成印河, 梁廣建, 朱鳳芹, 陳 建, 紀(jì)文君, 趙 輝

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粵西沿岸海域潮汐特征

成印河1, 梁廣建2, 朱鳳芹1, 陳 建1, 紀(jì)文君3, 趙 輝3

(1. 廣東海洋大學(xué)電子與信息工程學(xué)院海洋技術(shù)系, 廣東湛江 524088; 2. 南海艦隊(duì)水文氣象中心, 廣東湛江524001; 3. 廣東省近岸海洋變化與災(zāi)害重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 廣東海洋大學(xué)海洋與氣象學(xué)院, 廣東湛江 524088)

對(duì)粵西海域水東、湛江、硇州島、南渡和海安驗(yàn)潮站各1年水位資料進(jìn)行了調(diào)和分析及統(tǒng)計(jì)。結(jié)果表明: 粵西海域北部湛江、水東、硇洲島、南渡4站主要分潮為M2、K1、S2和O1, 是不規(guī)則半日潮; 而南部海安站主要分潮為O1和K1分潮, 是不規(guī)則日潮?；浳餮匕陡髡緶\水分潮和平均水位從北到南有減小趨勢(shì)。在日潮不等方面, 粵西沿岸驗(yàn)潮站都存在明顯的日潮高、日潮時(shí)不等現(xiàn)象。日潮時(shí)不等總體上從北到南有降低的趨勢(shì), 北部湛江、水東和硇州島漲潮時(shí)間比落潮長(zhǎng)1~1.5 h, 南部南渡和海安兩站漲、落潮時(shí)相差不大。另外, 調(diào)和分析和經(jīng)驗(yàn)公式不再適用于南渡站, 南渡河入?？谔幍涕l工程是主要原因。這為粵西海域環(huán)境資源開發(fā)、航運(yùn)活動(dòng)等提供環(huán)境支持和保障。

粵西沿岸; 潮汐; 調(diào)和分析; 日潮不等

潮汐是海洋中最常見的物理現(xiàn)象, 受到專家、學(xué)者的關(guān)注。尤其是沿岸港口區(qū)域的潮汐對(duì)于港口碼頭設(shè)計(jì), 浴場(chǎng)、航運(yùn)經(jīng)濟(jì)活動(dòng)及軍事活動(dòng)都有重要影響, 因此掌握特定海域潮汐特征及預(yù)報(bào)具有重要科學(xué)意義和應(yīng)用價(jià)值。

近年來(lái), 專家、學(xué)者對(duì)多個(gè)區(qū)域近海潮汐和潮流特征進(jìn)行了分析和研究, 如浙江近海海域的杭州灣[1-2]、象山港[3]、樂清灣[4]、臺(tái)州灣[5]、南麓島[6]以及涉及浙江部分地區(qū)[7-8], 臺(tái)灣海峽西部沿岸[9], 部分河流入?？诘貐^(qū)如長(zhǎng)江河口[10]、珠三角八大門口[11]和鴨綠江口[12], 南海潮汐潮流[13-31]。在相關(guān)南海及北部灣海域, 學(xué)者進(jìn)行了較多的數(shù)值模擬研究[13-26], 然而對(duì)南海潮汐觀測(cè)的研究卻較少, 僅有南海諸島、南沙等部分海域潮汐特征分析[27-31]。針對(duì)南海北部近岸, 只有鄭有任等[31]在2012年對(duì)南海北部沿岸的部分站位作過研究?；浳骱Ｓ蚴悄虾Ｖ匾慕M成部分, 該海域港口是海上“一帶一路”重要交通樞紐。在粵西海域眾多港口碼頭中, 湛江港最為突出, 位于中國(guó)大陸最南端的廣東省雷州半島, 東臨南海, 南望海南島, 素以天然深水良港著稱。它是中國(guó)大陸通往東南亞、非洲、歐洲和大洋洲航程最短的港口, 是中國(guó)大西南和華南地區(qū)貨物的出海主通道。然而粵西沿岸海域潮汐水文潮汐特征卻鮮有研究, 僅在部分?jǐn)?shù)值模擬研究中有所涉及, 一般討論該海域某幾個(gè)重要分潮分布情況及影響因素。然而粵西海域既有湛江灣、又有東海島、硇洲島等, 海陸分布復(fù)雜,還受臺(tái)風(fēng)、風(fēng)暴潮及雨季增水等因素影響, 對(duì)其潮汐水文特征有必要開展進(jìn)一步討論。因此, 本文針對(duì)粵西沿岸多個(gè)站位潮汐水位觀測(cè)數(shù)據(jù), 分析該海域潮汐水文特征及其規(guī)律。這對(duì)掌握該海域潮汐特征值具有十分重要的實(shí)用價(jià)值和科學(xué)意義, 為粵西海域環(huán)境資源開發(fā)、航運(yùn)活動(dòng)等提供環(huán)境支持和保障。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 潮汐水位數(shù)據(jù)

