河口水流結(jié)構(gòu)分解及斜壓M4分潮流探討

李誼純，劉金貴，仉天宇，陸莎莎

( 1. 廣東海洋大學(xué) 海洋與氣象學(xué)院 廣東省近海海洋變化與災(zāi)害預(yù)警實(shí)驗(yàn)室，廣東 湛江 524088；2. 北部灣大學(xué) 建筑工程學(xué)院，廣西 欽州 535011；3. 自然資源部空間海洋遙感與應(yīng)用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100081；4. 廣東海洋大學(xué) 廣東省高等學(xué)校陸架及深遠(yuǎn)海氣候、資源與環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 湛江 524088；5. 自然資源部第二海洋研究所，浙江 杭州 310012)

1 引言

河口作為河流與海洋的聯(lián)結(jié)點(diǎn)，環(huán)境、動(dòng)力以及生態(tài)過(guò)程均極為復(fù)雜。不論是生態(tài)環(huán)境問(wèn)題還是泥沙起動(dòng)與輸運(yùn)、河床演變問(wèn)題，水流均是其根本動(dòng)力。影響河口水動(dòng)力過(guò)程的因素有很多，如：徑流、潮波、風(fēng)、地形以及水體密度變化等。各種因素導(dǎo)致的水流成分共同構(gòu)成河口水流過(guò)程，其中既有周期性的潮流，也包含相對(duì)穩(wěn)定的余流；既有單向的水流也有雙向的水流（如潮流、河口重力環(huán)流）；既有高頻成分也有低頻或零頻成分。各成分的產(chǎn)生機(jī)制有根本差異。因此，將各水流成分分離開(kāi)考慮是深入研究河口水動(dòng)力過(guò)程的重要工作之一。以往的研究中，河口水流的分解主要有兩種方法。一是求余流成分的解析解。在此方面，Hansen和Rattray[1]做出了開(kāi)創(chuàng)性的工作，他們給出了河口重力環(huán)流的解析解；Cheng等[2-3]給出了斜壓、非線性等余流成分的解析表達(dá)式；Wei等[4]重新定義了“潮汐混合”機(jī)制，研究了這種混合不對(duì)稱導(dǎo)致的河口環(huán)流的結(jié)構(gòu)與量值；Li等[5]給出了適用于具有明顯大-小潮變化的河口區(qū)域的正壓余流和斜壓余流的分解方法。二是通過(guò)在數(shù)學(xué)模型中逐一孤立某種動(dòng)力機(jī)制進(jìn)行敏感性試驗(yàn)得到不同機(jī)制對(duì)水流的影響。這兩種方法中前者多基于攝動(dòng)法，因此可以適用于弱非線性問(wèn)題。而后者存在的問(wèn)題主要是：河口水流是非線性作用顯著的過(guò)程，將不同機(jī)制孤立出來(lái)，雖然在某種程度上或某些問(wèn)題中是一種可接受的近似，但本質(zhì)上仍是忽略了該機(jī)制與其他不同動(dòng)力機(jī)制之間的非線性相互作用，而各動(dòng)力之間并非是線性疊加的。主成分分析（Principal Component Analysis, PCA）法利用實(shí)測(cè)資料或數(shù)值模擬的結(jié)果進(jìn)行主成分分析，可探求原始數(shù)據(jù)中不同產(chǎn)生機(jī)制的水流特征且避免了在數(shù)據(jù)處理中的信息損失。PCA法是一個(gè)進(jìn)行場(chǎng)模態(tài)分析的方法，在氣象領(lǐng)域應(yīng)用比較廣泛，但在河口水動(dòng)力學(xué)研究中卻應(yīng)用較少。