莊 園 劉子洲 翟方國(guó)

(中國(guó)海洋大學(xué)海洋與大氣學(xué)院 青島 266100)

北黃海定點(diǎn)連續(xù)觀測(cè)站海流資料分析*

莊 園 劉子洲 翟方國(guó)①

(中國(guó)海洋大學(xué)海洋與大氣學(xué)院 青島 266100)

本文利用2009年6月至11月期間的ADCP海流資料,研究了獐子島附近一個(gè)固定觀測(cè)點(diǎn)處的時(shí)間平均流及潮流特征。結(jié)果表明, 該海區(qū)的平均流大致沿等深線方向, 從黃海流向渤海, 整個(gè)觀測(cè)期間緯向平均流大于經(jīng)向平均流, 經(jīng)向 1m 寬度范圍內(nèi)的緯向凈水體輸運(yùn)量為 0.67m3/s, 而緯向1m寬度內(nèi)的經(jīng)向凈水體輸運(yùn)量為0.16m3/s; 垂向上可以15m和47m為節(jié)點(diǎn)分為三層, 15m大致為溫躍層深度, 而47m以下為底摩擦影響顯著的范圍。夏季的溫鹽層化結(jié)構(gòu)對(duì)于余流的垂直分布存在顯著影響。潮流調(diào)和分析表明, 該海區(qū)的潮汐類型為正規(guī)半日潮, M2和K1分潮在整個(gè)深度范圍內(nèi)的平均振幅分別為27.9cm/s和9.2cm/s, 半日潮流由表及底均為旋轉(zhuǎn)流, 而全日潮流更趨向于往復(fù)流。在垂向上, 各個(gè)分潮的潮流橢圓均隨深度發(fā)生小幅度的旋轉(zhuǎn), 半日潮流橢圓隨深度逆時(shí)針旋轉(zhuǎn), 傾角變化小于 30°, 全日潮流橢圓隨深度順時(shí)針旋轉(zhuǎn), 傾角變化小于 40°。潮流在近底層受到底摩擦的影響十分顯著, 其中全日潮流受到底摩擦的影響較半日潮流大。本次觀測(cè)是進(jìn)一步研究北黃海區(qū)域潮流、近慣性流動(dòng)與水體交換輸運(yùn)的直接參考, 其結(jié)果加深了對(duì)該區(qū)域流場(chǎng)特性的認(rèn)識(shí)和理解。

北黃海; 潮流; 調(diào)和分析; 垂直模態(tài)

黃海位于太平洋西部邊緣, 中國(guó)大陸和朝鮮半島之間, 平均水深 44m, 是一片半封閉的海域。以成山頭和朝鮮長(zhǎng)山串的連線為界, 黃?？蓜澐譃槟媳眱刹糠? 分別為南黃海和北黃海。黃海的中央略偏東處存在一片狹長(zhǎng)的水下洼地, 被稱為黃海海槽, 該海槽呈不對(duì)稱的“V”字形, 東面地勢(shì)較陡而西面較平緩。受東亞季風(fēng)的影響, 黃海的風(fēng)場(chǎng)、水文結(jié)構(gòu)與環(huán)流等均具有明顯的季節(jié)變化特征: 冬季與夏季截然不同, 春季和秋季則為轉(zhuǎn)換期(郭炳火, 1993)。在冬季,

黃海海面上盛行偏北風(fēng), 風(fēng)力較大, 對(duì)流混合與風(fēng)力攪拌使混合層加深, 尤其是在近岸淺海區(qū)域混合層可直達(dá)海底。該季節(jié)黃海環(huán)流的一個(gè)重要特征是在海區(qū)中部存在一支逆風(fēng)而上、高溫高鹽的海流——黃海暖流, 該海流基本沿著海區(qū)中部的黃海海槽北上, 流軸略偏向海槽西側(cè), 進(jìn)入北黃海后轉(zhuǎn)向西可流入渤海。黃海暖流區(qū)域會(huì)存在微弱的躍層(Linet al, 2011)。黃海兩側(cè)的沿岸區(qū)域均存在順岸南下的沿岸流, 包括海區(qū)北部的遼南沿岸流, 海區(qū)西部的魯北沿岸流和蘇北沿岸流, 以及海區(qū)東部的朝鮮沿岸流(韋欽勝等, 2011)。在夏季, 黃海海面上的風(fēng)力較弱, 風(fēng)對(duì)海洋上層的攪拌作用有限, 且由于太陽(yáng)輻射增強(qiáng)海表吸熱增溫使得對(duì)流混合消失, 因此該季節(jié)海水的混合主要依靠潮流作用, 淺水區(qū)混合均勻, 而較深水區(qū)則出現(xiàn)顯著層結(jié)。研究表明, 整個(gè)黃海在夏季除沿岸淺水區(qū)外均出現(xiàn)強(qiáng)盛的溫、鹽躍層, 尤其是中部的海槽區(qū)域, 下層水體保留著冬季水的特性, 形成龐大的冷水團(tuán)(赫崇本等, 1959)。該冷水團(tuán)可在黃海表層誘生出大尺度的氣旋式環(huán)流(蘇紀(jì)蘭, 2001)。前人的研究指出, 黃海大部分海區(qū)以半日潮為主, 潮流以逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)為主, 海區(qū)內(nèi)存在2個(gè)M2半日分潮的無(wú)潮點(diǎn),分別位于成山角外和蘇北淺灘北部(于華明, 2008; 朱學(xué)明, 2009)。

