榮成外海海流特征及影響因素

魏詩晏, 楊 偉, 趙 亮

榮成外海海流特征及影響因素

魏詩晏1, 楊 偉2, 趙 亮1

(1. 天津科技大學(xué) 海洋與環(huán)境學(xué)院, 天津 300457; 2. 天津大學(xué) 海洋科學(xué)與技術(shù)學(xué)院, 天津 300072)

榮成是我國重要的海產(chǎn)養(yǎng)殖城市, 為掌握榮成外海的海流特征, 基于2016年1—10月于榮成外海楮島岬角南側(cè)布放的浮標(biāo)觀測數(shù)據(jù), 通過譜分析、調(diào)和分析等方法, 分析了實(shí)測流速時間序列剖面及季節(jié)變化, 分離出該觀測點(diǎn)的潮流和余流并進(jìn)行定性定量分析, 探討了該海域余流的影響因素。結(jié)果表明: 1) 榮成外海浮標(biāo)觀測點(diǎn)流速東西分量總體大于南北分量, 實(shí)測流速均值為0.20 m/s, 最大值為0.87 m/s, 實(shí)測流速存在明顯的季節(jié)差異, 秋季流速最大, 夏季次之, 冬春季較小且冬春季節(jié)差異小。實(shí)測流存在漲落潮不對稱現(xiàn)象。2) M2分潮絕對占優(yōu), 觀測海域潮流性質(zhì)為規(guī)則半日潮流, 潮流以往復(fù)流形式運(yùn)動, 各層潮流均為順時針旋轉(zhuǎn)。淺水分潮十分顯著, 該點(diǎn)觀測得到的最大潮流流速為0.38 m/s。3) 余流相對較小, 日平均余流速度均值為冬季<春季<夏季<秋季; 流向上E和ENE向占優(yōu), 余流總體向東。弱風(fēng)條件下, 余流流向主要集中于NNE—ESE, 余流流速大于0.15 m/s的概率約為25%; 強(qiáng)風(fēng)條件下風(fēng)速和余流流速的互相關(guān)系數(shù)可達(dá)0.95, 夏秋季較強(qiáng)的風(fēng)速可能是流速增快的原因。

實(shí)測流; 調(diào)和分析; 潮流; 余流; 榮成外海

淺海水動力過程是海流、波浪、風(fēng)和地形等多因素綜合作用的結(jié)果。狹義的海流定義為海流水平運(yùn)動分量[1], 包含周期性潮流、由風(fēng)和地形等因素引起的余流和隨機(jī)高頻擾動信號, 潮流影響物質(zhì)短期輸運(yùn), 而余流則影響物質(zhì)長期輸運(yùn)過程[2]。海流的影響因素包括風(fēng)、徑流、海區(qū)地形和大小等, 同時養(yǎng)殖活動也是淺海水動力變化的主要原因之一[3], 大量養(yǎng)殖物會消耗海域營養(yǎng)物質(zhì), 同時可能造成水交換不及時, 從而影響海域水質(zhì)環(huán)境和養(yǎng)殖效益[4]。因此, 掌握養(yǎng)殖海域自然狀態(tài)的海流特征, 對海區(qū)生態(tài)環(huán)境保護(hù)、沿海人民生產(chǎn)生活和海洋工程建設(shè)等具有重要意義。

榮成市三面環(huán)海, 海岸線總長約500 km[5], 有榮成灣、桑溝灣、黑泥灣等多個海灣。榮成是我國重要的海產(chǎn)養(yǎng)殖城市, 其外海水產(chǎn)養(yǎng)殖發(fā)達(dá), 貝類、藻類等多種海產(chǎn)品養(yǎng)殖密度高。除了發(fā)達(dá)的養(yǎng)殖業(yè), 近年來榮成海島核電工程、臨海風(fēng)力發(fā)電項(xiàng)目和濱海旅游業(yè)也有所發(fā)展[6]。

為加深對榮成外海海域水文環(huán)境的認(rèn)識, 近年來學(xué)者們對該海域開展了諸多研究工作。水動力方面, 以風(fēng)浪為主[7], 冬半年波浪大, 夏季減弱[8]。風(fēng)向控制的風(fēng)浪和潮流的相干作用決定了黑泥灣海域懸浮體分布[9]。Fan等[10]在楮島南側(cè)海域研究發(fā)現(xiàn)往復(fù)式潮流導(dǎo)致漲落潮周期內(nèi)懸浮物質(zhì)量濃度的不對稱, 大量沉積物輸運(yùn)出研究區(qū), 有侵蝕事件發(fā)生。此外, 山東多處海岸處于侵蝕狀態(tài), 其中, 榮成沿岸屬于嚴(yán)重侵蝕型海灘。莊振業(yè)等研究表明, 楮島連島沙壩形成是多向泥沙縱向運(yùn)移的結(jié)果[11-12]。黑泥灣海區(qū)在風(fēng)浪較大時, 尤其10 m水深以淺的海域泥沙易起動并隨海流運(yùn)移。而10 m等深線直逼海岸線, 侵蝕主要發(fā)生在岬角處, 侵蝕物堆積在海底或在海灣成為袋狀沙灘[9]。宮立新等[13]指出楮島—鏌铘島砂質(zhì)海岸的侵蝕速率為每年2～3 m。

