山東半島東北部海洋牧場海域冬季海水流動的時空分布特征

胡羅煜, 翟方國, 劉子洲, 李培良, 顧艷鎮(zhèn), 孫利元, 李 欣, 陳 棟, 姜慶巖

山東半島東北部海洋牧場海域冬季海水流動的時空分布特征

胡羅煜1, 翟方國1, 劉子洲1, 李培良2, 顧艷鎮(zhèn)1, 孫利元3, 李 欣1, 陳 棟2, 姜慶巖2

(1. 中國海洋大學(xué) 海洋與大氣學(xué)院, 山東 青島 266100; 2. 浙江大學(xué) 海洋學(xué)院, 浙江 舟山 316021; 3. 山東省水生生物資源養(yǎng)護管理中心, 山東 煙臺 264003)

為豐富山東半島近岸海洋牧場海域水動力環(huán)境研究, 本文利用2019年12月3日至2020年1月1日在山東半島東北部4個海洋牧場獲取的海流資料, 應(yīng)用功率譜分析、調(diào)和分析、余流主軸分析和相關(guān)分析, 探討冬季各海洋牧場的潮流、余流特征及其影響機制。結(jié)果表明: (1) 各海洋牧場潮流由M2分潮潮流主導(dǎo), 受地形邊界限制, 各主要分潮潮流均為往復(fù)流, 且潮流橢圓主軸平行岸線。(2) 不同海洋牧場呈現(xiàn)不同的余流特征和影響機制。煙臺安源海洋牧場余流大致垂直于岸線流向近岸, 平均流速約為0.9~1.7 cm/s; 日平均流以經(jīng)向流為主, 與經(jīng)向風(fēng)呈顯著正相關(guān), 海水受北風(fēng)強迫在近岸堆積。威海瑜泰海洋牧場余流大致垂直于岸線流向外海, 平均流速約為1.4~1.7 cm/s; 日平均流亦以經(jīng)向流為主, 與經(jīng)向風(fēng)呈顯著負相關(guān), 表層海水受北風(fēng)強迫向近岸堆積, 在近岸產(chǎn)生下降流, 海面以下存在北向的離岸流。威海西港海洋牧場余流為東南向, 平均流速約為2.5~3.0 cm/s, 日平均流具有較為顯著的正壓性。榮成楮島海洋牧場余流為東北向, 平均流流速約為5.6~9.9 cm/s, 日平均流表明海水沿桑溝灣南岸流出海灣, 推測桑溝灣海水在灣內(nèi)逆時針流動。研究成果利于進一步研究山東半島鄰近海域動力環(huán)境的多尺度時空變化特征及其影響機制。

海洋牧場; 潮流; 余流; 山東沿岸

隨著海產(chǎn)品市場需求的增長, 傳統(tǒng)的掠奪式的沿岸海水養(yǎng)殖業(yè)過度膨脹, 產(chǎn)生了漁業(yè)種群單一化、個體小型化以及沿海海域水質(zhì)污染等副作用, 這種水產(chǎn)模式無法保證海洋漁業(yè)的可持續(xù)發(fā)展和人們對海產(chǎn)品的需求[1]。針對這些問題, 海洋科學(xué)家們提出建設(shè)“海洋牧場”方案。自1980年來, 隨著人工魚礁、增殖放流、魚類馴化等技術(shù)的實施, 這種新型海水養(yǎng)殖產(chǎn)業(yè)模式, 已經(jīng)被證實在集魚, 提高生物多樣性, 改善水質(zhì)、營養(yǎng)鹽結(jié)構(gòu)等方面取得成效[2]。海洋牧場的建設(shè)可以提高海域的水產(chǎn)生物養(yǎng)殖容量, 這與海域營養(yǎng)物質(zhì)含量的調(diào)整、碳匯能力的提高有關(guān), 后者的改變源于海域葉綠素、溶解氧等物質(zhì)分布的變化, 而海域物質(zhì)分布與水動力環(huán)境息息相關(guān)。已有大量研究討論海流和不同海域生態(tài)系統(tǒng)的相互調(diào)控作用: 在肯尼亞的加茲灣, 潮汐不對稱性導(dǎo)致的水體交換促進河口、海灣與外海營養(yǎng)物的交換[3]; 在日本東北部海岸, 諸多海灣與北太平洋進行水交換, 此處養(yǎng)殖業(yè)、近海商業(yè)性捕撈業(yè)十分繁榮[4]; 在福建三沙灣, 箱式養(yǎng)殖設(shè)備減少養(yǎng)殖水域的流量并增強養(yǎng)殖水域之間水道的流量, 研究表明一定程度的改變網(wǎng)箱布局可以改善三沙灣水交換能力[5];在山東半島東部桑溝灣, 樊星等運用10 d海流資料, 結(jié)合雙阻力模型, 討論了夏季桑溝灣因水產(chǎn)養(yǎng)殖產(chǎn)生的海面邊界層現(xiàn)象, 以及邊界層對潮流的影響[6]。山東周邊的海洋牧場建設(shè)方興未艾, 因而研究海洋牧場海域的水動力環(huán)境能夠為了解區(qū)域物質(zhì)分布特征, 進而解決海洋牧場建設(shè)中的設(shè)施布放方案、增殖放流的選址與放流數(shù)量等難題[7]提供新思路, 可進一步提高海洋牧場之于海上糧倉建設(shè)和海洋生態(tài)可持續(xù)發(fā)展的成效。