雖然前人已經(jīng)對(duì)黃海的水文結(jié)構(gòu)、環(huán)流與潮流等方面做了許多研究工作(修日晨等, 1989; 繆經(jīng)榜等,1989; 臧家業(yè)等, 2001; 魏澤勛等, 2003; Niwaet al,2001; Ichikawaet al, 2002), 但是這些工作大部分都是基于模式輸出或是少量的大面與斷面觀測(cè)結(jié)果,而基于海流觀測(cè)資料, 特別是在固定點(diǎn)獲得的長(zhǎng)期連續(xù)觀測(cè)資料的研究較少(于華明等, 2008;鮑獻(xiàn)文等,2010)。本文擬利用2009年6月—11月在獐子島附近獲得的長(zhǎng)期連續(xù)海流觀測(cè)資料, 分析該海域海流和潮流的時(shí)間變化和垂向結(jié)構(gòu)特征。

1 資料與方法

本文分析的資料為利用錨定浮標(biāo)懸掛的 ADCP所觀測(cè)得到的海流資料, 浮標(biāo)位置為 38°45′N,122°45′E, 如圖 1中紅星所示。觀測(cè)的時(shí)間范圍為2009年6月3日12:00至2009年11月20日16:00,采樣的時(shí)間間隔為1h。觀測(cè)的深度范圍為5m到53m,共 25層, 每層的間隔為 2m。在分析前, 作者根據(jù)ADCP的工作參數(shù)以及當(dāng)?shù)氐膶?shí)際流速特征值對(duì)原始流速進(jìn)行質(zhì)量控制, 由于當(dāng)?shù)亓魉僖话悴怀^(guò) 1m/s, 因此大于這個(gè)閾值的流速視為奇異值進(jìn)行剔除, 儀器觀測(cè)誤差為±1cm/s。對(duì)于部分時(shí)次存在的缺測(cè)進(jìn)行線性插值, 插值前后對(duì)比分析顯示差異不大。

本文首先分析了整個(gè)觀測(cè)期間的平均流、標(biāo)準(zhǔn)差,逐月平均流、標(biāo)準(zhǔn)差以及日平均流特征; 其次運(yùn)用功率譜分析的方法, 討論了流動(dòng)中存在的主要顯著周期; 然后通過(guò)潮流的調(diào)和分析對(duì)潮流特征進(jìn)行了研究; 最后對(duì)海流數(shù)據(jù)進(jìn)行了 EOF分解, 探討了該處海流的垂向模態(tài)特征。

圖1 黃海地形圖(紅色星號(hào)為觀測(cè)點(diǎn))Fig.1 Topography of the Yellow Sea and location of the observation site

2 流速特征

2.1 平均流特征

為了描述觀測(cè)點(diǎn)附近海流的平均流動(dòng)特征, 本文從整個(gè)觀測(cè)期間平均、月平均和日平均三個(gè)時(shí)間尺度上進(jìn)行了分析。

對(duì)原始流速進(jìn)行48h低通濾波去掉潮流后, 再對(duì)余流場(chǎng)進(jìn)行時(shí)間平均, 于是得到了整個(gè)觀測(cè)期間的平均余流(見(jiàn)圖2)。圖2a顯示了整個(gè)觀測(cè)期間的平均余流隨深度的分布,U、V分別指緯向流與經(jīng)向流, 緯向流和經(jīng)向流呈現(xiàn)完全不同的垂向結(jié)構(gòu)。緯向流在整個(gè)深度范圍內(nèi)基本為西向流, 而僅在 45—49m 為東向流, 通過(guò)計(jì)算可得整層水體在1m經(jīng)向?qū)挾葍?nèi)的凈水體輸運(yùn)量向西為 0.67m3/s。與緯向流不同, 經(jīng)向流在 10—35m 的深度范圍內(nèi)為北向流, 而在其他深度為南向流, 計(jì)算可得整層水體在1m緯向?qū)挾葍?nèi)的凈水體輸運(yùn)量向南為 0.16m3/s。因此, 整層水體的凈流動(dòng)方向?yàn)槠飨? 與50m等深線走向(指向渤海方向)基本一致。

圖2 觀測(cè)期間平均流和流速標(biāo)準(zhǔn)差的垂向分布Fig.2 Vertical distribution of the mean current velocity and standard deviation during the whole observation period

