靖海灣春季實(shí)測(cè)潮流與溫鹽特征分析*

李智航，孫 璐，陳 潔

(國(guó)家海洋局南海環(huán)境監(jiān)測(cè)中心自然資源部南海局,廣東廣州 510300)

0 引言

靖海灣為粵東夏季上升流的多發(fā)區(qū)域，春季隨著季風(fēng)的轉(zhuǎn)換，雖然無(wú)上升流活動(dòng)，但在徑流、環(huán)流等因素驅(qū)動(dòng)下，仍然表現(xiàn)出復(fù)雜的海流運(yùn)動(dòng)特征[1-4]。南海北部受季風(fēng)影響，水文和水動(dòng)力的季節(jié)變化特征明顯，已有的海流運(yùn)動(dòng)研究以船測(cè)、浮標(biāo)/潛標(biāo)、遙感和數(shù)值模擬為主[5-10]。歷史資料顯示：廣東惠來(lái)靖海灣海域?qū)儆诓灰?guī)則半日潮，平均潮差小于1 m，大潮平均潮差小于1.5 m，潮汐作用較弱。靖海灣潮流以不正規(guī)半日潮流為主，頂流速較小，北炮臺(tái)以東海域流速較大。潮流流向大部分具有往復(fù)流性質(zhì)，漲潮流為東北向，落潮流為西南向。在離岸較遠(yuǎn)且受地形影響較小處，其潮流運(yùn)動(dòng)形式為略帶旋轉(zhuǎn)流的往復(fù)流。余流方向?yàn)闁|北至東向。靖海灣附近無(wú)較大的河流入海，僅為間歇性小溪和瀉湖排洪入海，泥沙來(lái)源少[11-15]。近年來(lái)較少看到該海域海流實(shí)測(cè)分析的報(bào)道，本研究將豐富該方面的內(nèi)容。本文從現(xiàn)場(chǎng)水文觀測(cè)資料分析著手，通過(guò)準(zhǔn)調(diào)和分析獲得潮流調(diào)和常數(shù)與橢圓要素，計(jì)算得到潮流性質(zhì)、各分潮潮流特征和余流特征，并預(yù)測(cè)最大可能海流流速對(duì)靖海灣海域潮汐運(yùn)動(dòng)的影響，擬豐富區(qū)域海洋基礎(chǔ)背景資料，為合理利用水利資源和海洋經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展提供科學(xué)依據(jù)。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

數(shù)據(jù)源自2015年4月大潮期廣東靖海灣海域周日海流、水溫和鹽度連續(xù)觀測(cè)資料(共4個(gè)連續(xù)觀測(cè)站，觀測(cè)站位置見(jiàn)圖1)。具體觀測(cè)時(shí)間為4月2日16時(shí)-4月3日17時(shí)，期間H4站還進(jìn)行了定點(diǎn)氣象觀測(cè)，觀測(cè)時(shí)刻為當(dāng)日的16時(shí)、19時(shí)和22時(shí)，以及次日的1時(shí)、4時(shí)、7時(shí)、10時(shí)、13時(shí)和16時(shí)。其中，海流觀測(cè)儀器為Seaguaed RCM SW型安德拉海流計(jì)，水溫和鹽度觀測(cè)儀器為Seabird CTD，觀測(cè)頻次均為1 h/次。

圖1 廣東靖海灣海域海流觀測(cè)站位置

1.2 數(shù)據(jù)分析與計(jì)算

參考文獻(xiàn)[10]方法，分別對(duì)各站各層海流資料進(jìn)行準(zhǔn)調(diào)和分析，應(yīng)用差比關(guān)系法計(jì)算太陰主要半日分潮M2、太陽(yáng)主要半日分潮S2、太陰赤緯半日分潮O(jiān)1、太陽(yáng)赤緯半日分潮K1、太陰淺水1/4分潮M4、太陰太陽(yáng)1/4分潮MS4等6個(gè)分潮的潮流調(diào)和常數(shù)、橢圓要素和余流。潮流性質(zhì)的劃分采用潮流性質(zhì)系數(shù)F=(WO1+WK1)/WM2作為判別標(biāo)準(zhǔn)，其中WO1為O1的最大流速，WK1為K1的最大流速，WM2為M2的最大流速。潮流性質(zhì)劃分標(biāo)準(zhǔn)如下：F≤0.5 為正規(guī)半日潮性質(zhì)；0.54.0 為正規(guī)日潮。