關(guān)于榮成外海筏式養(yǎng)殖對水動力的影響等方面也有諸多研究。樊星等[14]通過準(zhǔn)調(diào)和分析法分析桑溝灣潮流流速垂向特征, 并建立了雙阻力模型, 發(fā)現(xiàn)養(yǎng)殖區(qū)底應(yīng)力比自然海區(qū)高一個量級。嚴(yán)立文等[9]通過SWAN模式分析了該海域海帶養(yǎng)殖區(qū)域的沉積環(huán)境效應(yīng), 結(jié)果顯示海帶架群消浪系數(shù)在0.2～0.4。此外, 榮成外海存在自北向南的沿岸流, 由于該海域有大面積養(yǎng)殖區(qū), 沿岸流主要影響?zhàn)B殖區(qū)外圍[15]。綜上所述, 該區(qū)域水動力是海流、風(fēng)、波浪、地形、養(yǎng)殖活動等多重因素綜合作用的結(jié)果。基于前人的研究, 對于該海域的水文背景環(huán)境等有了一定認(rèn)識, 然而至今為止的研究主要基于較短的時間觀測序列或模型模擬, 長期觀測資料的匱乏導(dǎo)致目前該海域海流季節(jié)變化特征和影響因素等尚未得到分析和解釋。

長時間高質(zhì)量的實(shí)測海流數(shù)據(jù)能夠在垂向分布和不同時間尺度上多角度反映該海域水動力條件。利用2016年1—10月在榮成外海楮島岬角南側(cè)布放的浮標(biāo), 基于該長期海洋綜合觀測資料, 統(tǒng)計分析榮成外海海流特征, 分析潮流和余流特征, 并探究海流變化特征與影響因素。

1 數(shù)據(jù)與預(yù)處理

1.1 數(shù)據(jù)來源

本文采用的數(shù)據(jù)源自2016年在榮成外海楮島岬角南側(cè)(122°33′38″E, 37°01′56″N)布放的1套綜合觀測浮標(biāo)。圖1(a)中五角星標(biāo)注處即為觀測站點(diǎn)位置。該浮標(biāo)站點(diǎn)在黑泥灣養(yǎng)殖區(qū)的西北側(cè)邊緣外, 與北側(cè)楮島岬角直線距離為0.8 km, 距離西側(cè)岸線約2.5 km。該觀測點(diǎn)水深在7 m左右, 海底沉積物為砂質(zhì)。為保證數(shù)據(jù)質(zhì)量, 進(jìn)行了3次浮標(biāo)的布放和回收, 以完成對儀器的檢修和校準(zhǔn)工作。本文數(shù)據(jù)的3個觀測階段分別為1月22日—2月13日、3月17日—6月20日、7月12日—10月17日。

圖1 榮成外海(a)浮標(biāo)位置和(b)浮標(biāo)結(jié)構(gòu)示意圖

如圖1(b)所示, 浮標(biāo)觀測系統(tǒng)上部為總高度3.5 m的不銹鋼支架, 在高度3.2 m處裝載了Young公司的風(fēng)向風(fēng)速儀, 其測量范圍為0～100 m/s, 風(fēng)速精度為讀數(shù)1%, 方向精度為±3°。風(fēng)數(shù)據(jù)實(shí)時回傳至CR1000數(shù)據(jù)采集器中并傳回地面基站。在浮標(biāo)中部, 裝載了2款Nortek公司的聲學(xué)多普勒海流剖面儀: 觀測階段1為采樣頻率2 MHz的“闊龍”流速剖面儀(Aquapro Profiler)和觀測階段2、3為采樣頻率600 kHz的“浪龍”流速剖面儀(AWAC), 2款測流儀器的采樣分辨率均為1 mm/s, 精確度均是海流流速測量值的1%。兩個儀器均采用下視工作方式, 換能器位置分別距水面1.5 m和1.2 m。除上述測量儀器, 浮標(biāo)配置了太陽能供電板用于實(shí)時供電, 支架上放置了GPS16X-HVS用于對浮標(biāo)位置進(jìn)行實(shí)時監(jiān)控, 浮標(biāo)系統(tǒng)底部有坐底重石以固定浮標(biāo)位置。具體參數(shù)如表1所示。

表1 2016年觀測起止時間和聲學(xué)多普勒海流剖面儀參數(shù)設(shè)置

1.2 數(shù)據(jù)預(yù)處理

觀測使用的測流儀器在輸出實(shí)測數(shù)據(jù)文件時會進(jìn)行移動校準(zhǔn), 儀器的俯仰角(pitch)和橫滾角(roll)均在±15°以內(nèi)。以同一站點(diǎn)同一浮標(biāo)相同測流儀器觀測到的底層流速數(shù)據(jù), 與楮島岬角南側(cè)相鄰海床基觀測點(diǎn)S6站(122°33′54″E, 37°01′59″N)同時期使用ADV觀測的流速數(shù)據(jù)進(jìn)行對比和相關(guān)性分析, 計算得到浮標(biāo)數(shù)據(jù)的底層流速與海床基測得的流速東西分量之間的相關(guān)系數(shù)值為0.91, 證實(shí)了浮標(biāo)系統(tǒng)與數(shù)據(jù)的可靠性。

