周旋 , 李自強(qiáng) 安玉柱 張耀文 楊曉峰

1. 中國人民解放軍61741 部隊(duì), 北京 100094;

2. 中國科學(xué)院空天信息創(chuàng)新研究院, 北京 100101

海南中東部近海海域位于南海西北部陸坡處, 海岸線曲折多彎, 港灣眾多, 漁業(yè)、航運(yùn)、旅游等經(jīng)濟(jì)活動頻繁, 受東亞季風(fēng)、南海環(huán)流、海底地形和岸線等諸多因素影響, 其表層海流特征較為復(fù)雜。目前, 針對海南中東部海流特性的研究主要集中在上升流和大尺度環(huán)流特征(經(jīng)志友 等, 2008; 許金電 等, 2013; 劉科峰 等, 2014; 盧燕 等, 2017), 采用的資料主要來源于聲學(xué)多普勒流速剖面儀和表層漂流浮標(biāo), 時(shí)間范圍較短、數(shù)據(jù)點(diǎn)稀疏且空間分布不均, 不能較好地表征海南中東部近海表層海流時(shí)空分布特性。

高頻地波雷達(dá)是一種新興的表層海流監(jiān)測技術(shù), 利用高頻無線電波與海面作用時(shí)產(chǎn)生的布拉格散射和多普勒效應(yīng)探測視距以外表層海流信息, 與傳統(tǒng)測流儀器觀測結(jié)果的均方差在10cm·s–1左右(朱大勇 等, 2013; Capodici et al, 2019)。高頻地波雷達(dá)作為能夠獲取大范圍海流觀測數(shù)據(jù)的設(shè)備, 能夠得到海流計(jì)、聲學(xué)多普勒流速剖面儀等傳統(tǒng)測流儀器無法得到的空間分布信息, 受到國內(nèi)外研究學(xué)者的關(guān)注。Ullman 等(2004)利用2000 年6 月—2001 年12 月高頻地波雷達(dá)海流觀測資料研究了美國長島海峽沿岸急流的季節(jié)性變化。朱大勇等(2013)利用2006 年1 月—2009 年4月閩南沿岸高頻地波雷達(dá)的海流資料分析了中國臺灣海峽南部淺灘以西區(qū)域表層海流的季節(jié)與年際變化特征。沈志奔(2014)利用2005 年8 月舟山海域高頻地波雷達(dá)海流資料進(jìn)行準(zhǔn)調(diào)和分析, 研究了舟山外海潮流的空間分布特性。Cosoli 等(2015)利用2012 年8 月—2014 年7 月高頻地波雷達(dá)海流觀測資料研究了馬耳他—西西里海峽的表層潮流特征。吉會峰等(2017)和楊華等(2019)利用江蘇如東海域地波雷達(dá)獲得的長期海流觀測資料對爛沙洋海域表層海流特征進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析、潮流調(diào)和分析以及余流分析。

與傳統(tǒng)的測流儀器相比, 高頻地波雷達(dá)觀測資料具有高空間覆蓋和高空間分辨率的優(yōu)點(diǎn), 能夠反映觀測海域海流的時(shí)空間分布特征。本文利用海南中東部的文昌良梅和瓊海博鰲2 個高頻地波雷達(dá)站獲取的2019 年4 月—2020 年5 月表層海流觀測資料進(jìn)行潮流調(diào)和分析和余流分析, 研究海南中東部近海潮流、余流分布特征及變化規(guī)律, 為該海域的航線規(guī)劃、海岸工程、水產(chǎn)養(yǎng)殖和環(huán)境保護(hù)等工作提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐。

1 地波雷達(dá)觀測資料

圖1 地波雷達(dá)站和海流計(jì)的位置(a)以及觀測海域水深分布(b) 圖a 中五角星為連續(xù)觀測位置。審圖號: 瓊S(2019)054 Fig. 1 Locations of the HFSWR stations and current meters (a), superimposed with topography of the observation area (b)

