鄭斌鑫，侍茂崇，廖康明，王 璐，何 佳

（1.華東師范大學(xué) 河口海岸學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海200062；2.國(guó)家海洋局 第三海洋研究所，福建 廈門361005；3.中國(guó)海洋大學(xué) 海洋環(huán)境學(xué)院，山東 青島266003）

廣西海岸帶位于我國(guó)沿海的西南端，南臨北部灣，西起中越界河北侖河口，東至兩廣界灣英羅港口，海岸線總長(zhǎng)1 595km，沿海屬半封閉性的大陸架海域，自西向東有珍珠港、防城港、欽州灣、大風(fēng)江口、廉州灣和鐵山港等［1］。對(duì)于廣西沿岸及北部灣的水動(dòng)力特征很多學(xué)者進(jìn)行了大量的調(diào)查研究。20世紀(jì)60年代初，中越合作開展北部灣海洋綜合調(diào)查。在20世紀(jì)60～70年代，中國(guó)科學(xué)院南海海洋研究所等投放了大量漂流瓶，用來(lái)研究北部灣的表層海流狀況。20世紀(jì)80年代的“全國(guó)海岸帶和海涂資源綜合調(diào)查”以及1988－1995年期間的“全國(guó)海島資源綜合調(diào)查”等［2－3］，對(duì)北部灣環(huán)流和廣西近岸部分的水動(dòng)力有了進(jìn)一步認(rèn)識(shí)。在調(diào)查基礎(chǔ)上，不少學(xué)者專門對(duì)北部灣和廣西沿岸的潮汐、潮流進(jìn)行分析和數(shù)值研究［4－14］。這些研究對(duì)北部灣環(huán)流和廣西沿岸流季節(jié)性特點(diǎn)，特別是對(duì)夏季環(huán)流結(jié)構(gòu)卻有著不同的認(rèn)識(shí)。傳統(tǒng)上認(rèn)為北部灣受季風(fēng)控制，冬季為逆時(shí)針型環(huán)流：海水從灣口東部的鶯歌海沿海南島西海岸向北流，到達(dá)淺水后主流轉(zhuǎn)而向西，最后沿廣西、越南沿岸向南流出；夏季為順時(shí)針型環(huán)流：外海水由越南沿岸進(jìn)入灣內(nèi)，沿岸北上，在廣西沿岸由西向東流，靠近淺水后再分成兩支，一支向東穿過(guò)瓊州海峽，進(jìn)入粵西海域，而另一支沿海南島西海岸向南流出。后來(lái)許多研究表明［6－11］，北部灣常年都是氣旋渦占主導(dǎo)地位。潮流是廣西沿岸最為重要的水動(dòng)力現(xiàn)象之一，而余流則對(duì)水體的運(yùn)移和交換，對(duì)海水中懸浮及可溶性物質(zhì)的稀釋、擴(kuò)散和輸運(yùn)起著重要的作用。過(guò)去使用的研究資料一般基于周日連續(xù)海流觀測(cè)結(jié)果，缺乏對(duì)長(zhǎng)序列海流資料的研究，用這些資料分析潮流和余流，有較多的偶然性和誤差，不足以反映水動(dòng)力長(zhǎng)時(shí)間尺度的變化。另外，之前研究大多對(duì)不同季風(fēng)下的表層流進(jìn)行探討，很少對(duì)不同深度的流動(dòng)差異進(jìn)行分析。本文主要對(duì)廣西沿岸白龍尾附近一年連續(xù)的流速和流向垂向資料進(jìn)行分析，了解其潮流、余流運(yùn)動(dòng)規(guī)律，從而加深對(duì)北部灣環(huán)流及廣西沿岸流季節(jié)性垂向流動(dòng)的認(rèn)識(shí)，可對(duì)了解污染物的擴(kuò)散路徑，預(yù)防和治理污染起到一定的指導(dǎo)作用。