觀測使用的聲學(xué)多普勒海流剖面儀采取下視工作方式, 可以通過回聲強(qiáng)度特征實(shí)現(xiàn)對流速剖面數(shù)據(jù)的判斷和預(yù)處理[16]。由于2016年1—2月數(shù)據(jù)未全部測量到海底, 因此以回聲強(qiáng)度小于50為判斷閾值; 2016年3月之后剖面數(shù)據(jù)則通過對6 m以深的相鄰層回聲強(qiáng)度差進(jìn)行統(tǒng)計, 最終對每月流速剖面數(shù)據(jù)以相應(yīng)的第+1層回聲強(qiáng)度減去第層回聲強(qiáng)度大于25或30來對數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選。

由于觀測過程中可能存在的不穩(wěn)定性和信號噪聲擾動, 在計算分析前, 基于統(tǒng)計理論的Grubbs準(zhǔn)則[17], 對海流、風(fēng)速等實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行了質(zhì)量控制, 并對異常值進(jìn)行去除和線性插值。本文將浮標(biāo)原位觀測的風(fēng)速換算至10 m高度風(fēng)速并進(jìn)行6 h平均, 隨后與ERA-Interim 10 m風(fēng)速再分析數(shù)據(jù)(ERA, 即ECMWF Re-Analysis, 來源于European Center for Medium-Range Weather Forecasts[18])離浮標(biāo)點(diǎn)經(jīng)緯度最近的網(wǎng)格進(jìn)行對比驗(yàn)證, 經(jīng)計算, 二者10 m風(fēng)速相關(guān)系數(shù)為0.73。浮標(biāo)數(shù)據(jù)采集器未能采集到的第三觀測階段9月、10月部分風(fēng)速數(shù)據(jù), 通過ERA- Interim風(fēng)速再分析數(shù)據(jù)進(jìn)行插值補(bǔ)齊。

2 海流特征分析

2.1 海流特征

觀測期間內(nèi), 該浮標(biāo)觀測點(diǎn)流速東西分量變化范圍為–0.72～0.79 m/s(東向?yàn)檎? 西向?yàn)樨?fù), 下文同), 流速南北分量的變化范圍為–0.62～0.64 m/s(北向?yàn)檎? 南向?yàn)樨?fù), 下文同), 平均流速大小為0.20 m/s, 最大值出現(xiàn)在10月13日, 最大值為0.87 m/s。從圖2(a)和圖2(b)可以看出, 流速東西分量總體大于流速南北分量, 從圖2(c)中可以看出流速大小存在明顯季節(jié)變化, 夏秋季節(jié)的流速較大。

圖2 榮成外海流速時間序列剖面圖

以1、4、7、10月為代表月(具體時間以1月22日—2月13日代表冬季, 以4月1日—4月30日代表春季, 以7月17日—8月15日代表夏季, 以9月18日—10月17日代表秋季), 對四季實(shí)測流速raw進(jìn)行分級分向統(tǒng)計。結(jié)果如圖3所示, 可以看出, 該浮標(biāo)觀測點(diǎn)流向以E向、W向和WNW方向?yàn)橹鲗?dǎo), 流速主要集中在0～0.3 m/s, 流速流向存在明顯季節(jié)變化, 冬季以東西向往復(fù)流為主; 春季流速偏小, 流向較分散, 夏秋季漲落潮不對稱現(xiàn)象比較顯著, 東向流速增大。Fan等[10]通過觀測流速和懸浮顆粒物濃度等數(shù)據(jù)分析研究得到, 榮成近海潮流呈東西向往復(fù)運(yùn)動, 且漲落潮不對稱, 近岸泥沙、海底沉積物被帶出近海區(qū)域, 從而導(dǎo)致侵蝕事件的發(fā)生, 該觀測點(diǎn)漲落潮不對稱特性與Fan等[10]在鄰近站位的研究結(jié)果一致。統(tǒng)計得到, 冬季、春季、夏季、秋季的流速的平均值分別為0.18 m/s、0.18 m/s、0.22 m/s、0.24 m/s, 實(shí)測流速均值冬春季<夏季<秋季。

圖3 榮成外海實(shí)測流速玫瑰圖

2.2 頻譜分析

為分析海流時間序列的周期特征, 對三個觀測階段實(shí)測流速的東西分量、南北分量分別作垂向平均, 其后對三個觀測階段垂向平均流分別作功率譜分析, 譜分析結(jié)果如圖4所示, 縱坐標(biāo)頻譜幅值log10C/(m2?s–2?d) 指示著海流在不同的頻率上的能量。圖4(a)中的譜線相對于圖4(b)、圖4(c)較稀疏, 這是由于觀測階段1僅有23 d, 而觀測階段2和3時間長度近100 d, 因此階段一的譜圖在頻域上的分辨率較低。從圖4可以看出, 流速存在多個顯著周期。浮標(biāo)觀測站的垂向平均流能量在主要半日分潮M2對應(yīng)的頻率處最大, 具有較強(qiáng)的半日潮信號, 圖4(b)、圖4(c)中主要半日分潮S2存在譜峰。全日潮信號相對較弱, 全日分潮K1存在譜峰, 全日分潮O(jiān)1相對不顯著。淺水分潮M4能量值相比全日分潮高2個量級, 淺水分潮MS4和M6能量也十分顯著。浮標(biāo)觀測點(diǎn)的近慣性振蕩頻率為1.204 5 d–1, 所對應(yīng)能量沒有出現(xiàn)明顯譜峰, 說明該點(diǎn)近慣性振蕩不顯著。總的來說, 三個觀測時間段的譜線趨勢較為一致, 該觀測點(diǎn)以半日潮為主, 淺水分潮也有顯著貢獻(xiàn)。

