王春陽，張永強，王恩康，金永德

(1.山東電力工程咨詢院有限公司，山東 濟南 250100； 2.自然資源部第一海洋研究所，山東 青島 266061；3.山東科技大學，山東 青島 266590)

海流是海洋內部能量和質量傳輸?shù)闹匾问?，使整個世界大洋的各種水文要素、化學元素及熱鹽狀況保持長期相對穩(wěn)定的狀態(tài)，對海洋生物、地質狀況和過程以及海上和沿岸天氣、氣候都有影響和制約作用，對海上生產(chǎn)活動和海上工程建設有重要影響。紅海灣位于南海北部粵東沿岸中段(22°39′～22°51′N, 114°56′～115°27′E), 為半封閉海灣，面積約300 km2, 水深10～50 m。灣北部較平緩，自北向南傾斜，西部沿岸坡度較大[1]。多年來對粵東海灣及南海北部海區(qū)潮流的研究已經(jīng)有大量的工作。

俞慕耕(1984)探討了南海的潮汐特征[2]；黃企洲(1982)進行了南海北部的深層海流觀測[3]；管秉賢(1985)分析了南海北部冬季逆風海流的時空分布特征[4]；邱章等(1999)對南海北部春季海流的垂向變化進行了分析[5]；王衛(wèi)強等(2002)估算了南海上層海洋季風性海流調整的特征時間尺度[6]；王江偉等(2007)計算了與溫鹽資料時間序列相對應的不同季節(jié)不同層深的南海海洋環(huán)流及流渦系統(tǒng)，并得出相關結論[7]；吳仁豪等(2007)用三維陸架海模式(HAMSOM)對大亞灣海域的潮汐、潮流和余流進行了數(shù)值模擬研究[8]；司廣成等(2012)分析了南海北部東沙島附近的內潮和余流特征[9]；夏綜萬等(2013)探討了粵東甲子海域潮波異常和南海北部潮波的傳播[10]；余學芳等(2016)對深圳大鵬灣的潮流運動進行了三維數(shù)值模擬研究[11]；許婷等(2017)基于POM海洋模式對南海不同深度環(huán)流的季節(jié)性變化進行了數(shù)值模擬研究[12]。劉廣平等(2018)利用2008年夏季和冬季的海流資料分析了紅海灣西北海區(qū)潮流性質、運動形式、漲落潮流特性、余流特征。以上研究使人們對粵東海域和南海北部海域的潮汐和潮流特征有了一定的了解，但由于研究不多，對廣東紅海灣海域潮流特征的了解依然不足。本研究利用2016年冬季和2017年春季的實測海流數(shù)據(jù)分析了紅海灣海區(qū)潮流動力學特征，為后期的環(huán)評、海域使用論證，以及工程設計提供翔實、準確的科學依據(jù)，同時也為今后對海灣的生物地球化學過程的研究提供了重要的理論支撐。

1 資料來源與研究方法

1.1 潮位

根據(jù)技術要求，需設置3個臨時潮位站(S1～S3站，圖1)。潮位觀測采用加拿大RBR公司生產(chǎn)的TGR-2050型溫潮位儀，采樣間隔10 min，儀器置于海底，獲取水位連續(xù)觀測資料。觀測時間為2016年12月3日至2017年1月2日和2017年4月3日至5月2日。潮位觀測期間，在S2站設立人工水尺驗潮站，將潮位數(shù)據(jù)訂正到1985國家高程基準，并給出工程區(qū)各基面關系。

圖1 紅海灣潮位觀測站布設示意圖Fig.1 Distribution of tidal level observation station in Honghai Bay

1.2 海流

海流觀測按技術任務書的要求在工程海域布設11個站，在大、中、小潮期間各進行一次周日逐時連續(xù)觀測，本研究觀測實際站位見圖1。11個測站總體布置原則為在工程海域的東、西、南側各布設1個站位，并以此為起點，從灣頂向灣口輻射布置3條斷面，分別代表灣西側、灣中、灣東側連線。

海流觀測采用安德拉RCM9型海流計、諾泰克公司生產(chǎn)的小闊龍和日本ALEC公司生產(chǎn)的電磁亞力克海流計，采樣時間間隔設置為1 min，每層測量時間保持約3 min，以保證每層至少有2個有效記錄，最后根據(jù)儀器壓力值的變化，篩選出各層實測海流流速、流向值。各站按六點法觀測，即表、0.2 H(H為整點時刻實測水深)、0.4 H、0.6 H、0.8 H和底層。

本研究冬季大潮水文觀測時間包括大潮觀測： 2016年12月14日13時至15日15時；中潮觀測：2016年12月10日11時至11日13時；小潮觀測：2016年12月08日09時至09日11時。春季大潮水文觀測時間包括大潮觀測：2017年4月29日10時至30日12時；中潮觀測：2017年4月25日08時至26日10時；小潮觀測：2017年4月22日11時至23日13時。

