廣東紅海灣海流季節(jié)性特征分析

王春陽(yáng)，張永強(qiáng)，王恩康，金永德

(1.山東電力工程咨詢?cè)河邢薰?，山東 濟(jì)南 250100； 2.自然資源部第一海洋研究所，山東 青島 266061；3.山東科技大學(xué)，山東 青島 266590)

海流是海洋內(nèi)部能量和質(zhì)量傳輸?shù)闹匾问?，使整個(gè)世界大洋的各種水文要素、化學(xué)元素及熱鹽狀況保持長(zhǎng)期相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)，對(duì)海洋生物、地質(zhì)狀況和過(guò)程以及海上和沿岸天氣、氣候都有影響和制約作用，對(duì)海上生產(chǎn)活動(dòng)和海上工程建設(shè)有重要影響。紅海灣位于南海北部粵東沿岸中段(22°39′～22°51′N(xiāo), 114°56′～115°27′E), 為半封閉海灣，面積約300 km2, 水深10～50 m。灣北部較平緩，自北向南傾斜，西部沿岸坡度較大[1]。多年來(lái)對(duì)粵東海灣及南海北部海區(qū)潮流的研究已經(jīng)有大量的工作。

俞慕耕(1984)探討了南海的潮汐特征[2]；黃企洲(1982)進(jìn)行了南海北部的深層海流觀測(cè)[3]；管秉賢(1985)分析了南海北部冬季逆風(fēng)海流的時(shí)空分布特征[4]；邱章等(1999)對(duì)南海北部春季海流的垂向變化進(jìn)行了分析[5]；王衛(wèi)強(qiáng)等(2002)估算了南海上層海洋季風(fēng)性海流調(diào)整的特征時(shí)間尺度[6]；王江偉等(2007)計(jì)算了與溫鹽資料時(shí)間序列相對(duì)應(yīng)的不同季節(jié)不同層深的南海海洋環(huán)流及流渦系統(tǒng)，并得出相關(guān)結(jié)論[7]；吳仁豪等(2007)用三維陸架海模式(HAMSOM)對(duì)大亞灣海域的潮汐、潮流和余流進(jìn)行了數(shù)值模擬研究[8]；司廣成等(2012)分析了南海北部東沙島附近的內(nèi)潮和余流特征[9]；夏綜萬(wàn)等(2013)探討了粵東甲子海域潮波異常和南海北部潮波的傳播[10]；余學(xué)芳等(2016)對(duì)深圳大鵬灣的潮流運(yùn)動(dòng)進(jìn)行了三維數(shù)值模擬研究[11]；許婷等(2017)基于POM海洋模式對(duì)南海不同深度環(huán)流的季節(jié)性變化進(jìn)行了數(shù)值模擬研究[12]。劉廣平等(2018)利用2008年夏季和冬季的海流資料分析了紅海灣西北海區(qū)潮流性質(zhì)、運(yùn)動(dòng)形式、漲落潮流特性、余流特征。以上研究使人們對(duì)粵東海域和南海北部海域的潮汐和潮流特征有了一定的了解，但由于研究不多，對(duì)廣東紅海灣海域潮流特征的了解依然不足。本研究利用2016年冬季和2017年春季的實(shí)測(cè)海流數(shù)據(jù)分析了紅海灣海區(qū)潮流動(dòng)力學(xué)特征，為后期的環(huán)評(píng)、海域使用論證，以及工程設(shè)計(jì)提供翔實(shí)、準(zhǔn)確的科學(xué)依據(jù)，同時(shí)也為今后對(duì)海灣的生物地球化學(xué)過(guò)程的研究提供了重要的理論支撐。

1 資料來(lái)源與研究方法

1.1 潮位

根據(jù)技術(shù)要求，需設(shè)置3個(gè)臨時(shí)潮位站(S1～S3站，圖1)。潮位觀測(cè)采用加拿大RBR公司生產(chǎn)的TGR-2050型溫潮位儀，采樣間隔10 min，儀器置于海底，獲取水位連續(xù)觀測(cè)資料。觀測(cè)時(shí)間為2016年12月3日至2017年1月2日和2017年4月3日至5月2日。潮位觀測(cè)期間，在S2站設(shè)立人工水尺驗(yàn)潮站，將潮位數(shù)據(jù)訂正到1985國(guó)家高程基準(zhǔn)，并給出工程區(qū)各基面關(guān)系。

圖1 紅海灣潮位觀測(cè)站布設(shè)示意圖Fig.1 Distribution of tidal level observation station in Honghai Bay