研究海域位于山東半島東北部, 為北黃海西部陸架淺海, 水深淺、岸線寬廣且曲折(圖1)。在研究海域, 潮波運動是海水運動的主要形式: 在山東半島東北部, 煙臺、威海附近海域潮流流速較弱, 此海域位于流場的輻合、輻散區(qū)[8]; 漲潮時, 海水自北黃海向渤海、南黃海流動, 落潮時則相反[9]。山東半島東北部不同海域潮流運動特征不同。例如, 在山東半島北部, 威海灣灣口與灣內(nèi)潮流橢圓有較大差異[10]; 在山東半島東部的成山頭近海, 潮流方向則幾乎與岸線平行[11]; 潮流與地形相互作用則可能產(chǎn)生潮汐岬角鋒等復(fù)雜的潮致流[12]。冬季山東半島東北部存在一支較為穩(wěn)定的流, 即魯北沿岸流。冬季北風(fēng)作用下, 沿岸水在渤南近岸區(qū)域堆積, 因而在山東半島北部海域, 西側(cè)水位相對較高, 驅(qū)動沿岸水向東流動, 在成山頭外海轉(zhuǎn)向南流[13](圖1a), 魯北沿岸流攜帶懸浮物質(zhì), 對沿岸地貌有一定影響[14]。山東半島東部海域動力環(huán)境受到許多學(xué)者的關(guān)注, 王志勇等運用2007年冬季大面積調(diào)查資料討論了山東半島東部余流特征, 余流均為南向, 成山頭以東外海的斷面余流流速接近5 cm/s, 桑溝灣東南處的斷面余流流速小于5 cm/s[15]。前人對山東周邊海域動力機制同樣開展了一定研究, 宋軍等對北黃海區(qū)域的潮汐過程進行動量分析和診斷, 結(jié)果表明在渤海海峽、成山頭海域, 動量方程中的壓強梯度力項與局地變化項最顯著[16]。

圖1 研究區(qū)域與站位分布圖

注: a: 研究區(qū)域位于山東半島東北部, 其近海沿岸流為魯北沿岸流; b: 展示4海洋牧場的站位分布, 黑色箭頭指示桑溝灣地理位置; c—f: 海洋牧場海域岸線與10 m等深線分布特征, d中黑色箭頭指示雙島港地理位置, 水深數(shù)據(jù)來自ETOPO2(https://www.ngdc.noaa. gov/mgg/global/etopo2.html), 岸線數(shù)據(jù)為GSHHG(http: //www.soest.hawaii.edu/pwessel/gshhg/)

前人針對北黃海流場特征開展了豐富的研究, 但在近岸海域, 因船只航行、水產(chǎn)養(yǎng)殖、港工建筑等海事活動頻繁, 中長期流矢量觀測資料獲取難度大, 流場特征有待進一步研究[17]?；诖? 本文利用山東半島東北部4處海洋牧場的聲學(xué)多普勒流速剖面儀(acoustic Doppler current profiler, ADCP)的觀測數(shù)據(jù), 對近岸淺海海水流動進行分析, 綜合討論了主要分潮潮流、月平均流、日平均流的特征, 初步討論風(fēng)、地形對海水流動特征的影響。

1 數(shù)據(jù)和方法

本文采用自山東省海洋牧場觀測網(wǎng)獲取的2019年12月的海流資料。海洋牧場分布如圖1所示。觀測站位均位于山東半島東北部離岸3 km以內(nèi)海域, 煙臺安源海洋牧場位于渤海海峽東部, 威海瑜泰海洋牧場位于威海市雙島港外海, 威海西港海洋牧場位于威海瑜泰海洋牧場東部、小石島西南, 榮成楮島海洋牧場位于桑溝灣南岸。海流觀測儀器為岸基有纜在線觀測系統(tǒng)搭載的坐底式ADCP, 儀器每小時觀測5個流速剖面, 水層采樣厚度為1 m。傳感器波束自海底向上發(fā)射, 底層流矢量數(shù)據(jù)距離海底1 m。本文根據(jù)觀測系統(tǒng)搭載的溫鹽深剖面儀(conductivity- temperature-depth, CTD)的同時期水深數(shù)據(jù), 選取海表面以下的流矢量數(shù)據(jù)進行功率譜分析、調(diào)和分析和余流主軸分析, 探討海洋牧場海域海水流動特征(表1)。

