浙江省南田島附近潮流特征分析

貝京陽，陳 杲，俞曉天

(國家海洋局寧波海洋環(huán)境監(jiān)測中心站，浙江 寧波 315000)

引 言

作為大陸與海洋的結(jié)合部，海灣地帶常年受到海洋與陸地的相互作用，往往會形成自己獨特的自然環(huán)境和區(qū)域特點[1-3]。然而近幾十年來，由于人類活動的影響，不少海灣的水動力條件以及泥沙沖淤發(fā)生了不可逆的變化[4-7]。三門灣是浙江省第二大海灣，屬于典型的半封閉海灣，灣內(nèi)島嶼眾多，文獻梳理發(fā)現(xiàn)，不少學者已經(jīng)對三門灣的岸線變化和水動力變化進行了研究，例如黃潘陽等[8]利用2003和2013年的高分辨率水深地形和岸線資料，采用Delft3D數(shù)值模型研究了10年間水動力環(huán)境變化對圍涂工程的響應；宋澤坤等[9]利用夏季大中小潮的同步水文觀測資料，系統(tǒng)分析了三門灣近海的潮動力時空變化特征；宋文杰等[10]利用多期遙感影像，提取了1985—2015年間7個時期的海岸線矢量數(shù)據(jù)，分析了三門灣海岸線的時空變化特征及其人類干擾的影響程度。南田島位于三門灣口門處，其海域的海底地形變化比較復雜，各季不同，其潮流特征研究至今少有涉及。因此，本文利用2020年6月(夏季)大潮潮流觀測資料，開展該海域潮流特征分析研究，為該海域的海洋工程開發(fā)和海洋環(huán)境保護提供參考。

1 研究區(qū)域與方法

1.1 測點布置

本次研究主要利用2020年夏季大潮的實測數(shù)據(jù)開展，采用的儀器為聲學多普勒流速儀，采樣頻率為400 Hz，采樣間隔1 h。水文測驗點見圖1，測量時間見表1。

表1 觀測站位位置及觀測時間

圖1 定點水文測驗測站位置示意圖

1.2 研究方法

準調(diào)和分析方法[11]在短期潮汐潮流觀測資料處理中應用較為廣泛，也是目前最常用的方法。在實際潮流調(diào)和分析中，為了便于計算，一般將潮流分解為北分量和東分量，記為u和v，和潮汐類似，潮流也是許多分潮流之和，其模型表示為：

(1)

式中，Ui和ξi為北分量的調(diào)和常數(shù)；Vi和ηi為東分量的調(diào)和常數(shù)；U0和V0分別為兩個方向的余流；Dui、Dvi和dui、dvi分別為準調(diào)和分析的振幅訂正和遲角訂正，是時間的函數(shù)；v0i和σi為各分潮的天文初相角和角速率。由公式(1)可知，每個分潮潮流都有北分量和東分量兩組調(diào)和常數(shù)，對不同水層而言，各層均有獨立的北分量和東分量。因此，在利用程序計算時，應該加以區(qū)分。

準調(diào)和分析的方法簡單來講就是：將實測潮流數(shù)據(jù)按照(1)式分解為北分量和東分量，一般采用線性化的方程分析求解，以北分量為例，u可以寫成：

(2)

利用最小二乘原理對公式(2)進行求解，可得到各分潮調(diào)和常數(shù)。將調(diào)和常數(shù)和余流代入(1)式，可以得到北分量和東分量流速，繼而得到潮流的流速和流向。

2 研究結(jié)果

2.1 流速流向的統(tǒng)計分析

觀測期間各測站表中底層海流過程見圖2，垂線平均流速統(tǒng)計結(jié)果見表2。由圖2和表2可知：

表2 各垂線平均最大漲潮流速及其對應流向

圖2 觀測期間各站位不同水層流速圖

(1)研究區(qū)域整體上實測平均最大漲、落潮流由東向西逐漸增強，這可能和地形有一定關系，東面水深相對西面較淺，同時西面觀測點位于水道中，因此流速較大。夏季各垂線平均最大漲潮流流速，東側(cè)海域(H5～H7)介于0.69～0.74 m/s，南側(cè)海域(H3—H4)介于0.82～0.91 m/s，西側(cè)海域(H1～H2)為0.89～0.97 m/s；實測垂線平均最大落潮流流速，東側(cè)海域介于0.59～0.78 m/s，南側(cè)海域為0.79～0.88 m/s，西側(cè)海域為0.90～0.96 m/s。

(2)夏季測區(qū)垂線平均最大漲潮流介于0.69～0.97 m/s，最大漲潮流發(fā)生在H2垂線，最小漲潮流發(fā)生在H5垂線；垂線平均最大落潮流介于0.59～0.96 m/s，最大落潮流發(fā)生在H2和H3垂線，最小落潮流則發(fā)生在H6垂線。

(3)可以明顯看出，對于H1和H2點，呈現(xiàn)出往復流的特征，流向為NW—SE方向，其余站位為旋轉(zhuǎn)流特征。

(4)從不同水層而言，表層流速最大，中層次之，底層最小，各站位表中底流向基本一致，差別較小。

2.2 漲、落潮流歷時比較

根據(jù)圖2可知，南田島周邊海域H1和H2站位的表中底層均呈現(xiàn)處往復流性質(zhì)，其余站位為旋轉(zhuǎn)流。通過對不同站位的垂線平均漲落潮時間統(tǒng)計分析，結(jié)果顯示：觀測期間各站位漲、落潮流歷時互差介于10 min～2 h 40 min，多數(shù)在1 h內(nèi)?？傮w上漲潮流歷時長于落潮流歷時。