潮流理論最大可能潮流Vmax計(jì)算公式為

Vmax=1.295WM2+1.245WS2+WK1+WO1+WM4+WMS4，

(1)

Vmax=WM2+WS2+1.6WK1+1.45WO1，

(2)

式中WM2、WS2、WK1、WO1、WM4、WMS4分別為對(duì)應(yīng)分潮流的最大流速。取兩式計(jì)算所得結(jié)果的較大者作為理論最大可能潮流。

2 結(jié)果與分析

2.1 氣象觀測(cè)結(jié)果

根據(jù)H4站定點(diǎn)氣象觀測(cè)結(jié)果，調(diào)查期間：天氣狀況為晴；風(fēng)向穩(wěn)定，風(fēng)速0.2-4.2 m/s，風(fēng)向西南；海況2級(jí)；氣壓1 004.2-1 007.6 hPa；氣溫日變化特征顯著，為20.7-25.6℃。

2.2 海流觀測(cè)結(jié)果

海流觀測(cè)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，H2、H4站海流強(qiáng)于H1、H3站，其中H1站表層、中層和底層海流均為帶旋轉(zhuǎn)的往復(fù)流(NE-SW向)，旋轉(zhuǎn)流為順時(shí)針?lè)较?。H2、H3、H4站海流性質(zhì)較接近，各站表層、中層和底層均為略帶旋轉(zhuǎn)的往復(fù)流(NE-SW向)，旋轉(zhuǎn)流為順時(shí)針?lè)较?圖2)。海流過(guò)程曲線以H1站為例，如圖3所示。

圖2 廣東靖海灣海域海流矢量圖

圖3 H1站海流過(guò)程矢量圖

觀測(cè)期間內(nèi)，H1站表層比中層和底層海流流速略大，中層和底層海流流向大體一致，與表層略有差異。其中：表層、中層和底層海流的平均流速分別為0.15，0.13，0.14 m/s；表層、中層和底層海流的最大流速分別為0.28，0.22，0.24 m/s。表層達(dá)到最大海流時(shí)流向?yàn)槲髂舷?，中層和底層達(dá)到最大海流時(shí)流向?yàn)闁|北向(表1)。

H2站各層海流流速大小相當(dāng)，各層海流流向較一致。其中：表層、中層和底層海流的平均流速分別為0.38，0.34，0.32 m/s；表層、中層和底層海流的最大流速分別為0.66，0.58，0.58 m/s。表層達(dá)到最大海流時(shí)流向?yàn)闁|南向，中層和底層達(dá)到最大海流時(shí)流向?yàn)闁|北向(表1)。

H3站各層海流流速大小相當(dāng)，各層海流流向較一致。其中：表層、中層和底層海流的平均流速分別為0.14，0.15，0.15 m/s；表層、中層和底層海流的最大流速分別為0.32，0.39，0.28 m/s。表層和中層達(dá)到最大海流時(shí)流向?yàn)闁|南向，底層達(dá)到最大海流時(shí)流向?yàn)闁|北向(表1)。

H4站各層海流流速相當(dāng)，各層海流流向較一致。其中：表層、中層和底層海流的平均流速分別為0.35，0.31，0.30 m/s；表層、中層和底層海流的最大流速分別為0.59，0.59，0.58 m/s。表層達(dá)到最大海流時(shí)流向?yàn)槟舷颍袑雍偷讓舆_(dá)到最大海流時(shí)流向?yàn)闁|北向(表1)。