海南中東部的文昌良梅和瓊海博鰲2 個高頻地波雷達(dá)站采用的是武漢大學(xué)電波傳播實(shí)驗(yàn)室研發(fā)的OSMAR-S100 便攜式雷達(dá)系統(tǒng)(吳雄斌 等, 2003; 陳江 等, 2005; Zhou et al, 2015)。該系統(tǒng)采用了調(diào)頻中斷連續(xù)波體制和單極子交叉環(huán)緊湊型天線陣, 實(shí)現(xiàn)100km 范圍內(nèi)海洋表層海流、海浪和風(fēng)場等信息的探測。文昌良梅和瓊海博鰲2 個高頻地波雷達(dá)站的工作波長λ分別為18.6m 和22.4m, 波束覆蓋扇角120°, 運(yùn)行狀態(tài)良好, 其探測的是λ/8π深度(約為0.8m)處的海流流速, 時(shí)間分辨率為20min, 空間分辨率為0.05°。地波雷達(dá)站的位置、觀測海域及水深分布如圖1 所示。地波雷達(dá)探測范圍內(nèi)的海底地形從西北向東南傾斜, 西北和中間部分為大陸架, 較為平緩, 等深線與海岸線大致平行, 東南部分為大 陸架向大陸坡過渡處, 等深線密集, 坡度較大。

本文使用的高頻地波雷達(dá)表層海流數(shù)據(jù)時(shí)間范圍為2019 年4 月1 日—2020 年3 月31 日, 其中由于停電、設(shè)備故障等因素導(dǎo)致41d 觀測數(shù)據(jù)缺失。觀測區(qū)域?yàn)?110°39′—110°33′E, 18°42′—19°36′N), 按照0.05°空間分辨率可分為19×19 的網(wǎng)格, 如圖1a所示。由于電離層干擾、射頻干擾、停電、設(shè)備故障等因素影響, 高頻地波雷達(dá)表層海流資料存在異常值或缺失值。為了保證研究結(jié)果的準(zhǔn)確性, 需進(jìn)行有效的質(zhì)量控制(沈志奔, 2014), 步驟如下:

1) 將表層海流數(shù)據(jù)分解為北分量U 和東分量V, 以每個網(wǎng)格點(diǎn)為中心分別計(jì)算3×3 范圍內(nèi)U 和V分量標(biāo)準(zhǔn)差, 剔除超過2 倍標(biāo)準(zhǔn)差的異常數(shù)據(jù);

2) 計(jì)算以缺失點(diǎn)網(wǎng)格為中心3×3 范圍內(nèi)其他8個網(wǎng)格點(diǎn)的數(shù)據(jù)缺失率, 若數(shù)據(jù)缺失率小于50%, 即8 個網(wǎng)格點(diǎn)中至少有4 個有效數(shù)據(jù)點(diǎn), 則通過反距離加權(quán)平均法填補(bǔ)缺失點(diǎn)網(wǎng)格的海流數(shù)據(jù)。

經(jīng)質(zhì)量控制后, 高頻地波雷達(dá)表層海流數(shù)據(jù)獲取率如圖2 所示。本文選取數(shù)據(jù)獲取率大于76%的表層海流數(shù)據(jù)研究潮流、余流分布特征及變化規(guī)律。

圖2 高頻地波雷達(dá)表層海流的數(shù)據(jù)獲取率 審圖號: 瓊S(2019)054 Fig. 2 Data acquisition rate of ocean surface currents from HFSWRs

圖3 2019 年6 月1 日—2 日高頻地波雷達(dá)和海流計(jì)觀測表層海流U 分量(a)和V 分量(b)對比時(shí)間序列圖 Fig. 3 Comparison of ocean surface currents observed by the HFSWRs and the current meters for meridional (a) and zonal (b) components from June 1 to 2, 2019