2.3 潮流類型

通過潮流調(diào)和分析可以給出測區(qū)潮流的類型、運動形式，尋求其理論上的基本規(guī)律。在獲得M2、S2、O1、K1、M4和MS4等主要分潮流調(diào)和常數(shù)和余流的基礎上，又可進一步計算其潮流的橢圓要素和可能最大流速的矢量，從而對實測流況分析所得的主要特征及基本規(guī)律給予理論上的解釋與印證。

通常，測區(qū)潮流的類型以主要全日分潮流K1、O1的橢圓長半軸之和與主要半日分潮流M2橢圓長半軸之比、即(WK1+WO1)/WM2作為判據(jù)進行分類。為了考察測區(qū)淺海分潮流的大小與作用，往往又將四分之一日主要淺海分潮流M4與主要半日分潮流M2的橢圓長半軸之比作為判據(jù)進行分析。各垂線夏季垂線平均潮流類型的判據(jù)(WK1+WO1)/WM2和WM4/WM2的結(jié)果見表4。

表3 垂線平均漲、落潮流歷時統(tǒng)計(小時：分鐘)

表4 各站夏季垂線平均潮流類型計算結(jié)果

由表4可知：夏季各站(WK1+WO1)/WM2之比都在0.50以內(nèi)，屬正規(guī)半日潮流類型。

2.4 潮流的運動形式

潮流運動形式一般可分為旋轉(zhuǎn)流和往復流兩種。在半日潮流占主導地位的測區(qū)，潮流運動可用M2分潮流的橢圓率K值來表述，一般認為當|K|值大于0.25時，潮流表現(xiàn)出較強的旋轉(zhuǎn)性，潮流運動可定義為旋轉(zhuǎn)流，當|K|值小于0.25時，潮流方向主要集中在漲、落流的兩個方向上,潮流運動可定義為往復流。其中，潮流的旋轉(zhuǎn)方向則以K值的正負來表征，正值為逆時針的左旋，負值為順時針的右旋。表5即為夏季各垂線平均的M2分潮流K值的統(tǒng)計。

表5 夏季各垂線平均的M2分潮流橢圓率(K值)一覽表

由上表可知：在夏季研究海域內(nèi)，南田島東側(cè)各垂線|K|值介于0.39～0.54，均大于0.25，具有明顯的旋轉(zhuǎn)流特征，南田島南側(cè)、西側(cè)各垂線|K|值多小于0.25，具有往復流特征，這和圖2各層的潮流矢量圖表現(xiàn)一致。

各站位不同水層的潮流橢圓見圖3。由圖可以看出不同站位不同水層的潮流特征，對不同水層而言，表層流速最大，底層流速最小，從表至底，長軸和短軸的比值逐漸增大，往復流特性逐漸明顯；對不同站位而言，H1長短與軸對比值大于其他各站，橢圓表現(xiàn)更為扁平，底層接近直線，表現(xiàn)出明顯的往復流特性，H5表層潮流橢圓最為圓滑，體現(xiàn)出旋轉(zhuǎn)流特性。各層潮流橢圓表現(xiàn)出的特征與圖2和表5結(jié)果一致。

圖3 不同站位各水層潮流橢圓

2.5 可能最大流速

在潮流橢圓要素計算的基礎上可按《港口與航道水文規(guī)范》(JTS 145-2015)中的有關公式，對潮流的可能最大流速進行計算；各站夏季垂線平均的計算結(jié)果見表6。

表6 夏季各垂線平均可能最大潮流計算結(jié)果統(tǒng)計

由表可知夏季各測站垂線平均可能最大流速分別介于1.00～1.37 m/s。

2.6 余流

由潮流調(diào)和分析所得的夏季各站垂線平均的余流，見表7。由表可見，測區(qū)垂線平均余流不大，夏季垂線平均余流介于0.01～0.21 m/s，余流多在0.10 m/s以內(nèi)。整體上看，夏季余流方向多為偏漲潮流方向。

表7 夏季各站垂線平均余流的統(tǒng)計

3 結(jié)論

基于南田島周邊海域夏季大潮實測資料，本文開展該海域潮流特征分析，對其垂向平均漲落潮流、漲落潮歷時、潮汐類型、潮流運動形式、可能最大潮流和余流展開分析，得出如下結(jié)論：

(1)研究海域垂向最大平均流速自東向西逐漸增強，造成這種現(xiàn)象的原因主要為地形因素，其中東部水深較淺，南部和西部水深較大；西部和南部相比，西部水通道變窄，流速增大。

(2)南田島周邊海域，測驗垂線有往復流特征，漲、落潮流歷時互差多數(shù)在1 h內(nèi)?？傮w上漲潮流歷時長于落潮流歷時。

(3)調(diào)和分析顯示，該海域為正規(guī)半日潮海域，南田島東側(cè)具有明顯的旋轉(zhuǎn)流特征，南田島南側(cè)、西側(cè)具有往復流特征。

(4)夏季各測站垂線平均可能最大流速介于1.00～1.37 m/s,測區(qū)垂線平均余流不大，多在0.10 m/s以內(nèi)，整體上看，夏季余流方向多為偏漲潮流方向。