表1 各站點(diǎn)海流特征值統(tǒng)計(jì)

以往調(diào)查資料顯示：本海區(qū)海流流速為0.1-0.6 m/s，潮流主要呈現(xiàn)往復(fù)流性質(zhì)，表層、中層、底層各層的潮流方向相差很小，且基本呈漲潮潮流量大于落潮的特點(diǎn);漲潮流作用具有一定的優(yōu)勢(shì)，流速平面分布上呈愈往外海流速愈大的特點(diǎn)， 潮段平均流速也基本呈現(xiàn)灣內(nèi)較小、外海較大趨勢(shì)；潮段歷時(shí)表現(xiàn)為漲潮段歷時(shí)大于落潮段歷時(shí)的特點(diǎn)[11-15]。本次海流調(diào)查分析結(jié)果與以往結(jié)論基本一致，較以往報(bào)道(2011年)更新了近5年的調(diào)查數(shù)據(jù)。

2.3 溫度和鹽度觀測(cè)結(jié)果

海流觀測(cè)期間，各站(H1、H2、H3和H4)每2 h進(jìn)行1次溫度和鹽度觀測(cè)，溫度和鹽度觀測(cè)層次與海流觀測(cè)層次相同。除H2站鹽度比其余各站鹽度略高外，各站之間水溫和鹽度差異不大，數(shù)值較接近，說(shuō)明水體性質(zhì)單一，水平向分布均勻；各站中層、底層水溫和鹽度值接近，表層溫度明顯高于中層和底層；除H1站外，其余各站中層和底層鹽度略高于表層，垂向結(jié)構(gòu)特征明顯。

水溫和鹽度的時(shí)間變化過(guò)程與潮流運(yùn)動(dòng)密切相關(guān)：漲潮時(shí)，鹽度值逐漸增加，高平潮時(shí)達(dá)到鹽度極大值；落潮時(shí)，鹽度值逐漸降低，低平潮時(shí)達(dá)到鹽度極小值。各站水溫時(shí)間變化特征與潮位變化的相關(guān)性更強(qiáng)。

2.4 潮流特征

各站層的潮流性質(zhì)系數(shù)F值見(jiàn)表2。由表2可看出：各站層的F值為0.42-1.70，靖海灣的潮流主要為不正規(guī)半日潮流。F值的最小值為0.42，出現(xiàn)在H2站中層；最大值為1.70，出現(xiàn)在H4站底層。以往調(diào)查資料也顯示，該海域潮流特征以不正規(guī)半日潮流為主[11-15]，與本次結(jié)果一致。

表2 潮流性質(zhì)系數(shù)

根據(jù)調(diào)和分析結(jié)果計(jì)算主要分潮流的橢圓要素，并將M2分潮流的橢圓率制成表3。

本海區(qū)各站各層的O1、K1分潮與M2分潮橢圓長(zhǎng)半軸方向近似，說(shuō)明各分潮傳播方向一致，都是受附近地形的影響(表3)。由于半日分潮流M2在整個(gè)潮流中占支配地位，所以可以通過(guò)分析M2分潮的變化來(lái)揭示各站潮流特征。各站層M2分潮流的橢圓率絕對(duì)值為0.02-0.34，其值均較小，說(shuō)明潮流受地形影響較大，各站各分潮橢圓長(zhǎng)半軸方向基本與岸線平行或與水道方向一致，距離岸邊較遠(yuǎn)時(shí)，潮流受地形影響減弱(表3)。本海區(qū)的潮流旋轉(zhuǎn)方向全部表現(xiàn)為順時(shí)針。