其中的原因可能是：PCA法本質(zhì)上是一種數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)方法，其得到的模態(tài)與動(dòng)力機(jī)制之間不易建立直接聯(lián)系；其次，PCA的結(jié)果對(duì)采用的數(shù)據(jù)是否經(jīng)過(guò)標(biāo)準(zhǔn)化可能比較敏感；再次，河口及近海區(qū)域的流速資料一般僅在少數(shù)測(cè)點(diǎn)有同步測(cè)量，實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的缺少也限制了PCA在河口的應(yīng)用。魏登云和張文俊[6]曾對(duì)原始數(shù)據(jù)是否須標(biāo)準(zhǔn)化處理進(jìn)行討論，認(rèn)為若研究目標(biāo)需保留變量變異信息，則宜采用原始數(shù)據(jù)進(jìn)行分析而不可將其標(biāo)準(zhǔn)化，但可做無(wú)量綱化；若研究只需變量之間的關(guān)系信息，則原始數(shù)據(jù)需要標(biāo)準(zhǔn)化。Stacey等[7]采用標(biāo)準(zhǔn)化的數(shù)據(jù)將PCA法應(yīng)用于舊金山灣的余流分析中，取得了一定的效果。甌江是浙江南部一條非常重要的入海河流，甌江口區(qū)域人口密集、經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)，各種河口海岸工程也密集建設(shè)，然而尚未見(jiàn)有對(duì)甌江口水流結(jié)構(gòu)的專門報(bào)道。此外，以往河口水動(dòng)力研究多關(guān)注余流特征及其機(jī)制，比如重力環(huán)流的研究、混合不對(duì)稱導(dǎo)致的余流特征、正壓/斜壓河口水體輸運(yùn)的空間分布特征—即低頻成分或零頻成分。事實(shí)上，河口過(guò)程中除了低頻成分以外，更主要的過(guò)程為高頻的周期性運(yùn)動(dòng)：既包括日潮周期、半日潮周期的成分，也包括1/4日分潮周期甚至1/6日分潮周期的成分。例如：河口重力環(huán)流的驅(qū)動(dòng)力為斜壓力，湍混合則起反作用，顯然，此二機(jī)制均存在周期性變化。河口中的水體隨潮汐做周期性運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生的斜壓力必然是周期性的。因此，可以預(yù)見(jiàn)斜壓力導(dǎo)致的斜壓流動(dòng)除包含重力環(huán)流以外，也應(yīng)含有周期性的成分。雖然此海洋過(guò)程存在重要的潛在意義，但相關(guān)的研究極為少見(jiàn)。Jay和Musiak[8]曾認(rèn)為可能存在偶次的高頻分潮流，但是其結(jié)論是基于大量假設(shè)的理論解析解。實(shí)際上，河口中的斜壓力一般是指向上游的，并不隨潮汐漲落而改變方向，因此可能會(huì)導(dǎo)致偶次的高頻成分產(chǎn)生。由于在河口中M6分潮、M8分潮及更高頻率的分潮一般很弱，因此我們將PCA法應(yīng)用于甌江口的實(shí)測(cè)水流資料，對(duì)河口M4分潮流進(jìn)行研究，并對(duì)PCA法在河口水流分析中的應(yīng)用條件、分離性能進(jìn)行探討，以期對(duì)河口環(huán)境水動(dòng)力過(guò)程的研究提供參考。