表1 海洋牧場數(shù)據(jù)信息

本文還采用了兩種輔助數(shù)據(jù): (1) 歐洲中期天氣預(yù)報中心(European centre for medium-range weather forecast, ECMWF)發(fā)布的10 m風(fēng)矢量數(shù)據(jù)(ERA5), 用于探究逐日風(fēng)矢量和日平均流的相關(guān)關(guān)系[18]。風(fēng)矢量資料時間范圍為2019年12月3日至2020年1月1日, 時間分辨率為1 h, 空間分辨率為0.25°×0.25°, 經(jīng)雙線性插值得到海洋牧場10 m風(fēng)矢量資料。(2) HYCOM (hybrid coordinate ocean model)再分析流場資料(https:// www.hycom.org/dataserver/gofs-3pt1/reanalysis), 用于討論魯北沿岸流對海洋牧場余流的影響機制, 時間范圍為2019年12月3日至2020年1月1日, 時間分辨率為3 h, 空間分辨率為1/12°×1/12°。

2 結(jié)果與分析

2.1 功率譜分析

對所選水層的流矢量資料進行垂向平均, 并分別對經(jīng)向流、緯向流分量進行功率譜分析, 得到4處海洋牧場的流矢量經(jīng)緯分量的功率譜, 如圖2所示。同一海洋牧場的經(jīng)向流、緯向流具有較為一致的顯著周期, 所有海洋牧場均在半日周期和全日周期對應(yīng)頻段處譜峰最大, 在1/3、1/4、1/5、1/6 d周期對應(yīng)的高頻頻段出現(xiàn)峰值, 主要為倍潮波和復(fù)合潮波。在煙臺安源海洋牧場、威海瑜泰海洋牧場、威海西港海洋牧場, 高頻處的譜峰遠小于半日周期、全日周期譜峰, 在榮成楮島海洋牧場高頻處譜峰峰值較高。

2.2 潮流特征

采用MATLAB的T_TIDE程序包對實測海流資料進行潮流調(diào)和分析[19], 得到M2、S2、O1、K1主要分潮的潮流橢圓參數(shù)(表2), 圖3展示了4個海洋牧場表層原始流矢量和潮流調(diào)和分析重構(gòu)表層流矢量時間序列。

圖2 海流資料功率譜分析

表2 潮流調(diào)和常數(shù)表

所有牧場表層的M2分潮潮流橢圓主軸方向基本與岸線平行(圖4)。對比相同海洋牧場、相同水層的不同分潮潮流主軸傾角, 發(fā)現(xiàn)除威海西港海洋牧場表層O1、K1分潮和榮成楮島海洋牧場底層O1分潮外, S2、O1、K1與M2潮流橢圓主軸傾角差均不超過20°, 分潮潮流最大流速方向基本與岸線平行。相同海洋牧場、相同分潮的潮流橢圓主軸垂向分布顯示, 煙臺安源海洋牧場分潮潮流最大流速方向隨深度增加順時針旋轉(zhuǎn), 威海瑜泰海洋牧場分潮潮流最大流速方向隨深度增加逆時針旋轉(zhuǎn); 威海西港海洋牧場、榮成楮島海洋牧場分潮潮流最大流速方向隨深度的變化較為復(fù)雜, 分潮角頻率不同, 最大流速方向隨深度的變化不同。

圖3 海洋牧場表層流矢量時間序列

注: 黑色: 原始流矢量; 紅色: 潮流調(diào)和分析重構(gòu)流矢量

圖4 潮流橢圓分布圖

潮流調(diào)和分析表明, 4處海洋牧場海域均屬于半日分潮潮流主導(dǎo)的海區(qū), 且M2分潮潮流最顯著, M2分潮潮流流速最大。對比4處海洋牧場海域, M2、S2分潮潮流在榮成楮島海洋牧場流速最大, 其中M2分潮流速約為7~12 cm/s; 威海瑜泰海洋牧場次之, M2分潮流速約為4~8 cm/s; 煙臺安源海洋牧場、威海西港海洋牧場M2分潮流速小于2 cm/s。O1、K1分潮潮流在威海瑜泰海洋牧場流速最大, 其中K1分潮流速約為3~6 cm/s; 榮成楮島海洋牧場次之, K1分潮潮流速約為2~4 cm/s; 煙臺安源海洋牧場、威海西港海洋牧場K1分潮流速不超過1.1 cm/s。各海洋牧場主要分潮潮流流速均隨深度增加減小。煙臺安源海洋牧場、威海西港海洋牧場M2分潮潮流表底層流速相近。威海瑜泰海洋牧場、榮成楮島海洋牧場M2分潮潮流流速中層較表層約減少10%, 底層較表層減少40%~50%, 潮流流速垂向分布表明海底與岸基的摩擦效應(yīng)使底層潮流流速顯著減小。