按照平均流的垂向分布特征, 可將整個(gè)水體自上而下分為三層: 上層為 5—15m, 中層為 15—47m,底層為47—53m, 根據(jù)一個(gè)準(zhǔn)同時(shí)同地的水文觀測(cè)結(jié)果可知, 15m大致為溫躍層深度(尹潔慧, 2013)。上層緯向流向西, 且強(qiáng)度隨深度增加而增大, 在 15m達(dá)到最大為 2.94cm/s; 經(jīng)向流在近表層為南向流, 隨深度增加逐漸減小轉(zhuǎn)變?yōu)楸毕蛄? 且流速在 17m附近達(dá)到最大為0.64cm/s。中層緯向流向西, 流速隨深度增加逐漸減小并在 45m附近轉(zhuǎn)變?yōu)闁|向流, 東向流在 47m附近達(dá)到最大為 0.47cm/s; 同時(shí), 中層經(jīng)向流向北, 流速隨深度增加逐漸減小, 在 35m附近轉(zhuǎn)變?yōu)槟舷蛄鳌５讓泳曄蛄飨蛭? 經(jīng)向流向南, 且兩者均隨深度增加逐漸增大, 最大流速分別為3.88cm/s和1.87cm/s。由于南向流遠(yuǎn)小于西向流, 所以底層凈流動(dòng)方向?yàn)槠飨? 關(guān)于這支流動(dòng), 后文將繼續(xù)分析。作者計(jì)算了不同深度余流的標(biāo)準(zhǔn)差,結(jié)果如圖2b所示。U、V分量在整個(gè)深度上的余流標(biāo)準(zhǔn)差差異不大, 標(biāo)準(zhǔn)差的最大值均出現(xiàn)在 15m附近,U、V分量標(biāo)準(zhǔn)差的最大值分別為 5.62cm/s、5.79cm/s, 說(shuō)明U、V分量流速變化最劇烈的地方均位于溫躍層附近, 而在表層和底層的變化均較小,低于3cm/s。U、V分量標(biāo)準(zhǔn)差在整個(gè)深度上的變化范圍為 2.33—5.79cm/s, 在整個(gè)深度上的平均值分別為 4.35cm/s、4.41cm/s。