1.2 海流

海流觀測(cè)按技術(shù)任務(wù)書(shū)的要求在工程海域布設(shè)11個(gè)站，在大、中、小潮期間各進(jìn)行一次周日逐時(shí)連續(xù)觀測(cè)，本研究觀測(cè)實(shí)際站位見(jiàn)圖1。11個(gè)測(cè)站總體布置原則為在工程海域的東、西、南側(cè)各布設(shè)1個(gè)站位，并以此為起點(diǎn)，從灣頂向?yàn)晨谳椛洳贾?條斷面，分別代表灣西側(cè)、灣中、灣東側(cè)連線。

海流觀測(cè)采用安德拉RCM9型海流計(jì)、諾泰克公司生產(chǎn)的小闊龍和日本ALEC公司生產(chǎn)的電磁亞力克海流計(jì)，采樣時(shí)間間隔設(shè)置為1 min，每層測(cè)量時(shí)間保持約3 min，以保證每層至少有2個(gè)有效記錄，最后根據(jù)儀器壓力值的變化，篩選出各層實(shí)測(cè)海流流速、流向值。各站按六點(diǎn)法觀測(cè)，即表、0.2 H(H為整點(diǎn)時(shí)刻實(shí)測(cè)水深)、0.4 H、0.6 H、0.8 H和底層。

本研究冬季大潮水文觀測(cè)時(shí)間包括大潮觀測(cè)： 2016年12月14日13時(shí)至15日15時(shí)；中潮觀測(cè)：2016年12月10日11時(shí)至11日13時(shí)；小潮觀測(cè)：2016年12月08日09時(shí)至09日11時(shí)。春季大潮水文觀測(cè)時(shí)間包括大潮觀測(cè)：2017年4月29日10時(shí)至30日12時(shí)；中潮觀測(cè)：2017年4月25日08時(shí)至26日10時(shí)；小潮觀測(cè)：2017年4月22日11時(shí)至23日13時(shí)。

2 結(jié)果與討論

2.1 潮汐特征

對(duì)實(shí)測(cè)資料進(jìn)行分析得到調(diào)查期間水位特征值見(jiàn)表1，觀測(cè)期間平均海平面冬季為-8 cm，春季為56 cm。從圖2可以看出，冬季和春季S1、S2、S3站3個(gè)臨時(shí)水位站相位相差較小，振幅波動(dòng)、相位變化趨勢(shì)基本一致。

表1 紅海灣觀測(cè)期間潮汐特征統(tǒng)計(jì)表Tab.1 Statistic for tidal current characteristics during the observation in Honghai Bay

圖2 紅海灣觀測(cè)期間潮位過(guò)程曲線Fig.2 Tidal process curves during the observation in Honghai Bay

2.2 海流特征

2.2.1 海流在平面上的分布 圖3為冬季和春季大、中、小潮期間各站垂線平均流速流向矢量圖，可以看出冬季大潮期和中潮期，整個(gè)海灣內(nèi)海流呈現(xiàn)東進(jìn)西出，為逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)特征，小潮期為西進(jìn)東出，為順時(shí)針旋轉(zhuǎn)特征；春季大潮期和中潮期，整個(gè)海灣內(nèi)海流呈現(xiàn)西進(jìn)東出，為順時(shí)針旋轉(zhuǎn)特征，小潮期為東進(jìn)西出，為逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)特征。

圖3 紅海灣垂線平均海流矢量圖Fig.3 Vector maps of vertical average currents in Honghai Bay

冬季垂線平均的漲、落潮流平均流速，其變化范圍落潮流為1～25 cm/s，漲潮流變化范圍為1～21 cm/s。大潮期落潮流平均流速最大為10 cm/s，流向?yàn)?80°、202°，出現(xiàn)在H7站、H8站，漲潮流平均流速最大為19 cm/s，流向?yàn)?12°，出現(xiàn)在H10站；中潮期落潮流平均流速最大為25 cm/s，流向?yàn)?45°，出現(xiàn)在H4站，漲潮流平均流速最大為21 cm/s，流向?yàn)闉?81°，出現(xiàn)在H11站；小潮期，落潮流平均流速最大為19 m/s，流向?yàn)?22°，出現(xiàn)在H11站，漲潮流平均流速最大為10 cm/s，流向?yàn)?50°，均出現(xiàn)在H4站。在三次觀測(cè)中，各站漲落潮平均流速中潮期最大。

