大亞灣海域夏、冬季的潮汐特征及余水位與風的相關性初步探討*

朱 佳 胡建宇 陳照章 孫振宇, 2 楊龍奇 彭帥星 吉皎月

大亞灣海域夏、冬季的潮汐特征及余水位與風的相關性初步探討*

朱 佳1胡建宇1①陳照章1孫振宇1, 2楊龍奇1彭帥星1吉皎月1

(1. 廈門大學近海海洋環(huán)境科學國家重點實驗室 廈門 361012; 2. 南方海洋科學與工程廣東省實驗室 珠海 519082)

大亞灣及其鄰近海域冬、夏季各14個臨時水位觀測點1個月的實測潮位資料顯示: 各站的水位曲線均呈現(xiàn)明顯的“雙峰”現(xiàn)象, 且灣頂比灣口更為明顯。本文采用了調和分析方法, 給出M2、S2、K1、O1四個主要分潮及M4、M6、2MS6三個淺水分潮的振幅和遲角同潮圖, 分析大亞灣的主要潮汐特征, 探討了淺水分潮對雙峰結構的貢獻, 并采用交叉譜分析對余水位與風的相關性進行了討論。結果表明: (1)大亞灣海域各主要分潮振幅均由灣口向灣頂遞增; 高潮發(fā)生時間由灣口向灣頂推遲; 漲潮歷時均大于落潮歷時; 平均潮差在灣頂達到最大; (2)大亞灣內屬于不正規(guī)半日潮, 而考洲洋及其灣外海域則屬于不正規(guī)全日潮; (3)大亞灣內淺水效應明顯, 從灣口至灣頂, 六分之一日分潮的振幅呈5—7倍的增長, 主導了大亞灣潮波系統(tǒng)的形變; (4)分潮重構結果顯示, 四分之一日和六分之一日淺水分潮(尤其是2MS6分潮)的異常增長, 是導致大亞灣潮汐雙峰現(xiàn)象的主要原因; (5)冬季大亞灣內各點的余水位與風速呈現(xiàn)正相關, 相關系數(shù)均在0.53以上; (6)周期為0.45—0.53 d的沿岸風對各站余水位的影響最大。

大亞灣; 水位雙峰; 潮汐特征; 淺水分潮; 余水位與風的相關性

大亞灣是南海沿岸的重要海灣, 北靠海岸山脈, 東、西兩側分別為平海半島與大鵬半島, 灣內水深自北向南逐漸增加, 中部水深10余米, 灣口水深可達20多米。

鑒于其重要地理位置, 已有多位學者開展了大亞灣海域潮汐、潮流以及水交換的研究工作。李立(1998)應用譜分析和線性模型研究了大亞灣內冬季亞潮水位變化的特征和原因。楊國標(2001)運用19個站的實測數(shù)據(jù)分析了大亞灣六個主要分潮的潮流及余流特征。周巧菊(2007)采用了POM(princeton ocean model)模型研究了大亞灣溫排水交換過程, 并對潮汐進行了模擬。王聰?shù)?2009)通過數(shù)值模擬研究了風場和潮致余流對大亞灣水交換能力的影響。

雙峰結構是大亞灣潮波的主要特征, 即在半日潮汐周期中, 水位停止上升, 略有下降, 然后再次上升, 而后又迅速下降至低潮的狀態(tài)(Godin, 1993)。這種由于高頻振蕩疊加半日潮產生的雙峰現(xiàn)象出現(xiàn)在不少港灣中, 如美國的Buzzards灣(Redfield, 1980), 英國的Solent海峽、荷蘭的Den Helde港(Pugh, 1987)和英格蘭南海岸的Swanage灣(Godin, 1993)都觀測到了該現(xiàn)象。Dyer(1973)指出, 當潮波傳播至淺水時, 受到漏斗效應和淺水成分的影響, 越靠近上游潮差越大。Boon III (1975)認為M6和M8這類高頻潮可導致漲潮和落潮歷時的差異。Blanton等(2002)的研究證明在美國佛羅里達州的Charles Creek, M6分潮對潮流形變的影響甚至大于M4分潮。Kim等(2001)推測Narragansett灣的M4分潮振幅可能因共振增大了2—3倍。雙峰現(xiàn)象目前在國內的報道和研究并不多, 且多集中于大亞灣。多位學者根據(jù)2個潮位站1個月的水位數(shù)據(jù), 對潮汐做了系列研究, 指出M6分潮的異常增長是引起大亞灣潮位雙峰的主要原因(Song et al, 2016; 刁希梁等, 2017); 用三維潮汐、潮流數(shù)值模型(武文等, 2017)和數(shù)學解析方法(嚴聿晗等, 2017)揭示了水位雙峰、漲潮雙峰以及高頻分潮的強耗散等現(xiàn)象。由以上研究可見, 淺水分潮的振幅雖不大, 但在港灣內的作用卻不容忽視, 其在港灣內的淺水效應及與地形呼應導致的潮汐共振, 是引起雙峰結構、潮波變形以及振幅劇增的重要原因。