3 潮流、余流特征分析

海流是多時間尺度信號共同作用的結(jié)果, 通過調(diào)和分析、濾波等方法可以將海流分解成潮流和余流等部分。潮流是潮波現(xiàn)象在水平方向的表現(xiàn)形式, 主要影響海域物質(zhì)在潮周期內(nèi)的運(yùn)輸, 長時間序列流速數(shù)據(jù)能夠得到更準(zhǔn)確的回報潮流值。余流是指實(shí)測海流中去掉周期性天文分潮后的部分, 余流主要由海面風(fēng)場、外海環(huán)流、河流徑流等驅(qū)動。

圖4 實(shí)測流垂向平均流速頻譜分析

3.1 潮流特征

采用MATLAB的T_TIDE工具包[19]對2016年1—10月2～6 m水深中各層流速進(jìn)行調(diào)和分析。結(jié)果顯示, 通過信噪比檢驗(yàn)的分潮共39個。統(tǒng)計得到整個觀測期間的潮流東西分量范圍為–0.38～0.35 m/s(以東向?yàn)檎?, 潮流南北分量的范圍為–0.06～0.08 m/s(以北向?yàn)檎?, 潮流速度平均值為0.15 m/s, 潮流速度最大值為0.38 m/s。將四大分潮M2、S2、O1、K1和淺水分潮M4、MS4的潮流橢圓垂向分布繪制于圖5中, 圖中右上角的圖例正圓代表振幅單位大小0.01 m/s, 繪圖程序中預(yù)設(shè)黑色代表潮流橢圓順時針旋轉(zhuǎn), 紅色代表橢圓逆時針旋轉(zhuǎn), 由圖中可見, 均為順時針旋轉(zhuǎn)。從圖5中可以看出, M2分潮絕對占優(yōu), 對潮流起主導(dǎo)作用。S2分潮為次顯著分潮, 淺水分潮M4、MS4比全日分潮O(jiān)1、K1更為顯著。橢圓長軸從海水上層到下層逐漸減小, 潮流會出現(xiàn)越來越扁的情況。潮流在垂向上越接近海底, 通常長半軸越小; 上層橢圓為右旋時, 下層橢圓將逐漸變扁[20], 本文結(jié)果與前人觀測到的潮流垂向變化的一般結(jié)果相符。

各深度的分潮的長軸、短軸分別列于表2中。如表中所示, M2分潮的最大流速的最大值出現(xiàn)在水深2 m處, 大小為0.220 m/s, 隨深度增加M2分潮最大流速逐漸減小, 垂向上M2分潮最大流速變化量為0.02 m/s。S2分潮最大流速隨深度增加而單調(diào)減小, 最大流速約為0.05 m/s。淺水分潮M4最大流速出現(xiàn)在中層, 但整體上差異微小。淺水分潮MS4和全日分潮K1、O1的最大流速相對較小。各分潮短軸垂向上整體差異較小。M2分潮短軸垂向差異小, 計算得到M2分潮橢圓率在–0.064至–0.05。各主要分潮橢圓短軸均為負(fù)值, 因此該海域各主要分潮的旋轉(zhuǎn)方向一致, 均為順時針右旋。方國洪[20]研究認(rèn)為, 分潮流最大流流向的垂向變化取決于分潮角頻率和科式參量,>時, 變動較小,<時, 隨著接近海底而向左偏轉(zhuǎn)。M2分潮角頻率大于該觀測點(diǎn)科式參量, 因此分潮流流向的垂向變化較小。近底層水深5.5 m處半日分潮和淺水分潮的調(diào)和常數(shù)傾角均大于上層水深5 m處和下層水深6 m處的調(diào)和常數(shù)傾角, 這可能是由于下邊界層底摩擦影響產(chǎn)生。但總體來說, 主要分潮傾角垂向變動很小。

圖5 分潮潮流橢圓垂向分布圖

表2 分潮橢圓長軸、短軸

從圖5可以看出, 主要分潮特征垂向變化較小, 因此可以根據(jù)垂向平均流調(diào)和分析結(jié)果對潮流特征進(jìn)行定性定量描述[21]。潮流性質(zhì)的判別可根據(jù)式(1)確定, 式中值為各分潮的潮流橢圓長半軸長度。當(dāng)≤0.5時, 海域潮流性質(zhì)為規(guī)則半日潮流。

根據(jù)得到的潮流調(diào)和常數(shù)計算得到本海域值為0.06, 因此觀測海域潮流性質(zhì)為規(guī)則半日潮流。這一結(jié)果與海洋圖集結(jié)果相同[22]。根據(jù)運(yùn)動形式, 潮流可以分為往復(fù)流和旋轉(zhuǎn)流, 一般以橢圓率值判斷, 具體公式如式(2)所示, 其中為潮流橢圓短半軸長度,為潮流橢圓長半軸長度。的正負(fù), 即橢圓短軸的正負(fù),值為負(fù)時表示潮流橢圓順時針旋轉(zhuǎn),值為正時表示潮流橢圓逆時針旋轉(zhuǎn)[20]。的絕對值越大, 旋轉(zhuǎn)流性質(zhì)越顯著, 若的絕對值在0～0.2時, 則判定為往復(fù)流。