潮流橢圓旋轉(zhuǎn)性如圖4所示, 煙臺安源海洋牧場潮流橢圓基本順時針旋轉(zhuǎn), 威海瑜泰海洋牧場潮流橢圓基本逆時針旋轉(zhuǎn), 威海西港海洋牧場、榮成楮島海洋牧場M2、S2半日分潮潮流基本順時針旋轉(zhuǎn), O1、K1全日分潮潮流橢圓基本逆時針旋轉(zhuǎn)。海洋牧場潮流橢圓橢率均小于0.4, 潮流以往復(fù)運動形式為主。在煙臺安源海洋牧場、威海西港海洋牧場表層, M2分潮潮流橢圓橢率分別為–0.32、–0.27, M2分潮潮流旋轉(zhuǎn)性相對較強。潮流橢圓主軸平行于岸線, 主要分潮最大流速隨深度增加減小, 往復(fù)運動的潮流特征表明4處海洋牧場海域潮流運動受地形邊界影響顯著。

2.3 平均流特征

原始流矢量剔除調(diào)和重構(gòu)流矢量后, 首先進行48 h低通濾波, 然后進行觀測時段平均, 得到4處海洋牧場海域觀測時段內(nèi)平均流(圖5)。煙臺安源海洋牧場平均流流速約為0.9~1.7 cm/s, 威海瑜泰海洋牧場平均流流速約為1.4~1.7 cm/s, 威海西港海洋牧場平均流流速約為2.5~3.0 cm/s, 榮成楮島海洋牧場平均流流速約為5.6~9.9 cm/s。自煙臺安源海洋牧場至榮成楮島海洋牧場平均流流速增大, 即在山東半島東北部海域, 位于東部的海洋牧場平均流流速較大。煙臺安源海洋牧場平均流流矢量表層為南向, 底層為西南向, 底層平均流與岸線幾乎垂直, 表層較底層稍向左偏, 且底層流速大于表層, 煙臺安源海洋牧場平均流流速與前人在相鄰海域觀測結(jié)果較為一致[20]。威海瑜泰海洋牧場平均流表層為東北向, 中層為北向, 底層為西北向, 平均流呈現(xiàn)海水輻散的離岸流特征, 且流速底層最大, 中層最小。在威海西港海洋牧場, 平均流流矢量表底層幾乎一致, 為東南向, 體現(xiàn)整層水體向東南岸堆積的特征。榮成楮島海洋牧場表中底層平均流幾乎同為東北向, 平均流方向隨深度增加稍向灣口中心洼地偏轉(zhuǎn), 表中層流速大小相當(dāng), 底層流速約為表層60%。

圖5 月平均流矢量圖

2.4 日平均流特征

剔除實測海流中的調(diào)和重構(gòu)分潮流并進行24 h平均, 得到日平均流特征(圖6a)。煙臺安源海洋牧場日平均流東南、西南向流矢量交替出現(xiàn); 表層流矢量主要為西南向, 但東南向流速較大; 底層流矢量主要為西南向, 且底層日平均流流速強于表層。威海瑜泰海洋牧場日平均流表層主要為東北向, 中層?xùn)|北、西北流矢量交替出現(xiàn), 底層主要為西北向。威海西港海洋牧場表底層日平均流流矢量基本一致, 主要為東南向; 榮成楮島海洋牧場日平均流表中底層呈東北向流動, 隨深度增加流矢量逆時針旋轉(zhuǎn)且流速減小。

原始流矢量剔除調(diào)和重構(gòu)流矢量后, 進行48 h低通濾波得到逐時余流[21], 對逐時余流經(jīng)向、緯向分量進行二維主成分分析得到余流主成分分量, 余流主成分方向是余流偏差量方差最大的方向, 定義為余流主軸方向[22-23], 垂直于主軸的方向定義為次軸方向][。經(jīng)統(tǒng)計余流主成分之于逐時余流的貢獻率超過75%, 且逐時余流在余流主軸方向的變化最劇烈。如圖6所示, 除煙臺安源海洋牧場底層余流主軸與岸線存在較大夾角外, 各海洋牧場余流主軸與岸線方向大致相似, 煙臺安源海洋牧場表層、威海西港海洋牧場余流主軸為東南-西北方向(圖6b, d), 威海瑜泰海洋牧場、榮成楮島海洋牧場余流主軸為東北—西南方向(圖6c, e), 說明在4處海洋牧場海域, 地形是制約余流變化的一個重要因素。

圖6中, 橢圓長軸為主軸方向上逐時余流分量的標(biāo)準(zhǔn)差, 橢圓短軸則為逐時余流次軸分量的標(biāo)準(zhǔn)差, 余流標(biāo)準(zhǔn)差體現(xiàn)觀測時段內(nèi)余流變化的劇烈程度。煙臺安源海洋牧場、威海西港海洋牧場標(biāo)準(zhǔn)差較小, 余流變化較小; 威海瑜泰海洋牧場、榮成楮島海洋牧場標(biāo)準(zhǔn)差較大, 余流變化較劇烈。余流標(biāo)準(zhǔn)差垂向分布則說明煙臺安源海洋牧場底層余流變化較表層劇烈; 威海瑜泰海洋牧場、榮成楮島海洋牧場底層余流變化較表、中層顯著減小; 威海西港海洋牧場表底層余流變化劇烈程度基本一致。