2 結果與討論

2.1 潮汐特征

對實測資料進行分析得到調查期間水位特征值見表1，觀測期間平均海平面冬季為-8 cm，春季為56 cm。從圖2可以看出，冬季和春季S1、S2、S3站3個臨時水位站相位相差較小，振幅波動、相位變化趨勢基本一致。

表1 紅海灣觀測期間潮汐特征統(tǒng)計表Tab.1 Statistic for tidal current characteristics during the observation in Honghai Bay

圖2 紅海灣觀測期間潮位過程曲線Fig.2 Tidal process curves during the observation in Honghai Bay

2.2 海流特征

2.2.1 海流在平面上的分布 圖3為冬季和春季大、中、小潮期間各站垂線平均流速流向矢量圖，可以看出冬季大潮期和中潮期，整個海灣內海流呈現(xiàn)東進西出，為逆時針旋轉特征，小潮期為西進東出，為順時針旋轉特征；春季大潮期和中潮期，整個海灣內海流呈現(xiàn)西進東出，為順時針旋轉特征，小潮期為東進西出，為逆時針旋轉特征。

圖3 紅海灣垂線平均海流矢量圖Fig.3 Vector maps of vertical average currents in Honghai Bay

冬季垂線平均的漲、落潮流平均流速，其變化范圍落潮流為1～25 cm/s，漲潮流變化范圍為1～21 cm/s。大潮期落潮流平均流速最大為10 cm/s，流向為180°、202°，出現(xiàn)在H7站、H8站，漲潮流平均流速最大為19 cm/s，流向為312°，出現(xiàn)在H10站；中潮期落潮流平均流速最大為25 cm/s，流向為245°，出現(xiàn)在H4站，漲潮流平均流速最大為21 cm/s，流向為為281°，出現(xiàn)在H11站；小潮期，落潮流平均流速最大為19 m/s，流向為122°，出現(xiàn)在H11站，漲潮流平均流速最大為10 cm/s，流向為250°，均出現(xiàn)在H4站。在三次觀測中，各站漲落潮平均流速中潮期最大。

大潮期垂線平均的落潮流最大流速的變化范圍在9～42 cm/s之間，最大值出現(xiàn)在H7站，流向為80°，垂線平均的漲潮流最大流速的變化范圍在11～50 cm/s，最大值出現(xiàn)在H7站，流向為69°。中潮期，垂線平均的落潮流最大流速的變化范圍在7～43 cm/s之間，最大值出現(xiàn)在H11站，流向為85°，垂線平均的漲潮流最大流速的變化范圍在10～35 cm/s，最大值出現(xiàn)在H7站，流向為95°。小潮期，垂線平均的落潮流最大流速的變化范圍在8～29 cm/s之間，最大值出現(xiàn)在H11站，流向為130°，垂線平均的漲潮流最大流速的變化范圍在6～23 cm/s，最大值出現(xiàn)在H4站，流向為245°。

春季垂線平均的漲、落潮流平均流速變化范圍：落潮流為1～18 cm/s，漲潮流為1～19 cm/s。大潮期落潮流平均流速最大為14 cm/s，流向為106°，出現(xiàn)在H11站，漲潮流平均流速最大為7 cm/s，流向為73°，出現(xiàn)在H3站；中潮期落潮流平均流速最大為10 cm/s，流向為63°，出現(xiàn)在H3站，漲潮流平均流速最大為14 cm/s，流向分別為61°、118°，分別出現(xiàn)在H3、H6站；小潮期落潮流平均流速最大為12 cm/s，流向分別為237°、294°，分別出現(xiàn)在H5、H11站，漲潮流平均流速最大為15 cm/s，流向為291°，出現(xiàn)在H11站。在三次觀測中，各站漲落潮平均流速屬大潮期最大?？傮w來看，離岸站點漲落潮平均流速大于近岸站點漲落潮平均流速。

大潮期垂線平均的落潮流最大流速的變化范圍為15～36 cm/s，最大值出現(xiàn)在H11站，流向為119°，垂線平均的漲潮流最大流速的變化范圍為19～42 cm/s，最大值出現(xiàn)在H11站，流向為120°。中潮期垂線平均的落潮流最大流速的變化范圍為9～24 cm/s，最大值出現(xiàn)在H10站，流向為115°，垂線平均的漲潮流最大流速的變化范圍為13～36 cm/s，最大值出現(xiàn)在H11站，流向為133°。小潮期垂線平均的落潮流最大流速的變化范圍為12～27 cm/s，最大值分別出現(xiàn)在H10站和H11站，流向分別為315°和304°，垂線平均的漲潮流最大流速的變化范圍為13～31 cm/s，最大值出現(xiàn)在H11站，流向為297°。