通過計算得到M2分潮值為–0.06, 即該海域表現(xiàn)為往復(fù)流特征。原因可能是觀測站點(diǎn)離海岸和北側(cè)楮島岬角近, 受岸線和地形約束。由于觀測站點(diǎn)海域水深較淺, 因此淺水分潮的效應(yīng)不可忽視。一般以值[公式(3)]來判斷淺水分潮是否顯著, 當(dāng)值>0.04時, 表明淺水效應(yīng)顯著。

通過計算得到值為0.15, 大于判別標(biāo)準(zhǔn)近4倍, 即該海域淺水分潮效應(yīng)顯著。

3.2 余流特征

在余流的計算方面, 前人主要通過實(shí)測流速減去調(diào)和分析回報潮流, 或進(jìn)行不同截止頻率的低通濾波。本文實(shí)測流速數(shù)據(jù)為300 s高頻采樣, 在調(diào)和分析后去潮余流結(jié)果中, 可能存在對風(fēng)瞬時響應(yīng)的信號, 而低通濾波則會過濾掉高頻組分。為下一步分析余流的影響因素和對大氣強(qiáng)迫的響應(yīng), 選擇實(shí)測流經(jīng)調(diào)和分析去掉潮流后得到的余流res結(jié)果進(jìn)行分析。統(tǒng)計得到整個觀測時間段內(nèi), 榮成外海浮標(biāo)觀測點(diǎn)天平均余流東西分量變化范圍為–0.05～0.16 m/s,天平均余流南北分量變化范圍為–0.06～0.09 m/s, 最大值為0.16 m/s, 均值為0.05 m/s, 平均速度對應(yīng)方向?yàn)?9°, 呈現(xiàn)往東運(yùn)移的特征對泥沙物質(zhì)的長期向外輸運(yùn)作用不容忽視。

進(jìn)一步分級分向統(tǒng)計, 得到了該觀測站點(diǎn)的日平均余流季節(jié)變化特征, 四季余流玫瑰圖如6所示, 四季均使用同一個區(qū)間分級分向。從圖中可以看出, 余流流速流向季節(jié)變化均十分明顯, 四季余流流向均以東向或東北向?yàn)橹? 較大的速度值也出現(xiàn)在落潮流方向。計算得到余流冬季、春季、夏季、秋季的季節(jié)平均值分別為0.03 m/s、0.04 m/s、0.07 m/s、0.10 m/s。

圖6 榮成外海余流玫瑰圖

3.3 風(fēng)對余流的影響

余流特征往往是風(fēng)場、陸源輸入、地形、人類養(yǎng)殖活動、海岸工程建設(shè)等多種因素綜合作用的結(jié)果。在淺海區(qū)域, 局地風(fēng)對海流影響顯著[23]。風(fēng)場的非線性作用對余流有一定影響, 如在潮流相對較弱時, 余流對風(fēng)響應(yīng)較為顯著, 余流和風(fēng)的相關(guān)性較好[24]。本文涉及的研究站位水深約7 m, 余流對風(fēng)的響應(yīng)更快, 且風(fēng)的影響可以直至海底。為具體分析風(fēng)w對余流的影響大小, 首先統(tǒng)計了與流速對應(yīng)的四季風(fēng)速風(fēng)向概率, 結(jié)果如圖7所示。從圖7中可以發(fā)現(xiàn), 榮成外海實(shí)測風(fēng)速風(fēng)向季風(fēng)特征顯著。通過統(tǒng)計得到, 冬季盛行W、WNW、NW、NNW、N向風(fēng), 春季風(fēng)向分散于16個分方向, 夏季集中于WSW、W、WNW3個方向內(nèi), 秋季主要集中于NNE、SSE、S、SSW、NNW方向內(nèi)。結(jié)合風(fēng)向與余流流向(圖6), 可以發(fā)現(xiàn), 冬、夏季風(fēng)向和余流流向的主要方向有較好的對應(yīng)關(guān)系。秋季風(fēng)向和余流流向關(guān)系不明顯, 可能受多種因素影響。并且由于秋季原位觀測的風(fēng)數(shù)據(jù)缺測而使用ERA數(shù)據(jù)代替, 盡管ERA數(shù)據(jù)與原位風(fēng)速變化趨勢相符, 但仍然不能排除ERA數(shù)據(jù)在近岸的不確定性。將四季風(fēng)速分級的概率統(tǒng)計列于表3中, 從表中可以看出, 冬季各級風(fēng)速概率大致相當(dāng), 春、夏季主要集中在0～6 m/s, 秋季大于8 m/s的風(fēng)速概率顯著增高。

統(tǒng)計榮成外海2016年1—10月浮標(biāo)觀測站的所有風(fēng)速風(fēng)向情況, 以風(fēng)速大于等于13.9 m/s(風(fēng)級大于等于7)為強(qiáng)風(fēng)天氣情況, 風(fēng)速小于等于3.4 m/s(風(fēng)級小于等于2)為弱風(fēng)天氣情況, 得到強(qiáng)風(fēng)和弱風(fēng)天氣下10 min平均的風(fēng)和余流的對比, 如圖8所示。弱風(fēng)條件下, 余流信號以潮致余流為主, 余流的特征變化較小。共統(tǒng)計弱風(fēng)天氣累計時長為97 d。弱風(fēng)風(fēng)向較為分散, 概率高于10%的風(fēng)向有WSW、W、WNW。從圖8(c)中可以看出, 在弱風(fēng)條件下, 余流流向主要集中于NNE—ESE, 余流流速大于0.15 m/s的概率為25%。風(fēng)速大于13.9 m/s屬于少發(fā)天氣事件, 從圖8(d)中可以看出, 余流流向在7級以上的強(qiáng)風(fēng)事件中, 余流流向發(fā)生明顯的變化。