2 方法與檢驗(yàn)

2.1 主成分分析

主成分分析屬于經(jīng)驗(yàn)正交函數(shù)分解方法，對(duì)于河口研究中的速度場(chǎng)和標(biāo)量場(chǎng)（鹽度、溫度等），主成分分析可以將場(chǎng)中的時(shí)間模態(tài)和空間模態(tài)分離開(kāi)。空間模態(tài)不隨時(shí)間變化，表達(dá)場(chǎng)的空間分布特征；時(shí)間函數(shù)由空間點(diǎn)的線性組合構(gòu)成，稱為主分量。假設(shè)場(chǎng)中p個(gè) 空間點(diǎn)，樣本容量為n。記p個(gè) 空間點(diǎn)上的要素為x1,x2,x3,···,xp，其觀測(cè)值為xki（k=1,2,3,···,p；i=1,2,3,···,n）。在河口海洋的應(yīng)用中，xki可代表某測(cè)點(diǎn)流速，此時(shí)p、n可分別設(shè)定為該測(cè)點(diǎn)的測(cè)量層數(shù)和測(cè)量的采樣時(shí)長(zhǎng)。若這p個(gè)變量的線性組合組成新變量，公式為

式中，vi為系數(shù)，可由xi的協(xié)方差矩陣求得。如果y滿足方差極大的要求，則稱y為原p個(gè)變量的主分量[9]。對(duì)于非奇異的協(xié)方差矩陣：

將其p個(gè)特征值由大至小排列，對(duì)應(yīng)的特征向量則稱為第i個(gè)主成分（i=1,2,3,···,p）。其解釋能力（或累計(jì)方差貢獻(xiàn)）為累計(jì)特征值與特征值總和的比。

2.2 PCA法在河口水流中的分離性能

PCA法是一種線性統(tǒng)計(jì)方法，可以把隨時(shí)間變化的要素場(chǎng)分解為空間函數(shù)部分和時(shí)間函數(shù)部分。其結(jié)果反映了某些現(xiàn)象，但是現(xiàn)象與機(jī)制之間并未建立起對(duì)應(yīng)的關(guān)系。所謂模態(tài)分離，最終能夠分離出哪些有效空間模態(tài)亦未曾有明確結(jié)論?？傊?，PCA法在河口水流中的應(yīng)用極少且不成熟。因此，在將PCA法應(yīng)用于甌江口實(shí)測(cè)水流之前，先對(duì)其性能進(jìn)行檢驗(yàn)。首先，構(gòu)造理想的水流結(jié)構(gòu)。斜壓分潮流和正壓分潮流的垂向結(jié)構(gòu)是完全不同的。為了能夠使理想流速的組成機(jī)制清晰，只選擇了河口區(qū)域內(nèi)的徑流、單一頻率規(guī)則潮流和重力環(huán)流。水流流速設(shè)定為

式中，Vf為徑流流速（0.02 m/s）；Vt為潮流流速；Vg為河口斜壓流速，其時(shí)間平均在數(shù)值上等于河口重力環(huán)流，三者均存在垂向上的變化。徑流與斜壓流速參考Hansen與Rattray[1]的結(jié)果，令：

式中，Vf+Vg中橫杠表示時(shí)間平均；V0為徑流導(dǎo)致的斷面平均流速；η為無(wú)量綱水深，，其中z為水深坐標(biāo)，h為總水深；ν為系數(shù)；Ra為 河 口Rayleigh數(shù)，νRa=250。為表達(dá)各流速在時(shí)間上的變化，令瞬時(shí)流速表達(dá)式為

在式（5）中，徑流設(shè)定為恒定值，這是考慮到一般的徑流資料常以日平均的形式給出。式（6）的構(gòu)造是為了既體現(xiàn)斜壓流動(dòng)的周期性變化又能使其均值為重力環(huán)流流速。該理想水流中僅為檢驗(yàn)PCA法的分離性能，因此暫不考慮其準(zhǔn)確的周期值。

在PCA法中，時(shí)不變的徑流不能分離出來(lái)，從空間模態(tài)的意義上來(lái)講，它的作用將與同為正壓流的潮流混合在一起，其量值體現(xiàn)在主成分的得分（S1，S2）上。然而，斜壓流則明顯表現(xiàn)出來(lái)（圖1a，PC2），且斜壓流的曲線與式（4）所預(yù)設(shè)的河口重力環(huán)流形式基本一致。在圖1a中，正壓流的垂向分布曲線（PC1）偏離式（4）所設(shè)的1/7律指數(shù)分布，這應(yīng)為徑流與潮流共同作用所致。徑流設(shè)置為時(shí)不變，所以未能將其分離出。事實(shí)上，在下一節(jié)的實(shí)測(cè)流速處理中，也未能將徑流的水流結(jié)構(gòu)分離出。除了因?yàn)樵摮煞蛛S時(shí)間變化緩慢以外，其量值很小也是一個(gè)原因。圖1b為PC1和PC2兩個(gè)主成分（或主分量）的得分（S1和S2）隨時(shí)間的變化?？梢钥闯?，S1和S2均呈現(xiàn)出周期性變化，這反映了原始數(shù)據(jù)中流速的周期性設(shè)定，同時(shí)二者也表現(xiàn)出明顯的相位差，與式（6）和式（7）中所預(yù)設(shè)的一致。

