張廣躍 魏 皓 肖勁根 張海彥 李志成

(天津大學(xué)海洋科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 天津 300072)

潮汐鋒是海洋鋒的一種,指在增溫季節(jié)由潮混合與層化共同作用形成的近岸混合區(qū)與遠(yuǎn)岸層化區(qū)之間的過渡海域(Simpsonet al,1974)。鋒區(qū)的輻聚、輻散作用是鯷魚卵子和仔稚魚呈斑塊分布的原因(Weiet al,2003；魏皓等,2007；周鋒等,2008),潮汐鋒還會(huì)對(duì)葉綠素a和浮游生物的分布產(chǎn)生影響(Liuet al,2003；李洪波等,2004；Sunet al,2010；劉光興等,2015；Choiet al,2017),韋欽勝等(2011)進(jìn)而提出了鋒區(qū)生態(tài)系統(tǒng)的觀點(diǎn)。因此,由表層風(fēng)摩擦作用與底層潮混合作用而使上下混合層在淺海相互貫通而形成的潮汐鋒,對(duì)動(dòng)力海洋學(xué)和海洋生態(tài)學(xué)研究都具有重要意義(Simpsonet al,1978；趙保仁,1987；趙保仁等,1993；魏皓等,1993；Liuet al,2003；唐啟升等,2005)。此外,渤海底部低氧區(qū)的范圍與鋒面所圍冷水團(tuán)基本一致(張華等,2016),研究渤海夏季潮汐鋒變化,對(duì)于探討低氧形成及變化機(jī)制同樣具有重要意義。

趙保仁(1985)計(jì)算了黃海和東海北部Simpson-Hunter層化參數(shù)KSH=log(H/Umax3)(Simpsonet al,1974),發(fā)現(xiàn)KSH=1.8等值線走向與整個(gè)底層黃海冷水團(tuán)的邊緣一致,其中H為水深,Umax為潮流最大特征流速。魏皓等(1993)根據(jù)Stigebrandt公式(Stigebrandt,1981)對(duì)夏季南黃海底層潮汐鋒位置進(jìn)行了較為準(zhǔn)確的計(jì)算,認(rèn)為底層潮流和風(fēng)對(duì)底層鋒的位置起決定性作用。Bi等(1993)對(duì)黃海西部潮汐鋒的形成和演化過程進(jìn)行了研究并探討了潮混合、熱通量和風(fēng)對(duì)潮汐鋒的影響,認(rèn)為鋒區(qū)和深海層化區(qū)的溫度結(jié)構(gòu)受到潮混合作用和平流的共同影響,海流和鋒面會(huì)對(duì)風(fēng)應(yīng)力的變化作出滯后響應(yīng),且鋒面的強(qiáng)度和位置還會(huì)受到Ekman輸運(yùn)的影響。楊殿榮等(1994)在Stigebrandt公式基礎(chǔ)上加入浮力平流項(xiàng),進(jìn)一步提高了南黃海海洋鋒的預(yù)報(bào)質(zhì)量。周鋒等(2008)綜合調(diào)查資料和MODIS/Terra衛(wèi)星遙感海表面溫度(sea surface temperature,SST)資料,并利用HAMSOM(Hamburg Shelf Ocean Model)模式計(jì)算Simpson-Hunter參數(shù)分布,對(duì)南黃海西北部夏季潮鋒的不連續(xù)分布現(xiàn)象做了分析和討論,認(rèn)為潮流較弱、地形相對(duì)平緩和層化作用較強(qiáng)是潮鋒不連續(xù)分布的主要成因,而夏季風(fēng)場(chǎng)對(duì)鋒面分布的影響基本可以忽略。Lü等(2010)基于POM(Princeton Ocean Model)模式建立了波浪-潮汐-環(huán)流耦合數(shù)值模型,用以研究潮汐混合對(duì)夏季黃海環(huán)流造成的影響,結(jié)果顯示黃海冷水團(tuán)被典型的潮汐鋒所包圍,而較大的斜壓梯度使鋒區(qū)成為了上升流最活躍的區(qū)域,同時(shí)黃海冷斑的形成主要是由鋒區(qū)上升流和潮混合造成的。