圖7 榮成外海風(fēng)玫瑰圖

表3 榮成外海四季風(fēng)速分級概率統(tǒng)計對比表

風(fēng)速實(shí)測數(shù)據(jù)中, 2月13日強(qiáng)風(fēng)持續(xù)時間最長。如圖9所示, 在2月9日到2月10日風(fēng)速較小時, 余流基本穩(wěn)定地向北流動, 在2月10日至2月11日北風(fēng)增強(qiáng)的過程中, 北向余流有相應(yīng)的小幅增大。值得注意的是, 2月13日風(fēng)往南吹且風(fēng)速逐漸增大, 在2月13日18時之后, 持續(xù)保持在風(fēng)力7級以上, 此時的余流由之前的穩(wěn)定向北流動轉(zhuǎn)而向南流動, 但由于和弱風(fēng)條件下的背景余流方向相反, 因此2月13日的余流速度值并未明顯增大。進(jìn)一步使用N-CCF函數(shù)(the normalised cross-correlation function)[25]計算得到2月9日至2月13日的風(fēng)速和余流流速的互相關(guān)系數(shù), 圖9(c)的軸代表風(fēng)速和余流流速的超前滯后時間, 當(dāng)軸值為正時, 代表風(fēng)速變化超前于余流流速變化。如圖9(c)所示, 兩者的互相關(guān)系數(shù)最大值為0.68。而僅計算2月13日18時之后的強(qiáng)風(fēng)事件時間段, 風(fēng)速和余流流速的互相關(guān)系數(shù)可達(dá)到0.95, 風(fēng)速和實(shí)測流速的相關(guān)系數(shù)達(dá)–0.49, 和余流流速的相關(guān)系數(shù)為–0.35。從中可以發(fā)現(xiàn), 強(qiáng)風(fēng)事件對該海域的余流有著顯著的影響, 甚至使余流轉(zhuǎn)向。

4 結(jié)論

基于2016年榮成外海的浮標(biāo)觀測數(shù)據(jù), 本文分析了榮成外海海流特征和影響因素, 得到結(jié)論如下:

1) 榮成外海浮標(biāo)觀測點(diǎn)流速東西分量總體大于南北分量, 實(shí)測流速平均流速大小為0.20 m/s, 最大值為0.87 m/s, 實(shí)測流速存在明顯的季節(jié)差異, 流速均值冬春季<夏季<秋季。該海域存在漲落潮不對稱現(xiàn)象, 指征侵蝕事件。

圖8 (a)弱風(fēng), (b)強(qiáng)風(fēng), (c)弱風(fēng)時余流和(d)強(qiáng)風(fēng)時余流對比玫瑰圖(風(fēng)向?yàn)閬硐? 流向?yàn)槿ハ?

圖9 榮成外海2月9日—13日(a)風(fēng)、(b)余流及(c)風(fēng)速和余流速度的互相關(guān)系數(shù)

注: (a)(b)中黑色加粗線為速度值, 黑色箭頭為速度矢量; (c)中軸代表風(fēng)速和余流流速的超前滯后時間, 值為正時, 代表風(fēng)速變化超前于余流流速變化。風(fēng)矢量和流矢量均為去向

2) M2分潮絕對占優(yōu), 觀測海域潮流性質(zhì)為規(guī)則半日潮流, 潮流以往復(fù)流形式運(yùn)動, 各層潮流均為順時針旋轉(zhuǎn), 淺水分潮十分顯著。該點(diǎn)觀測得到的最大潮流流速為0.38 m/s。

3) 余流顯著弱于潮流, 天平均余流均值為冬季<春季<夏季<秋季; 流向上E和ENE向占優(yōu)。天平均余流均值為0.05 m/s, 相對潮流流速較小; 余流平均速度對應(yīng)方向?yàn)?9°, 由此看來, 該海域總體呈現(xiàn)往東運(yùn)移的特征。

4) 弱風(fēng)條件下, 余流流向主要集中于NNE—ESE, 余流流速大于0.15 m/s的概率為25%。強(qiáng)風(fēng)條件下風(fēng)速和流速的互相關(guān)系數(shù)可達(dá)0.95。

[1] 馮士筰, 李鳳歧, 李少菁. 海洋科學(xué)導(dǎo)論[M]. 北京: 高等教育出版社, 1999.

FENG Shizuo, LI Fengqi, LI Shaojing. Introduction to ocean science[M]. Beijing: Higher Education Press, 1999.

[2] 曹慧慧, 陳元, 趙騫, 等. 遼東灣東部秋季海流特征的同步觀測研究[J]. 海洋環(huán)境科學(xué), 2019, 38(4): 615- 620.

CAO Huihui, CHEN Yuan, ZHAO Qian, et al. Study on the current characteristics in the eastern area of Liao-dong bay in autumn based on synchronous observations[J]. Marine Environmental Science, 2019, 38(4): 615-620.