圖1 理想水流的分離Fig. 1 Separation of idealized estuarine current

因此，基本可以認(rèn)為，PCA可以對(duì)水流進(jìn)行分解，正壓流成分和斜壓流成分可以清晰分離開(kāi)，但對(duì)同為正壓流動(dòng)的徑流和潮流似乎沒(méi)有效果。此外，需要指出的是，在一般的PCA數(shù)據(jù)處理中，主成分對(duì)原始數(shù)據(jù)的解釋能力一般通過(guò)特征值來(lái)確定。如果累計(jì)解釋方差達(dá)到某一臨界值，則認(rèn)為完成了對(duì)原始數(shù)據(jù)的降維處理。但在河口水流的處理中，此種準(zhǔn)則不適用。因?yàn)樵诤涌谒髦?，潮流（半日潮和全日潮）是水流的重要特征，因此用原始?shù)據(jù)做處理時(shí)，第一主成分（一般代表周期性潮流）的解釋方差往往達(dá)到90%以上。而PCA在河口水流的應(yīng)用中，重點(diǎn)常為考量水流的結(jié)構(gòu)，因此須增加有無(wú)顯著的水流結(jié)構(gòu)作為判斷準(zhǔn)則，即利用主成分（結(jié)構(gòu)）及其得分（量值）二者綜合判斷。關(guān)于是否采用標(biāo)準(zhǔn)化的數(shù)據(jù)，在此研究中，二者并無(wú)差別。

3 甌江口水流結(jié)構(gòu)

甌江口是浙江省東南部的一個(gè)強(qiáng)潮河口，潮差超過(guò)6 m。其沿岸經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)，人口稠密。近些年，伴隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，人類活動(dòng)對(duì)于甌江口自然環(huán)境的干擾也越來(lái)越多，多個(gè)大規(guī)模沿海、沿岸工程已經(jīng)或正在實(shí)施。甌江多年平均年徑流量分別為470 m3/s。潮汐屬正規(guī)半日潮類型，潮流屬正規(guī)淺海半日潮流類型，由于漲落潮流受水域地形限制?基本呈往復(fù)流運(yùn)動(dòng)。

在前節(jié)中討論了PCA法的應(yīng)用方法、分離性能及主成分的取舍原則。在此將PCA法應(yīng)用于甌江口的實(shí)測(cè)流速數(shù)據(jù)之中，對(duì)甌江口的水流結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究。流速資料為2014年10月25日16:00至2014年10月26日17:00大潮期間的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)。同期的徑流約為130 m3/s。流速測(cè)量垂向采用六點(diǎn)法（表層、0.2h、0.4h、0.6h、0.8h、底層），測(cè)量時(shí)長(zhǎng)為26 h，測(cè)點(diǎn)分布見(jiàn)圖2。在每一個(gè)測(cè)點(diǎn)形成一個(gè)6×26的數(shù)據(jù)表，即2.1節(jié)中的xki。用PCA法處理流速數(shù)據(jù)時(shí)，可以將流速以矢量形式直接處理[9]。但在河口區(qū)域，流速一般為往復(fù)流。因此，為簡(jiǎn)便起見(jiàn)，下面的研究中僅針對(duì)主流向（縱向）流速進(jìn)行。主流向采用“變差最大法”確定：即采用垂向平均流速變差最大的方向作為主流向，并將這一方向的流速分量作為縱向流速。

圖2 甌江口測(cè)點(diǎn)及流速Fig. 2 Measurement sites and velocity in the Oujiang River Estuary