圖3顯示了各月平均流(圖3a、圖3c)和余流標(biāo)準(zhǔn)差(圖3b、圖3d)隨深度的分布。如圖3a, 各月緯向流的垂向變化趨勢(shì)比較一致, 與整個(gè)觀測(cè)期間的平均流具有類似的三層結(jié)構(gòu), 中上層除 11月外均可以15m作為分界, 而中下層均可以 47m作為分界。在11月, 中上層之所以沒(méi)有顯著的分界很可能由于冬季風(fēng)力較大, 且對(duì)流混合增強(qiáng), 從而使得混合層加深,溫躍層消失。在上層, 大部分月份中的緯向流均為西向流(僅在6月份10m以淺為東向流), 且流速隨深度增加逐漸增大, 其中7月份為最大, 在15m深度處達(dá)到最大為5.98cm/s。前人的研究也曾經(jīng)指出, 北黃海夏季余流流核所在深度恰好為溫躍層附近, 而在冬季, 海表失熱導(dǎo)致的強(qiáng)對(duì)流混合與風(fēng)攪拌作用使得其溫鹽結(jié)構(gòu)在垂向上比較均一, 余流分布在垂向上也比較均勻, 區(qū)別于夏季的強(qiáng)流核模式, 因此夏季溫鹽強(qiáng)層化結(jié)構(gòu)的存在對(duì)余流影響重大(鮑獻(xiàn)文等,2010)。在中層, 大部分月份中緯向流為西向流, 而僅在 11月份為東向流, 且隨深度增加西向流減弱、東向流增強(qiáng)。到 45m左右, 11月份的東向流速可達(dá)3.61cm/s, 而其他月份的緯向流速則接近 0。在底層,各個(gè)月份中緯向平均流隨著深度增加具有相似的變化趨勢(shì), 即東向流減弱、西向流增強(qiáng)。在10月和11月, 緯向流隨著深度增加逐漸由東向流轉(zhuǎn)變?yōu)槲飨蛄? 而在其他月份緯向流均為西向流。另外值得指出的是, 底層西向流從夏季到秋冬季逐漸減小, 在7月份最大, 最大流速位于觀測(cè)的最大深度處約為5cm/s。如圖3c, 與月平均緯向流的垂直分布不同, 月平均經(jīng)向流的垂直分布在不同月份有很大差異。在9月、10月和11月(秋季)中, 月平均經(jīng)向流在整個(gè)深度上均有明顯變化: 在 9月份, 40m以淺流動(dòng)向北, 而40m以深流動(dòng)向南; 在10月與11月, 整個(gè)深度上流動(dòng)均向南。其中 11月份的經(jīng)向流比較穩(wěn)定, 流速在整個(gè)深度上均為5cm/s左右。在6月、7月和8月(夏季)中, 月平均經(jīng)向流速均較小, 垂向變化也不大。值得注意的是, 月平均經(jīng)向流雖然在不同月份有不同的垂直分布, 但是其在50m以深均為南向流, 而且流速在 10月份以外的其他月份均隨深度逐漸增大, 在11月份最大, 約為5cm/s。圖3b和圖3d分別顯示了U、V分量余流標(biāo)準(zhǔn)差隨深度的分布。計(jì)算結(jié)果表明,U、V分量余流的標(biāo)準(zhǔn)差在 6月、7月和 8月(夏季)均較小, 變化范圍為 1.29—5.39cm/s, 余流標(biāo)準(zhǔn)差的最大值均位于 15m附近。30m以淺余流標(biāo)準(zhǔn)差變化較大, 而30m以深余流標(biāo)準(zhǔn)差的變化趨于平緩。這是由于受到溫躍層的阻隔, 風(fēng)力攪拌作用只能影響到海洋上層, 且夏季對(duì)流混合基本消失, 海洋下層受到的強(qiáng)迫較弱, 因此其流速的變化很弱, 相對(duì)海洋上層較小。U、V分量余流標(biāo)準(zhǔn)差的垂向平均在夏季分別達(dá)到了3.23cm/s、2.95cm/s,U分量余流標(biāo)準(zhǔn)差的垂向平均在8月最小, 為2.71cm/s,V分量余流標(biāo)準(zhǔn)差的垂向平均在6月最小, 為2.48cm/s。U、V分量余流標(biāo)準(zhǔn)差在 9月、10月和 11月(秋季)的變化范圍為 1.72—8.13cm/s, 余流標(biāo)準(zhǔn)差的垂向平均分別達(dá)到了6.05cm/s、5.18cm/s, 遠(yuǎn)大于夏季, 且在整個(gè)深度上,余流標(biāo)準(zhǔn)差的變化相對(duì)于夏季都比較劇烈。這是由于秋季風(fēng)力增加, 對(duì)流混合作用增強(qiáng), 混合層加深, 溫躍層逐漸遭到破壞, 外界的強(qiáng)迫作用逐漸影響到海洋下層的水體。U分量余流標(biāo)準(zhǔn)差的垂向平均在9月達(dá)到最大, 為6.36cm/s,V分量余流標(biāo)準(zhǔn)差的垂向平均在10月達(dá)到最大, 為5.42cm/s。9—11月, 余流標(biāo)準(zhǔn)差最大值的位置逐漸下移, 9月在15m附近, 11月則在45m附近, 這種變化也可以反映出, 由于外界強(qiáng)迫的增強(qiáng),其影響范圍逐漸深入直至海底, 夏季的溫鹽層化結(jié)構(gòu)破壞, 逐漸向冬季的上下層水體均勻混合過(guò)渡。

圖3 6月—11月U、V的月平均流速和流速標(biāo)準(zhǔn)差的垂向分布Fig.3 Vertical distribution of the monthly mean U、V and standard deviation in June-November

圖 4顯示了在觀測(cè)期間不同深度處的日平均流矢量隨時(shí)間的變化?？紤]到流矢量隨深度的分布特征,此處選取了5, 15, 31, 47, 53m這5個(gè)深度?？傮w來(lái)說(shuō),47m以淺的日平均流速較小而53m日平均流速較大;秋季(9月、10月、11月)的流矢量大小相對(duì)夏季(6月、7月、8月)的流矢量大小偏大且方向變化也較復(fù)雜。另外, 圖4比圖2和圖3更直觀地顯示, 該海域底層存在一支顯著的較為穩(wěn)定的偏西向流動(dòng), 關(guān)于這支流動(dòng), 前人研究結(jié)果并未提及。有學(xué)者認(rèn)為黃海暖流終年存在, 冬強(qiáng)夏弱, 夏季在溫躍層下面的水體中,高鹽水舌的尖銳度與暖流流速密切相關(guān), 水舌愈尖銳, 流速愈強(qiáng)(管秉賢, 1985), 但目前對(duì)此尚沒(méi)有深入詳細(xì)的研究, 此處底層的顯著流動(dòng)可能與之有關(guān)。另外, 考慮到該站位的地理位置位于渤海海峽的北側(cè)出口附近, 以及渤海海峽北進(jìn)南出的水交換模式(繆經(jīng)榜等, 1989), 該支流動(dòng)也可能與渤海和北黃海之間的水交換有關(guān), 但其真正原因仍需要進(jìn)一步研究予以確定。

圖4 不同深度處日平均流矢量隨時(shí)間的變化Fig.4 Temporal variations of the daily averaged current vectors at different depth levels

