林其良, 黃大吉,3, 宣基亮

(1.衛(wèi)星海洋環(huán)境動力學國家重點實驗室，浙江 杭州 310012; 2.國家海洋局 第二海洋研究所，浙江 杭州 310012;

2. 浙江大學 海洋學院，浙江 杭州 310058)

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浙閩沿岸潮余流的空間變化

林其良1,2, 黃大吉1,2,3, 宣基亮1,2

(1.衛(wèi)星海洋環(huán)境動力學國家重點實驗室，浙江 杭州 310012; 2.國家海洋局 第二海洋研究所，浙江 杭州 310012;

2. 浙江大學 海洋學院，浙江 杭州 310058)

摘要:利用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格海洋環(huán)流模式(FVCOM)，研究了浙閩沿岸潮余流的空間變化及其生成機制。結(jié)果表明，浙閩沿岸的潮余流具有明顯的水平二維特征。根據(jù)潮余流的流速和方向，浙閩沿岸的潮余流可分為3個區(qū)域，自東北向西南，依次為區(qū)域I、區(qū)域II和區(qū)域III。區(qū)域I和區(qū)域III的潮余流較強，前者流速為0.6~2.5 cm/s，方向沿等深線指向西南；后者流速為0.5~1.5 cm/s，方向沿等深線指向東北。區(qū)域II的潮余流較弱，均小于0.6 cm/s，方向自岸向海逆時針旋轉(zhuǎn)，離岸較近區(qū)域方向指向西南，離岸較遠區(qū)域方向指向東北。結(jié)合浙閩沿岸的潮余流和海底地形進行分析，發(fā)現(xiàn)潮余流與地形β效應成正比，這與前人研究獲得的海底地形對潮流的整流機制相符合，表明浙閩沿岸海域陡峭的海底地形對潮流有明顯的整流作用。

關(guān)鍵詞:數(shù)值模擬；潮余流；地形β效應；浙閩沿岸

0引言

余流是海流過濾掉周期性的潮流后剩下的部分，包括風海流、密度流、徑流和潮余流等。在余流的組成中，潮余流與其它成分有明顯不同，它的產(chǎn)生機制基本不隨長時間尺度變化，始終對余流有所貢獻。因此，潮余流對海水中物質(zhì)的輸運起重要作用，如熱量、溶解鹽、污染物和營養(yǎng)鹽等[1]。同時，潮余流的流速可從每秒幾厘米到幾十厘米，與其它成分余流具有相同的量級，也是余流的重要部分，比如喬治淺灘上的順時針環(huán)流[2]。

潮余流是由潮流和地形(海底地形和海岸邊界)非線性相互作用，將能量從潮流場傳輸?shù)接嗔鲌龆a(chǎn)生的。本文只關(guān)注潮流和海底地形的非線性相互作用。潮流流過陡峭的海底地形時，受到摩擦力和科氏力的作用，受體積守恒和位渦守恒雙重約束，其流速和方向都會產(chǎn)生空間變化，通過潮流與潮流空間變化的非線性作用產(chǎn)生潮余流。HUTHNANCE[3-4]研究了潮流和海底地形非線性相互作用，提出2種產(chǎn)生潮余流的機制：(1)科氏效應：由于科氏力作用，潮流跨等深線運動的過程中，為了維持位渦守恒，將產(chǎn)生潮余流；(2)摩擦-平流效應：分潮流半長軸在沿著等深線和垂直于等深線方向都存在分量時，底摩擦力與動量通量平衡，將產(chǎn)生潮余流。ZIMMERMAN[5-6]，ROBINSON[7-8]從渦度的角度闡述了這2種機制。MASS和ZIMMERMAN[9]用譜方法描述了海底地形上潮余流的分布。LODER[2]研究了喬治淺灘上面的順時針余流，認為考慮科氏效應是產(chǎn)生潮余流的主要機制，與HUTHNANCE不同，LODER還考慮了潮流和潮余流的相互作用，發(fā)現(xiàn)潮流和潮余流的相互作用使潮余流的空間分布趨于均勻。另外，LODER還考慮了旋轉(zhuǎn)潮流，但是在解釋喬治淺灘上的順時針余流時，他仍然用往復潮流討論了科氏效應的作用，沒有具體體現(xiàn)潮流的旋轉(zhuǎn)效應。不同形式的底摩擦表達對海底地形整流的影響已經(jīng)被討論[10]，同樣的，有摩擦和沒有摩擦對海底地形整流的影響也被詳細討論[11-12]，研究表明，雖然底摩擦的表達形式不同，但其在海底地形整流的作用機制是相同的。后來，為了研究喬治淺灘上順時針環(huán)流的季節(jié)變化，許多努力付諸于研究層化海水的潮整流過程[13-17]，并成功地解釋了喬治淺灘上順時針環(huán)流的季節(jié)變化。前人的研究都表明：強潮流在陡峭海底地形處的運動將會產(chǎn)生強潮余流。