近年來國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)于潮汐鋒的研究大都集中在黃、東海及南海等區(qū)域(朱鳳芹等,2014；程雪麗等,2017；王謙等,2019),針對(duì)渤海潮汐鋒的研究比較少。趙保仁等(2001)對(duì)渤海夏季無(wú)風(fēng)狀態(tài)下潮汐鋒的分布特征進(jìn)行過較為系統(tǒng)的研究,結(jié)果表明渤海海峽、遼東灣東部近海、遼東灣西部六股河口近海及渤海灣口的南、北近岸水域分布著潮汐鋒。劉浩等(2007)利用POM模式對(duì)渤海潮汐鋒及層化結(jié)構(gòu)的季節(jié)變化進(jìn)行了研究,通過與Loder參數(shù)(KL=log(h4/U3),h、U分別為水深和潮流速度)計(jì)算結(jié)果對(duì)比,認(rèn)為采用表底溫差指標(biāo)研究渤海的層化結(jié)構(gòu)特征和潮汐鋒是可靠的,同時(shí)模擬結(jié)果表明渤海層化形成于4月份,之后隨著太陽(yáng)輻射的增強(qiáng)以及垂向混合的減弱,層化區(qū)面積以及穩(wěn)定性都進(jìn)一步增強(qiáng)并在7月份達(dá)到頂峰,隨著層化區(qū)域范圍的不斷擴(kuò)大和層化強(qiáng)度的增加,潮汐鋒也隨之向淺水區(qū)移動(dòng)。

綜上所述,前人對(duì)潮汐鋒的研究,大都集中在潮汐鋒的季節(jié)變化、潮汐鋒的形成機(jī)制等方面,對(duì)夏季期間潮汐鋒位置的變化討論很少。根據(jù)宋貴生等人2017、2018年秦皇島外海低氧調(diào)查結(jié)果得知,夏季潮汐鋒恰是影響秦皇島外海低氧維持和分布的重要原因(個(gè)人交流)。因此本文綜合利用現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)數(shù)據(jù)和ROMS(Regional Ocean Modeling System)模擬結(jié)果,并基于Stigebrandt公式對(duì)2017年夏季遼東灣潮汐鋒位置進(jìn)行診斷計(jì)算,探討風(fēng)、凈熱通量和浮力平流對(duì)潮汐鋒位置的影響,為研究遼東灣生物聚集和低氧分布機(jī)制提供依據(jù)。

1 數(shù)據(jù)和方法

1.1 數(shù)據(jù)介紹

現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)數(shù)據(jù)來自國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃“海洋環(huán)境安全保障”重點(diǎn)專項(xiàng)于2017年7月11—20日和2017年8月11—20日兩個(gè)時(shí)間段內(nèi)對(duì)遼東灣東部海域(120.5°—121.5°E,39.3°—40.3°N)(圖)進(jìn)行的逐月水文調(diào)查。在7月份由于天氣等原因?qū)е挛磳?duì)F1、G1、G4站位進(jìn)行采樣。溫度、鹽度、密度等觀測(cè)數(shù)據(jù),主要利用加拿大RBR公司生產(chǎn)的CTD(Conductivity-Temperature-Depth profiler)獲得,溫度精度 0.002°C,電導(dǎo)率精度0.003mS/cm,設(shè)定采樣頻率6Hz。利用Matlab-2014a對(duì)CTD獲得的數(shù)據(jù)資料進(jìn)行質(zhì)量控制處理、剔除異常值并進(jìn)行0.2m平均后進(jìn)行繪圖分析。