圖6 日平均流矢量和逐時余流標(biāo)準(zhǔn)差分布圖

注: 子圖a: 日平均流矢量; b—e: 橢圓長軸方向: 余流主軸方向; 橢圓長軸: 逐時余流主成分分量標(biāo)準(zhǔn)差; 橢圓短軸方向: 余流次軸方向; 橢圓短軸: 逐時余流次軸分量標(biāo)準(zhǔn)差

2.5 影響機制

為進一步探究4處海洋牧場的余流結(jié)構(gòu), 繪制了觀測期間平均的HYCOM 0 m水深流場與ERA5 10 m高度風(fēng)場。如圖7a所示, 在西北風(fēng)背景下, 山東半島北部海域近岸存在一條自西向東流幅逐漸變窄的流動, 在成山頭轉(zhuǎn)為南向, 為魯北沿岸流[13, 17]。觀測期間, 威海西港海洋牧場平均流與此流動特征較為一致, 煙臺安源海洋牧場、威海瑜泰海洋牧場、榮成楮島海洋牧場平均流與此流動存在顯著差異。煙臺安源海洋牧場平均流指向相鄰海域風(fēng)場、流場的右側(cè)(圖7a), 推測其平均流與風(fēng)場有關(guān), 在后文討論了日平均風(fēng)與日平均流的特征。威海瑜泰海洋牧場平均流為北向、離岸方向, 相近的威海西港海洋牧場則為東向。前者與威海外海東向的HYCOM表層流場存在差異, 后者則相近, 推測威海瑜泰海洋牧場流矢量變化除受魯北沿岸流影響外, 存在其他影響機制, 在后文討論日平均風(fēng)與日平均流的特征。威海西港海洋牧場表、底層余流特征基本一致, 說明表底層余流具有較為顯著的正壓性, 平均流與臨近海域HYCOM表層流矢量方向基本一致, 為東—東南向, 推測此海域余流與魯北沿岸流密切相關(guān)。榮成楮島海洋牧場位于桑溝灣南岸灣口處(圖1f), 桑溝灣外流矢量為南向[15], 但榮成楮島海洋牧場平均流由表至底均為東北向, 與灣外流場對流, 說明海水自灣南流出, 僅考慮灣口的水交換, 則海水自灣北流入, 在灣內(nèi)逆時針旋轉(zhuǎn)。推論與以往數(shù)值模擬研究結(jié)果較為一致[24]。

逐日風(fēng)矢量如圖7b所示。所有牧場逐日風(fēng)矢量分布基本一致, 西北風(fēng)與西南風(fēng)交替出現(xiàn)。對比圖7b與圖6, 發(fā)現(xiàn)北風(fēng)增強時煙臺安源海洋牧場日平均流流速明顯增大。為進一步討論風(fēng)速對日平均流的影響, 將同一站位風(fēng)速和不同水層余流做相關(guān)分析。結(jié)果顯示, 在煙臺安源海洋牧場, 表底層經(jīng)向余流流速與同站經(jīng)向風(fēng)速相關(guān)系數(shù)大于0.6, 表層緯向余流流速與同站經(jīng)向風(fēng)速相關(guān)系數(shù)小于–0.4, 在威海瑜泰海洋牧場, 整層水體經(jīng)向余流流速與同站經(jīng)向風(fēng)速相關(guān)系數(shù)小于–0.6。圖8展示了煙臺安源海洋牧場表層日平均經(jīng)向流異常、緯向流異常與10 m日平均經(jīng)向風(fēng)異常, 以及威海瑜泰海洋牧場表層日平均經(jīng)向流異常與10 m日平均經(jīng)向風(fēng)異常的時間序列。煙臺安源海洋牧場經(jīng)向流與經(jīng)向風(fēng)正相關(guān), 緯向流與經(jīng)向風(fēng)負相關(guān), 在12月6日至12月9日、12月15日、12月27日日平均經(jīng)向風(fēng)正異常時, 日平均經(jīng)向流正異常, 日平均緯向流負異常, 12月5日、12月11日、12月17日、12月26日、12月30日經(jīng)向風(fēng)異常為極小值時, 日平均經(jīng)向流異常為極小值, 日平均緯向流異常為極大值, 即北風(fēng)增強時, 煙臺安源海洋牧場南向流、東向流增強。威海瑜泰海洋牧場經(jīng)向余流與經(jīng)向風(fēng)速負相關(guān), 如圖8c所示, 12月5日、12月11日、12月17日、12月26日、12月30日經(jīng)向風(fēng)異常為極小值時, 日平均經(jīng)向流異常為極大值, 經(jīng)向風(fēng)異常為極大值時, 日平均經(jīng)向流異常為極小值, 即北風(fēng)增強時, 威海瑜泰海洋牧場北向流增強。