圖1　浙閩沿岸海域地形(水深單位：m)Fig.1　Bathymetry in the coastal area off Zhejiang and FujianProvinces (isobaths are labeled in meters)

20世紀90年代以來，部分學者把渤、黃、東海作為一個整體進行數(shù)值計算，研究了渤、黃、東海的余流和潮余流特征，他們的結(jié)果中都顯示出浙閩沿岸存在較強余流或潮余流[18-20]。由于計算條件的限制，數(shù)值模式的網(wǎng)格分辨率較低，不足以描述浙閩沿岸潮余流的空間分布特征及其對余流的貢獻。浙閩沿岸的海底地形陡峭(圖1)，受外海潮波影響，潮流也較強[18,21-25]，滿足產(chǎn)生強潮余流的2個必要條件，筆者估計浙閩沿岸海域存在較強的潮余流。

本文用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格海洋環(huán)流模式(FVCOM)[26]模擬了浙閩沿岸的潮余流，并對其特征進行了研究，發(fā)現(xiàn)海底地形對潮流的整流機制能較好地解釋浙閩沿岸潮余流與海底地形的依賴關(guān)系。

1研究方法

本文所用潮流和潮余流數(shù)據(jù)來自XUAN et al[27]的數(shù)值計算結(jié)果，計算海域為整個渤、黃、東海，浙閩沿岸海域網(wǎng)格加密(水平網(wǎng)格3′~4′)，垂向采用σ坐標，共20層。時間步長為1 h，開邊界水位包含11個主要分潮流(M2、S2、N2、K2、K1、O1、P1、Q1、M4、MS4和MN4)。因為探討的是潮余流，不考慮海-氣之間的動量、熱量和水量交換以及徑流的效應。

通過數(shù)值模擬結(jié)果與實測數(shù)據(jù)的比對[27]，結(jié)果顯示數(shù)值模擬獲得的同潮圖與TOPEX-Poseidon高度計10 a測量數(shù)據(jù)結(jié)合275個海岸和島嶼站點觀測記錄繪制獲得的同潮圖相一致。數(shù)值模擬獲得的潮流與衛(wèi)星海洋動力學國家重點實驗室錨系調(diào)查獲得的潮流數(shù)據(jù)相符合。潮流流速的均方根誤差小于0.05 cm/s，方向的均方根誤差小于10 °，相對于該區(qū)域的潮流誤差只有10%。數(shù)值模擬結(jié)果可靠，可以進一步分析。

模式產(chǎn)生的逐時數(shù)據(jù)經(jīng)過3次25點滑動平均，然后去除兩端的數(shù)據(jù)，選取中間區(qū)段(約1個月)求平均，得到歐拉潮余流。本文主要探討潮流和地形非線性相互作用產(chǎn)生的余流，暫不考慮岬角效應(岸線)的影響，因此剔除了水深小于10 m水域的潮余流。

2浙閩沿岸的潮余流分布特征

圖2是浙閩沿岸潮余流的空間結(jié)構(gòu)。在水平方向上，潮余流的流速和方向都存在顯著的變化。根據(jù)其流速和方向，分為3個區(qū)域研究其特征：自東北向西南依次為區(qū)域I、區(qū)域II和區(qū)域III。在垂直方向上，浙閩沿岸潮余流的流速自海面向下逐漸減弱，且其流向基本一致。

為了進一步定量分析潮余流的垂向變化，定義潮余流的最大偏離為：

(1)