1.2 模式配置

本文使用的數(shù)值模式ROMS,是一個(gè)采用自由表面、靜力假定、σ坐標(biāo)、曲線正交網(wǎng)格的三維原始方程模式(Shchepetkinet al,2005)。目前該模式已被廣泛應(yīng)用于中國(guó)近海水動(dòng)力模擬研究中(Bianet al,2013；Zhouet al,2017)。本文ROMS模式區(qū)域覆蓋了渤、黃海及東海部分區(qū)域(117.01°—131.66°E,29.04°—42.09°N),地形采用成均館大學(xué)提供的分辨率為1’×1’的地形數(shù)據(jù),模式最小水深為5m。模式水平分辨率約為1/24°×1/24°,且在渤海海區(qū)進(jìn)行了加密(分辨率約為3km),垂向分為30層,在表底進(jìn)行了加密。模式垂向采用MY2.5(Mellor-Yamada 2.5)湍混合參數(shù)化方案(Melloret al,1982),二次底拖曳系數(shù)為0.0015。風(fēng)場(chǎng)、海面熱通量等大氣強(qiáng)迫數(shù)據(jù)來自歐洲中期天氣預(yù)報(bào)中心(European Centre for Medium-range Weather Forecast,ECMWF,https：//www.ecmwf.int/)的 ERAInterim再分析數(shù)據(jù)資料。模式有兩個(gè)開邊界,南側(cè)開邊界位于杭州灣南側(cè),東側(cè)開邊界位于朝鮮海峽附近,開邊界處的溫度、鹽度、水位及流速數(shù)據(jù)來自HYCOM(Hybrid Coordinate Ocean Model)。開邊界處添加M2、S2、N2、K2、K1、O1、P1和Q1,共8個(gè)分潮,潮汐數(shù)據(jù)來自于OTPS(OSU Tidal Prediction Software)。模式初始場(chǎng)的溫度及鹽度來自WOA2013(World Ocean Atlas 2013)一月份的氣候態(tài)數(shù)據(jù),水位及流速的初始值設(shè)為零。模式共包括9條流入渤、黃、東海的主要河流,分別為遼河、灤河、海河、黃河、鴨綠江、漢江、淮河、長(zhǎng)江和錢塘江。河流流量數(shù)據(jù)來源于中國(guó)河流泥沙公報(bào)及相關(guān)文獻(xiàn)(Zhang,1996；Liuet al,2009；Tonget al,2015)。模式運(yùn)行時(shí)間為2006年1月1日—2017年12月31日,本文使用2017年的模擬結(jié)果對(duì)遼東灣潮汐鋒位置的變化進(jìn)行研究。從模式的渤海海表溫度和底溫月平均序列來看(圖略),模式在研究年份已達(dá)到穩(wěn)定。

1.3 模式校驗(yàn)

圖2 夏季(6—8月)渤海垂向平均流場(chǎng)結(jié)構(gòu)Fig.2 Vertical structure of circulations of Bohai Sea in summer average(June-August)

由圖2所示夏季渤海垂向平均流場(chǎng)結(jié)構(gòu)可知,夏季期間渤海大部分區(qū)域深度平均流速小于10cm/s,渤海中部存在反氣旋式環(huán)流,而遼東灣存在氣旋式環(huán)流,這與Zhou等(2017)文章中模擬的渤海流場(chǎng)結(jié)構(gòu)基本一致。夏季渤海海峽南部存在出流區(qū),北部存在入流區(qū),整體為“北進(jìn)南出”的海流結(jié)構(gòu),這與黃大吉等(1998)、魏澤勛等(2003)、冀承振等(2019)研究結(jié)果比較一致。

選取圖1所示的D、E、F斷面觀測(cè)站點(diǎn)得到的溫度數(shù)據(jù)與ROMS模擬的溫度結(jié)果進(jìn)行垂向?qū)Ρ?圖3)。雖然模式的整體溫度偏低,但月份之間的溫度變化趨勢(shì)模擬較好。由2017年遼東灣調(diào)查數(shù)據(jù)(圖3中柱條)可以看出,7月份D、E、F斷面實(shí)測(cè)溫躍層大部分位于6—8m水深處,在D3站點(diǎn)東側(cè)、E3站點(diǎn)附近以及F4站點(diǎn)附近水體充分混合,潮汐鋒鋒線處水深為18—26m(圖3a、3c和3e)。8月份實(shí)測(cè)D、E、F斷面水溫整體升高約1°C,E斷面溫躍層強(qiáng)度減弱、近岸混合區(qū)范圍有所擴(kuò)大,D、F斷面溫躍層變動(dòng)不太明顯,8月份實(shí)測(cè)D3站位西側(cè)、E3站位西側(cè)、F3站位附近存在潮汐鋒,鋒線處水深為25—28m,鋒線位置向深水區(qū)移動(dòng)(圖3b、3d和3f)。通過模擬結(jié)果(圖3背景顏色)可以看出,7月份D、E、F斷面躍層基本位于12.5m水深處,底層冷水團(tuán)范圍較大,邊緣位于25m等深線附近,鋒面位于冷水團(tuán)的邊緣(圖3a、3c和3e)。8月份D、E、F斷面模擬的溫度較7月份高約0.8°C,這與實(shí)測(cè)溫度變化趨勢(shì)一致,溫躍層深度變化不大,但冷水團(tuán)的范圍向深水區(qū)收縮,其邊緣位于28m等深線附近,潮汐鋒的位置也隨之向深水區(qū)移動(dòng)(圖3b、3d和3f)。