圖7 觀測期間0 m平均流場與10 m平均風(fēng)場

注: 子圖a: 藍色箭頭: HYCOM再分析資料0 m流場; 紅色箭頭: ERA5 10 m風(fēng)場

圖8 煙臺安源海洋牧場、威海瑜泰海洋牧場表層日平均流異常與10 m高度經(jīng)向風(fēng)速異常時間序列圖

煙臺安源海洋牧場平均水深5.4 m, 水深淺, 經(jīng)向風(fēng)推動表底層海水向岸流動, 因而煙臺安源海洋牧場經(jīng)向余流與經(jīng)向風(fēng)正相關(guān); 經(jīng)向風(fēng)與岸線有夾角, 北風(fēng)推動表層海水沿岸向東流動, 因而在表層, 煙臺安源海洋牧場緯向余流與經(jīng)向風(fēng)負相關(guān)(圖9a)。威海瑜泰海洋牧場平均水深10.1 m, 水深較煙臺安源海洋牧場深, 地形相對陡峭。推測北風(fēng)時, 海面有南向流, 因經(jīng)向風(fēng)幾乎與岸線垂直, 海水向岸堆積并在岸邊產(chǎn)生下降流, 在海面以下產(chǎn)生離岸流, 即北向流; 南風(fēng)時, 海面為離岸流, 海面以下則產(chǎn)生上升流, 威海瑜泰海洋牧場表面以下為南向的補償流, 因而威海瑜泰海洋牧場經(jīng)向流與經(jīng)向風(fēng)負相關(guān)(圖9b)。

3 結(jié)論

通過對山東半島東北部4處海洋牧場2019年12月觀測的海流數(shù)據(jù)進行分析, 得到以下結(jié)論:

1) 威海瑜泰海洋牧場、威海西港海洋牧場海域潮流類型為不正規(guī)半日潮, 煙臺安源海洋牧場、榮成楮島海洋牧場海域潮流類型介于正規(guī)半日潮和不正規(guī)半日潮之間。M2、S2半日分潮潮流在榮成楮島海洋牧場流速最大, M2分潮流速約為7~12 cm/s; O1、K1全日分潮潮流在威海瑜泰海洋牧場流速最大, K1分潮流速約為3~6 cm/s。各海洋牧場海域的主要分潮潮流具有最大流速平行岸線, 最大流速的大小隨深度減小的往復(fù)運動特征, 表明各海洋牧場海域潮流運動受地形邊界影響顯著。

圖9 煙臺安源海洋牧場、威海瑜泰海洋牧場流場與經(jīng)向風(fēng)場相關(guān)關(guān)系

注: 綠色箭頭: 風(fēng)場; 藍色箭頭: 流場

2) 煙臺安源海洋牧場平均流大致垂直于岸線流向近岸, 流速約為0.9~1.7 cm/s, 威海瑜泰海洋牧場平均流大致垂直于岸線流向外海, 流速約為1.4~ 1.7 cm/s, 威海西港海洋牧場平均流為東南方向, 流速約為2.5~3.0 cm/s, 榮成楮島海洋牧場平均流為東北方向, 流速約為5.6~9.9 cm/s。

3) 煙臺安源海洋牧場表底層日平均流經(jīng)向流與當(dāng)?shù)亟?jīng)向風(fēng)正相關(guān), 海水受北風(fēng)強迫在近岸堆積。威海瑜泰海洋牧場日平均流以經(jīng)向分量為主, 經(jīng)向分量主要為北向, 經(jīng)向分量與當(dāng)?shù)亟?jīng)向風(fēng)負相關(guān), 北風(fēng)強迫下, 威海瑜泰海洋牧場海面為南向流, 海水向岸堆積并在近岸產(chǎn)生下降流, 在海面下為北向的離岸流。威海西港海洋牧場表底層日平均流為東南向, 余流變化較為一致, 具有較為顯著的正壓性。榮成楮島海洋牧場日平均流為東北向, 表明海水沿桑溝灣南岸流出海灣, 在桑溝灣內(nèi)逆時針流動。

[1] 王恩辰. 海洋牧場建設(shè)及其升級問題研究[D]. 青島: 中國海洋大學(xué), 2015. WANG Enchen. Research on the construction and upgrade of marine ranching[D]. Qingdao: Ocean University of China, 2015.

[2] 李忠義, 林群, 李嬌, 等. 中國海洋牧場研究現(xiàn)狀與發(fā)展[J]. 水產(chǎn)學(xué)報, 2019, 43(9): 1870-1880. LI Zhongyi, LIN Qun, LI Jiao, et al. Present situation and future development of marine ranching construction in China[J]. Journal of Fisheries of China, 2019, 43(9): 1870-1880.

[3] KITHEKA J U, OHOWA B O, MWASHOTE B M, et al. Water circulation dynamics, water column nutrients and plankton productivity in a well-flushed tropical bay in Kenya[J]. Journal of Sea Research, 1996, 35(4): 257- 268.

[4] TANAKA K, KOMATSU K, ITOH S, et al. Baroclinic circulation and its high frequency variability in Otsuchi Bay on the Sanriku ria coast, Japan[J]. Journal of Ocea-nography, 2017, 73: 25-38.

[5] LIN H Y, CHEN Z Z, HU J Y, et al. Impact of cage aquaculture on water exchange in Sansha Bay[J]. Continental Shelf Research, 2019, 188: 1-15.