圖2　浙閩沿岸的潮余流Fig.2　The tidal residual currents in the coastal area off Zhejiang and Fujian Provinces圖中灰線分別代表20，30和50 m等深線Gray lines indicate the 20, 30 and 50 m isobaths，respectively

式中，Max為取最大值符號，N為潮余流層數(shù)，ui為第i層潮余流的流速，δ表示潮余流偏離垂向平均的最大程度。浙閩沿岸海域潮余流的最大偏離δ(圖3)表明，區(qū)域I內(nèi)大部分區(qū)域的潮余流垂向變化小于15%，只有在個別潮余流很弱的區(qū)域，垂向變化較大；區(qū)域II的垂向變化較大，這是由于該區(qū)域的潮余流很弱，很小的絕對變化能引起較大的相對變化；區(qū)域III大部分區(qū)域的垂向變化小于25%，只有在個別潮余流很弱的區(qū)域，垂向變化較大。

圖3　浙閩沿岸潮余流的最大偏離δFig.3　The column maximum deviation of tidal residualcurrents velocity with respect to its vertical mean

定性(圖2)和定量(圖3)分析都表明，浙閩沿岸的潮余流表現(xiàn)出較強的水平二維特征，故采用表層流場(圖2a)探討潮余流空間分布特征。3個區(qū)域中潮余流的空間特征存在較大差異，具體如下：

區(qū)域I的潮余流是3個區(qū)域中最強的，流速為0.6~2.5 cm/s，方向大部分(約95%)沿著等深線指向西南。潮余流流速在沿著和垂直等深線方向都存在變化。沿著等深線自東北向西南，潮余流逐漸減弱，東北部(1.0~2.5 cm/s)明顯強于西南部(0.6~1.0 cm/s)。垂直等深線方向，強潮余流位于20 m和50 m等深線之間，自10 m到50 m等深線，潮余流先增大后減小，極大值出現(xiàn)在30 m等深線附近。50 m等深線以外，潮余流迅速減弱。

區(qū)域II的潮余流最弱，均小于0.6 cm/s。自海岸向海，潮余流方向逆時針轉(zhuǎn)變，離岸較近區(qū)域(50 m等深線以內(nèi))方向指向西南，離岸較遠區(qū)域(50 m等深線以外)方向指向東北。在潮余流方向轉(zhuǎn)變的區(qū)域存在1條西南—東北向的條帶結(jié)構(gòu)，條帶內(nèi)潮余流很弱，均小于0.2 cm/s。沿著等深線自東北向西南，東北向的潮余流逐漸增強，條帶結(jié)構(gòu)逐漸向岸移動。

區(qū)域III的潮余流較強，自海岸向海，其流速從0.5 cm/s單調(diào)增加到1.5 cm/s，大部分(約86%)方向沿著等深線指向東北。

綜上所述，浙閩沿岸的潮余流具有明顯的水平二維特征，根據(jù)潮余流的流速和方向，浙閩沿岸的潮余流可分為3個區(qū)域，自東北向西南依次為：區(qū)域I、區(qū)域II和區(qū)域III。區(qū)域I和區(qū)域III的潮余流較強，兩者方向相反，前者方向沿等深線指向西南，后者指向東北。區(qū)域II的潮余流較弱，自海岸向海方向逆時針旋轉(zhuǎn)，離岸較近區(qū)域方向指向西南，離岸較遠區(qū)域方向指向東北，是區(qū)域I和區(qū)域III的過渡區(qū)域。

3浙閩沿岸潮余流的生成機制探討

浙閩沿岸的海底地形陡峭，受外海潮波作用，潮流較強，滿足產(chǎn)生強潮余流的2個必要條件，存在HUTHNANCE[3]和LODER[2]討論的海底地形對潮流的整流機制，即存在產(chǎn)生潮余流的2種機制：摩擦-平流效應和科氏效應。浙閩沿岸海域的主要分潮是M2分潮，我們以M2分潮為代表，結(jié)合該區(qū)海底地形對潮流的整流機制以及浙閩沿岸潮余流的生成機制作初步探討。

圖4　浙閩沿岸的潮余流和地形β效應Fig.4　The tidal residual currents and the topographic beta factor in the coastal area off Zhejiang and Fujian Provinces顏色代表地形β效應的大??；向量代表潮余流，等值線為潮余流流速Color represents the topographic beta .The vector represents the tidal residual currents and thewhite contours represent their velocity