本文收集了粵西海域湛江、水東、硇州島、南渡和海安潮汐驗(yàn)潮站各1年的逐時(shí)水位數(shù)據(jù)。該數(shù)據(jù)是由南海艦隊(duì)水文氣象中心提供的紙質(zhì)各站位潮汐觀測(cè)記錄月報(bào)表整理而成, 地理位置見圖1。其中湛江和南渡站覆蓋時(shí)間分別為2002年和1978年全年365 d, 水東站為2002年12月—2003年11月, 共365 d, 硇州島站為1996年11月—1997年10月共365 d, 海安站為1960年7月—1961年6月, 共365 d。

A. 水東站; B. 湛江站; C. 硇洲島站; D. 南渡站; E. 海安站

A. Shuidong station; B. Zhanjiang station; C. Naozhou Island station; D. Nandu station; E. Haian station

1.2 處理方法

對(duì)潮汐的數(shù)據(jù)處理主要是調(diào)和分析方法。平衡潮理論認(rèn)為實(shí)際水位是由天體運(yùn)動(dòng)引起的多個(gè)特定頻率振動(dòng)迭加的結(jié)果[32]。因此時(shí)刻實(shí)際水位可寫成如下形式,

求解公式(1)一般采用最小二乘法。基于此, Pawlowice等[32]于2002年根據(jù)前人研究開發(fā)了基于MATLAB軟件t_tide潮汐處理程序。該程序幾經(jīng)升級(jí), 能夠進(jìn)行幾個(gè)月、1 a及18 a甚至更長(zhǎng)逐時(shí)水位數(shù)據(jù)潮汐調(diào)和分析, 包括數(shù)據(jù)分析前期缺測(cè)數(shù)據(jù)插值、分析中節(jié)點(diǎn)修正未定潮汐成分以及后期潮汐回報(bào)、預(yù)報(bào)和誤差分析等。該程序在南海北部部分驗(yàn)潮站使用, 其有效性已經(jīng)被驗(yàn)證[31]。因此本文基于t_tide 1.3 beta版工具包部分程序, 針對(duì)粵西海域幾個(gè)站位進(jìn)行了潮汐特征分析, 同時(shí)給出了其潮汐特征值。在數(shù)據(jù)處理過程中, 引入了M10淺水分潮, 同時(shí)使用了水文數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)修正, 自動(dòng)選擇了60個(gè)分潮參與了調(diào)和分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 調(diào)和分析潮汐特征

通過對(duì)5個(gè)站位逐時(shí)潮高數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)和分析, 其主要分潮的振幅和遲角, 見圖2和圖3。在結(jié)果分析中值得注意的是, 在通過Rayleigh規(guī)則可分辨的60個(gè)分潮中, 通過95%置信度的有效分潮數(shù)量不同, 其中海安站最多有45個(gè), 水東站42個(gè), 湛江、硇洲島站各有40個(gè), 南渡站最少22個(gè)。這可能是由于湛江、硇洲島及水東站位都位于相對(duì)開闊位置所以其有效分潮相當(dāng), 而南渡處于雷州半島中東部, 相對(duì)位于內(nèi)陸, 受地形限制天文影響因素較少, 因此其有效分潮最少, 僅有22個(gè)分潮。而海安站位于瓊州海峽內(nèi)部, 受海底摩擦力及海流影響較大, 因此其有效分潮較多, 但每個(gè)分潮振幅貢獻(xiàn)較小。