[6] 樊星, 魏皓, 原野, 等. 近岸典型養(yǎng)殖海區(qū)的潮流垂直結(jié)構(gòu)特征[J]. 中國海洋大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版), 2009, 39(2): 181-186, 192. FAN Xing, WEI Hao, YUAN Ye, et al. The features of vertical structures of tidal current in a typical coastal mariculture area of China[J]. Periodical of Ocean University of China, 2009, 39(2): 181-186, 192.

[7] 顏慧慧, 王鳳霞. 中國海洋牧場研究文獻綜述[J]. 科技廣場, 2016(6): 162-167. YAN Huihui, WANG Fengxia. Literature review on marine ranching in China[J]. Science Mosaic, 2016(6): 162-167.

[8] 修日晨, 李繁華, 孔祥德. 渤海及北黃海潮流場的基本特征[J]. 海洋科學(xué), 1989, 13(5): 1-7. XIU Richen, LI Fanhua, KONG Xiangde. The basic characteristic of tidal flow field in Bohai Sea and North Huanghai Sea[J]. Marine Sciences, 1989, 13(5): 1-7.

[9] 孫長青, 王學(xué)昌, 趙可勝. 煙臺北部近岸海域潮流數(shù)值模擬[J]. 青島海洋大學(xué)學(xué)報, 1994(S1): 42-49. SUN Changqing, WANG Xuechang, ZHAO Kesheng. Numerical computation of tidal current in the offshore area of northern Yantai[J]. Journal of Ocean University of Qingdao, 1994(S1): 42-49.

[10] 姚蘭芳. 威海灣潮流的分布特征[J]. 海岸工程, 1990(Z1): 61-65. YAO Lanfang. Distributional features of the tidal current in the Weihai Bay[J]. Coastal Engineering, 1990(Z1): 61-65.

[11] 李慶杰. 成山頭海域波浪能和潮流能時空分布特征[D]. 青島: 中國海洋大學(xué), 2013.LI Qingjie. Space-time distributional Characteristics of wave energy and tidal current energy in Chengshantou Sea Area[D]. Qingdao: Ocean University of China, 2013.

[12] 黃祖珂, 黃磊. 潮汐原理與計算[M]. 青島: 中國海洋大學(xué)出版社, 2005: 209-238. HUANG Zuke, HUANG Lei. Tidal Theory and Calculation[M]. Qingdao: China Ocean University Press, 2005: 209-238.

[13] 張志欣. 中國近海沿岸流及毗鄰流系的觀測與分析研究[D]. 青島: 中國海洋大學(xué), 2014.ZHANG Zhixin. Observation and analysis of the coas-tal current and its adjacent current system in the China offshore waters[D]. Qingdao: Ocean University of China, 2014.

[14] LU J, QIAO F L, WANG X H, et al. A numerical study of transport dynamics and seasonal variability of the Yellow River sediment in the Bohai and Yellow seas[J]. Estuarine, Coastal and Shelf Science, 2011, 95(1): 39-51.

[15] 王勇智, 張永強, 孫惠鳳. 山東半島東部海域懸浮體分布季節(jié)變化及其冬季輸送通量研究[J]. 沉積學(xué)報, 2019, 37(3): 541-549. WANG Yongzhi, ZHANG Yongqiang, SUN Huifeng. Seasonal variation of suspended matter distribution and flux in coastal waters of eastern Shandong Peninsula[J]. Acta Sedimentologica Sinica, 2019, 37(3): 541-549.

[16] 宋軍, 姚志剛, 郭俊如, 等. 基于潮汐逆模型技術(shù)對渤黃海正壓M2分潮開邊界條件的優(yōu)化研究: Ⅱ. 潮汐特征、潮汐動力學(xué)及潮余流[J]. 海洋通報, 2016, 35(5): 545-553.SONG Jun, YAO Zhigang, GUO Junru, et al. Refining barotropic tide simulations for the Bohai and Yellow Seas using a hybrid data assimilation approach[J]. Marine Science Bulletin, 2016, 35(5): 545-553.

[17] 韋欽勝, 于志剛, 冉祥濱, 等. 黃海西部沿岸流系特征分析及其對物質(zhì)輸運的影響[J]. 地球科學(xué)進展, 2011, 26(2): 145-156.WEI Qinsheng, YU Zhigang, RAN Xiangbin, et al. Cha-racteristics of the Western Coastal Current of the Yellow Sea and Its Impacts on Material Transportation[J]. Advances in Earth Science, 2011, 26(2): 145-156.

[18] HERSBACH H, BELL W, BERRISFORD P, et al. Global reanalysis: goodbye ERA-Interim, hello ERA5[J]. ECMWF Newsletter, 2019, 159: 17-24.

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

[20] 皇甫雪睿, 李毅, 胡日軍, 等. 煙臺西部近岸海域冬季懸浮泥沙濃度時空變化及其輸運特征[J]. 海洋地質(zhì)前沿, 2020, 36(5): 22-33. HUANGFU Xuerui, LI Yi, HU Rijun, et al. Temporal and spatial variation of suspended sediment concentration in the nearshore waters of western Yantai and its transport characterstics in winter[J]. Marine Geology Frontiers, 2020, 36(5): 22-33.