選取遼東灣東部D、E、F斷面存在溫度躍層的站點(diǎn),對(duì)站點(diǎn)位置的溫躍層強(qiáng)度和溫躍層深度進(jìn)行了數(shù)據(jù)校驗(yàn)。7、8月份溫躍層強(qiáng)度變化不大,模式和觀測(cè)的相關(guān)指數(shù)R2為0.84,表明模式能夠較好的模擬出躍層的強(qiáng)度(圖4a)。7、8月份的溫躍層深度沒有明顯變化,模式和觀測(cè)的相關(guān)指數(shù)R2為0.86,因此模式能夠較好地模擬出躍層的位置(圖4b)。

圖3 2017年7、8月份遼東灣東部D(a、b)、E(c、d)、F(e、f)斷面溫度分布Fig.3 Temperature distribution of Section D(a,b),E(c,d),and F(e,f)in the eastern Liaodong Bay in July and August 2017

圖4 2017年7(藍(lán)點(diǎn))、8(紅點(diǎn))月份遼東灣東部觀測(cè)站點(diǎn)溫度躍層相關(guān)模擬結(jié)果與觀測(cè)數(shù)據(jù)Fig.4 Simulation and observation of the thermocline at the sampling stations of Liaodong Bay in July(blue point)and August(red point)2017

綜上所敘,模型能夠較好的模擬出渤海夏季流場(chǎng)結(jié)構(gòu)、底部冷水團(tuán)位置、溫躍層強(qiáng)度和溫躍層深度,較為準(zhǔn)確的反映出近?；旌蠀^(qū)與遠(yuǎn)海層化區(qū)的位置,在一定程度上反映出實(shí)測(cè)潮汐鋒的位置變化,可以使用模擬結(jié)果進(jìn)行潮汐鋒的進(jìn)一步分析。

1.4 潮汐鋒位置的估算方法

參照劉浩等(2007)對(duì)渤海潮汐鋒的研究并結(jié)合觀測(cè)數(shù)據(jù)和模擬結(jié)果,本文將表底溫差0.2°C等值線作為實(shí)際潮汐鋒位置。由于Simpson-Hunter層化參數(shù)KSH=log(H/Umax3)(Simpsonet al,1974)僅考慮了水深和潮流對(duì)潮汐鋒位置的影響,未考慮其他影響潮汐鋒的要素,不能夠準(zhǔn)確反映出潮汐鋒位置的月度變化。本文參考魏皓等(1993)和楊殿榮等(1994)等引入浮力平流效應(yīng)并改進(jìn)的Stigebrandt公式來計(jì)算潮汐鋒的位置：

其中,Hfront為潮汐鋒所處的水深,A為底層潮流對(duì)鋒的作用項(xiàng),B為表層風(fēng)場(chǎng)對(duì)鋒的作用項(xiàng),C代表凈熱通量對(duì)鋒的作用項(xiàng),M代表浮力平流對(duì)鋒的作用項(xiàng)。

A的表達(dá)式如下：

式(2)中,mob為下層挾卷參量,可取為1.12(Stigebrandt,1981；魏皓等,1993),而為底層潮流流速,海底阻力系數(shù)取值與ROMS模式設(shè)置一致。

B的表達(dá)式如下：

式(3)中,mow上層挾卷參量,可取為1.25(Garwood,1977；朱建榮等,1993；魏皓等,1993),而Uw為表層風(fēng)速,海水平均密度空氣密度海面阻力系數(shù)。

C的表達(dá)式如下：

式(4)中,Q為凈熱通量,9.8g=m/s2,熱膨脹系數(shù)系統(tǒng)比熱。

M的表達(dá)式如下：

式(5)中,ρ1、ρ2分別為上層海水密度,h1、h2分別為上、下層海水的厚度,u1、v1分別為上層海水東分量流速和北分量流速,u2、v2分別為下層海水東分量流速和北分量流速。