為了檢驗(yàn)高頻地波雷達(dá)的數(shù)據(jù)精度, 2019 年6 月1 日—2 日國家海洋局?？诤Ｑ蟓h(huán)境監(jiān)測中心站 利用2 臺船載海流計(jì)對圖1 五角星處(111°11′58′′E、19°12′5′′N)的海流進(jìn)行了連續(xù)觀測。2 臺船載海流計(jì)采用的是亞力克自容式電磁海流計(jì), 固定在船體外3m 處, 深度分別為2.2m 和2.7m, 觀測時(shí)間間隔為5min, 對2 臺海流計(jì)20min 的海流數(shù)據(jù)進(jìn)行平均, 然后與高頻地波雷達(dá)表層海流進(jìn)行匹配, 比對結(jié)果如圖3 所示。二者的匹配數(shù)據(jù)點(diǎn)為76 個, U 分量均 方 差 7cm·s–1、相關(guān)系 數(shù) 0.83, V 分量均方差8.1cm·s–1、相關(guān)系數(shù)0.91, 這說明高頻地波雷達(dá)與海流計(jì)觀測的表層海流具有較好的一致性。值得注意的是, 在高頻地波雷達(dá)觀測區(qū)域的邊緣, 由于回波信號減弱、觀測幾何條件差等因素影響, 高頻地波雷達(dá)的海流觀測精度下降。

2 潮流調(diào)和分析

潮流調(diào)和分析是將海流分解成不同頻率的天文分潮流, 然后根據(jù)海流觀測數(shù)據(jù)計(jì)算各分潮流的調(diào)和常數(shù)。本文采用Pawlowicz 等(2002)提供的潮流調(diào)和分析程序?qū)Ｄ现袞|部高頻地波雷達(dá)表層海流數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)和分析。

2.1 潮流類型

圖4 潮流類型系數(shù)分布圖 審圖號: 瓊S(2019)054 Fig. 4 Spatial distribution of tidal current type factor

2.2 潮流橢圓及運(yùn)動形式

海南中東部近海海域潮流類型比較復(fù)雜, 包括不規(guī)則半日潮流和不規(guī)則全日潮流。本文利用T-tide潮流調(diào)和分析程序計(jì)算了M2、S2、N2、K2、K1、O1、P1、Q1、M4、MS4、M611 個分潮, 信噪比大于2 的分潮為M2、S2、N2、K2、K1、O1、Q1、MS4。根據(jù)觀測海域最大潮流流速的平均值排序, 半日分潮M2、S2和全日分潮O(jiān)1、K1為最大的4 個分潮, 占比為71%。M2、S2、O1、K1分潮最大潮流流速的比為1 : 0.51 : 0.60 : 0.65, 潮流橢圓如圖5 和圖6 所示。為了顯示方便, 每3 個網(wǎng)格點(diǎn)給出一個潮流橢圓, 其半長軸和半短軸分別代表該分潮最大流速和最小流速, 長軸方向代表該分潮最大流速方向。

由圖5a 和5b 可知, M2分潮的潮流橢圓扁平, 旋轉(zhuǎn)率的絕對值較小, 潮流運(yùn)動形式以往復(fù)流為主, 橢圓長軸在近海岸呈西南—東北走向, 與海岸線基本平行, 隨著距海岸線距離的增加, 逐漸變?yōu)槟媳弊呦颉Ρ葓D5 各分圖可知, S2分潮的橢圓長軸平均值為2.6cm·s–1、明顯小于M2分潮, 但其潮流運(yùn)動形式和橢圓長軸走向與M2分潮類似, 以往復(fù)流為主, 橢圓長軸由近海岸的西南—東北走向逐步向遠(yuǎn)海岸的南北走向過渡。對比圖5 和圖1 可知, 隨著等深線密度的增大, 半日分潮M2和S2的潮流橢圓旋轉(zhuǎn)率絕對值增大、運(yùn)動形式趨向于旋轉(zhuǎn)流。