表1為各測(cè)點(diǎn)前3個(gè)主成分的累計(jì)解釋方差。圖3給出了甌江口L1-L9測(cè)點(diǎn)第一、第二主成分的結(jié)構(gòu)，第三主成分因其得分明顯較小而未列出?？梢钥闯?，代表潮流和徑流的第一主成分的累積解釋方差均達(dá)到99%左右，第二主成分呈重力環(huán)流型結(jié)構(gòu)，代表了斜壓流。第二主成分的累積解釋方差大多為0.2%～0.3%，最大可達(dá)0.72%。盡管第二主成分的累積解釋方差比較小，但它代表了河口水流中的一個(gè)重要成分，所以不能將其忽略。第三主成分的解釋方差平均約為第二主成分的1/3甚至更小，這也導(dǎo)致第三主成分代表的流動(dòng)量值也很小，一般不超過(guò)0.01 m/s。因此，一般情況下可暫將第三主成分及其后的主成分略去。

表1 甌江口流速測(cè)點(diǎn)PCA的主成分累計(jì)解釋方差（%）Table 1 PCA cumulative variance (%) of velocity measurement sites in the Oujiang River Estuary

圖3 甌江口流速測(cè)點(diǎn)的余流成分Fig. 3 Residual currents of measurement sites in the Oujiang River Estuary

由圖3可以看出，在甌江北口水道上游端的L1和L2測(cè)點(diǎn)呈現(xiàn)差異很大的流速形式。在L1測(cè)點(diǎn)，斜壓水流比較顯著，流速在表層和底層可達(dá)到約0.05 m/s和 -0.05 m/s，但代表正壓流動(dòng)的余流則呈垂向近似均勻分布，流速為0.01～0.02 m/s。在南側(cè)的L2測(cè)點(diǎn)，第二主成分代表的余流很小，不超過(guò)0.01 m/s，而第一主成分代表的正壓余流則達(dá)到0.10～0.15 m/s。在此斷面流速橫向上的差異源于該區(qū)域漲落潮流路的分離。該斷面所處河段地形極其復(fù)雜，上游七都島將甌江分為分流比約1∶1的南北兩汊，下游甌江被靈昆島分為南口和北口兩支，中間的過(guò)渡段北側(cè)水深很淺而南側(cè)龍灣附近最大水深可達(dá)40 m上下。甌江北口主深槽靠近凹岸，L1測(cè)點(diǎn)靠近北側(cè)凹岸，北側(cè)的深槽水深較大，是漲潮的主要通道，并在該斷面逐漸形成一定的橫向水流。L2測(cè)點(diǎn)所在的南岸水深很小，因此水體混合相對(duì)充分，不利于河口重力環(huán)流的產(chǎn)生。落潮時(shí)，上游來(lái)水經(jīng)過(guò)位于龍灣斷面自北岸伸出的潛丁壩。該丁壩壩頂高程在斷面中段較低，壩頭接近龍灣深槽（圖2），因此有一股水流經(jīng)丁壩挑流并在南口潛壩的共同作用下經(jīng)過(guò)L2測(cè)點(diǎn)附近。水深和地形的共同作用導(dǎo)致了L1測(cè)點(diǎn)位置可發(fā)育一定的重力環(huán)流型態(tài)的流動(dòng)，而在L2測(cè)點(diǎn)所處的南側(cè)，則表現(xiàn)有較明顯的指向下游的歐拉余流。在北口口門附近的黃華斷面包括L3-L6 4個(gè)測(cè)點(diǎn)。其中L3-L5測(cè)點(diǎn)的第一主成分和第二主成分的型式基本一致，僅在量值上略有差異。自靠近北岸的L3測(cè)點(diǎn)向南至L5測(cè)點(diǎn)，不論是第一主成分還是第二主成分代表的余流流速均逐漸減小，這應(yīng)是局部水深逐漸變淺所致。3個(gè)測(cè)點(diǎn)均有流速為0.05 m/s左右的斜壓流動(dòng)。黃華斷面位于河口口門處，該區(qū)域在低徑流量的情況下水平鹽度梯度已比較明顯，且水深相對(duì)較大（水深大于10 m），因此存在較為明顯的斜壓水流。在靠近南側(cè)的L6測(cè)點(diǎn)，依舊存在明顯的斜壓水流，但正壓流動(dòng)（PC1）產(chǎn)生的余流指向上游，流速約為0.07 m/s。L6測(cè)點(diǎn)在口門處的副槽之中，漲落潮流路的不一致或?yàn)榇肆魉贆M向差異的主要原因。L7測(cè)點(diǎn)位于口門外北側(cè)的沙頭水道之中，該處水深不大，垂向混合充分，因此未見(jiàn)明顯的雙向斜壓流動(dòng)。但是，統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，該測(cè)點(diǎn)的第一主成分代表的余流指向口門方向，這與一般性的認(rèn)識(shí)不同。由于測(cè)流時(shí)間較短，其中原因尚不明確。L8測(cè)點(diǎn)的第二主成分與L7測(cè)點(diǎn)類似，但L8測(cè)點(diǎn)的第一主成分的余流指向外海，反映了河口水體向外海的輸運(yùn)。L9測(cè)點(diǎn)的第一主成分也呈現(xiàn)了這一態(tài)勢(shì)。L9測(cè)點(diǎn)的第二主成分代表的余流雖然很小，但卻呈現(xiàn)與斜壓流動(dòng)相反的垂向分布。第二主成分應(yīng)該代表了另一種水流結(jié)構(gòu)：河口歐拉余流指向下游而Stokes輸運(yùn)則指向上游[11]。該處水深較小，從歐拉意義來(lái)講，由于潮汐變形等因素，會(huì)導(dǎo)致此種模式的流速結(jié)構(gòu)出現(xiàn)。若同時(shí)斜壓成分較弱，則會(huì)呈現(xiàn)L9測(cè)點(diǎn)的流速形式。事實(shí)上，該處第三主成分的解釋方差僅0.38%，約為第二主成分的一半。加之該測(cè)點(diǎn)靠近靈霓北堤，水深較淺，因此水體垂向混合強(qiáng)，不利于斜壓流的發(fā)育。