為了減小噪音和誤差,參照楊殿榮等(1994)對(duì)M進(jìn)行處理,將式(5)做如下轉(zhuǎn)換：

對(duì)近岸水體而言,M可表示為：

當(dāng)不考慮M項(xiàng)時(shí),Stigebrandt公式為：

2 結(jié)果分析

2.1 遼東灣水團(tuán)的變化

潮汐鋒作為水團(tuán)的邊界,是近岸混合區(qū)與遠(yuǎn)海層化區(qū)的過渡帶。由遼東灣底層溫度和表底溫差的分布變化,可知2017年6、7、8月份,遼東灣整體處于升溫階段(圖5)。6月份遼東灣底層水溫相對(duì)較低,大部分區(qū)域底層水溫低于17°C,僅在遼東灣北部底層水溫為18°C左右(圖5a)。7月份底層溫度整體升高,低于17°C的冷水范圍向西南方向收縮至40°N,40°N以北的大部分區(qū)域水溫在20°C以上(圖5b)。8月份底層溫度進(jìn)一步升高,底層冷水的范圍進(jìn)一步縮小,大部分區(qū)域溫度升高至22°C以上(圖5c)?？偟膩碚f冷水團(tuán)的范圍不斷向深水區(qū)縮小,底層溫度在6—7月升溫幅度較大,平均升幅在5°C左右,7—8月升溫幅度較小,平均升幅在2°C左右。

圖5 2017年夏季遼東灣底層溫度(a、b、c)和表底溫差(d、e、f)月度分布Fig.5 Monthly distribution of bottom temperature(a,b and c)and temperature difference between the surface and bottom(d,e,and f)in Liaodong Bay during summer 2017

通過2017年6、7、8月份表底溫差(圖5d、5e和5f)分布變化可知,6月份表底溫差最大值不超過4°C,說明6月份層化較弱,而小于0.2°C溫差等值線的區(qū)域主要為遼東灣沿岸海域,混合區(qū)的范圍較小。7月份表底溫差最大值7°C,說明7月份遼東灣層化明顯加強(qiáng),而0.2°C溫差等值線在遼東灣北部位置基本保持不變,但在東、西兩岸,0.2°C溫差等值線略微向深水區(qū)移動(dòng)。8月份,0.2°C溫差等值線明顯向深水區(qū)移動(dòng),遼東灣東北部0.2°C溫差等值線位置變化最大,向深水區(qū)移動(dòng)大約18km。整體來看,遼東灣近岸混合區(qū)范圍不斷向深水區(qū)擴(kuò)展,遼東灣中部及西南部層化不斷加強(qiáng),但層化區(qū)的范圍在減小。通過計(jì)算Simpson-Hunter層化參數(shù)得到的潮汐鋒位置(圖5洋紅線)在6、7、8月份基本保持不變,這說明僅考慮潮流和地形因素計(jì)算潮汐鋒位置的Simpson-Hunter層化參數(shù)并不能夠很好的反映遼東灣夏季期間潮汐鋒的位置變化,尤其是在8月份。

2.2 潮汐鋒位置的估算

圖6 2017年夏季遼東灣底層潮流作用項(xiàng)A(a、b、c)、表層風(fēng)場(chǎng)作用項(xiàng)B(d、e、f)、凈熱通量C(g、h、i)和浮力平流效應(yīng)項(xiàng)M(j、k、l)月度分布Fig.6 Monthly distribution of bottom tidal mixing term A(a,b,and c),wind friction term B(d,e,and f),net heat fluxes term C(g,h,and i)and buoyancy advection term M(j,k,and l)in Liaodong Bay during summer 2017