2.2.2 海流在垂向上的分布 由各站實測漲、落潮流最大流速及流向數(shù)據(jù)可以看出，冬季各站各層漲、落潮流最大流速分布及變化趨勢：大潮期，落潮流最大流速為50 cm/s，流向為97°，出現(xiàn)在H7站表層，漲潮流最大流速為57 cm/s，流向為39°，出現(xiàn)在H7站表層；中潮期，落潮流最大流速為51 cm/s，流向為230°，出現(xiàn)在H4站表層，漲潮流最大流速為42 cm/s，流向為107°，出現(xiàn)在H7站表層；小潮期，落潮流最大流速為34 cm/s，流向為155°，出現(xiàn)在H11站表層，漲潮流最大流速為29 cm/s，流向為280°，出現(xiàn)在H4站表層。

春季各站各層漲、落潮流最大流速分布及變化趨勢：大潮期，落潮流最大流速為41 cm/s，流向為112°，出現(xiàn)在H11站表層，漲潮流最大流速為48 cm/s，流向為124°，出現(xiàn)在H11站0.2 H層；中潮期，落潮流最大流速為28 cm/s，流向為126°，出現(xiàn)在H6站0.2 H層，漲潮流最大流速為40 cm/s，流向為129°，出現(xiàn)在H11站0.4 H層；小潮期，落潮流最大流速為37 cm/s，流向為321°，出現(xiàn)在H10站0.2 H層，漲潮流最大流速為39 cm/s，流向為317°，出現(xiàn)在H10站0.2 H層。

由各站實測漲、落潮流平均流速及流向和漲、落潮流最大流速及流向數(shù)據(jù)可看出，冬季和春季大、中、小潮期三次觀測中，海流流速在大部分測站的最大值出現(xiàn)在表層或0.2 H層，流速基本上均自表至底逐漸減小，流向在垂直線上的分布比較一致。

2.2.3 潮流狀況 潮流可分為規(guī)則的、不規(guī)則的半日潮流和規(guī)則的、不規(guī)則的全日潮流，其判別標準見表2。

表2 潮流類型判別表Tab.2 Discrimination of tidal current types

由表3可知，冬季在各站的潮型系數(shù)中，除H2站各層、H7站0.8 H、底層外各站各層潮流類型判別數(shù)均在0.50～2.00之間，其潮流性質為不規(guī)則半日潮流；H2站0.4 H至底層、H7站0.8 H和底層為不規(guī)則全日潮流，H2站表層、0.2 H層為全日潮流。春季在各站的潮型系數(shù)中，H4站(表層、0.2 H、0.4 H、底層)、H5站(表層)、H6站(0.2 H、0.4 H、底層)、H7站(0.2 H)、H11(0.2 H、底層)各站各層潮流類型判別數(shù)均在小于0.5，其潮流性質為規(guī)則半日潮流；H3站(0.8 H、底層)潮流類型判別數(shù)均在2.00～4.00之間，其潮流性質為不規(guī)則全日潮流；其余各站各層潮流類型判別數(shù)均在0.50～2.00之間，其潮流性質為不規(guī)則半日潮流。

表3 冬季、春季各站潮流類型判別數(shù)Tab.3 Discriminant number of tidal current types at the observation stations in winter and spring

續(xù)表3

①潮流的運動形式。潮流的運動形式分旋轉流和往復流，通常以橢圓率K的絕對值大小來判斷，當|K|=1時，潮流橢圓成圓形，各方向流速相等，為純旋轉流；當|K|=0時，潮流橢圓為一直線，海水在一直線上往返流動，為典型往復流。|K|值通常在0～1之間，|K|值越大，旋轉流的形式越顯著，|K|值越小，往復流的形式越顯著[14]。

由于觀測海域為半日潮流類型，因此，除H2站外主要以M2分潮流的橢圓率來對潮流運動形式作近似分析。各分潮流橢圓率計算結果見表4。潮流的旋轉方向，通常是以旋轉率K前面的符號來判斷。K前面為“+”，表示潮流逆時針旋轉(左旋)，K前面為“-”，說明潮流是順時針旋轉(右旋)。

由表4可知，各站的潮流橢圓率|K|值均較小，冬季H3、H6、H7、H8、H9、H10、H11站以往復流為主，H1、H2、H4、H5站潮流運動具有一定旋轉性；春季H1、H2、H5、H6、H7、H8、H9、H10、H11站以往復流為主，H3、H4站潮流運動則具有一定旋轉性。

表4 冬季、春季各站各層主要分潮流的k值表Tab.4 K-value of the component currents of each layer at observation stations in winter and spring