[3] JACKSON G A, WINANT C D. Effect of a kelp forest on coastal currents[J]. Continental Shelf Research, 1983, 2(1): 75-80.

[4] 蔡繼晗, 李凱, 鄭向勇, 等. 水產(chǎn)養(yǎng)殖對環(huán)境的影響及其防治對策分析[J]. 水產(chǎn)養(yǎng)殖, 2010, 31(5): 32-38.

CAI Jihan, LI Kai, ZHENG Xiangyong, et al. The influences of aquaculture on environment and the preven-tion strategy analysis[J]. Journal of Aquaculture, 2010, 31(5): 32-38.

[5] 徐宗軍, 張緒良, 張朝暉. 山東半島和黃河三角洲的海岸侵蝕與防治對策[J]. 科技導(dǎo)報, 2010, 28(10): 90-95.

XU Zongjun, ZHANG Xuliang, ZHANG Zhaohui, et al. Coastal erosion in Shandong Peninsula and Yellow River Delta and related countermeasures[J]. Science & Technology Review, 2010, 28(10): 90-95.

[6] 馬立杰, 崔迎春, 王海榮. 運(yùn)用因子分析評價山東黑泥灣沉積物重金屬污染來源[J]. 海洋地質(zhì)前沿, 2012, 28(4): 57-61.

MA Lijie, CUI Yingchun, WANG Hairong. Source of heavy metal contamination in Heini Bay sediments: A case study using factor analysis[J]. Marine Geology Frontiers, 2012, 28(4): 57-61.

[7] 陳吉余. 中國海岸帶地貌[M]. 北京: 海洋出版社, 1996.

CHEN Jiyu. China’s coastal landscape[M]. Beijing: China Ocean Press, 1996.

[8] 劉艷霞, 黃海軍, 樊建勇, 等. 黑泥灣近岸懸沙分布與擴(kuò)散變化監(jiān)測[J]. 海洋科學(xué), 2009, 33(1): 25-29.

LIU Yanxia, HUANG Haijun, FAN Jianyong, et al. De-te-ction of distribution change and diffusion of suspended sediment concentration around Heini Bay[J]. Marine Sciences, 2009, 33(1): 25-29.

[9] 嚴(yán)立文. 淺海區(qū)海帶養(yǎng)殖的沉積環(huán)境效應(yīng)及動力機(jī)制[D]. 青島: 中國科學(xué)院海洋研究所, 2008.

YAN Liwen. Sedimentary environment evolution in representative kelp (laminaria japonica)-cultured region (Harny Bay) and inner hydrodynamic mechanism[D]. Qingdao: Institute of oceanology, Chinese academy of science, 2008.

[10] FAN R F, WEI H, ZHAO L, et al. Identify the impacts of waves and tides to coastal suspended sediment concentration based on high-frequency acoustic observations[J]. Marine Geology, 2019, 408: 154-164.

[11] 莊振業(yè), 劉冬雁, 劉承德, 等. 海岸帶地貌調(diào)查與制圖[J]. 海洋地質(zhì)動態(tài), 2008, 24(9): 25-32.

ZHUANG Zhenye, LIU Dongyan, LIU Chengde, et al. Geo--morphological survey and mapping of coastal zone[J]. Marine Geology Letters, 2008, 24(9): 25-32.

[12] 莊振業(yè), 曹立華, 李兵, 等. 我國海灘養(yǎng)護(hù)現(xiàn)狀[J]. 海洋地質(zhì)與第四紀(jì)地質(zhì), 2011, 31(3): 133-139.

ZHUANG Zhenye, CAO Lihua, LI Bing, et al. The cur-rent state of beach maintenance in our country[J]. Marine Geology & Quaternary Geology, 2011, 31(3): 133-139.

[13] 宮立新. 山東半島東部海灘侵蝕現(xiàn)狀與保護(hù)研究[D]. 青島: 中國海洋大學(xué), 2014.

GONG Lixin. erosion situation and protection of beach in eastern part of shangdong peninsula[D]. Qingdao: Ocean University of China, 2014.

[14] 樊星. 典型養(yǎng)殖海區(qū)潮動力結(jié)構(gòu)特征的初步研究——觀測與數(shù)值模擬[D]. 青島: 中國海洋大學(xué), 2008.

FAN Xing. Preliminary studies on the features of tidal- dynamic structure in a typically high density mariculture coastal bay-observation and simulations[D]. Qing-dao: Ocean University of China, 2008.

[15] 朱述龍, 張占睦. 遙感圖像獲取與分析[M]. 北京: 科學(xué)出版社, 2002.

ZHU Shulong, ZHANG Zhanmu. Remote sensing image acquisition and analysis[M]. Beijing: Science Press, 2002.

[16] 任少華, 周沖, 葉小凡. 海流測量數(shù)據(jù)的后處理探究[J]. 海洋技術(shù), 2013, 32(4): 63-66.

REN Shaohua, ZHOU Chong, YE Xiaofan. Research on the post-processing of current velocity data[J]. Journal of Ocean Technology, 2013, 32(4): 63-66.

[17] 劉首華, 陳滿春, 董明媚, 等. 一種實(shí)用海洋浮標(biāo)數(shù)據(jù)異常值質(zhì)控方法[J]. 海洋通報, 2016, 35(3): 264- 270.