從圖2中可以清晰地看出, 粵西沿岸海域主要分潮為M2、K1、S2、O1, 次要分潮有N2、K2、P1和SSA等, 但各個(gè)站位又有所不同?；浳鞅辈亢Ｓ蛘拷?、水東和硇州島三站主要分潮是M2、K1、S2、O1分潮, 其中最大分潮為M2分潮, 湛江站振幅最大達(dá)0.93 m, 其次為硇洲島站振幅為0.81 m, 再次為水東站位為0.73 m。而粵西南部海域主要分潮為K1和O1分潮, 其次為半日分潮M2、S2、K2等。在南渡站貢獻(xiàn)最大為K1分潮, 振幅為0.45 m, 其次為MKS2(圖中無(wú)標(biāo)出)分潮和S2分潮, 振幅都在0.40 m左右, 次要分潮都是淺水分潮TAU1(圖中無(wú)標(biāo)出)等, 但其振幅都比較小, 小于0.1 m。粵西海域最南部海安站主要實(shí)際分潮為O1和K1分潮, 最大為O1分潮, 振幅為0.45 m, 其次為K1分潮, 振幅為0.36 m, 其他分潮雖有組分, 但貢獻(xiàn)較小。從圖3中可知粵西北部主要分潮, 南部南渡和海安站的分潮遲角變化較大, 其他三站, 除了SSA、MS4、M4分潮, 遲角變化較小, 大都在300°左右。

2.2 潮汐類型

潮汐類型根據(jù)主要日分潮K1、O1振幅之和與半日分潮M2振幅的比值確定, 淺水分潮是否顯著主要由1/4日分潮M4和半日M2振幅比值表征, 即[32],

(3)

其中,代表分潮的振幅, 角標(biāo)表示某個(gè)分潮, 下文中類似表示;和分別表示某些分潮振幅或其組合的比值。

按照潮汐類型的標(biāo)準(zhǔn), 各站位潮汐類型的數(shù)值指標(biāo)由公式(2)和(3)計(jì)算和區(qū)分。若≤0.5則為半日潮; 若0.5<≤2.0則為不規(guī)則半日潮混合潮; 若2.0<≤4.0則為不規(guī)則日潮混合潮; 若>4.0則其為全日潮。>0.04視為淺水分潮顯著, 同時(shí)也可以表征漲、落潮時(shí)間差別。5個(gè)站位潮汐類型見表1, 同時(shí)給出了各個(gè)站位的年平均水位、平均誤差及實(shí)測(cè)與回報(bào)相關(guān)系數(shù)。其中平均誤差值為實(shí)測(cè)值與回報(bào)值之差絕對(duì)值的平均。

表1 各站位平均水位、潮汐類型及平均誤差

由表1可知湛江、水東、硇州島和南渡站都是不規(guī)則半日潮混合型, 從粵西海域北部到南部潮汐類型值越大, 日潮成分越大, 直到南部海安驗(yàn)潮站已成為不規(guī)則全日潮, 潮汐類型值達(dá)3.78, 接近正規(guī)全日潮值。湛江、硇州島站位的因子都大于0.04, 為顯著的淺水分潮, 水東、南渡和海安站淺水分潮不明顯。值得注意的是南渡站的M4分潮沒有通過59%的顯著性檢驗(yàn), 為無(wú)效成分, 因此其因子為0。整體上,因子相對(duì)大小值表明粵西沿岸從北至南部受淺水分潮影響越來(lái)越小, 南渡站基本不受淺水分潮的影響。平均水位與因子類似, 從北到南有降低的趨勢(shì), 其中南渡站最低為0.07 m。從回報(bào)的整體平均誤差可以看出都是比較小的, 雖然有極個(gè)別的誤差較大超過1 m, 但基本不影響其預(yù)報(bào)精度。這與鄭有任分析的湛江站結(jié)果是一致的[31]。圖4為各站位部分水文數(shù)據(jù)及其回報(bào)時(shí)間序列。但我們注意到南渡站誤差序列是比較大的, 同時(shí)從實(shí)測(cè)水位數(shù)據(jù)與回報(bào)數(shù)據(jù)相關(guān)性也能表現(xiàn)出來(lái), 南渡站相關(guān)系數(shù)為0.6, 其他站位都在0.95以上。這點(diǎn)從圖4中南渡站部分水位數(shù)據(jù)時(shí)間序列中也能反映出來(lái), 需要重點(diǎn)分析。