因研究海域是半日潮流為主海域，討論潮流的旋轉方向時，可以M2分潮流的K值變化來討論各站各層的潮流旋轉方向。冬季H1、H4、H5、H6、H9站為逆時針旋轉，H2、H7、H8、H10站為順時針旋轉，其他各站各層潮流旋轉方向不一致；春季H2、H3、H4站為逆時針旋轉，H1、H5、H6、H8、H10站為順時針旋轉，其他各站各層潮流旋轉方向不一致。

② 潮流的可能最大流速。規(guī)則半日潮流海區(qū)：

(1)

規(guī)則全日潮流海區(qū)：

(2)

③ 潮流水質點最大可能運移距離。規(guī)則半日潮流海區(qū)：

(3)

規(guī)則全日潮流海區(qū)：

(4)

按半日潮流海區(qū)的公式計算，計算結果顯示冬季研究區(qū)水質點的最大可能運移距離在1 056.2～9 214.0 m之間，春季研究區(qū)水質點的最大可能運移距離在1 676.2～5 937.9 m之間。水質點可能最大運移距離的遠近與潮流最大可能流速的大小是相對應的，潮流最大可能流速越大，水質點最大可能運移距離就越遠。

2.2.4 余流 按調和分析得出觀測期間各測站的余流情況[15]，冬季觀測海域大潮期各站各層余流流速在1.2～17.0 cm/s之間，最大余流流速出現(xiàn)在H11站表層，流向為253°；中潮期各站各層余流流速在1.5～28.1 cm/s之間，最大余流流速出現(xiàn)在H4站表層，流向為252°；小潮期各站各層余流流速在2.8～13.3 cm/s之間，最大余流流速出現(xiàn)在H3站表層，流向為242°。大潮期和中潮期各站余流流向整體為偏西向。小潮期，灣西側余流流向偏西向，灣東側余流流向偏南東向(圖4)。

春季大潮期各站各層余流流速在1.7～10.1 cm/s之間，最大余流流速出現(xiàn)在H11站0.6 H層，流向為103°；中潮期余流流速在1.2～12.0 cm/s之間，最大余流流速出現(xiàn)在H3站0.6 H層，流向為63°；小潮期各站各層余流流速在2.7～18.7 cm/s之間，最大余流流速出現(xiàn)在H11站0.2 H層，流向為297°。大潮期和中潮期各站余流流向整體為偏東向。小潮期，除H3站偏向南東向，其余余流流向偏西向。

垂向上各層余流流速由表至底逐漸減小，流向基本一致。

3 結論

本研究利用2016年冬季至2017年春季的潮流資料, 分析了紅海灣海區(qū)海流特征, 結果如下:

(1)紅海灣海區(qū)屬于不規(guī)則半日潮流主導的海域。潮流性質大部分站位屬往復流，少數(shù)站位潮流運動具有一定的旋轉性。

(2)海流流向受地形和風的影響而出現(xiàn)變化。冬季, 最大平均漲潮流為21 cm/s, 最大平均退潮流為25 cm/s; 春季, 最大平均漲潮流為15 cm/s,最大平均退潮流為14 cm/s。

(3)冬季在各站的潮型系數(shù)中，除H2站各層、H7站0.8 H、底層外各站各層潮流類型判別數(shù)均在0.50～2.00之間，其潮流性質為不規(guī)則半日潮流，H2站0.4 H至底層、H7站0.8 H和底層為不規(guī)則全日潮流，H2站表層、0.2 H層為全日潮流；春季在各站的潮型系數(shù)中，H4站(表層、0.2 H、0.4 H、底層)、H5站(表層)、H6站(0.2 H、0.4 H、底層)、H7站(0.2 H)、H11(0.2 H、底層)各站各層潮流類型判別數(shù)均小于0.50，其潮流性質為規(guī)則半日潮流；H3站(0.8 H、底層)潮流類型判別數(shù)均在2.00～4.00之間，其潮流性質為不規(guī)則全日潮流；其余各站各層潮流類型判別數(shù)均在0.50～2.00之間，其潮流性質為不規(guī)則半日潮流。

(4)冬季測區(qū)潮流最大可能流速在7～53 cm/s之間。最大可能流速最大值為53 cm/s，出現(xiàn)在H11站0.2 H層。水質點的最大可能運移距離在1 056.2～9 214.0 m之間；春季測區(qū)潮流最大可能流速在10～36 cm/s之間。最大可能流速最大值為36 cm/s，出現(xiàn)在H11站0.4 H層。水質點的最大可能運移距離在1 676.2～5 937.9 m之間。

(5)冬季大潮期和中潮期各站余流流向整體為偏西向。小潮期，灣西側余流流向偏西向，灣東側余流流向偏南東向；春季大潮期和中潮期各站余流流向整體為偏東向。小潮期，除H3站偏向南東向，其余余流流向偏西向。冬季最大余流流速可達17.0 cm/s，春季最大余流流速可達10.1 cm/s。