基于實(shí)測(cè)資料的欽州灣外海海域潮流特征分析

李少朗，崔力維，馬 欣

(國(guó)家海洋局北海海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)中心站,廣西 北海 536000)

引 言

潮流是海洋內(nèi)部能量和質(zhì)量傳輸?shù)闹匾问?，?duì)海洋化學(xué)、生態(tài)環(huán)境等有重要影響[1-3]，因此，掌握潮流的運(yùn)動(dòng)規(guī)律具有重要意義。鑒于潮流的重要性，國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者做了大量的潮流相關(guān)的研究工作，其數(shù)據(jù)分析方法相對(duì)成熟。例如徐申南等[4]基于2018年6月9個(gè)站位的短期實(shí)測(cè)資料，分析了上海近海海域的潮流特征；王一聰?shù)萚5]基于桑溝灣海帶非養(yǎng)殖季和養(yǎng)殖季的長(zhǎng)時(shí)間觀測(cè)數(shù)據(jù)，分析不同時(shí)期的潮流調(diào)和要素，探究了不同海帶生長(zhǎng)階段的養(yǎng)殖阻力對(duì)當(dāng)?shù)厮畡?dòng)力環(huán)境的影響；周爭(zhēng)橋等[6]利用6個(gè)站位大潮期的潮流觀測(cè)數(shù)據(jù)，分析了該海域的潮流特征；陳波等[7]利用了2011年5月—2012年4月一年期的潮流觀測(cè)資料，分析了防城港白龍尾區(qū)域的潮流特征；王春陽(yáng)等[8]利用廣東紅海灣2017年春季和冬季的海流資料，分析了該海域的潮流特征；劉京鵬等[9]利用遼東灣2009年9月的3個(gè)站位短期潮流觀測(cè)資料，分析該海域的潮流特征；蔡志文等[10]基于兩年實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，分析了西沙海域某瀉湖的潮流及內(nèi)潮特征。欽州灣位于北部灣海域，屬亞熱帶季風(fēng)型海洋性氣候。由于南臨北部灣，主要受海洋氣候影響，也受大陸氣團(tuán)影響，海洋性氣候明顯，是中國(guó)濕熱多雨的地方之一。灣內(nèi)潮流呈往復(fù)流特征，漲潮時(shí)外海海水流入灣內(nèi)，落潮時(shí)潮流流向偏南，海水流出灣內(nèi)。潮流的流向與岸線或深槽走向平行；流速的區(qū)域性變化明顯，呈現(xiàn)為由灣外向?yàn)硟?nèi)逐步增大的趨勢(shì)，在灣頸處最大。灣附近擁有核電及火電廠，目前有部分學(xué)者研究了欽州灣海域的水動(dòng)力情況，但是基于實(shí)測(cè)資料的外海潮流特征少有研究，目前僅有部分?jǐn)?shù)模分析[11-13]，全面了解海域的漲落潮特征，對(duì)欽州灣的保護(hù)及開發(fā)意義重大，因此本文以2019年7月3個(gè)站位的短期實(shí)測(cè)資料為基礎(chǔ)，探究其潮流特征。

1 調(diào)查站位與方法

1.1 調(diào)查站位與時(shí)間

調(diào)查站V1、V2和V3位于廣西欽州灣外海附近(見圖1)，站位信息、觀測(cè)使用的儀器和觀測(cè)時(shí)間等信息見表1，其中，2019年7月11日—12日為小潮，7月15日—16日為中潮，7月17日—18日為大潮。觀測(cè)儀器采用聲學(xué)多普勒流速流向儀，測(cè)流間隔為0.5 h，每次測(cè)流歷時(shí)180 s，測(cè)流分層V2、V3站為0.5 m，V1站為1.0 m。測(cè)量期間，儀器設(shè)備垂直安裝在船舷一側(cè)，保證傳感器發(fā)射區(qū)域無遮擋。海流觀測(cè)成果按六點(diǎn)法(表層、0.2 H、0.4 H、0.6 H、0.8 H、底層)整理潮流報(bào)表。

圖1 觀測(cè)站位位置圖Fig.1 The locations of observation stations

1.2 資料分析方法

1.2.1 垂向流速計(jì)算方法

流向以正北為0°，垂線平均流速、流向均采用矢量合成法計(jì)算。具體的計(jì)算方法為：

Ⅰ、先將各層實(shí)測(cè)流速、流向分解為北分量VN和東分量VE，即：

VN=Vcosθ,VE=Vsinq

(1)