2.2 頻譜分析

用譜分析方法分析海水流速的時(shí)間序列來(lái)發(fā)現(xiàn)其中的顯著周期變化, 譜分析結(jié)果揭示了功率譜值在周期短于28h的高頻部分較大, 而在較長(zhǎng)周期的低頻部分則相對(duì)很小。圖5a、b分別給出了U、V分量周期范圍在7h到50h的功率譜值隨深度的分布情況。

如圖5所示,U和V分量的功率譜均在12h和24h附近出現(xiàn)顯著峰值, 即U、V分量均呈現(xiàn)出顯著的半日潮流和全日潮流信號(hào), 其中半日潮流信號(hào)更為顯著。V分量的半日潮流信號(hào)強(qiáng)于U分量的半日潮流信號(hào), 而其全日潮流信號(hào)則弱于U分量的全日潮流信號(hào), 經(jīng)計(jì)算發(fā)現(xiàn)U、V分量的全日與半日信號(hào)功率譜值之和在45m以深大小相當(dāng), 在45m以淺U分量弱于V分量, 也就是說(shuō), 在45m以深, 經(jīng)向的半日與全日潮流能量之和與緯向相當(dāng), 而在45m以淺, 經(jīng)向的半日與全日潮流能量之和大于緯向的能量之和; 在 0—15m范圍,U、V分量的功率譜值基本均隨深度增加而逐漸增大, 表明潮流能量隨深度逐漸增加; 在 15—45m范圍內(nèi),U分量的全日與半日周期信號(hào)譜值基本不變, 45m以深逐漸減小, 最大值出現(xiàn)在45m附近;在15—35m范圍內(nèi),V分量的全日與半日周期信號(hào)譜值基本不變, 35m以深V分量的半日周期信號(hào)譜值隨深度增加逐漸減小, 而V分量的全日周期信號(hào)譜值隨深度增加逐漸增大, 呈現(xiàn)出不同的垂向變化趨勢(shì)。另外,U、V速度分量的功率譜均在19h附近存在一個(gè)相對(duì)顯著的信號(hào), 計(jì)算可知觀測(cè)點(diǎn)處的慣性周期為19.12h, 與觀測(cè)吻合, 表明觀測(cè)點(diǎn)附近的近慣性運(yùn)動(dòng)也比較顯著。前人的數(shù)值實(shí)驗(yàn)指出, 夏季黃海的近慣性運(yùn)動(dòng)主要是由當(dāng)?shù)氐母哳l風(fēng)場(chǎng)導(dǎo)致(孟慶軍, 2015)。與半日潮流和全日潮流信號(hào)相比, 近慣性運(yùn)動(dòng)的強(qiáng)度較弱, 其功率譜值約比全日與半日潮流信號(hào)功率譜值低一到兩個(gè)量級(jí)。

圖5 海流功率譜分析結(jié)果Fig.5 Power spectra of observed currents

2.3 潮流特征

為了分析實(shí)測(cè)海流中的潮流特征, 本文利用T-Tide調(diào)和分析程序包對(duì)各層實(shí)測(cè)流速進(jìn)行了調(diào)和分析, 計(jì)算得到了主要分潮的橢圓要素, 包括長(zhǎng)軸、短軸和傾角。程序根據(jù)實(shí)測(cè)海流數(shù)據(jù)長(zhǎng)度和采樣頻率自動(dòng)選取了 35個(gè)分潮, 本文選取其中最為顯著的 5個(gè)分潮進(jìn)行分析。按照其橢圓長(zhǎng)軸(即最大分潮流)從大到小的順序, 這五個(gè)分潮依次為M2, S2, K1, O1和N2, 說(shuō)明該處潮流以半日潮族和全日潮族為主,這與上節(jié)功率譜分析的結(jié)果一致。計(jì)算得到, M2和K1在整個(gè)深度范圍內(nèi)的平均橢圓長(zhǎng)軸分別為27.9cm/s和 9.2cm/s。

為了確定當(dāng)?shù)氐某绷黝愋? 需要計(jì)算觀測(cè)點(diǎn)處的潮流類型特征值。根據(jù)我國(guó)《港口工程技術(shù)規(guī)范》(中華人民共和國(guó)交通部, 1988)的規(guī)定, 潮流類型特征值可以按照下式計(jì)算得到

其中,A為潮型特征值,分別為O1,K1, M2的最大分潮流。潮流類型判別標(biāo)準(zhǔn)如下:A≤0.5為正規(guī)半日潮, 0.5＜A≤2.0為不正規(guī)半日潮, 2.0＜A≤4.0為不正規(guī)全日潮,A＞4.0為正規(guī)全日潮。經(jīng)過(guò)計(jì)算得到A在整個(gè)深度上均小于 0.5, 因此該海區(qū)潮汐類型屬于正規(guī)半日潮。