近海海域的海平面及水位變化, 除受地形、淺水成分等的影響之外, 對風的響應也較明顯。Chuang等(1983)調查了墨西哥灣北部陸架的沿岸風和海陸風(包括向岸風和離岸風)對海平面變化的影響, 發(fā)現(xiàn)不同的響應主要是由水深變化引起的。Craig (1989a, 1989b)建立了海洋對固定頻率的周期性風強迫的響應理論。根據(jù)觀測和數(shù)值模擬結果, 多位學者探討了海平面和潮流在不同海域里對海陸風的響應(Clancy, 1979; Vesecky, 1997; Gallop, 2012; Lin, 2016), 特別是在臨界緯度附近(約30°N和30°S),由于晝夜強迫的頻率與當?shù)貞T性頻率重合而出現(xiàn)近共振, 還經常能觀察到增強的海洋響應(Simpson, 2002; Zhang, 2009; Nam, 2013)。

目前對大亞灣水文動力方面的研究雖包含了實測、模型及數(shù)學解析等方法, 但仍需更多的實測數(shù)據(jù)進行補充和佐證。因此, 我們在大亞灣及其鄰近海域布設了冬、夏季各14個臨時水位觀測點, 進行了一個月的同步觀測, 旨在分析冬季和夏季的潮汐特征、季節(jié)差異及成因, 探討淺水分潮及共振對潮汐畸變的貢獻和影響, 并初步討論余水位與風速、風向及周期的相關性。

1 數(shù)據(jù)及方法說明

1.1 水位及余水位數(shù)據(jù)

選用大亞灣內冬季、夏季各14個臨時水位觀測點的連續(xù)水位數(shù)據(jù), 水位觀測點分布見圖1, 其基準面是以平均海平面為準, 所有站位都統(tǒng)一。雖然部分站點的實際觀測時間遠大于1個月, 為求一致, 我們均截取一個月的長度。冬季的水位觀測時間為2018年1月8日—2月8日, 夏季的觀測時間為2018年5月17日—6月17日。

圖1 大亞灣內冬季、夏季的臨時水位觀測點分布圖

注:表示風向角度; T01—T14、HY001、HY002、HY004、HY005表示站位名稱

水位觀測使用的儀器為RBR TDR-2050潮位儀及KELLER DCX-22水位記錄儀。所用儀器在施測之前均通過調試檢驗, 且比測結果一致性良好。數(shù)據(jù)采樣間隔分為兩種, RBR TDR-2050采樣間隔為1 min, KELLER DCX-22采樣間隔為5 min, 兩者精度均為0.01 m。

使用t_tide Matlab軟件包(Pawlowicz, 2002)進行潮汐分析。與經典的諧波分析相似, t_tide預測潮汐信號系與天文參數(shù)相關的特定頻率的有限組正弦信號的和(Pawlowicz, 2002)。余水位由原始水位減去潮汐信號得到。在t_tide諧波分析中使用了35個潮汐成分, 頻率為每小時0.0015 (MM潮汐成分)至0.3220 (M8潮汐成分)周期。

1.2 風場數(shù)據(jù)

采用對應冬季、夏季水位觀測期間的歐洲氣象中心(European Centre for Medium-Range Weather Forecasts, ECMWF)風場數(shù)據(jù), 其空間分辨率為0.125°×0.125°, 時間分辨率為3 h。為減小全球模式近岸區(qū)域個別網格點的誤差, 取調查海域114°—115°E, 22.0°—23.0°N區(qū)域內的平均風場進行計算。

文中對余水位和風應用了相關分析和交叉譜分析方法, 當兩類數(shù)據(jù)時間分辨率不同時, 選較低時間分辨率做插值計算。例如, 水位數(shù)據(jù)和風場數(shù)據(jù)的時間分辨率分別為1 h和3 h, 兩者進行相關分析時取時間分辨率為3 h。