LIU Shouhua, CHEN Manchun, DONG Mingmei, et al. Research on the Post-Processing of Current Velocity Data[J]. Marine Science Bulletin, 2016, 35(3): 264- 270.

[18] SONG L N, LIU Z L, WANG F. Comparison of wind data from ERA-Interim and buoys in the Yellow and East China Seas[J]. Chinese Journal of Oceanology and Limnology, 2015, 33(1): 282-288.

[19] PAWLOWICZ R, BEARDSLEY B, LENTZ S. Classical tidal harmonic analysis including error estimates in MATLAB using T_TIDE[J]. Computers & Geosciences, 2002, 28(8): 929-937.

[20] 方國洪. 潮流垂直結(jié)構(gòu)的基本特征——理論和觀測的比較[J]. 海洋科學(xué), 1984, 8(3): 1-11.

FANG Guohong. Basic characteristics of vertical stru-c-ture of tidal current-comparison between theory and observation[J]. Marine Sciences, 1984, 8(3): 1-11.

[21] 中交第一航務(wù)工程勘察設(shè)計院有限公司. JTS 145— 2015, 港口與航道水文規(guī)范[S]. 北京: 人民交通出版社, 2015: 107-112.

CCC First Harboar Consultants Co Ltd (FDINE). JTS 145—2015, Code of Hydrology for Harbour and Waterway[S]. Beijing: China Communications Press, 2015: 107-112.

[22] 海洋水文圖集編輯委員會. 渤海黃海東海海洋圖集: 水文[M]. 北京: 海洋出版社, 1993.

Editorial Board for Marine Atlas of Bohai Sea Yellow Sea East China Sea. Marine Atlas of Bohai Sea Yellow Sea East China Sea: Hydrology[M]. Beijing: China Ocean Press, 1993.

[23] 趙保仁. 局地風(fēng)對黃海和東海近岸淺海海流影響的研究[J]. 海洋與湖沼, 1982(6): 479-490.

ZHAO Baoren. A study of the effects of local wind on currents in the off-store areas of the east China sea and huanghai Sea[J]. Oceanologia et Limnologia Sinica, 1982(6): 479-490.

[24] 胡鋒濤, 陶宇. 浙中沿岸流及其對風(fēng)和潮汛的響應(yīng)[J]. 海洋科學(xué), 2019, 43(12): 50-58.

HU Fengtao, TAO Yu. Coastal current and its response to wind and spring—Neap cycles in the middle Zhejiang coastal area[J]. Marine Sciences, 2019, 43(12): 50-58.

[25] TSAI D M, LIN C T, CHEN J F. The evaluation of nor-ma-lized cross correlations for defect detection[J]. Pattern Recognition Letters, 2003, 24(15): 2525-2535.

Characteristics and influencing factors of the currents in the Rongcheng offshore region

WEI Shi-yan1, YANG Wei2, ZHAO Liang1

(1. College of Marine and Environmental Science, Tianjin University of Science and Technology, Tianjin 300457, China; 2. School of Marine Science and Technology, Tianjin University, Tianjin 300072, China)

Rongcheng is an important mariculture city in China. To determine the characteristics of ocean currents in the Rongcheng offshore region, we investigated the features of the measured currents using spectral and harmonic analysis methods based on the in situ observations obtained from a moored buoy south of the Chudao Island from January to October 2016. The tidal and residual currents are analyzed separately. The influencing factors of the residual currents are highlighted. The main conclusions are as follows. (1) The zonal component of the velocity generally has larger amplitudes than the meridional component. The average and maximum values of the measured velocity are 0.20 and 0.87 m/s, respectively. In addition, the velocity of the currents shows strong seasonal variation; the velocity is the strongest in autumn, followed by summer and weakest in winter and spring. Significant asymmetries between flood and ebb flow are observed. (2) The observed currents are dominated by the M2tidal component and the shallow water tide is significant. Further analysis shows that the dominant tide belongs to a type of regular semidiurnal tidal current that rotates clockwise in all layers. The observed tidal current velocity is 0.38 m/s. (3) The residual current is relatively small compared to the tidal component. The daily averaged residual flow is the largest and smallest in autumn and winter, respectively. E and ENE are dominant, and the residual current generally exhibits the characteristics of eastward migration. Under the condition of weak wind, the residual current is primarily in the NNE–ESE direction. Approximately 25% of residual flow velocity is greater than 0.15 m/s. The correlation coefficient between the wind speed and velocity under strong wind conditions can reach 0.95. The strong wind speeds in summer and autumn may account for the increase of the residual velocity during that time.

observed current; tidal harmonic analysis; tidal current; residual current; Rongcheng offshore region

Apr. 12, 2021

P731

A

1000-3096(2022)04-0055-12

10.11759/hykx20210412003

2021-04-12;

2021-05-14

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41876018); 天津市自然科學(xué)基金項(xiàng)目(19JCZDJC40600)

[Project of National Natural Science Foundation of China, No. 41876018; Tianjin Natural Science Foundation project, No. 19JCZDJC40600]

魏詩晏 (1995—), 女, 江蘇鹽城人, 碩士, 主要從事淺海動力學(xué)研究, E-mail: 1254510293@qq.com; 趙亮(1975—),通信作者, 教授, 主要從事淺海動力學(xué)、海洋生態(tài)動力學(xué)研究, E-mail: zhaoliang@tust.edu.cn

(本文編輯: 叢培秀)