潮流橢圓短軸的正負(fù)可以指示其旋轉(zhuǎn)方向, 正值代表逆時(shí)針旋轉(zhuǎn), 負(fù)值代表順時(shí)針旋轉(zhuǎn)。如圖 6所示, 三個(gè)半日分潮的潮流橢圓在整個(gè)水體范圍內(nèi)均為逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)。兩個(gè)全日分潮潮流橢圓的旋轉(zhuǎn)方向稍有不同, K1分潮潮流橢圓僅在表層附近出現(xiàn)了順時(shí)針旋轉(zhuǎn), 其余深度皆為逆時(shí)針旋轉(zhuǎn), O1分潮潮流橢圓在整個(gè)深度范圍內(nèi)均為逆時(shí)針旋轉(zhuǎn), 這也與現(xiàn)有的研究結(jié)果“北黃海夏季主要分潮的潮流橢圓基本均呈逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)”相符(鮑獻(xiàn)文等, 2010)。經(jīng)過(guò)計(jì)算, 三個(gè)半日分潮的橢圓率均大于 0.4, 表現(xiàn)出比較明顯的旋轉(zhuǎn)流特征; 兩個(gè)全日分潮除了在近底層附近表現(xiàn)出一定的旋轉(zhuǎn)流特征外, 在 45m以淺的橢圓率均小于 0.4, 表現(xiàn)為比較顯著的往復(fù)流特征, 這與前人的結(jié)論有所差異, 前人在北黃海南部的觀測(cè)結(jié)果顯示, 全日潮流 K1, O1表現(xiàn)為旋轉(zhuǎn)流的特征,半日潮流M2, S2表現(xiàn)為比較明顯的往復(fù)流特征(于華明等,2008; 鮑獻(xiàn)文等, 2010)。圖6顯示往復(fù)全日潮流的方向大致沿東西方向, 這也可以解釋為什么前文譜分析結(jié)果中U分量的全日信號(hào)明顯強(qiáng)于V分量的全日信號(hào)。

圖6 主要分潮潮流橢圓隨深度的變化Fig.6 Vertical distribution of tidal current ellipses of 5 main constituents

圖7a—d分別顯示了M2, S2, K1和O1的橢圓長(zhǎng)軸和傾角隨深度的變化。M2, K1的橢圓長(zhǎng)軸最大值分別為 31.66cm/s、11.28cm/s, 前人根據(jù)大量實(shí)測(cè)資料與數(shù)值實(shí)驗(yàn)結(jié)果繪制的潮汐潮流圖顯示, 北黃海北部M2、K1分潮流的最大值分別可達(dá) 20—40cm/s、10—20cm/s(Fang, 1986), 本文的結(jié)果與其給出的最大值范圍相符。M2、K1的橢圓長(zhǎng)軸在整個(gè)深度上的平均值分別為27.9cm/s、9.2cm/s。圖7顯示, M2、S2的橢圓長(zhǎng)軸隨深度的變化趨勢(shì)基本一致, 在上層隨深度增加而增大, 在中層隨深度增加基本不變, 而在底層則隨深度增加而減小。橢圓長(zhǎng)軸在上層和底層隨著深度增加而增加或者減小可能是由于上下兩個(gè)邊界層摩擦的影響, 兩個(gè)邊界層的顯著影響節(jié)點(diǎn)在 15m與47m附近。兩個(gè)全日分潮的橢圓長(zhǎng)軸隨深度的變化趨勢(shì)也基本一致, 在上層與半日分潮的特征相似, 隨深度增加逐漸增大, 分層節(jié)點(diǎn)位于15m附近, 在下層隨深度增加逐漸減小, 但下層分層節(jié)點(diǎn)的位置與半日分潮不同, 大約位于35m附近, 這種明顯的區(qū)別是因?yàn)槿辗殖迸c半日分潮受到底摩擦的影響有差異。前人的研究表明, 潮流在淺水中易受到底摩擦的影響。對(duì)于單個(gè)分潮, 底摩擦效應(yīng)與潮流的振幅成正比, 對(duì)于振幅相同的不同分潮, 全日分潮比半日分潮更易受到底摩擦的影響(Prandle, 1982, 1997)。圖7中, S2與K1橢圓長(zhǎng)軸大小相當(dāng), 但K1受到底摩擦影響的深度范圍明顯大于S2, K1與O1兩個(gè)全日分潮受到底摩擦影響的深度范圍也明顯大于 M2, 表明全日分潮受到底摩擦的影響更甚于半日分潮, 與前人的理論結(jié)果一致(Prandle, 1997)。

