(yōu)點, 能夠反映觀測海域海流的時空間分布特征。本文利用海南中東部的文昌良梅和瓊海博鰲2 個高頻地波雷達站獲取的2019 年4 月—2020 年5 月表層海流觀測資料進行潮流調和分析和余流分析, 研究海南中東部近海潮流、余流分布特征及變化規(guī)律, 為該海域的航線規(guī)劃、海岸工程、水產養(yǎng)殖和環(huán)境保護等工作提供基礎數據支撐。

1 地波雷達觀測資料

圖1 地波雷達站和海流計的位置(a)以及觀測海域水深分布(b) 圖a 中五角星為連續(xù)觀測位置。審圖號: 瓊S(2019)054 Fig. 1 Locations of the HFSWR stations and current meters (a), superimposed with topography of the observation area (b)

海南中東部的文昌良梅和瓊海博鰲2 個高頻地波雷達站采用的是武漢大學電波傳播實驗室研發(fā)的OSMAR-S100 便攜式雷達系統(tǒng)(吳雄斌 等, 2003; 陳江 等, 2005; Zhou et al, 2015)。該系統(tǒng)采用了調頻中斷連續(xù)波體制和單極子交叉環(huán)緊湊型天線陣, 實現100km 范圍內海洋表層海流、海浪和風場等信息的探測。文昌良梅和瓊海博鰲2 個高頻地波雷達站的工作波長λ分別為18.6m 和22.4m, 波束覆蓋扇角120°, 運行狀態(tài)良好, 其探測的是λ/8π深度(約為0.8m)處的海流流速, 時間分辨率為20min, 空間分辨率為0.05°。地波雷達站的位置、觀測海域及水深分布如圖1 所示。地波雷達探測范圍內的海底地形從西北向東南傾斜, 西北和中間部分為大陸架, 較為平緩, 等深線與海岸線大致平行, 東南部分為大 陸架向大陸坡過渡處, 等深線密集, 坡度較大。

本文使用的高頻地波雷達表層海流數據時間范圍為2019 年4 月1 日—2020 年3 月31 日, 其中由于停電、設備故障等因素導致41d 觀測數據缺失。觀測區(qū)域為(110°39′—110°33′E, 18°42′—19°36′N), 按照0.05°空間分辨率可分為19×19 的網格, 如圖1a所示。由于電離層干擾、射頻干擾、停電、設備故障等因素影響, 高頻地波雷達表層海流資料存在異常值或缺失值。為了保證研究結果的準確性, 需進行有效的質量控制(沈志奔, 2014), 步驟如下:

1) 將表層海流數據分解為北分量U 和東分量V, 以每個網格點為中心分別計算3×3 范圍內U 和V分量標準差, 剔除超過2 倍標準差的異常數據;

2) 計算以缺失點網格為中心3×3 范圍內其他8個網格點的數據缺失率, 若數據缺失率小于50%, 即8 個網格點中至少有4 個有效數據點, 則通過反距離加權平均法填補缺失點網格的海流數據。

經質量控制后, 高頻地波雷達表層海流數據獲取率如圖2 所示。本文選取數據獲取率大于76%的表層海流數據研究潮流、余流分布特征及變化規(guī)律。

圖2 高頻地波雷達表層海流的數據獲取率 審圖號: 瓊S(2019)054 Fig. 2 Data acquisition rate of ocean surface currents from HFSWRs

圖3 2019 年6 月1 日—2 日高頻地波雷達和海流計觀測表層海流U 分量(a)和V 分量(b)對比時間序列圖 Fig. 3 Comparison of ocean surface currents observed by the HFSWRs and the current meters for meridional (a) and zonal (b) components from June 1 to 2, 2019

為了檢驗高頻地波雷達的數據精度, 2019 年6 月1 日—2 日國家海洋局?？诤Ｑ蟓h(huán)境監(jiān)測中心站 利用2 臺船載海流計對圖1 五角星處(111°11′58′′E、19°12′5′′N)的海流進行了連續(xù)觀測。2 臺船載海流計采用的是亞力克自容式電磁海流計, 固定在船體外3m 處, 深度分別為2.2m 和2.7m, 觀測時間間隔為5min, 對2 臺海流計20min 的海流數據進行平均, 然后與高頻地波雷達表層海流進行匹配, 比對結果如圖3 所示。二者的匹配數據點為76 個, U 分量均 方 差 7cm·s–1、相關系 數 0.83, V 分量均方差8.1cm·s–1、相關系數0.91, 這說明高頻地波雷達與海流計觀測的表層海流具有較好的一致性。值得注意的是, 在高頻地波雷達觀測區(qū)域的邊緣, 由于回波信號減弱、觀測幾何條件差等因素影響, 高頻地波雷達的海流觀測精度下降。

2 潮流調和分析

潮流調和分析是將海流分解成不同頻率的天文分潮流, 然后根據海流觀測數據計算各分潮流的調和常數。本文采用Pawlowicz 等(2002)提供的潮流調和分析程序對海南中東部高頻地波雷達表層海流數據進行調和分析。