圖5　科氏效應產(chǎn)生潮余流示意圖Fig.5　Schematic diagram shows the tidal residual currentsgenerated by the Coriolis effect

圖6　摩擦-平流效應產(chǎn)生的潮余流示意圖Fig.6　Schematic diagram shows the tidal residual currentsgenerated by the friction-advection effect

表1為浙閩沿岸2種效應產(chǎn)生的潮余流方向和數(shù)值計算的潮余流方向。根據(jù)表2可知：區(qū)域I、區(qū)域II和區(qū)域III，由于φd∈(0, π/2)，所以摩擦-平流效應產(chǎn)生潮余流為正向(西南向)。同時，科氏效應產(chǎn)生的潮余流始終為正向(西南向)。兩者疊加，只能產(chǎn)生正向(西南向)的潮余流，無法解釋區(qū)域II和區(qū)域III存在的負向(東北向)潮余流。

前人的研究主要針對往復潮流的情況，并沒有解釋潮流旋轉(zhuǎn)特性的作用。浙閩沿岸M2分潮流旋轉(zhuǎn)特性明顯，潮流橢圓的偏心率較大(-0.3~0.4)，且沿著等深線自東北向西南，潮流的旋轉(zhuǎn)方向從順時針旋轉(zhuǎn)變?yōu)槟鏁r針旋轉(zhuǎn)，與潮余流方向的轉(zhuǎn)變相對應，這可能是產(chǎn)生負向(東北向)潮余流的一個重要原因。

表1　潮余流的方向

4結(jié)論

用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格海洋環(huán)流模式(FVCOM)對浙閩沿岸的潮余流特征及其生成機制進行研究表明，浙閩沿岸的潮余流具有明顯的水平二維特征，根據(jù)潮余流的流速和方向，浙閩沿岸的潮余流可分為3個區(qū)域。沿著等深線自東北向西南，依次為區(qū)域I、區(qū)域II和區(qū)域III。區(qū)域I和區(qū)域III的潮余流較強，前者流速為0.6~2.5 cm/s，方向沿等深線指向西南，后者流速為0.5~1.5 cm/s，方向指向東北。區(qū)域II的潮余流較弱，均小于0.6 cm/s，自海岸向海逆時針旋轉(zhuǎn)，離岸較近區(qū)域方向指向西南，離岸較遠區(qū)域方向指向東北。

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Spatial variation of the tidal residual currents in the

coastal area off Zhejiang and Fujian Provinces

in the East China Sea

LIN Qi-liang1,2, HUANG Da-ji1,2,3, XUAN Ji-liang1,2

(1.StateKeyLaboratoryofSatelliteOceanEnvironmentDynamics,Hangzhou310012,China;

2.TheSecondInstituteofOceanography,SOA,Hangzhou310012,China;

3.OceanCollege,ZhejiangUniversity,Hangzhou310058,China)

Abstract:A detailed spatial structure of the tidal residual currents (TRCs) in the coastal area off Zhejiang and Fujian Provinces in the East China Sea was simulated by an unstructured grid-volume, three-dimensional, primitive equations ocean model (FVCOM). The simulated TRCs have apparent horizontal 2-D characters. The TRCs were further divided into three regions from north to south according to their velocity and direction, i.e., Region I, Region II and Region III. The TRCs in Region I and Region III are stronger but in opposite direction, flowing along isobaths in the southwestward with a velocity of 0.6~2.5 cm/s and northeastward directions with a velocity of 0.5~1.5 cm/s, respectively. The TRCs in Region II are weaker (less than 0.6 cm/s), and their directions are unticlockwise with the distance away from the coast. The analysis shows that the TRCs are directly proportional to the topographic beta factor , this is consistent with the previous studies, and indicates the rectification of tidal currents when they flow over the steep bottom topography.

Key words:numerical simulation; tidal residual currents; topographic beta factor; coastal area off Zhejiang and Fujian Provinces

Doi:10.3969/j.issn.1001-909X.2015.04.003

中圖分類號:P731

文獻標識碼:A

文章編號:1001-909X(2015)04-0030-07