圖4 第一（S1）、第二（S2）主成分得分隨時(shí)間的變化Fig. 4 Temporal variations of scores of the first principal component (S1) and second principal component (S2)

圖4為L(zhǎng)1-L9測(cè)點(diǎn)第一、第二主成分（或主變量）對(duì)應(yīng)得分的時(shí)間變化。可以看出，所有測(cè)點(diǎn)的第一主成分得分（S1）均呈現(xiàn)典型的半日潮周期的變化。這也表明第一主成分反映的主要是周期性的潮流。對(duì)于第二主成分，在L1測(cè)點(diǎn)、L3-L6測(cè)點(diǎn)均顯示存在明顯的斜壓水流，對(duì)應(yīng)的主成分得分（S2）則呈現(xiàn)比第一主成分更復(fù)雜的形式。它們不再是半日潮周期的變化，但也并非毫無(wú)規(guī)律可循。在L3-L5測(cè)點(diǎn)，第二主成分的S2實(shí)際上呈現(xiàn)近似1/4日分潮周期，在L1和L6測(cè)點(diǎn)也基本如此。對(duì)于余流量值不大的L2、L7和L8測(cè)點(diǎn)，也隱約呈現(xiàn)類似的高頻變化，尤其是L7測(cè)點(diǎn)，明顯呈現(xiàn)1/4分潮周期。對(duì)于L9測(cè)點(diǎn)，由于其水流結(jié)構(gòu)并非斜壓水流而且量值不大，因此對(duì)其S2不做進(jìn)一步討論。