[21] 費岳軍, 史軍強, 堵盤軍, 等. 冬季舟山外海定點實測海流資料分析[J]. 海洋通報, 2013, 32(6): 648-656. FEI Yuejun, SHI Junqiang, DU Panjun, et al. Analysis of the mooring current data near Zhoushan Islands[J]. Marine Science Bulletin, 2013, 32(6): 648-656.

[22] KUNDU P K, ALLEN J S. Some Three-dimensional characteristics of low-frequency current fluctuations near the Oregon coast[J]. Journal of Physical Oceanography, 1976, 6(2): 181-199.

[23] TANIGUCHI N, HUANG C F, ARAI M, et al. Variation of residual current in the Seto Inland Sea driven by sea level difference between the Bungo and Kii Channels[J]. Journal of Geophysical Research: Oceans, 2018, 123(4): 2921-2933.

[24] 王麗霞, 石磊, 孫長青. 桑溝灣海域的潮流數(shù)值計算[J]. 青島海洋大學(xué)學(xué)報, 1994(S1): 77-83. WANG Lixia, SHI Lei, SUN Changqing. Tidal current computation for Sanggou Bay[J]. Journal of Ocean University of Qingdao, 1994(S1): 77-83.

Spatial and temporal characteristics of sea current within the marine ranches in the northeast of Shandong Peninsula

HU Luo-yu1, ZHAI Fang-guo1, LIU Zi-zhou1, LI Pei-liang2, GU Yan-zhen1, SUN Li-yuan3, LI Xin1, CHEN Dong2, JIANG Qing-yan2

(1. College of Ocean and Atmosphere Science, Ocean University of China, Qingdao 266100, China; 2. Ocean College, Zhejiang University, Zhoushan 316021, China; 3. Shandong Hydrobios Resources Conservation and Management Center, Yantai 264003, China)

To enrich the study of the hydrodynamic environment around the near-shore area of the Shandong Peninsula in winter, the structure of currents, such as the tidal and residual components, is investigated based on current observations within four marine ranches from December 3, 2019 to January 1, 2020, employing the methods of harmonic analysis, power spectra analysis, principal component analysis, and correlation analysis. Within four marine ranches, with the M2constituent that was significant and reciprocating, the directions of the maximum velocity vector of the main tidal constituents were basically parallel to the shoreline. The characteristics and influence mechanisms of the residual current varied with the area of marine ranches. The average current within the Anyuan Marine Ranch was southeastward and shoreward, with a velocity range of 0.9–1.7 cm/s.The main component of the daily mean current was the meridional current, which had a significant positive correlation with the wind in the same direction. While the northerly wind was driving, the residual current accumulated towards the southwest bank of the Anyuan Marine Ranch synchronously. The average current within the Yutai Marine Ranch was northward and offshore, with a velocity of 1.4–1.7 cm/s. The main component of the daily mean current was the meridional current, which had a significant negative correlation with the meridional wind. The daily average current showed that the northerly wind forced the seawater to accumulate to the south bank of the Yutai Marine Ranch and produced downflow near the coast. In addition, the offshore current flowed northward below the sea surface. The average current within the Xigang Marine Ranch was southeastward, with a velocity of 2.5–3.0 cm/s. The daily average current was barotropic at both the surface and bottom layers. The average current within the Chudao Marine Ranch was northeast, with a velocity of 5.6–9.9 cm/s. The daily average current was also northeast along the south bank of Sanggou Bay, indicating that the seawater flowed counterclockwise in the bay. The research results provided a basis for the further study of multi-scale temporal and spatial characteristics and influence mechanism of the dynamic environment in the near-shore area of the Shandong Peninsula.

marine ranch; tidal currents; residual currents; coastal area of Shandong Province

Aug. 11, 2020

P717

A

1000-3096(2021)04-0001-12

10.11759/hykx20200811003

2020-08-11;

2020-09-25

國家自然科學(xué)基金項目(41776012); 國家重點研發(fā)計劃 (2019YFD0901305); 浙江省重點研發(fā)計劃(2020C03012); 三亞崖州灣科技城管理局重大科技項目(SKJC-KJ-2019KY03)

[National Science Foundation of China, No. 41776012; National Key Research & Development Program of China, No. 2019YFD0901305; Key Research & Development Project of Zhejiang Province, No. 2020C03012; Major Science and Technology Project of Sanya YZBSTC, No. SKJC-KJ-2019KY03]

胡羅煜(1998—), 男, 湖北武漢人, 碩士研究生, 研究方向: 物理海洋學(xué), E-mail: huluoyu@stu.ouc.edu.cn; 劉子洲(1987—),通信作者, 實驗師, 主要從事海洋調(diào)查及近海海洋環(huán)境問題的教學(xué)與研究, 電話: 13708954171, E-mail:lzz2013@ouc.edu.cn

(本文編輯: 叢培秀)