大潮期垂線平均的落潮流最大流速的變化范圍在9～42 cm/s之間，最大值出現(xiàn)在H7站，流向?yàn)?0°，垂線平均的漲潮流最大流速的變化范圍在11～50 cm/s，最大值出現(xiàn)在H7站，流向?yàn)?9°。中潮期，垂線平均的落潮流最大流速的變化范圍在7～43 cm/s之間，最大值出現(xiàn)在H11站，流向?yàn)?5°，垂線平均的漲潮流最大流速的變化范圍在10～35 cm/s，最大值出現(xiàn)在H7站，流向?yàn)?5°。小潮期，垂線平均的落潮流最大流速的變化范圍在8～29 cm/s之間，最大值出現(xiàn)在H11站，流向?yàn)?30°，垂線平均的漲潮流最大流速的變化范圍在6～23 cm/s，最大值出現(xiàn)在H4站，流向?yàn)?45°。

春季垂線平均的漲、落潮流平均流速變化范圍：落潮流為1～18 cm/s，漲潮流為1～19 cm/s。大潮期落潮流平均流速最大為14 cm/s，流向?yàn)?06°，出現(xiàn)在H11站，漲潮流平均流速最大為7 cm/s，流向?yàn)?3°，出現(xiàn)在H3站；中潮期落潮流平均流速最大為10 cm/s，流向?yàn)?3°，出現(xiàn)在H3站，漲潮流平均流速最大為14 cm/s，流向分別為61°、118°，分別出現(xiàn)在H3、H6站；小潮期落潮流平均流速最大為12 cm/s，流向分別為237°、294°，分別出現(xiàn)在H5、H11站，漲潮流平均流速最大為15 cm/s，流向?yàn)?91°，出現(xiàn)在H11站。在三次觀測(cè)中，各站漲落潮平均流速屬大潮期最大?？傮w來(lái)看，離岸站點(diǎn)漲落潮平均流速大于近岸站點(diǎn)漲落潮平均流速。

大潮期垂線平均的落潮流最大流速的變化范圍為15～36 cm/s，最大值出現(xiàn)在H11站，流向?yàn)?19°，垂線平均的漲潮流最大流速的變化范圍為19～42 cm/s，最大值出現(xiàn)在H11站，流向?yàn)?20°。中潮期垂線平均的落潮流最大流速的變化范圍為9～24 cm/s，最大值出現(xiàn)在H10站，流向?yàn)?15°，垂線平均的漲潮流最大流速的變化范圍為13～36 cm/s，最大值出現(xiàn)在H11站，流向?yàn)?33°。小潮期垂線平均的落潮流最大流速的變化范圍為12～27 cm/s，最大值分別出現(xiàn)在H10站和H11站，流向分別為315°和304°，垂線平均的漲潮流最大流速的變化范圍為13～31 cm/s，最大值出現(xiàn)在H11站，流向?yàn)?97°。

2.2.2 海流在垂向上的分布 由各站實(shí)測(cè)漲、落潮流最大流速及流向數(shù)據(jù)可以看出，冬季各站各層漲、落潮流最大流速分布及變化趨勢(shì)：大潮期，落潮流最大流速為50 cm/s，流向?yàn)?7°，出現(xiàn)在H7站表層，漲潮流最大流速為57 cm/s，流向?yàn)?9°，出現(xiàn)在H7站表層；中潮期，落潮流最大流速為51 cm/s，流向?yàn)?30°，出現(xiàn)在H4站表層，漲潮流最大流速為42 cm/s，流向?yàn)?07°，出現(xiàn)在H7站表層；小潮期，落潮流最大流速為34 cm/s，流向?yàn)?55°，出現(xiàn)在H11站表層，漲潮流最大流速為29 cm/s，流向?yàn)?80°，出現(xiàn)在H4站表層。

春季各站各層漲、落潮流最大流速分布及變化趨勢(shì)：大潮期，落潮流最大流速為41 cm/s，流向?yàn)?12°，出現(xiàn)在H11站表層，漲潮流最大流速為48 cm/s，流向?yàn)?24°，出現(xiàn)在H11站0.2 H層；中潮期，落潮流最大流速為28 cm/s，流向?yàn)?26°，出現(xiàn)在H6站0.2 H層，漲潮流最大流速為40 cm/s，流向?yàn)?29°，出現(xiàn)在H11站0.4 H層；小潮期，落潮流最大流速為37 cm/s，流向?yàn)?21°，出現(xiàn)在H10站0.2 H層，漲潮流最大流速為39 cm/s，流向?yàn)?17°，出現(xiàn)在H10站0.2 H層。

由各站實(shí)測(cè)漲、落潮流平均流速及流向和漲、落潮流最大流速及流向數(shù)據(jù)可看出，冬季和春季大、中、小潮期三次觀測(cè)中，海流流速在大部分測(cè)站的最大值出現(xiàn)在表層或0.2 H層，流速基本上均自表至底逐漸減小，流向在垂直線上的分布比較一致。