2 潮汐特征

2.1 潮位特征

選擇水位變化特征較有代表性的灣頂T06站為例, 繪制冬季和夏季的水位時序曲線。從圖2中可看出水位過程曲線在每個太陰日經歷了2次高潮和2次低潮,且每次高潮或低潮的水位高度均不相同, 故存在潮汐的日不等現(xiàn)象。此外, 無論是高潮還是低潮, 水位曲線存在明顯的雙峰現(xiàn)象。雙峰之間的時間間隔約為3.77—4.32 h不等; 雙峰值間的波峰和波谷的平均水位差約為40 cm, 最大水位差可達93 cm。

圖2 大亞灣T06冬季(a)和夏季(b)水位過程曲線

2.2 潮汐特征

在冬季和夏季, 平均潮差由灣口向灣頂逐漸增大, 在灣頂達到最大。各站漲潮歷時均遠大于落潮歷時。整體上看, 灣頂?shù)母叱睍r要早于灣口, 灣頂?shù)牡统睍r要晚于灣口(圖3)。

冬季, 灣內平均潮差最大值出現(xiàn)在T06站, 為115 cm; 而T09、T11和T14站的平均潮差則最小, 均為80 cm。各站平均漲潮歷時大于平均落潮歷時, 平均漲潮歷時在6.38—7.65 h范圍內, 平均落潮歷時在4.78—7.11 h范圍內。

夏季, 平均潮差最大值出現(xiàn)在T06站, 為121 cm; 而T10站的平均潮差最小, 為85 cm。平均漲潮歷時大于平均落潮歷時, 平均漲潮歷時在6.42—7.43 h范圍內, 平均落潮歷時在4.98—5.96 h范圍內。

海洋圖集編委會(2004)曾指出: 在南海海域, 幾乎沒有正規(guī)半日潮出現(xiàn), 而是以不正規(guī)全日潮類型占優(yōu)勢, 并有明顯的日不等現(xiàn)象; 而考洲洋的地理位置恰好位于南海北部不正規(guī)半日潮和不正規(guī)全日潮的分界點上。這就是大亞灣灣內和灣口為不正規(guī)半日潮, 而考洲洋灣內、灣口有時是不正規(guī)全日潮的原因。

圖3 冬季(a—c)和夏季(d—f)各站潮汐分布特征圖

圖4 冬季(a)和夏季(b)大亞灣及其鄰近海域潮汐特征值分布

2.3 同潮圖

為了解大亞灣及其鄰近海域的潮汐特征, 繪制M2、S2、K1、O1、P1、Q1、K2、N2、M4、M6、MS4、2MS6十二個分潮的同潮圖, 但限于篇幅, 本文僅列出冬季、夏季M2、S2、K1、O1四個主要分潮及M4、M6、2MS6三個淺水分潮的同潮圖(圖5)。由結果可得: 在14個水位測站中, 振幅最大的分潮為M2和K1, 其次是O1分潮, 而后依次是S2分潮, P1和M4分潮, N2、Q1、MS4、M6、K2分潮, 最后是2MS6分潮; 大多數(shù)分潮的振幅均由灣口至灣頂逐漸增大。

冬季, M2分潮振幅由大亞灣灣口T09站的30 cm到灣頂T05站的35 cm, 增長了15%, K1、O1、S2分潮振幅分別增長了6%、4%和27%, 而振幅增幅較大的是淺水分潮M4、MS4(圖略)、M6和2MS6分潮, 增幅分別為81%、97%、525%和616%。夏季, 從灣口到灣頂, M2分潮振幅增幅為14%, K1、O1、S2分潮振幅增幅為3%、2%和16%, 而淺水分潮M4、MS4(圖略)、M6和2MS6的增幅則分別達到60%、86%、547%和707%。

遲角方面, M2、S2、K1、O1和P1、Q1、K2、N2(圖略)這八個主要分潮的等遲角線在大亞灣內分布稀疏, 從灣口到灣頂遲角變化不大, 尤其是全日分潮, 灣頂站位的位相比灣口站位僅滯后2°—4°, 說明全日分潮的潮波在大亞灣內傳播最快, 半日分潮次之; 而M4、M6、MS4(圖略)和2MS6四個淺水分潮的遲角分布呈現(xiàn)從考洲洋灣口到大亞灣灣頂迅速增大的趨勢。尤其是M6和2MS6這兩個六分之一日淺水分潮, 其等值線在T11—T10站之間分布密集, 表明在這些海域, 六分之一日分潮的傳播速度最慢。