M2、S2的傾角均隨深度增加而逐漸減小, 在局部有小幅震蕩, 表明潮流橢圓隨深度增加順時(shí)針旋轉(zhuǎn)。傾角變化范圍為 40°—70°, 變化幅度不超過(guò) 30°, 主軸基本沿東北-西南方向, 表明兩個(gè)半日分潮水平結(jié)構(gòu)的垂直差異較小。在這兩個(gè)分潮中, M2分潮的橢圓傾角隨深度增加變化最小, 不超過(guò)18°。K1、O1的橢圓傾角變化范圍為 150°—20°, 主軸大致沿東西方向。其中 K1分潮的橢圓傾角在 5—30m范圍內(nèi)幾乎不變, 大小為0°(或者180°), 而在30m以深傾角隨深度增加逐漸增大, 這表明潮流橢圓隨深度增加逆時(shí)針旋轉(zhuǎn); O1分潮的橢圓傾角隨深度增加逐漸增大, 潮流橢圓隨深度增加逆時(shí)針旋轉(zhuǎn), 傾角變化不超過(guò)40°。另外, 各分潮的橢圓傾角在底層均有一段小幅增加再減小的過(guò)程(如 S2分潮, 47—53m), 表明潮流橢圓在底層隨深度的變化發(fā)生了微弱的偏轉(zhuǎn), 其原因有待于進(jìn)一步的研究。

另外, 根據(jù)如下公式,

圖7 主要分潮的橢圓長(zhǎng)軸和傾角Fig.7 Major semi-axes and inclination of 4 main constituents

圖8 潮流方差貢獻(xiàn)率隨深度的變化Fig.8 Vertical distribution of variance contribution of tidal currents

計(jì)算了調(diào)和分析結(jié)果中各分潮潮流的方差貢獻(xiàn)率,尖括號(hào)表示求平均運(yùn)算, 其中 為潮流的方差貢獻(xiàn)率,η′為觀測(cè)流距平值,tη為潮流距平值。將調(diào)和分析結(jié)果的所有分潮均考慮在內(nèi), 計(jì)算海流中潮流所占的總方差貢獻(xiàn)率, 圖8顯示了U、V分量中潮流總方差貢獻(xiàn)率隨深度的變化。如圖所示, 兩個(gè)速度分量的潮流方差貢獻(xiàn)率在0—15m范圍內(nèi), 均隨深度增加迅速增大, 在15—47m范圍內(nèi), 隨深度增加緩慢增大, 而在 47m以深則隨深度增加逐漸減小, 其最大值出現(xiàn)在47m附近, 分別為88.1%和83.7%。潮流方差貢獻(xiàn)率隨深度變化的兩個(gè)顯著節(jié)點(diǎn)分別在15m與47m附近, 與平均流的垂向分層位置相似。

2.4 垂向模態(tài)

經(jīng)驗(yàn)正交函數(shù)分解(EOF分解)能夠有效處理大量時(shí)空?qǐng)鰯?shù)據(jù), 將一個(gè)時(shí)空?qǐng)龇纸鉃橐粋€(gè)不隨時(shí)間變化的空間函數(shù)和一個(gè)不隨空間變化的時(shí)間系數(shù),達(dá)到時(shí)空分離的效果, 從而揭示時(shí)空變量場(chǎng)的基本特征和演變規(guī)律(胡基福, 1996)。

本文在進(jìn)行 EOF分解之前, 先對(duì)流速數(shù)據(jù)進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)化處理, EOF分解后得到整個(gè)觀測(cè)期間流動(dòng)的垂向結(jié)構(gòu)以及對(duì)應(yīng)的時(shí)間系數(shù)。圖9a、b分別顯示了U、V速度分量前4個(gè)模態(tài)的垂向結(jié)構(gòu)。如圖9所示,左圖為U分量的前 4個(gè)模態(tài), 其方差貢獻(xiàn)率分別為88.00%, 5.26%, 2.27%, 1.27%; 右圖為V分量的前4個(gè)模態(tài), 其方差貢獻(xiàn)率分別為88.57%, 4.94%, 1.99%,1.36%。另外, 我們還對(duì)前四個(gè)空間模態(tài)對(duì)應(yīng)的時(shí)間系數(shù)進(jìn)行了功率譜分析, 結(jié)果如圖10所示, 圖10a—d、e—h分別顯示了U、V前四個(gè)空間模態(tài)對(duì)應(yīng)時(shí)間系數(shù)的功率譜結(jié)果。

圖9 U、V前4個(gè)空間模態(tài)的垂直變化Fig.9 Vertical variations of first 4 EOF modes of U and V

結(jié)果顯示,U、V分量的垂向模態(tài)具有高度的一致性。根據(jù)方差貢獻(xiàn)率可知,U、V分量均為第一模態(tài)占優(yōu),方差貢獻(xiàn)率超過(guò)88%。第一模態(tài)的垂向模態(tài)隨深度基本保持不變, 因此為零階模態(tài), 體現(xiàn)了流動(dòng)的正壓特征,其余模態(tài)分別為一階模態(tài)及更高階模態(tài), 體現(xiàn)了流動(dòng)的斜壓特征, 各高階模態(tài)的總方差貢獻(xiàn)率約為12%, 表明流動(dòng)的斜壓性較弱。如圖 10所示, 第一時(shí)間系數(shù)的顯著周期位于12h和24h, 表明正壓流動(dòng)主要為正壓潮流, 各高階模態(tài)對(duì)應(yīng)的時(shí)間系數(shù)還顯示了一些更高頻(6h, 8h)的潮流分量以及近慣性周期信號(hào)(19.12h), 這表明觀測(cè)點(diǎn)所在海域的斜壓流動(dòng)主要包括斜壓潮流和近慣性流動(dòng)。已有的觀測(cè)研究指出, 夏季南黃海西部海域也存在較強(qiáng)的近慣性斜壓流(張志欣等, 2008)。