2.3 潮汐的日潮不等

除赤道地區(qū)外任何地點(diǎn)一天內(nèi)總會(huì)形成日潮不等現(xiàn)象, 包括潮高日不等、漲潮時(shí)與落潮時(shí)不等。這種日潮不等現(xiàn)象通常用S2和M2分潮振幅比值表示, 即來(lái)表征日潮不等相對(duì)大小。當(dāng)>0.4時(shí), 潮高日不等現(xiàn)象明顯。另外潮高日不等現(xiàn)象時(shí)也可用半日分潮和全日分潮相角差值來(lái)估算即[34],

(5)

其中,為格里尼治相角, 角標(biāo)為某個(gè)特定分潮。

根據(jù)的大小判斷潮高日不等現(xiàn)象類型。=0°或360°時(shí)為高潮日不等,=180°時(shí)為低潮日不等,=270°時(shí)為高低潮均出現(xiàn)日不等現(xiàn)象。漲、落潮時(shí)差別主要取決于淺水分潮的大小, 一般可由(3)式計(jì)算。當(dāng)<0.01時(shí), 實(shí)際上不用考慮淺水分潮的影響; 若=0.04, 則落潮與漲潮時(shí)間一般相差30 min左右; 若=0.08, 則相差可達(dá)1 h; 若>0.5, 則在一個(gè)太陰日中可能會(huì)出現(xiàn)4次高潮和低潮特殊現(xiàn)象。另外漲、落潮時(shí)差別也可由分潮相角差來(lái)表征, 當(dāng)=90°時(shí), 落潮歷時(shí)長(zhǎng)于漲潮歷時(shí); 當(dāng)=270°時(shí)則相反?；浳?個(gè)站位潮汐日潮不等參數(shù)計(jì)算見表2和表1中的因子。

表2 各站位日潮不等相關(guān)參數(shù)

2.4 潮汐特征值

潮汐特征值是表征一個(gè)海區(qū)基本特征的參數(shù)值, 原則上需要長(zhǎng)期大于18.6 a的驗(yàn)潮資料統(tǒng)計(jì)得到。本文利用了1年水位數(shù)據(jù), 作了初步統(tǒng)計(jì), 提供參考, 同時(shí)給出了工程水位中應(yīng)用的平均潮差和最大可能潮差。平均潮差1和最大可能潮差2用下式計(jì)算[32],

(7)

由公式(6)、(7)計(jì)算了各站位平均潮差和最大可能潮差, 見表3。同時(shí)也給出了利用1年的統(tǒng)計(jì)的平均漲潮潮差、時(shí)間, 落潮潮差、時(shí)間。

表3 各站位潮汐特征值

從表3中可知, 由式(6)和(7)計(jì)算的平均潮差和最大可能潮差從粵西北部到南部有減小的趨勢(shì), 其中平均潮差和最大可能潮差湛江站最大分別為2 m和5 m左右, 海安站最小分別為0.7 m和2.5 m。然而與1年水位數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)進(jìn)行比較, 其部分站位經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算準(zhǔn)確性值得商榷。南渡站和海安站誤差較大, 其中海安站誤差最大, 最大潮差經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算值與統(tǒng)計(jì)值差2 m左右, 南渡站差1.5 m; 平均潮差也在1 m左右。因此公式(6)和(7)已經(jīng)不能用來(lái)估算南渡站和海安站平均潮差和最大可能潮差。湛江、水東、硇州島三站經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算與統(tǒng)計(jì)初步結(jié)果基本一致。在日潮不等方面, 漲、落潮平均潮差幾乎相同, 然而其漲、落潮時(shí)間與公式(3)、(5)所推斷出來(lái)的趨勢(shì)基本一致。漲落潮時(shí)間上, 粵西北部湛江、水東和硇州島站漲潮都比落潮時(shí)間長(zhǎng), 從北到南漲落差時(shí)間差值有降低的趨勢(shì), 最大為湛江站漲潮時(shí)間比落潮時(shí)間長(zhǎng)1.5 h, 最小差值為硇洲島站0.9 h, 與經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算量值相差0.5 h左右?；浳骱Ｓ蚰喜磕隙珊秃０舱緷q、落時(shí)間幾乎相等與經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算結(jié)果一致。