式中，V表示各層實(shí)測(cè)流速，單位m/s；θ表示各層實(shí)測(cè)流向，單位度。

Ⅱ、采用加權(quán)平均法計(jì)算垂線平均北分量VNm和東分量VEm，即：

(2)

式中，V0.0N表示表層實(shí)測(cè)流速北分量；V0.0E為表層實(shí)測(cè)流速東分量，其他層次依次類推，單位為m/s。

Ⅲ、采用矢量合成法計(jì)算垂線平均流速Vm、流向θm：

(3)

(當(dāng)VNm=0時(shí)，若VEm>0，則θm=90°；若VEm<0，則θm=270°)

表1 測(cè)量相關(guān)信息Table 1 The information associating with the observation stations

1.2.2 潮流調(diào)和分析方法

數(shù)學(xué)上，潮流運(yùn)動(dòng)可以分解成很多不同頻率的分潮運(yùn)動(dòng)的疊加，其中每個(gè)分潮運(yùn)動(dòng)都可以用余(正)弦函數(shù)來表示。某站點(diǎn)海流的瞬時(shí)流速東、北分量可以用如下函數(shù)形式表示:

(4)

式中，u(t) 、v(t) 分別為海流東分量和北分量的流速時(shí)間序列；t為時(shí)間；u0、v0為東、北分量的定常流動(dòng)( 余流) ；Hi、gi為東、北分量的調(diào)和常數(shù)，分別是第i個(gè)分潮的振幅和遲角；fui、dui是各個(gè)分潮的交點(diǎn)因子和交點(diǎn)訂正角；ωi、n0i為各分潮的角頻率和天文初相角；N為分潮個(gè)數(shù)。

根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，利用MATLAB中的T_tide程序包[14]，可以得到東、北分量潮流的調(diào)和常數(shù)和潮流橢圓要素。

2 結(jié)果與討論

2.1 實(shí)測(cè)資料分析結(jié)果

2.1.1 實(shí)測(cè)各層潮流特征統(tǒng)計(jì)

(1)最大流速統(tǒng)計(jì)

各測(cè)站分層測(cè)點(diǎn)實(shí)測(cè)漲、落潮最大流速特征值見表2。實(shí)測(cè)最大流速：各層實(shí)測(cè)最大流速，大潮出現(xiàn)在V2站的表層，為0.92 m/s，流向?yàn)?56°；中潮出現(xiàn)在V1站的0.2 H層和0.6 H層，為0.98 m/s，流向分別為351°和1°；小潮出現(xiàn)在V1站的底層，為0.57 m/s，流向?yàn)?9°。

表2 各測(cè)站垂線上測(cè)點(diǎn)最大流速、流向特征值統(tǒng)計(jì)表Table 2 Statistics of maximum velocity on the vertical line each stations

(2)平均流速分布

通過對(duì)本期測(cè)驗(yàn)各測(cè)站的各層實(shí)測(cè)的流速資料進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，按漲潮段、落潮段分別統(tǒng)計(jì)平均值得到各測(cè)站的漲、落潮段平均流速垂向分布,見表3。統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明：本海域漲潮段垂線上流速大、中、小潮均呈從表層到底層先增大后減小的分布趨勢(shì)；落潮段垂線上流速大、中、小潮均呈從表層到底層逐漸減小的分布趨勢(shì)。

表3 各測(cè)站垂線上漲潮和落潮期間的平均流速統(tǒng)計(jì)結(jié)果Table 3 Statistics of average flow velocity during high tide and low tide each station 單位：m/s

2.1.2 實(shí)測(cè)垂向平均流速特征

以各個(gè)測(cè)站的垂線平均流速、流向?yàn)橐罁?jù)繪制海流流矢圖(圖2)，根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，得到相關(guān)統(tǒng)計(jì)結(jié)果。由圖2可知，觀測(cè)站均呈現(xiàn)往復(fù)流性質(zhì)，V1和V2測(cè)站為N—S向，V3測(cè)站為ENE—SW。其中因V1站靠近欽州灣灣口位置，其流速相對(duì)V2和V3，速度最大。整體而言，中潮期間垂向平均流速大于大潮期間，小潮期間最小。