2.1 潮流類型

圖4 潮流類型系數分布圖 審圖號: 瓊S(2019)054 Fig. 4 Spatial distribution of tidal current type factor

2.2 潮流橢圓及運動形式

海南中東部近海海域潮流類型比較復雜, 包括不規(guī)則半日潮流和不規(guī)則全日潮流。本文利用T-tide潮流調和分析程序計算了M2、S2、N2、K2、K1、O1、P1、Q1、M4、MS4、M611 個分潮, 信噪比大于2 的分潮為M2、S2、N2、K2、K1、O1、Q1、MS4。根據觀測海域最大潮流流速的平均值排序, 半日分潮M2、S2和全日分潮O(jiān)1、K1為最大的4 個分潮, 占比為71%。M2、S2、O1、K1分潮最大潮流流速的比為1 : 0.51 : 0.60 : 0.65, 潮流橢圓如圖5 和圖6 所示。為了顯示方便, 每3 個網格點給出一個潮流橢圓, 其半長軸和半短軸分別代表該分潮最大流速和最小流速, 長軸方向代表該分潮最大流速方向。

由圖5a 和5b 可知, M2分潮的潮流橢圓扁平, 旋轉率的絕對值較小, 潮流運動形式以往復流為主, 橢圓長軸在近海岸呈西南—東北走向, 與海岸線基本平行, 隨著距海岸線距離的增加, 逐漸變?yōu)槟媳弊呦?。對比圖5 各分圖可知, S2分潮的橢圓長軸平均值為2.6cm·s–1、明顯小于M2分潮, 但其潮流運動形式和橢圓長軸走向與M2分潮類似, 以往復流為主, 橢圓長軸由近海岸的西南—東北走向逐步向遠海岸的南北走向過渡。對比圖5 和圖1 可知, 隨著等深線密度的增大, 半日分潮M2和S2的潮流橢圓旋轉率絕對值增大、運動形式趨向于旋轉流。

由圖6a 和6b 可知, O1分潮的潮流橢圓長軸平均值為3.1cm·s–1、小于M2分潮, 旋轉率的絕對值較大、平均值為0.36, 運動形式以順時針旋轉流為主, 在中間區(qū)域出現小范圍的西南—東北走向往復流。由圖6c 和6d 可知, K1分潮的潮流橢圓長軸平均值與O1分潮一致、均小于M2分潮, 旋轉率的絕對值大于O1分潮、平均值為0.45, 運動形式以順時針旋轉流為主, 在近海岸出現小范圍的西南—東北走向往復流。另外, 在高頻地波雷達觀測區(qū)域東側和南側, O1和K1的潮流橢圓變化較大, 這可能是由于海底地形變化較大, 或者是高頻地波雷達觀測邊緣海流誤差較大造成的。對比圖6 和圖1 可知, 等深線密度增大, O1分潮潮流運動形式趨向于旋轉流, K1分潮潮流運動形式趨向于往復流。

綜上所述, M2分潮的潮流橢圓長軸最大, 其次是K1和O1分潮, 最小是S2分潮, 但4 個分潮的橢 圓長軸相差不大。半日分潮M2、S2的運動形式以往復流為主, 近海岸為西南—東北走向、遠海岸為南北走向; 全日分潮O(jiān)1、K1的運動形式以順時針旋轉流為主, 這是因為海南中東部海域地處北半球, 由于地球自轉效應, 引潮力水平分量和地轉偏向力共同作用致使潮流順時針旋轉。

圖5 半日分潮M2、S2 的潮流橢圓及運動形式 a. M2 分潮潮流橢圓; b. M2 分潮旋轉率; c. S2 分潮潮流橢圓; d. S2 分潮旋轉率。審圖號: 瓊S(2019)054 Fig. 5 Spatial distributions of tidal current ellipses and rotating rates for the semidiurnal tidal currents M2 and S2

2.3 最大可能潮流流速

最大可能潮流流速可通過M2、S2半日分潮和K1、O1全日分潮的最大潮流流速計算。根據《港口工程技術規(guī)范》(中華人民共和國交通部, 1988)的規(guī)定, 規(guī)則半日潮流區(qū)的最大可能潮流流速按照公式(1)計算, 規(guī)則全日潮流區(qū)的最大可能潮流流速按照公式(2)計算:

3 余流特征分析

余流是指從實測海流中扣除天文引潮力作用引起的周期性潮流后的非周期性海流, 包括風生流、密度流、徑流和潮汐余流等。余流對海水中物質的輸運、稀釋及擴散等起著重要的作用(楊華 等, 2019)。

圖6 全日分潮O(jiān)1、K1 的潮流橢圓及運動形式 a. O1 分潮潮流橢圓; b. O1 分潮旋轉率; c. K1 分潮潮流橢圓; d. K1 分潮旋轉率。審圖號: 瓊S(2019)054 Fig. 6 Spatial distributions of tidal current ellipses and rotating rates for the semidiurnal tidal currents O1 and K1

圖7 海南中東部近海最大可能潮流流速分布圖 審圖號: 瓊S(2019)054 Fig.7 Spatial distribution of probable maximum current velocity