2.5 調(diào)和分析誤差成因分析

為了分析南渡站調(diào)和分析存在較大誤差的原因, 我們對(duì)粵西海域5個(gè)站位觀測(cè)的1年水位數(shù)據(jù)進(jìn)行了功率譜分析。本文采用間接法進(jìn)行功率譜分析, 該方法于1949年Tukey提出[35], 即先由個(gè)觀察值, 估計(jì)出自相關(guān)函數(shù) , 求自相關(guān)函數(shù)傅里葉變換, 以此變換結(jié)果作為對(duì)功率譜的估計(jì)。除了粵西南渡站外, 其他4站基本類似, 因此本文選擇湛江和南渡兩個(gè)驗(yàn)潮站進(jìn)行對(duì)比研究, 結(jié)果見圖5。

從圖5可知, 兩站主要分潮是位于0.11×10–4和0.22×10–4Hz附近, 即分別位于0.04和0.08 圈/h附近的日潮和半日潮成分, 然而又有差別。兩站水位數(shù)據(jù)雖然經(jīng)同樣的矩形窗平滑處理, 但在南渡站存在多個(gè)其他較小譜鋒, 如在0~0.04圈/h范圍內(nèi)存在多個(gè)頻率、1/3和1/4日分潮附近。尤其存在的0~0.04圈/h頻率表明南渡站有許多較小頻率的波動(dòng), 但是其能量太小, 以至于被隨機(jī)噪聲淹沒覆蓋。為了更進(jìn)一步分析南渡河產(chǎn)生較大誤差的原因, 我們對(duì)南渡河地形及水文情況重新進(jìn)行了調(diào)研, 發(fā)現(xiàn)1974年7月南渡河堤閘工程竣工[36], 進(jìn)行了防海潮入侵、儲(chǔ)淡水的調(diào)節(jié)。而南渡站位于南渡河中部, 位于入?？诘涕l的上游, 該堤閘工程改變了南渡河水位升降, 不再完全滿足天文潮的規(guī)律, 同時(shí)參與調(diào)和分析潮汐是離散的, 只有有限的分潮參與調(diào)和分析, 參與計(jì)算較低頻率分潮部分能量太小, 沒有通過可信度檢驗(yàn)。因此, 在南渡站調(diào)和分析結(jié)果誤差較大。另外, 由于南渡站地處雷州半島中部, 海水由東向西進(jìn)入狹長(zhǎng)的南渡河, 水深較淺, 這種地形也有可能受氣象及外海潮波脅迫振動(dòng), 形成假潮。這與鄭淑賢利用FVCOM模式對(duì)瓊州海峽所做的關(guān)閉西口數(shù)值實(shí)驗(yàn)結(jié)果相似[25], 由東口傳入該區(qū)域的外海潮波中全日分潮占優(yōu)。其他粵西海域4站位相對(duì)處于開闊海區(qū), 基本不受海岸影響。