2.2.3 潮流狀況 潮流可分為規(guī)則的、不規(guī)則的半日潮流和規(guī)則的、不規(guī)則的全日潮流，其判別標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表2。

表2 潮流類(lèi)型判別表Tab.2 Discrimination of tidal current types

由表3可知，冬季在各站的潮型系數(shù)中，除H2站各層、H7站0.8 H、底層外各站各層潮流類(lèi)型判別數(shù)均在0.50～2.00之間，其潮流性質(zhì)為不規(guī)則半日潮流；H2站0.4 H至底層、H7站0.8 H和底層為不規(guī)則全日潮流，H2站表層、0.2 H層為全日潮流。春季在各站的潮型系數(shù)中，H4站(表層、0.2 H、0.4 H、底層)、H5站(表層)、H6站(0.2 H、0.4 H、底層)、H7站(0.2 H)、H11(0.2 H、底層)各站各層潮流類(lèi)型判別數(shù)均在小于0.5，其潮流性質(zhì)為規(guī)則半日潮流；H3站(0.8 H、底層)潮流類(lèi)型判別數(shù)均在2.00～4.00之間，其潮流性質(zhì)為不規(guī)則全日潮流；其余各站各層潮流類(lèi)型判別數(shù)均在0.50～2.00之間，其潮流性質(zhì)為不規(guī)則半日潮流。

表3 冬季、春季各站潮流類(lèi)型判別數(shù)Tab.3 Discriminant number of tidal current types at the observation stations in winter and spring

續(xù)表3

①潮流的運(yùn)動(dòng)形式。潮流的運(yùn)動(dòng)形式分旋轉(zhuǎn)流和往復(fù)流，通常以橢圓率K的絕對(duì)值大小來(lái)判斷，當(dāng)|K|=1時(shí)，潮流橢圓成圓形，各方向流速相等，為純旋轉(zhuǎn)流；當(dāng)|K|=0時(shí)，潮流橢圓為一直線，海水在一直線上往返流動(dòng)，為典型往復(fù)流。|K|值通常在0～1之間，|K|值越大，旋轉(zhuǎn)流的形式越顯著，|K|值越小，往復(fù)流的形式越顯著[14]。

由于觀測(cè)海域?yàn)榘肴粘绷黝?lèi)型，因此，除H2站外主要以M2分潮流的橢圓率來(lái)對(duì)潮流運(yùn)動(dòng)形式作近似分析。各分潮流橢圓率計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表4。潮流的旋轉(zhuǎn)方向，通常是以旋轉(zhuǎn)率K前面的符號(hào)來(lái)判斷。K前面為“+”，表示潮流逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)(左旋)，K前面為“-”，說(shuō)明潮流是順時(shí)針旋轉(zhuǎn)(右旋)。

由表4可知，各站的潮流橢圓率|K|值均較小，冬季H3、H6、H7、H8、H9、H10、H11站以往復(fù)流為主，H1、H2、H4、H5站潮流運(yùn)動(dòng)具有一定旋轉(zhuǎn)性；春季H1、H2、H5、H6、H7、H8、H9、H10、H11站以往復(fù)流為主，H3、H4站潮流運(yùn)動(dòng)則具有一定旋轉(zhuǎn)性。

表4 冬季、春季各站各層主要分潮流的k值表Tab.4 K-value of the component currents of each layer at observation stations in winter and spring

因研究海域是半日潮流為主海域，討論潮流的旋轉(zhuǎn)方向時(shí)，可以M2分潮流的K值變化來(lái)討論各站各層的潮流旋轉(zhuǎn)方向。冬季H1、H4、H5、H6、H9站為逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，H2、H7、H8、H10站為順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，其他各站各層潮流旋轉(zhuǎn)方向不一致；春季H2、H3、H4站為逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，H1、H5、H6、H8、H10站為順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，其他各站各層潮流旋轉(zhuǎn)方向不一致。

② 潮流的可能最大流速。規(guī)則半日潮流海區(qū)：

(1)

規(guī)則全日潮流海區(qū)：

(2)

③ 潮流水質(zhì)點(diǎn)最大可能運(yùn)移距離。規(guī)則半日潮流海區(qū)：

(3)

規(guī)則全日潮流海區(qū)：

(4)