2.4 潮位雙峰現(xiàn)象的成因分析

2.4.1 分潮共振現(xiàn)象 由上述分析可見, 在潮波傳入大亞灣之后, 六分之一日分潮的振幅呈5—7倍的增長, 主導了大亞灣潮波系統(tǒng)的形變。這是由于分潮共振現(xiàn)象引起的, 即當某分潮的頻率與半封閉海灣的固有(本征)頻率相近時, 激發(fā)出潮汐共振(董禮先等, 1999a, 1999b; Zhong, 2008; 刁希梁等, 2017; 武文等, 2017; 嚴聿晗等, 2017)。

根據(jù)四分之一波長理論公式(Proudman, 1952; Defant, 1961; Song, 2016)計算大亞灣的固有共振周期。

2.4.2 分潮重構 從調查海域冬季、夏季各14個水位站所繪制水位過程曲線圖上看, 無論是高高潮還是低高潮, 無論是大潮期還是小潮期, 都存在明顯的水位雙峰現(xiàn)象, 而且這一現(xiàn)象在灣頂要明顯強于灣口。為探究到底是哪些分潮導致雙峰現(xiàn)象的出現(xiàn), 我們利用調和常數(shù)對各站潮位進行了重構。在重構過程中逐步剔除某個分潮, 而后用剩余分潮回構潮位。經過多次嘗試, 發(fā)現(xiàn)四分之一日和六分之一日的淺水分潮(尤其是2MS6分潮)的異常增長是導致大亞灣及其鄰近海域潮汐雙峰現(xiàn)象的主要原因。

以水位雙峰現(xiàn)象最明顯的灣頂站位T06站為例。首先剔除振幅增幅最大的淺水分潮2MS6, 回構曲線中的雙峰程度已大幅削減, 僅在個別波峰處存在小于10 cm水位差(圖略); 而后剔除M6和2MS6分潮, 在回構曲線(圖6b)中可見, 雙峰現(xiàn)象幾乎消失, 僅有略微殘存的雙峰且水位差小于2 cm; 而在剔除M4、MS4、M6、2MS6這四個淺水分潮之后, 圖6c中的回構潮位曲線中已完全不見雙峰現(xiàn)象。由此可見, 大亞灣內潮位的雙峰現(xiàn)象是由M4、MS4、M6、2MS6產生的, 尤其是M6及2MS6這兩個六分之一日分潮占主導的,說明六分之一日分潮主導了大亞灣及其鄰近海域潮波系統(tǒng)的形變, 該結論進一步佐證了以往的研究結果 (Song et al, 2016; 武文等, 2017)。

注: a: 冬季T06站的實測潮位曲線; b: 剔除M6和2MS6分潮的潮位回構曲線; c: 剔除M6、2MS6、M4、MS4四個淺水分潮的潮位回構曲線

3 討論

3.1 余水位與風速的相關性

為了探討余水位與風速的關系, 取冬季調查期間的風場為例。由圖7可見(選取灣口、中部及灣頂4個測點展示), 冬季大亞灣內水位測點的余水位與風速曲線的變化趨勢較吻合, 風速大時余水位也相應升高, 兩者相關系數(shù)均在0.53以上, 呈現(xiàn)正相關關系。

3.2 余水位與風向及周期的相關性

為進一步探究余水位與風的關系, 我們對兩者進行交叉譜分析, 目的是找出與余水位相關性最高的風向與頻率(周期)。如圖1所示, 風向以西風為0°(指向正東為0°), 逆時針旋轉增大, 東風為180°(指向正西為180°), 例如,=30°即表示東偏北30°。由圖8可見, 風與余水位的相關性最高值約為0.75, 其對應的風頻率為1.9—2.2 d-1(平均2.1 d-1), 風轉角為20°—79°(平均=36°)。也就是說, 對各站余水位影響最大的風周期約為0.45—0.53 d, 對各站余水位影響最大的平均風向為東偏北36° (或36°+180°=216°), 該風向基本與大亞灣岸線平行(標注于圖1), 因此可以認為, 沿岸風對各站余水位的影響最大。此外, 圖8中還可見相關系數(shù)大于0.6的等值線分布在轉角10°—120°、頻率1.7—3.5 d-1的范圍里, 可能與陸海風與局地天氣變化有關。考慮到北半球的大氣變量在冬季最為活躍, 我們將在接下來的工作里, 用小波分析進一步研究余水位與其他氣象因子以及陸海風之間的關系。