表3 M2分潮流最大可能流速、傾角及橢圓率

各站從表層到底層 M2分潮流最大潮流到達(dá)時(shí)間大致相同，其中H1站各層M2分潮最大可能流速為0.16-0.19 m/s，表層最大；H2站各層M2分潮最大可能流速為0.31-0.38 m/s，表層最大；H3站各層M2分潮最大可能流速為0.14-0.15 m/s，中層最大；H4站各層M2分潮最大可能流速為0.26-0.32 m/s，表層最大。從M2分潮流最大可能潮流流速分析結(jié)果來(lái)看， M2半日潮流由大到小依次為H2站、H4站、H1站、H3站。

表4為計(jì)算得到的各站層最大可能潮流，可以看到：H3站表層與其他站位表層相比，理論最大可能潮流流速均較其他站位??；H2站表層理論最大可能潮流流速最大，為1.14 m/s；H1、H2站表層最大可能潮流流速明顯大于中層和底層；H3、H4站各層最大可能潮流流速大小相當(dāng)。其中，H1站各層最大可能潮流流速為0.24-0.53 m/s，表層最大；H2站各層最大可能潮流流速為0.44-1.14 m/s，表層最大；H3站各層最大可能潮流流速為0.25-0.33 m/s，底層最大；H4站各層最大可能潮流流速為0.81-0.98 m/s，底層最大。各站層最大可能潮流流向與M2分潮的橢圓長(zhǎng)半軸方向趨近于一致，均為東北向。

表4 最大可能潮流流速大小和方向

2.5 余流特征

各站表層、中層和底層余流流速大小和方向如表5所示。表5顯示，H2站和H4站余流流速比H1、H3站強(qiáng)，H2、H3和H4站余流方向較一致,受風(fēng)場(chǎng)影響[16]。其中H1站表層、中層和底層余流流速大小分別為0.02，0.05，0.04 m/s，受地形影響各層余流方向均為西北向[16]；H2站表層、中層和底層余流流速大小分別為0.18，0.17，0.17 m/s，各層余流方向均為東北偏東向；H3站表層、中層和底層余流流速大小分別為0.06，0.07，0.07 m/s，各層余流方向均為偏東向；H4站表層、中層和底層余流流速大小分別為0.14，0.13，0.14 m/s，各層余流方向也均為偏東向。

表5 余流流速大小和方向

3 結(jié)論

本文對(duì)2015年春季大潮期間靖海灣海域海溫、鹽度和海流實(shí)測(cè)資料進(jìn)行統(tǒng)計(jì)與調(diào)和分析。研究結(jié)果表明：靖海灣海域的海流表現(xiàn)出明顯的往復(fù)流特征，往復(fù)方向?yàn)镹E-SW向;潮流類(lèi)型為不正規(guī)半日潮流，其中各站層的F值為0.42-1.70;M2分潮流的橢圓率絕對(duì)值為0.02-0.34，潮流受到地形影響較大，各站各分潮橢圓長(zhǎng)半軸方向基本與岸線平行或與水道方向一致；O1、K1分潮與M2分潮橢圓長(zhǎng)半軸方向近似，說(shuō)明各分潮傳播方向一致，都是受附近地形的影響;潮流旋轉(zhuǎn)方向全部表現(xiàn)為順時(shí)針;理論最大可能潮流流速最大為1.14 m/s;余流流向受風(fēng)場(chǎng)影響，以偏東向?yàn)橹?；水溫和鹽度差異不大，數(shù)值較接近，說(shuō)明水體性質(zhì)單一，水平向分布均勻；各站中層和底層水溫和鹽度值接近，表層溫度明顯高于中層和底層；除H1站外，其余各站中層和底層鹽度略高于表層，垂向結(jié)構(gòu)特征明顯。

本研究更新了靖海灣近5年實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和結(jié)果，豐富了該海域水文、水動(dòng)力基礎(chǔ)資料，為當(dāng)?shù)睾Ｑ蠊こ探ㄔO(shè)、海洋經(jīng)濟(jì)開(kāi)發(fā)以及防災(zāi)減災(zāi)提供了數(shù)據(jù)支持和參考。