由式(1)可知,表層風(fēng)場(chǎng)、底層潮流和凈熱通量對(duì)潮汐鋒的位置有著重要作用,而浮力平流對(duì)潮汐鋒的位置起到一定的調(diào)節(jié)作用。如圖6所示,2017年6、7、8月份底層潮流作用項(xiàng)A基本保持不變,數(shù)值量級(jí)為10-6m3/s3,整體呈現(xiàn)出遼東灣東岸高西岸低的分布態(tài)勢(shì)(圖6a、6b和6c)。2017年6、7、8月份遼東灣風(fēng)場(chǎng)作用項(xiàng)B,數(shù)值量級(jí)為10-7—10-6m3/s3(圖6d、6e和6f)。6月份風(fēng)場(chǎng)作用項(xiàng)B高值區(qū)位于遼東灣中部和南部,量值約為0.7×10-7m3/s3(圖6d)。7月份風(fēng)場(chǎng)作用項(xiàng)B高值區(qū)位于遼東灣西北部,量值約為0.71×10-7m3/s3(圖6e)。8月份風(fēng)場(chǎng)作用項(xiàng)B明顯減小,平均約為0.18×10-7m3/s3(圖6f)。整體來說,6、7月份表層風(fēng)場(chǎng)作用變化不大,6月份遼東灣中南部B項(xiàng)值略高,而7月份遼東灣北部B項(xiàng)值略高,8月份B項(xiàng)值明顯減小。2017年6、7、8月份遼東灣凈熱通量項(xiàng)C,整體呈現(xiàn)出減小的變化趨勢(shì),且均為自南向北逐漸降低的分布態(tài)勢(shì)(圖6g、6h和6i)。6、7月份,遼東灣絕大部分區(qū)域凈熱通量作用項(xiàng)C大于1×10-7m3/s3,7月份較6月份C項(xiàng)略微減小約0.1×10-7m3/s3(圖6g、圖6h)。8月份遼東灣凈熱通量作用項(xiàng)C均小于0.8×10-7m3/s3,8月份較 7月份C項(xiàng)大幅減少約 0.8×10-7m3/s3(圖6i)。2017年6、7、8月份遼東灣浮力平流效應(yīng)項(xiàng)M(圖6j、圖6k和圖6l)均大于0。6、7月份遼東灣大部分區(qū)域M項(xiàng)數(shù)值約為1.4×10-7m3/s3(圖6j、圖6k),且在遼東灣北部和東、西兩岸離岸較近的地方,存在M項(xiàng)的極大值區(qū),8月份遼東灣大部分區(qū)域M項(xiàng)數(shù)值小于1×10-7m3/s3(圖6l),遼東灣北部和東、西兩岸存在的M項(xiàng)極大值區(qū)向深水區(qū)移動(dòng),尤以遼東灣東北部移動(dòng)最為明顯。

通過圖7對(duì)潮汐鋒位置的診斷可知,2017年6、7月份,遼東灣潮汐鋒位置變化不大,鋒線主要位于遼東灣北部淺海和東、西沿岸,呈“幾”字形分布。7月份遼東灣東、西兩岸鋒線略微向深水區(qū)移動(dòng),8月份潮汐鋒位置向深水區(qū)大幅移動(dòng),尤其以遼東灣東北部鋒線向深水區(qū)移動(dòng)最為明顯,最大移動(dòng)距離約為20km。通過圖7加入平流項(xiàng)(紅線)和未加入平流項(xiàng)(藍(lán)線)得到的潮汐鋒線的對(duì)比可知,2017年6、7月份兩種情況下計(jì)算得到的潮汐鋒線與模擬結(jié)果都比較吻合,但在8月份,未加入平流項(xiàng)計(jì)算得到的潮汐鋒位置與模擬結(jié)果相比,過于偏向深水區(qū),計(jì)算結(jié)果誤差較大。而加入平流項(xiàng)得到的潮汐鋒位置與模擬結(jié)果較為接近,最大偏差距離不超過12km,能夠較為準(zhǔn)確的計(jì)算出潮汐鋒的位置變化情況。這可能是因?yàn)?017年6、7月份遼東灣浮力平流對(duì)潮汐鋒的作用不夠明顯,8月份在凈熱通量和風(fēng)的作用都大幅減少的情況下,浮力平流的作用使計(jì)算得到的潮汐鋒位置向淺水區(qū)偏移的效果更加明顯。

圖7 2017年夏季遼東灣,式(1)得到的鋒線(紅線)和式(8)得到的鋒線(藍(lán)線)與模型鋒線(黑線)位置對(duì)比Fig.7 Comparison in the position of the tidal front obtained by equation(1)(red line),equation(8)(blue line),and ROMS(black line)in Liaodong Bay during summer 2017