1 研究與方法

1.1 資料來(lái)源

調(diào)查站位S1站位于廣西防城港市白龍半島南部的開闊水域（圖1）。東、南、西三面環(huán)海，海圖水深約為8m。

觀測(cè)使用的儀器為ADCP聲學(xué)多普勒海流剖面儀。其中流速和流向采用座底方式向上進(jìn)行觀測(cè)，觀測(cè)層間距為0.5m。儀器每1min發(fā)射60個(gè)聲脈沖，經(jīng)平均得到整個(gè)剖面海流數(shù)據(jù)。我們從剖面數(shù)據(jù)中挑選表、中、底三層數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。這里的表層是指水面下1m處，底層是指距海底約1.5m處，中層是指相對(duì)于表和底層中間的位置。觀測(cè)時(shí)間為2011－05－01—2012－04－30，歷時(shí)1a。

圖1 調(diào)查站位圖Fig.1 Location of observation station

1.2 處理方法

潮流旋轉(zhuǎn)譜分析：旋轉(zhuǎn)譜估計(jì)較分量譜估計(jì)有明顯的優(yōu)越性［15］，在海洋學(xué)研究中有廣泛的應(yīng)用。我們采用最大熵方法計(jì)算海流旋轉(zhuǎn)功率譜，取自由度ν＝2，對(duì)研究錨定站海流隨時(shí)間變化的特性進(jìn)行分析研究。

2 分析結(jié)果

2.1 表層海流譜分析

圖2為表層譜計(jì)算結(jié)果，從圖中可知：無(wú)論是f＞0（逆時(shí)針運(yùn)動(dòng)）或f＜0（順時(shí)針運(yùn)動(dòng)），日潮、半日潮和1/3、1/4諸分潮在譜圖中都有明顯表現(xiàn)。

圖2 表層潮流譜Fig.2 Rotary spectra of tidal current of surface layer

采用紅噪聲假設(shè)對(duì)表層海流譜峰進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)，其檢驗(yàn)結(jié)果列于表1（表中W（fm）表示譜能量）。由表1可以看出其存在如下顯著譜峰周期：

1）當(dāng)f＞0時(shí)，日分潮 K1（周期約為23.9h）通過(guò)顯著性檢驗(yàn)，半日潮 M2（周期約為12.4h），S2（周期約為12h）通過(guò)顯著性檢驗(yàn)，半日潮譜峰高于全日潮譜峰；f＜0時(shí)，主要全日分潮和主要半日分潮未通過(guò)顯著性檢驗(yàn)。

2）在半日潮和全日潮分量中，逆時(shí)針?lè)至渴侵饕模喝辗殖盞1的順時(shí)針能譜峰值只有逆時(shí)針的38.8%；半日潮 M2，S2順時(shí)針能譜峰值只有逆時(shí)針的6.9%，52.2%。

3）周期為8.3，6.2h的淺水分潮也有表現(xiàn)，但是未通過(guò)顯著性檢驗(yàn)。

4）周期超過(guò)24h的，特別是3d以上的也有明顯表現(xiàn)，其中周期為8.3d的在f＞0時(shí)通過(guò)檢驗(yàn)；11.5d的則在f＜0時(shí)通過(guò)顯著性檢驗(yàn)。

表1 采用紅噪聲假設(shè)對(duì)表層海流譜峰進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)Table 1 Significance test of spectrum crest of tidal current of surface layer under hypothesis of red noise

2.2 中層海流譜分析

圖3是中層海流譜計(jì)算結(jié)果，從圖中可以看出：無(wú)論是f＞0或f＜0，日潮、半日潮和1/3、1/4諸潮分量在譜圖中都有明顯表現(xiàn)。

圖3 中層潮流譜Fig.3 Rotary spectra of tidal current of middle layer

采用紅噪聲假設(shè)對(duì)中層海流譜峰進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)，其檢驗(yàn)結(jié)果列于表2中。從表2中可以看出如下規(guī)律：