本文對高頻地波雷達測得的表層海流數據剔除潮流因素后, 對剩余部分進行月平均, 獲取月平均余流(胡冬 等, 2015), 如圖8 所示。為了分析海面風場與月平均余流的關系, 本文收集了遙感系統(tǒng)(Remote Sensing System, RSS)處理發(fā)布月平均先進散射計(Advanced Scatterometer, ASCAT)風矢量產品, 空間分辨率為0.25°, 在地波雷達觀測海域內進行空間平均, 圖9 為觀測海域月平均ASCAT 風矢量隨時間變化情況。對比圖8 和圖9 可知, 月平均余流受東亞季風影響較大, 季節(jié)變化特征顯著。2020 年3月、2019 年4 月—5 月為季風過渡期, 觀測海域由東南風向西南風轉換, 月平均余流的流速較小, 流向較復雜, 3 月、4 月平均流速為12cm·s–1, 近海岸流向偏北, 遠海岸流向西南, 5 月平均流速為16cm·s–1, 近海岸流向西北, 遠海岸流向西南。2019 年6 月—8月為西南季風期, 風向為南偏西, 觀測海域呈現一致的東北向流, 導致上層海水的離岸輸送, 中、深層海水向岸涌升與補償, 形成上升流, 7 月余流的平均流速最大, 達到42cm·s–1, 海水離岸輸送最強, 上升流也是全年最強, 這與已有文獻結果是一致的(謝玲玲 等, 2012)。2019 年9 月—2020 年2 月, 在強勁的東北風影響下, 觀測海域呈現一致的西南向流, 11 月平均流速最大, 達到52cm·s–1。

圖8 2019 年4 月—2020 年3 月月定常余流圖 審圖號: 瓊S(2019)054 Fig. 8 Residual currents from April 2019 to March 2020

圖9 2019 年4 月—2020 年3 月觀測海域ASCAT 海面風場隨時間變化圖 Fig. 9 The variation of ASCAT wind vectors in the observation area from April 2019 to March 2020

通過高頻地波雷達連續(xù)觀測表明, 海南中東部海域余流主要呈夏季形態(tài)、冬季形態(tài)和過渡形態(tài), 與季風的變化過程基本一致。6 月—8 月為夏季形態(tài), 流向東北, 7 月平均流速最大; 9 月夏季形態(tài)迅速轉變?yōu)槎拘螒B(tài), 持續(xù)到次年2 月, 流向西南, 11 月平均流速最大; 3 月和5 月為過渡形態(tài), 是冬季形態(tài)向夏季形態(tài)的轉變期, 流速較小, 流向時空變化特征比較復雜。

4 結論

本文通過對2019 年4 月—2020 年3 月海南中東部近海高頻地波雷達表層海流觀測資料進行潮流調和分析和余流分析, 得到以下結論:

1) 從潮流調和分析結果, 半日分潮M2、S2和全日分潮O(jiān)1、K1為最大的4 個分潮, 占比為71%。M2、S2、O1、K1分潮最大潮流流速的比為1 : 0.51 : 0.60 : 0.65, M2為最主要分潮。海南中東部近海海域的潮流類型系數在0.8～2.8 之間, 平均數為1.5, 以不規(guī)則半日潮流為主, 在東南方向小范圍海域出現不規(guī)則全日潮流; 等深線越密集、坡度越大, 全日分潮的影響越大, 潮流類型趨向于全日潮流。

2) 從潮流運動形式和橢圓分布來看, 半日分潮M2和S2的潮流以往復流為主, 近海岸為西南—東北走向, 遠海岸為南北走向, M2分潮的橢圓長軸明顯大于S2分潮; 隨著等深線密度的增大, 半日分潮M2和S2的潮流運動形式趨向于旋轉流; 全日分潮O(jiān)1、K1的橢圓長軸相等, 其值在M2和S2分潮橢圓長軸之間, 運動形式以順時針旋轉流為主; 隨著等深線密度增大, O1分潮潮流運動形式趨向于旋轉流, K1分潮潮流運動形式趨向于往復流。

3) 最大可能潮流流速分布從西南向東北方向逐步增大, 最大值為35cm·s–1, 出現在觀測海域的東北方向。

4) 余流分析結果表明, 該海域的余流受東亞季風影響較大, 季節(jié)變化特征顯著, 主要呈夏季形態(tài)(6 月—8 月)、冬季形態(tài)(9 月—次年2 月)和過渡形態(tài)(3 月—5 月)。夏季形態(tài)持續(xù)時間較短、僅為3 個月, 流向東北, 平均流速29cm·s–1; 冬季形態(tài)持續(xù)時間最長、達到6 個月, 流向西南, 流速大于為夏季形態(tài), 平均流速36cm·s–1; 過渡形態(tài)持續(xù)3 個月, 為冬季形態(tài)向夏季形態(tài)的轉變期, 風生流影響小, 平均流速13cm·s–1, 明顯小于夏季和冬季形態(tài), 流向分布較復雜。從全年來看, 西南向流動的時間最長, 海南中東部表層海水物質輸運應自東北向西南。