3 討論

3.1 風(fēng)場(chǎng)和流場(chǎng)的變化

由圖8可知,2017年6、7月份渤海地區(qū)主要以南風(fēng)為主,風(fēng)速較大,遼東灣平均風(fēng)速為5m/s左右,且7月份遼東灣北部風(fēng)速要大于6月份。8月份,整個(gè)渤海風(fēng)場(chǎng)轉(zhuǎn)向,主要以東風(fēng)為主,風(fēng)速約減小為2.5m/s,遼東灣風(fēng)場(chǎng)大小為東北低西南高的分布態(tài)勢(shì)。Bi等(1993)對(duì)黃海西部34oN斷面潮汐峰進(jìn)行過理論研究,其結(jié)果顯示南風(fēng)誘發(fā)的Ekman輸送離岸,可使該區(qū)域的潮汐鋒位置向深水區(qū)移動(dòng),北風(fēng)誘發(fā)的Ekman輸送向岸,可使該區(qū)域的潮汐鋒位置向淺海移動(dòng)。依據(jù)以上理論結(jié)果,6月份和7月份,遼東灣盛行南風(fēng),此時(shí)Ekman輸送基本沿著鋒線,對(duì)遼東灣灣口的潮汐鋒影響較小。而遼東灣西側(cè)Ekman輸送為離岸,遼東灣東側(cè)Ekman輸送為向岸,因此遼東灣西側(cè)潮汐鋒向深水移動(dòng),而遼東灣東側(cè)潮汐鋒向淺水移動(dòng),但圖7a和圖7b中遼東灣東側(cè)和西側(cè)潮汐鋒變動(dòng)范圍不顯著,8月份由于風(fēng)速轉(zhuǎn)向和減弱,Ekman效應(yīng)更加不顯著。同時(shí)由式(1)可知,當(dāng)?shù)讓映绷骰颈３植蛔儠r(shí),表層風(fēng)場(chǎng)增大會(huì)使潮汐鋒向深水區(qū)移動(dòng),風(fēng)場(chǎng)減小會(huì)使潮汐鋒向淺水區(qū)移動(dòng),而凈熱通量項(xiàng)C作為分母,當(dāng)凈熱通量增加時(shí),會(huì)使潮汐鋒位置向淺水區(qū)移動(dòng),凈熱通量降低會(huì)使潮汐鋒向深水區(qū)移動(dòng)。所以結(jié)合圖6可知,當(dāng)?shù)讓映绷髯饔庙?xiàng)A基本保持不變時(shí),2017年7月份遼東灣凈熱通量作用項(xiàng)C較6月份略微減小,風(fēng)速7月份較6月份略微增大,風(fēng)和凈熱通量的共同作用使得遼東灣東、西兩岸7月份鋒線位置較6月份稍微向深水區(qū)移動(dòng)。而8月份凈熱通量項(xiàng)C較7月份大幅降低約50%,表層風(fēng)場(chǎng)作用項(xiàng)B也大幅減小70%,而潮汐鋒位置較7月份整體向深水區(qū)移動(dòng)約8km。由式(1)可知,底層潮流作用A和表層風(fēng)場(chǎng)作用B同時(shí)作為分子項(xiàng),由于A項(xiàng)數(shù)值較B項(xiàng)數(shù)值要大很多(圖6),在A項(xiàng)基本不變的情況下,B項(xiàng)的變化對(duì)于潮汐鋒的影響并不敏感,而凈熱通量作用項(xiàng)C作為分母,對(duì)潮汐鋒的位置變化有著更為顯著的影響,因此可知8月份凈熱通量減弱是造成遼東灣潮汐鋒向深水區(qū)移動(dòng)的主要原因。

圖8 2017年夏季渤海表層風(fēng)場(chǎng)(a、b、c)月度分布和表底溫差與環(huán)流(d、e、f)的月度分布Fig.8 Monthly distribution of sea surface wind field(a,b,c),surface-bottom temperature difference with circulation(d,e,f)in Bohai Sea during summer 2017

而由圖8d、8e和8f可知,渤海中部夏季整體為反氣旋環(huán)流,而在遼東灣中部存在一個(gè)逆時(shí)針流環(huán),逆時(shí)針流環(huán)的強(qiáng)度、范圍和位置會(huì)隨時(shí)間有所變化,這一模擬結(jié)果與畢聰聰(2013)、Zhou等(2017)等利用ROMS模式模擬的渤海環(huán)流結(jié)果基本一致。2017年夏季渤海表底溫差的最大值基本上位于逆時(shí)針流環(huán)的中心位置和順時(shí)針與逆時(shí)針流環(huán)交接的地帶。遼東灣范圍內(nèi)浮力平流項(xiàng)M(圖6j、6k和6l)的極大值區(qū)基本分布在逆時(shí)針流環(huán)邊緣,根據(jù)楊殿榮等(1994)的結(jié)論,當(dāng)M＞0時(shí),這種熱鹽環(huán)流導(dǎo)致的浮力平流使得潮汐鋒位置向淺水區(qū)偏移,尤其在8月份浮力平流起到了較好的修正效果。