圖10 U、V前四個(gè)時(shí)間系數(shù)的功率譜Fig.10 Spectra of the principal components of first 4 EOF modes

3 結(jié)論

本文通過(guò)多種方法對(duì)北黃海一個(gè)固定觀測(cè)點(diǎn)近半年的ADCP海流資料進(jìn)行了分析, 得出如下結(jié)論:

(1) 該海區(qū)夏秋季(6—11月)的緯向平均流向西(指向渤海), 經(jīng)向平均流向南, 且緯向平均流大于經(jīng)向平均流, 凈流動(dòng)方向與50m等深線方向基本一致。夏季的溫鹽層化結(jié)構(gòu)對(duì)余流的垂直分布存在顯著影響。

(2) 該海區(qū)潮汐類型為正規(guī)半日潮, 半日潮流為旋轉(zhuǎn)流, 主軸沿東北-西南方向, 而全日潮流更趨向于往復(fù)流, 主軸沿東西方向。

(3) 淺水潮流易受到底摩擦影響, 其中全日潮流受底摩擦影響較半日潮流更為顯著。

(4) 該海區(qū)夏秋季(6—11月)流動(dòng)以正壓流為主,斜壓性較弱, 正壓流主要為正壓潮流, 斜壓流包括斜壓潮流和近慣性流動(dòng)。

本文同時(shí)也發(fā)現(xiàn)了一些問(wèn)題。分析結(jié)果顯示海區(qū)底層存在一支穩(wěn)定的偏西向流動(dòng), 至于該支流動(dòng)是黃海暖流夏季在海區(qū)底層的余脈, 還是北黃海與渤海通過(guò)渤海海峽北部通道水交換的一部分, 目前尚無(wú)定論。本文探究了觀測(cè)點(diǎn)處的流動(dòng)特征及變化, 但是其機(jī)制尚需要進(jìn)一步分析確定, 未來(lái)擬開(kāi)展數(shù)值實(shí)驗(yàn)進(jìn)行研究。另外, 考慮到該海域存在顯著的季節(jié)變化, 因此未來(lái)還需要獲取全季節(jié)的時(shí)間序列進(jìn)行剖分對(duì)比。

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ANALYSIS ON CONTINUOUS CURRENT OBSERVATION IN THE NORTHERN YELLOW SEA

ZHUANG Yuan, LIU Zi-Zhou, ZHAI Fang-Guo(College of Ocean and Atmosphere Sciences,Ocean University of China,Qingdao266100,China)

Several analysis methods are adopted in this paper to study direct continuous current measurements in the northern Yellow Sea during the year of 2009, including power spectrum analysis, harmonic analysis and Empirical Orthogonal Function (EOF) analysis.The results show that the average flow in the station area is roughly southwestern along the 50m isobaths, and the zonal mean flow is greater than the meridional mean flow over the whole observation period, with the zonal and meridional water transport being 0.67m3/s and 0.16m3/s, respectively.The thermohaline stratification in summer has significant effects on the vertical distribution of residual current.The tide harmonic analysis shows that the tidal type of this area is regular semi-diurnal tide, and the average amplitudes of M2and K1are 27.9cm/s and 9.2cm/s, respectively.Semi-diurnal tide systems are rotary tidal current and diurnal tide systems are inclined to reciprocate.Semi-diurnal ellipses vary anticlockwise with depth increasing with inclination change less than 30°, and diurnal ellipses vary clockwise with inclination change less than 40°.Bottom friction influences dramatically, and it affects diurnal tide more than semi-diurnal tide to larger depth scope.This observation is a direct reference to the further study of tidal flow, inertial flow and water exchange in the northern Yellow Sea, and the current results deepen the understanding of current field characteristics.

the Yellow sea; tidal flow; harmonic analysis; vertical mode

P717

10.11693/hyhz20170100001

* 國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目, 41476002號(hào); 國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目, 2016YFC1402304號(hào); 山東省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目,2016ZDJS09A02號(hào)。莊園, 碩士研究生, E-mail: zhuangyuan1108@126.com

① 通訊作者: 翟方國(guó), 碩士生導(dǎo)師, 副教授, E-mail: gfzhai@ouc.edu.cn

2017-01-03, 收修改稿日期: 2017-03-01