圖2 大(a)中(b)小(c)潮時(shí)期觀測(cè)站垂向平均流速Fig.2 The vertical mean velocity ofobservation stations during spring (a), moderate (b) and neap (c) tides

各測(cè)站漲落潮段的垂線平均最大流速流向統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表4。垂線平均最大流速：各測(cè)站垂線平均最大流速，大潮為0.66 m/s，流向?yàn)?10°，出現(xiàn)在V3測(cè)站落潮段；中潮為0.92 m/s，流向?yàn)?57°，出現(xiàn)在V1測(cè)站的漲潮段；小潮為0.43 m/s，流向?yàn)?°，出現(xiàn)在V1測(cè)站的漲潮段。

表4 各測(cè)站漲落潮段垂線平均最大流速、流向統(tǒng)計(jì)表Table 4 Statistics of average maximum vertical velocity and direction in flood and ebb periods each stations

2.1.3 漲落潮期間潮流垂向平均特征

(1)漲落潮期間平均流向

根據(jù)各測(cè)站漲、落潮潮段合成流向計(jì)算結(jié)果(表5)，結(jié)合各測(cè)站垂線平均流速矢量圖可以看出，各測(cè)站呈明顯往復(fù)流性質(zhì)。其中V1和V2漲落潮沿著N—S向，V3為ENE—SSW向。

(2)漲落潮期間平均流速

通過對(duì)本期測(cè)驗(yàn)各測(cè)站的垂線平均流速進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，按漲潮段、落潮段分別求其矢量平均值得到各測(cè)站潮段平均流速(表6)：施測(cè)海域?qū)崪y(cè)漲潮平均流速低于落潮。其中，大潮漲、落潮段平均流速分別為0.3 m/s和0.39 m/s；中潮漲、落潮段平均流速分別為0.3 m/s和0.39 m/s；小潮漲、落潮段平均流速分別為0.22 m/s和0.19 m/s。大、中潮漲潮段實(shí)測(cè)平均流速小于落潮段，小潮漲潮段大于落潮段。

表5 不同站位漲、落潮平均流向統(tǒng)計(jì)表Table 5 Statistics of average flow direction in flood and ebb tides each stations 單位：流向，°

表6 各測(cè)站潮段平均流速統(tǒng)計(jì)表Table 6 Statistics average flow in flood and ebb tides each stations 單位：流速,m/s

2.2 潮流調(diào)和分析

2.2.1 潮流類型

海區(qū)的潮流類型按以下方式判別[15]：

(5)

當(dāng)F≤0.5時(shí)為正規(guī)半日潮流，當(dāng)0.54.0時(shí)為正規(guī)全日潮流。其中WO1、WK1、WM2分別為O1、K1、M2分潮流的最大流速。利用潮流類型分類判別標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)調(diào)和計(jì)算結(jié)果，算得潮流性質(zhì)比值分別為主太陰日分潮流、太陰太陽(yáng)赤緯日分潮流和主太陰半日分潮流的橢圓長(zhǎng)半軸長(zhǎng)度(cm/s)。計(jì)算結(jié)果見表7，V1、V2、V3測(cè)站垂線平均的F值分別為1.98、2.05、1.54。V2測(cè)站附近海域潮流類型基本可定性為不規(guī)則全日潮流性質(zhì)，V1、V3測(cè)站附近海域潮流類型基本可定性為不規(guī)則半日潮流性質(zhì)。

表7 各站各層示性系數(shù) F統(tǒng)計(jì)表Table 7 Statistics of coefficient F at different stations and seawater layer

2.2.2 潮流的運(yùn)動(dòng)形式

潮流的運(yùn)動(dòng)形式由潮流的橢圓旋轉(zhuǎn)率K值來描述，K值為潮流橢圓的短軸和長(zhǎng)軸之比。當(dāng)K大于0.25時(shí)，潮流表現(xiàn)為旋轉(zhuǎn)流特征；當(dāng)K小于0.25時(shí)，潮流表現(xiàn)為往復(fù)流特征。根據(jù)前述的分析，由于本次觀測(cè)工程海區(qū)潮流性質(zhì)同時(shí)存在不規(guī)則半日潮流和不規(guī)則全日潮流，以下按各站潮流性質(zhì)分別以全日分潮流中最具代表性的O1和半日分潮流中最具代表性的M2分潮流的橢圓率來對(duì)潮流運(yùn)動(dòng)形式作近似分析。