1）當(dāng)f＞0時(shí)，日分潮K1（周期約為23.9h）和O1（周期約為25.8h）通過(guò)顯著性檢驗(yàn)，半日潮 M2（周期約為12.4h）和S2（周期約為12h）通過(guò)顯著性檢驗(yàn)，半日潮譜峰高于全日潮譜峰；f＜0時(shí)，只有O1分潮和M2分潮通過(guò)顯著性檢驗(yàn)，全日分潮和半日分潮譜峰接近。

2）在半日潮和全日潮分量中，逆時(shí)針?lè)至渴侵饕模喝辗殖盞1，O1的順時(shí)針能譜峰值分別只有逆時(shí)針的17.4%，52.0%；半日潮 M2，S2順時(shí)針能譜峰值分別只有逆時(shí)針的13.4%，19.8%。

3）周期為8.3，4.1h的淺水分潮也有表現(xiàn)，但是未通過(guò)顯著性檢驗(yàn)。

4）周期超過(guò)24h的，特別是3d以上的也有明顯表現(xiàn)，其中周期為5.2，8.3d的在f＞0時(shí)通過(guò)顯著性檢驗(yàn)。

表2 采用紅噪聲假設(shè)對(duì)中層海流譜峰進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)Table 2 Significance test of spectrum crest of tidal current of middle layer under hypothesis of red noise

2.3 底層海流譜分析

圖4為底層譜計(jì)算結(jié)果，從圖中可知：無(wú)論是f＞0或f＜0，日潮、半日潮和1/3、1/4諸潮分量在譜圖中都有明顯表現(xiàn)。

圖4 底層潮流譜Fig.4 Rotary spectra of tidal current of bottom layer

采用紅噪聲假設(shè)對(duì)底層海流譜峰進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)，其檢驗(yàn)結(jié)果列于表3中。從表3中可以看出如下規(guī)律：

1）當(dāng)f＞0時(shí)，日分潮K1（周期約為23.9h）和O1（周期約為25.8h）通過(guò)顯著性檢驗(yàn)，半日潮 M2（周期約為12.4h）和S2（周期約為12h）通過(guò)顯著性檢驗(yàn)，半日潮譜峰高于全日潮譜峰；f＜0時(shí)，只有K1分潮和M2分潮通過(guò)顯著性檢驗(yàn)，全日分潮和半日分潮譜峰接近。

2）在半日潮和全日潮分量中，逆時(shí)針?lè)至渴侵饕模喝辗殖盞1，O1的順時(shí)針能譜峰值分別只有逆時(shí)針的3.7%，5.4%；半日潮 M2，S2順時(shí)針能譜峰值分別只有逆時(shí)針的5.1%，5.0%。

3）周期為8.3，6.2，6.1和4.1h的淺水分潮也有表現(xiàn)，只有在f＞0時(shí)，6h附近周期通過(guò)顯著性檢驗(yàn)。

4）周期超過(guò)24h的，特別是3d以上的也有明顯表現(xiàn)，其中周期為3.4，5.2和8.3d的在f＜0時(shí)通過(guò)顯著性檢驗(yàn)。

表3 采用紅噪聲假設(shè)對(duì)底層海流譜峰進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)Table 3 Significance test of spectrum crest of tidal current of bottom layer under hypothesis of red noise

3 討論

3.1 潮流類型

式中，A≤0.5，屬正規(guī)半日潮流型；0.5＜A≤2.0，屬不正規(guī)半日潮流型；2.0＜A≤4.0，屬不正規(guī)日潮流型；A＞4.0，屬正規(guī)日潮流型。