4 結論

本文根據(jù)大亞灣及其鄰近海域冬季、夏季各14個臨時水位觀測點的同步觀測數(shù)據(jù), 分析其潮汐特征及成因, 結論總結如下:

(1)冬季和夏季的水位曲線存在明顯雙峰現(xiàn)象, 且灣頂明顯強于灣口。

圖7 余水位與風速的相關性

注:表示相關系數(shù)

圖8 T01、T03、T05、T07站的余水位與風向及頻率的相關性

注: 橫坐標的轉角表示風向, 風向按逆時針旋轉, 0°為西風(指向正東為0°)

(2)各站漲潮歷時均遠大于落潮歷時。平均潮差由灣口向灣頂逐漸增大, 在灣頂達到最大。

(3)大亞灣內各站潮型屬于不正規(guī)半日潮, 而考洲洋灣內和灣口海域則屬于不正規(guī)全日潮。

(4)大多數(shù)分潮振幅均呈現(xiàn)從灣口向灣頂遞增的趨勢; 各站高潮發(fā)生時間由灣口向灣頂推遲。

(5)灣內淺水效應明顯, 淺水分潮的振幅遞增幅度遠大于八個主要分潮。從灣口至灣頂, M6和2MS6分潮冬季增幅分別可達525%和616%, 夏季分別可達547%和707%。

(6)由分潮重構和潮汐共振分析結果來看, 六分之一日淺水分潮(尤其是2MS6分潮)的異常增長是導致大亞灣潮汐雙峰現(xiàn)象的主要原因。

(7)冬季大亞灣內的余水位與風速呈現(xiàn)正相關, 兩者相關系數(shù)r均在0.53以上;

(8)風向為東偏北36°(或216°)且周期為0.45—0.53 d的沿岸風對余水位影響最大, 相關系數(shù)值為0.75。此外, 陸海風與局地天氣變化對余水位的影響也不可忽視。

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ZHU Jia1, HU Jian-Yu1, CHEN Zhao-Zhang1, SUN Zhen-Yu1, 2, YANG Long-Qi1, PENG Shuai-Xing1, JI Jiao-Yue1

(1. State Key Laboratory of Marine Environmental Science(Xiamen University), Xiamen 361012, China;2. Southern Marine Science and Engineering Guangdong Laboratory (Zhuhai), Zhuhai 519082, China)

One-month tidal data were measured at 14 temporary observation stations in winter and summer in Daya Bay, and the dada show that the water level at each station presented obvious bimodal phenomenon, which is more obvious at the top than at the mouth of the bay. By using harmonic analysis method, the cotidal charts of the amplitude and the phase lag of four main tidal components M2, S2, K1and O1, and three shallow water tidal components M4, M6, and 2MS6were plotted; and the major tidal characteristics were analyzed. In addition, the contribution of shallow water tide to the bimodal structure was deduced through the tidal constituent reconstruction, and the correlation between residual water level and wind was discussed. The results are as followed. First, the amplitudes of each tidal constituent in the Daya Bay increased from the mouth to the endpoint of the bay, the occurrence time of high tide was postponed from the mouth to the endpoint of the bay, and the flood duration lasts much longer than the ebb duration, the mean tidal range reached its maximum at the endpoint. Secondly, the tidal type in the Daya Bay was irregular semidiurnal tide, while those in the Kaozhouyang and the areas outside the bay were irregular diurnal tide. Thirdly, the shallow water effect dominated the deformation of the tidal wave system in the Daya Bay, and the amplitude of the quarter-diurnal and sexta-diurnal tides increased 5-7 times from the mouth to the endpoint of the bay. Fourthly, the abnormal growth of the quarter-diurnal and sexta-diurnal tides (especially 2MS6) was the main cause of the bimodal phenomenon in the bay. Fifthly, in winter, the residual water level in Daya Bay was correlated positively with the wind speed, and the correlation coefficient was above 0.53. Sixthly, the alongshore wind with a period of 0.45—0.53 d had the greatest influence on the residual water level of each station.

Daya Bay; water level bimodality; tidal characteristics; shallow water constituents; correlation between residual water level and wind

* 國家自然科學基金項目, 41776027號; 惠州市2017年市級統(tǒng)籌油補資金項目, F2017-01-1號。朱 佳, 工程師, E-mail: zhujia@xmu.edu.cn

胡建宇, 教授, E-mail: hujy@xmu.edu.cn

2020-08-06,

2020-11-12

P717

10.11693/hyhz20200800230