綜上所述，在河口區(qū)，縱向斜壓流動(dòng)在平均意義上表現(xiàn)為河口重力環(huán)流，但其自身也存在近似為1/4分潮周期的高頻振蕩。Jay和Musiak[8]曾通過(guò)理論分析得出類似結(jié)論。Stacey等[7]則將此現(xiàn)象歸因?yàn)橹芷谛缘乃w層化（SIPS）。在甌江口枯水期，水體層化是基本不存在或很弱的，這種高頻的振蕩應(yīng)主要為水平鹽度梯度在潮周期內(nèi)的變化所致。Jay和Musiak[8]認(rèn)為，這種斜壓高頻流動(dòng)的存在可通過(guò)M4分潮流的標(biāo)準(zhǔn)化振幅和相位的垂向變化進(jìn)行判斷。標(biāo)準(zhǔn)化振幅定義為M4分潮流的相對(duì)振幅與M4分潮的相對(duì)振幅之比，其中，U、A分別為潮流和潮汐的振幅。在斜壓M4分潮流不發(fā)育的情況下，標(biāo)準(zhǔn)化振幅應(yīng)為O（1～2）。反之，標(biāo)準(zhǔn)化振幅會(huì)顯著增大[8]，且M4分潮流在垂向上流向相反。圖5中給出的是甌江口實(shí)測(cè)水流數(shù)據(jù)經(jīng)調(diào)和分析得到的分潮調(diào)和常數(shù)進(jìn)而得到相關(guān)參數(shù)的情況。調(diào)和分析采用T-tide實(shí)現(xiàn)[12]。圖5b和圖5c中豎線給出的為不同測(cè)點(diǎn)處垂向上的最大值、最小值和平均值。可以看出，甌江口不論在口內(nèi)還是口外，標(biāo)準(zhǔn)化振幅均很大。按文獻(xiàn)[8]的判斷準(zhǔn)則，此處可能存在斜壓M4分潮流。圖5c中最后一列為各測(cè)點(diǎn)M4分潮流遲角的垂向變化特征。可以看出，遲角在垂向上變化不大。因此，雖然標(biāo)準(zhǔn)化振幅很大但不能斷定斜壓M4分潮流的存在。然而，在圖3、圖4中，斜壓流確實(shí)在部分測(cè)點(diǎn)明顯存在，振幅可達(dá)0.05 m/s。二者結(jié)論的不一致可能是由于甌江口正壓M4分潮流很大。圖5顯示M4分潮流的相對(duì)振幅達(dá)到約0.3。甌江口M2分潮流的振幅可超過(guò)1.5 m/s，所以M4分潮流的振幅近似可達(dá)0.3～0.4 m/s。而斜壓成分的振幅僅為0.05 m/s，二者相差一個(gè)量級(jí)。不論如何，PCA法可以對(duì)河口水流進(jìn)行分離，可以得出斜壓M4分潮流的結(jié)構(gòu)和量值。相對(duì)于文獻(xiàn)[8]關(guān)于M4斜壓分潮流的判別準(zhǔn)則更為簡(jiǎn)便和直接。

圖5 甌江口流速測(cè)點(diǎn)M4分潮的調(diào)和常數(shù)特征Fig. 5 Characteristics of harmonic constants of M4constituent in the Oujiang River Estuary

4 結(jié)語(yǔ)

基于甌江口實(shí)測(cè)流速資料，利用主成分分析方法對(duì)水流結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分解，驗(yàn)證了PCA法在河口水流中的分離性能及主成分的選擇。在此基礎(chǔ)上，討論了河口斜壓流動(dòng)的高頻特征。研究認(rèn)為：PCA法可以將河口水流分離得到正壓部分和斜壓部分。第一主成分一般為水流的正壓部分，反映周期性的潮流。第二主成分一般為斜壓部分，反映河口斜壓力的作用。斜壓流動(dòng)呈現(xiàn)明顯的1/4分潮周期，印證了文獻(xiàn)[8]關(guān)于斜壓不對(duì)稱導(dǎo)致的偶次高頻分潮流的結(jié)論。相對(duì)于文獻(xiàn)[8]的準(zhǔn)則，利用PCA法可更便捷的確定斜壓M4分潮流。該發(fā)現(xiàn)對(duì)進(jìn)一步研究河口流速不對(duì)稱導(dǎo)致的物質(zhì)凈輸運(yùn)具有重要意義。