根據(jù)一年潮流觀測(cè)資料，計(jì)算的潮流調(diào)和常數(shù)為：WO1＝4.15cm/s，WK1＝5.84cm/s，WM2＝10.0cm/s，由此就算得到A≈1.00，屬不正規(guī)半日潮型。而廣西沿海從東向西：潿洲島、北海、防城港、東興海關(guān)碼頭的潮汐類型判別因子依次為：5.34，4.76，5.54，5.72，白龍尾介于防城港和東興中間，其潮汐類型判別系數(shù)5.63，由此可見，無(wú)一例外地都屬于典型日潮類型。白龍尾海域潮汐與潮流類型是不一致的。

潮流與潮位類型不一致也表現(xiàn)在其他海區(qū)：廣西最東部的鐵山港，潮流特征判別系數(shù)A值為1.45～2.89［16］，其中位于航道和深槽的大部分區(qū)域A值為2.03～2.89，屬于不規(guī)則日潮流，而淺水區(qū)A值大都在1.45～2.00，屬于不規(guī)則半日潮流。北海港潮流判別系數(shù)A值在1.78～2.89變化［17］，欽州灣的A值在1.58～2.97變化，說(shuō)明那里是不規(guī)則半日潮流和不規(guī)則日潮流海域。

以白龍尾2011－05中層流向和潮位的變化過(guò)程為例，可以看出潮流和潮位類型的不同：在1個(gè)月的時(shí)間歷程中，潮位是日潮，而潮流基本是半日潮；在1個(gè)月中，出現(xiàn)60個(gè)潮流變化周期，但振幅不等（圖5）。

圖5 白龍尾中層流向和潮位的變化曲線Fig.5 Variations of tidal current direction and amplitude of middle layer

3.2 流速與潮位的對(duì)應(yīng)關(guān)系

潮流最大流速不對(duì)應(yīng)最大潮位，恰恰相反，最小流速對(duì)應(yīng)最大潮差，最大流速對(duì)應(yīng)最小潮差，這是日潮海域潮位與潮流的典型特征（圖6，以2011－05為例）。在半日潮海域，潮流流速與潮差基本呈正比關(guān)系。

圖6 白龍尾中層潮流流速和潮位的變化曲線Fig.6 Variations of tidal current veloccity and amplitude of middle layer

3.3 潮流主要運(yùn)動(dòng)特征

從表、中、底層潮流譜分析結(jié)果得知：

K1日潮流分量能量：相應(yīng)表、中、底層，f＞0時(shí)分別為f＜0的2.6倍，5.6倍和26.9倍。O1分潮流能量：相應(yīng)表、中、底層，f＞0時(shí)也分別為f＜0的1.5倍，1.9倍和18.6倍。

半日分潮流 M2，S2也是如此：相應(yīng)表、中、底層，f＞0時(shí) M2分潮流能量分別為f＜0的14.6倍，7.5倍和19.6倍；相應(yīng)表、中、底層，f＞0時(shí)S2分潮流能量分別為f＜0的1.9倍，5.0倍和20.3倍。

數(shù)值計(jì)算結(jié)果［18－19，24－25］表明，日潮（K1）和半日潮（M2）潮波在廣西沿海也是呈逆時(shí)針運(yùn)動(dòng)的（圖7，圖8），潮波先到達(dá)北海，然后向西傳播。

圖7 K1分潮同潮時(shí)圖［18－19］Fig.7 Co－tidal chart of K［18－19］1

圖8 M2分潮同潮時(shí)圖［24－25］Fig.8 Co－tidal chart of M［24－25］2

實(shí)測(cè)結(jié)果也證明上述結(jié)果可信（表4）：

1）白龍尾日分潮（K1，O1，P1）的遲角比北海要大約2°，半日分潮 M2幾乎同時(shí)，而S2的遲角比北海要大2°左右。這表明，潮波先到北海，然后向西傳至白龍尾。

2）在傳播過(guò)程中，受海底摩擦的影響，能量衰減，潮汐振幅減少，其中日潮振幅減少較少，只有2～4cm，而半日潮M2振幅減少較多，接近11cm。

表4 白龍尾與北海東部主要日分潮和半日分潮振幅和遲角對(duì)比Table 4 Comparison of tidal phase and amplitude of major diurnal and semi－diurnal constituents between Bailongwei and the region east of Beihai