3 結(jié)論

通過對(duì)粵西海域湛江、水東、硇州島、南渡和海安驗(yàn)潮站1年水位資料分析, 得到了一些有用的結(jié)論。

粵西海域北部湛江、水東、硇洲島3個(gè)站主要分潮為M2、K1、S2和O1, 是不規(guī)則半日潮, 南渡站除了上述外還包括MKS2分潮, 是不規(guī)則半日潮; 而南部海安站主要分潮為O1和K1分潮, 是不規(guī)則日潮?；浳餮匕陡髡緶\水分潮和平均水位從北到南有減小趨勢(shì)。在日潮不等方面, 粵西沿岸5個(gè)站位都存在明顯的日潮高不等現(xiàn)象, 日潮時(shí)不等有較大差異?？傮w上日潮時(shí)不等從北到南有降低的趨勢(shì), 漲潮時(shí)比落潮時(shí)要長(zhǎng), 粵西海域北部湛江、水東和硇州島漲潮時(shí)間比落潮長(zhǎng)1~1.5 h, 南部南渡和海安站漲、落潮時(shí)相差不大。另外, 相對(duì)位于內(nèi)陸的南渡驗(yàn)潮站, 有效分潮相對(duì)較少同時(shí)還存在其他頻率波動(dòng), 同時(shí)南渡河入海口處堤閘工程綜合因素導(dǎo)致該站潮汐調(diào)和分析和部分經(jīng)驗(yàn)公式適用不準(zhǔn)確。

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Tidal characteristics along coast of Western Guangdong Province

CHENG Yin-he1, LIANG Guang-jian2, ZHU Feng-qin1, CHEN Jian1, JI Wen-jun3, ZHAO Hui3

(1. Department of Ocean Technology, College of Electronic and Information Engineering, Guangdong Ocean University, Zhanjiang 524088, China; 2. Marine Hydro-Meteorological Center, South China Sea Fleet, Zhanjiang 524001, China; 3. Guangdong Province Key Laboratory of Coastal Ocean Variation and Disaster Prediction, College of Ocean and Meteorology, Guangdong Ocean University, Zhanjiang 524088, China)

Based on one year of hourly elevations at the Shuidong, Zhanjiang, the Naozhou Island, Nandu, and Haian tidal stations, we investigated the tidal characteristics by harmonic and statistical analyses. The results show that the main significant constituents at all stations excepting the Haian station are the M2, K1, S2and O1bands and that the corresponding tidal type of the four stations is an irregular semidiurnal band in the north area of Western Guangdong. However, the tide for the Haian station in the south area of Western Guangdong mainly consists of the significant constituents O1and K1, whose corresponding tidal type is an irregular diurnal band. Moreover, the shallow-water constituents and mean sea-surface elevations show a decreasing trend from north to south in the west sea of Guangdong. With respect to the diurnal inequality, all the stations exhibit a tidal height difference and an obviously large discrepancy in the tidal hour difference. The mean tidal hour difference between the flood and ebb tides seems to shorten from north to south along the coast of Western Guangdong. The time of the rising tide in the north of Western Guangdong is roughly 1 to 1.5 h longer than that of the falling tide and those in the south of Western Guangdong seem to be nearly equal. In addition, the tidal harmonic analysis and related empirical formula are inexact for the Nandu station, which is mainly due to the bounded bank and sluice gate system on the Nandu River estuary.

coast of Western Guangdong; tide; harmonic analysis; diurnal inequality

(本文編輯: 劉珊珊)

Sept. 23, 2016

[National Natural Science Foundation of China, No. 41406041, No. 41776029; Natural Science Foundation of Guangdong Province , No. 2016A030313751; Program for Reform and Development of School of Guangdong Educational Committee, No.GDOU2016050242; Special Foundation for Young Teachers of Guangdong Ocean University, No.HDYQ2015008]

P731

A

1000-3096(2017)06-0111-08

10.11759/hykx20160923004

2016-09-23;

2017-02-09

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41406041, 41776029); 廣東省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(2016A030313751); 廣東省教育廳創(chuàng)新強(qiáng)校項(xiàng)目(GDOU2016050242); 廣東海洋大學(xué)優(yōu)秀青年教師專項(xiàng)人才培養(yǎng)特別資助項(xiàng)目(HDYQ2015008)

成印河(1980-), 男, 山東惠民人, 博士, 副教授, 主要從事海氣相互作用與數(shù)值模擬研究, E-mail: yinhe_9951@163.com; 朱鳳芹(1981-), 通信作者, 女, 山東菏澤人, 在讀博士, 講師, 主要從事數(shù)據(jù)分析及信號(hào)處理, E-mail: fqzhu_07@163.com