由表8可知，V1、V2測(cè)站各層的O1分潮流的橢圓率值和V3測(cè)站各層的M2分潮流的橢圓率值的絕對(duì)值均小于0.25，因此本海域潮流運(yùn)動(dòng)形式基本上以往復(fù)流為主。

2.3 潮流橢圓要素

各測(cè)站潮流橢圓要素計(jì)算結(jié)果見表9。各主要分潮流基本以K1、O1全日分潮流和M2半日分潮流為主，其次是S2半日分潮流、M4四分之一分潮和MS4復(fù)合潮均較小。K1、O1全日分潮流和M2半日分潮流最大流速(長(zhǎng)半軸)的最大值為30.8 cm/s(V1測(cè)站表層)和32.1 cm/s(V3測(cè)站表層)。

表8 各測(cè)站O1和M2分潮的K值Table 8 TheK values for tidal components O1 and M2 each stations

表9 各站潮流橢圓要素統(tǒng)計(jì)結(jié)果Table 9 Statistics ellipse elements each stations

2.4 余流

余流是指海流中除天文引潮力作用所引起的潮流以外的海流。在近海海區(qū)，一般情況下余流相對(duì)于潮流的量級(jí)較小，但在某些特定海域，余流影響不能被忽略。它主要受制于水文氣象、地形等因素，因而不同天氣條件、不同時(shí)間段的余流分布特征有所差異。表10是本次測(cè)驗(yàn)各測(cè)站全潮期間的垂線平均及各層流速的余流計(jì)算結(jié)果表。垂線平均余流矢量圖見圖3。

圖3 大(a)中(b)小(c)潮時(shí)期觀測(cè)站垂向平均余流Fig.3 Vertical mean residual current each observation stations during spring (a), moderate (b) and neap (c) tides

表10 各站位余流統(tǒng)計(jì)結(jié)果Table 10 Statistics of residual flow each stations

由統(tǒng)計(jì)結(jié)果可知，垂線平均余流，最大值出現(xiàn)在大潮期間V2測(cè)站，達(dá)15.7 cm/s，方向?yàn)?1°。各層余流，最大值出現(xiàn)在大潮期間V2測(cè)站0.4 H層，達(dá)19.3 cm/s，方向?yàn)?8°。

3 結(jié)論

本文基于欽州灣海域3個(gè)短期站點(diǎn)的實(shí)測(cè)海流剖面資料，利用T_tide分析，得出以下結(jié)論：

(1)V1和V2站平均流速為N—S，V3測(cè)站為ENE—SW，各站呈現(xiàn)明顯的往復(fù)流性質(zhì)。各測(cè)站基本呈現(xiàn)出漲潮流小于落潮流的情況，其平均漲潮流為0.27 m/s，平均落潮流為0.32 m/s。

(2)各測(cè)站流速均不大，大潮期最大流速為0.92 m/s，中潮期最大流速為0.98 m/s，小潮期最大流速為0.57 m/s；觀測(cè)海域漲潮段垂線上流速大、中、小潮均呈從表層到底層先增大后減小的分布趨勢(shì)；落潮段垂線上流速大、中、小潮均呈從表層到底層逐漸減小的分布趨勢(shì)。

(3)V2測(cè)站附近海域?yàn)椴灰?guī)則全日潮流性質(zhì)，V1、V3測(cè)站附近海域?yàn)椴灰?guī)則半日潮流性質(zhì)，以往復(fù)流為主。K1、O1全日分潮流和M2半日分潮流最大流速(長(zhǎng)半軸)的最大值為36.9 cm/s(V1測(cè)站表層)、30.8 cm/s(V1測(cè)站0.6層)和32.1 cm/s(V3測(cè)站表層)。

(4)垂線平均余流，最大值出現(xiàn)在大潮期間V2測(cè)站，為15.7 cm/s，方向?yàn)?1°。各層余流，最大值出現(xiàn)在大潮期間V2測(cè)站0.4 H層，為19.3 cm/s，方向?yàn)?8°。