3.4 海底摩擦效應(yīng)

表5中給出表、中、底層淺水分潮W（fm）值及其顯著性檢驗(yàn)結(jié)果。由表中可以看出，越接近海底W（fm）值越大，到了底層，周期為6.2和6.1h的淺水分潮，均通過(guò)顯著性檢驗(yàn)。說(shuō)明海底摩擦是淺水分潮生成的主要機(jī)制。

表5 淺水分潮W（fm）的變化和顯著性檢驗(yàn)Table 5 Significance test of W（fm）of shallow water constituents

3.5 余 流

全年余流各向出現(xiàn)頻率如圖9所示。由圖9可以看出：從表層到底層，東向流年出現(xiàn)頻率逐漸增大，西向流年出現(xiàn)頻率則逐漸減小。表、中層以WSW向年出現(xiàn)頻率最大，分別為25.4%和23.5%；底層則為NE向，年出現(xiàn)頻率為25.4%，可能是補(bǔ)償性效應(yīng)引起的。

圖9 全年余流各向出現(xiàn)頻率Fig.9 Rose diagrams of residual current

大于3d的長(zhǎng)周期（余流），通過(guò)顯著性檢驗(yàn)的都是f＞0的條件下發(fā)生的，在f＞0情況下，周期超過(guò)3d以上的長(zhǎng)周期運(yùn)動(dòng)（余流）有3個(gè)。其中8.3d的長(zhǎng)周期運(yùn)動(dòng)，在表中底層都通過(guò)顯著性檢驗(yàn)（表6）。5.2d在中、底層都通過(guò)顯著性檢驗(yàn)，3.4d只在底層通過(guò)顯著性檢驗(yàn)。

表6 余流W（fm）的變化和顯著性檢驗(yàn)Table 6 Significance test of W（fm）of residual currents

研究余流產(chǎn)生機(jī)制是比較困難的。我們對(duì)風(fēng)做過(guò)小波分析，沒(méi)有發(fā)現(xiàn)接近8.3d的周期，也沒(méi)有發(fā)現(xiàn)與3.4，5.2d相近的周期。因此，8.3d周期的余流產(chǎn)生機(jī)制和天氣過(guò)程特別是風(fēng)不相關(guān)。我們認(rèn)為，最有可能是和潮流本身引起的潮致余流有關(guān)。從圖5可以看出，5月中層潮流流速明顯具有3.4，5.2和8.3d的變化周期，特別是8.3d變化周期表現(xiàn)更為明顯。

4 結(jié)論

本文在廣西沿海第一次使用高精度的聲學(xué)多普勒海流剖面儀，對(duì)白龍尾開闊水域進(jìn)行為期一年的分層海流觀測(cè)，通過(guò)譜分析方法，給出如下結(jié)論：

1）日分潮O(jiān)1，K1和半日分潮M2，S2是白龍尾主要分潮流。半日潮流的能量甚至大于日潮流能量。

2）在半日潮流和全日潮流分量中，逆時(shí)針?lè)至渴侵饕?。這可能與潮波旋轉(zhuǎn)形態(tài)有關(guān)。

3）只有到了底層，周期為6h左右的淺水分潮，通過(guò)顯著性檢驗(yàn)。表明海底摩擦是淺水分潮生成的主要機(jī)制。

4）在f＞0情況下，周期超過(guò)3d以上的長(zhǎng)周期運(yùn)動(dòng)（余流）有3種。其中8.3d的長(zhǎng)周期運(yùn)動(dòng)，在表、中、底層都通過(guò)顯著性檢驗(yàn)。5.2d在中、底層都通過(guò)顯著性檢驗(yàn)。根據(jù)我們研究結(jié)果，認(rèn)為該現(xiàn)象和天氣變化關(guān)系不大，可能主要是由潮余流引起的。

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