按半日潮流海區(qū)的公式計(jì)算，計(jì)算結(jié)果顯示冬季研究區(qū)水質(zhì)點(diǎn)的最大可能運(yùn)移距離在1 056.2～9 214.0 m之間，春季研究區(qū)水質(zhì)點(diǎn)的最大可能運(yùn)移距離在1 676.2～5 937.9 m之間。水質(zhì)點(diǎn)可能最大運(yùn)移距離的遠(yuǎn)近與潮流最大可能流速的大小是相對(duì)應(yīng)的，潮流最大可能流速越大，水質(zhì)點(diǎn)最大可能運(yùn)移距離就越遠(yuǎn)。

2.2.4 余流 按調(diào)和分析得出觀測(cè)期間各測(cè)站的余流情況[15]，冬季觀測(cè)海域大潮期各站各層余流流速在1.2～17.0 cm/s之間，最大余流流速出現(xiàn)在H11站表層，流向?yàn)?53°；中潮期各站各層余流流速在1.5～28.1 cm/s之間，最大余流流速出現(xiàn)在H4站表層，流向?yàn)?52°；小潮期各站各層余流流速在2.8～13.3 cm/s之間，最大余流流速出現(xiàn)在H3站表層，流向?yàn)?42°。大潮期和中潮期各站余流流向整體為偏西向。小潮期，灣西側(cè)余流流向偏西向，灣東側(cè)余流流向偏南東向(圖4)。

春季大潮期各站各層余流流速在1.7～10.1 cm/s之間，最大余流流速出現(xiàn)在H11站0.6 H層，流向?yàn)?03°；中潮期余流流速在1.2～12.0 cm/s之間，最大余流流速出現(xiàn)在H3站0.6 H層，流向?yàn)?3°；小潮期各站各層余流流速在2.7～18.7 cm/s之間，最大余流流速出現(xiàn)在H11站0.2 H層，流向?yàn)?97°。大潮期和中潮期各站余流流向整體為偏東向。小潮期，除H3站偏向南東向，其余余流流向偏西向。

垂向上各層余流流速由表至底逐漸減小，流向基本一致。

3 結(jié)論

本研究利用2016年冬季至2017年春季的潮流資料, 分析了紅海灣海區(qū)海流特征, 結(jié)果如下:

(1)紅海灣海區(qū)屬于不規(guī)則半日潮流主導(dǎo)的海域。潮流性質(zhì)大部分站位屬往復(fù)流，少數(shù)站位潮流運(yùn)動(dòng)具有一定的旋轉(zhuǎn)性。

(2)海流流向受地形和風(fēng)的影響而出現(xiàn)變化。冬季, 最大平均漲潮流為21 cm/s, 最大平均退潮流為25 cm/s; 春季, 最大平均漲潮流為15 cm/s,最大平均退潮流為14 cm/s。

(3)冬季在各站的潮型系數(shù)中，除H2站各層、H7站0.8 H、底層外各站各層潮流類(lèi)型判別數(shù)均在0.50～2.00之間，其潮流性質(zhì)為不規(guī)則半日潮流，H2站0.4 H至底層、H7站0.8 H和底層為不規(guī)則全日潮流，H2站表層、0.2 H層為全日潮流；春季在各站的潮型系數(shù)中，H4站(表層、0.2 H、0.4 H、底層)、H5站(表層)、H6站(0.2 H、0.4 H、底層)、H7站(0.2 H)、H11(0.2 H、底層)各站各層潮流類(lèi)型判別數(shù)均小于0.50，其潮流性質(zhì)為規(guī)則半日潮流；H3站(0.8 H、底層)潮流類(lèi)型判別數(shù)均在2.00～4.00之間，其潮流性質(zhì)為不規(guī)則全日潮流；其余各站各層潮流類(lèi)型判別數(shù)均在0.50～2.00之間，其潮流性質(zhì)為不規(guī)則半日潮流。

(4)冬季測(cè)區(qū)潮流最大可能流速在7～53 cm/s之間。最大可能流速最大值為53 cm/s，出現(xiàn)在H11站0.2 H層。水質(zhì)點(diǎn)的最大可能運(yùn)移距離在1 056.2～9 214.0 m之間；春季測(cè)區(qū)潮流最大可能流速在10～36 cm/s之間。最大可能流速最大值為36 cm/s，出現(xiàn)在H11站0.4 H層。水質(zhì)點(diǎn)的最大可能運(yùn)移距離在1 676.2～5 937.9 m之間。

(5)冬季大潮期和中潮期各站余流流向整體為偏西向。小潮期，灣西側(cè)余流流向偏西向，灣東側(cè)余流流向偏南東向；春季大潮期和中潮期各站余流流向整體為偏東向。小潮期，除H3站偏向南東向，其余余流流向偏西向。冬季最大余流流速可達(dá)17.0 cm/s，春季最大余流流速可達(dá)10.1 cm/s。