3.2 凈熱通量的變化分析

由3.1分析可知,8月份遼東灣潮汐鋒位置向深水區(qū)移動(dòng),這主要是由凈熱通量減弱造成的。凈熱通量的變化主要由海表凈短波輻射、海表凈長(zhǎng)波輻射、潛熱通量和感熱通量所決定,各熱收支項(xiàng)夏季變化如圖9所示,2017年6、7、8月份遼東灣海表凈短波輻射逐漸降低,其中7—8月海表凈短波輻射降幅約60.0W/m2。2017年6、7、8月份遼東灣海表凈長(zhǎng)波輻射均為負(fù)值,屬于失熱項(xiàng),其絕對(duì)值先減少后略微增加,而潛熱通量在6、7月份基本保持不變,8月份潛熱通量變化幅度約為30.0W/m2。2017年6、7、8月,3個(gè)月之間的感熱通量變化幅度基本保持在10.0W/m2左右,其中6、7月份感熱通量為正值,8月份為負(fù)值。

通過表1可以得出,2017年7月份遼東灣海面凈熱通量較6月份略微減小10.0W/m2,但8月份海面凈熱通量較7月份大幅減少約109.0W/m2,可見這是導(dǎo)致潮汐鋒在8月份向深水區(qū)大幅移動(dòng)的主要因素。8月份凈熱通量的降低主要是由于海表凈短波輻射和潛熱通量的減少造成,其中海表凈短波輻射的減少是導(dǎo)致凈熱通量減少的最主要因素,約占凈熱通量降幅的55%。

圖9 2017年夏季遼東灣海表凈短波輻射(a、b、c)、海表凈長(zhǎng)波輻射(d、e、f)、潛熱通量(g、h、i)和感熱通量(j、k、l)月度分布Fig.9 Monthly distribution of net short-wave radiation(a,b,and c),net long-wave radiation(d,e,and f),latent heat fluxes(g,h,and i)and sensible heat fluxes(j,k,and l)in Liaodong Bay during summer 2017

表1 2017年夏季遼東灣海域凈熱通量及熱收支主要因子項(xiàng)變化幅度Tab.1 The changes of net heat flux and heat budget in Liaodong Bay area during summer 2017

4 結(jié)論

通過2017年7、8月份遼東灣東部海域現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)CTD資料,對(duì)ROMS模擬結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證,結(jié)果表明模式可以用于遼東灣潮汐鋒位置變化的分析?；赗OMS模擬的溫度場(chǎng),選取表底0.2°C溫差等值線與觀測(cè)數(shù)據(jù)得到的潮汐鋒的位置進(jìn)行對(duì)比,發(fā)現(xiàn)二者變化趨勢(shì)比較一致,因而表底0.2°C溫差等值線可作為遼東灣潮汐鋒位置的代用指標(biāo)。

利用ROMS模擬結(jié)果,基于Stigebrandt公式分兩種情況(加入平流項(xiàng)和不加入平流項(xiàng))對(duì)潮汐鋒的位置進(jìn)行計(jì)算,得到如下結(jié)論：2017年夏季遼東灣潮汐鋒位于遼東灣北部和東、西沿岸淺水區(qū)域,呈“幾”字形分布。6月份到8月份,雖然遼東灣平均風(fēng)速由較強(qiáng)南風(fēng)逐漸減弱并轉(zhuǎn)為弱東風(fēng),但是Ekman作用總體上不顯著。6、7月份鋒線位置離岸較近,位置變化不大,浮力平流作用效果相對(duì)不明顯。8月份遼東灣表層風(fēng)場(chǎng)和海表凈熱通量均減弱,潮汐鋒由沿岸淺水區(qū)向離岸深水區(qū)收縮。8月份海表凈熱通量的減弱可能是鋒線向深水區(qū)收縮的主要影響因素,進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)海表凈短波輻射的減少是引起8月份海表凈熱通量減弱的主要原因?？紤]浮力平流后,與未加浮力平流的計(jì)算結(jié)果相比,鋒線位置向淺水區(qū)偏移,與ROMS模擬的鋒線結(jié)果更加接近,可見浮力平流對(duì)8月份遼東灣潮汐鋒位置的準(zhǔn)確估算起到了較好的修正作用。