由圖6a 和6b 可知, O1分潮的潮流橢圓長軸平均值為3.1cm·s–1、小于M2分潮, 旋轉(zhuǎn)率的絕對值較大、平均值為0.36, 運(yùn)動形式以順時(shí)針旋轉(zhuǎn)流為主, 在中間區(qū)域出現(xiàn)小范圍的西南—東北走向往復(fù)流。由圖6c 和6d 可知, K1分潮的潮流橢圓長軸平均值與O1分潮一致、均小于M2分潮, 旋轉(zhuǎn)率的絕對值大于O1分潮、平均值為0.45, 運(yùn)動形式以順時(shí)針旋轉(zhuǎn)流為主, 在近海岸出現(xiàn)小范圍的西南—東北走向往復(fù)流。另外, 在高頻地波雷達(dá)觀測區(qū)域東側(cè)和南側(cè), O1和K1的潮流橢圓變化較大, 這可能是由于海底地形變化較大, 或者是高頻地波雷達(dá)觀測邊緣海流誤差較大造成的。對比圖6 和圖1 可知, 等深線密度增大, O1分潮潮流運(yùn)動形式趨向于旋轉(zhuǎn)流, K1分潮潮流運(yùn)動形式趨向于往復(fù)流。

綜上所述, M2分潮的潮流橢圓長軸最大, 其次是K1和O1分潮, 最小是S2分潮, 但4 個分潮的橢 圓長軸相差不大。半日分潮M2、S2的運(yùn)動形式以往復(fù)流為主, 近海岸為西南—東北走向、遠(yuǎn)海岸為南北走向; 全日分潮O(jiān)1、K1的運(yùn)動形式以順時(shí)針旋轉(zhuǎn)流為主, 這是因?yàn)楹Ｄ现袞|部海域地處北半球, 由于地球自轉(zhuǎn)效應(yīng), 引潮力水平分量和地轉(zhuǎn)偏向力共同作用致使潮流順時(shí)針旋轉(zhuǎn)。

圖5 半日分潮M2、S2 的潮流橢圓及運(yùn)動形式 a. M2 分潮潮流橢圓; b. M2 分潮旋轉(zhuǎn)率; c. S2 分潮潮流橢圓; d. S2 分潮旋轉(zhuǎn)率。審圖號: 瓊S(2019)054 Fig. 5 Spatial distributions of tidal current ellipses and rotating rates for the semidiurnal tidal currents M2 and S2

2.3 最大可能潮流流速

最大可能潮流流速可通過M2、S2半日分潮和K1、O1全日分潮的最大潮流流速計(jì)算。根據(jù)《港口工程技術(shù)規(guī)范》(中華人民共和國交通部, 1988)的規(guī)定, 規(guī)則半日潮流區(qū)的最大可能潮流流速按照公式(1)計(jì)算, 規(guī)則全日潮流區(qū)的最大可能潮流流速按照公式(2)計(jì)算:

3 余流特征分析

余流是指從實(shí)測海流中扣除天文引潮力作用引起的周期性潮流后的非周期性海流, 包括風(fēng)生流、密度流、徑流和潮汐余流等。余流對海水中物質(zhì)的輸運(yùn)、稀釋及擴(kuò)散等起著重要的作用(楊華 等, 2019)。

圖6 全日分潮O(jiān)1、K1 的潮流橢圓及運(yùn)動形式 a. O1 分潮潮流橢圓; b. O1 分潮旋轉(zhuǎn)率; c. K1 分潮潮流橢圓; d. K1 分潮旋轉(zhuǎn)率。審圖號: 瓊S(2019)054 Fig. 6 Spatial distributions of tidal current ellipses and rotating rates for the semidiurnal tidal currents O1 and K1

圖7 海南中東部近海最大可能潮流流速分布圖 審圖號: 瓊S(2019)054 Fig.7 Spatial distribution of probable maximum current velocity

本文對高頻地波雷達(dá)測得的表層海流數(shù)據(jù)剔除潮流因素后, 對剩余部分進(jìn)行月平均, 獲取月平均余流(胡冬 等, 2015), 如圖8 所示。為了分析海面風(fēng)場與月平均余流的關(guān)系, 本文收集了遙感系統(tǒng)(Remote Sensing System, RSS)處理發(fā)布月平均先進(jìn)散射計(jì)(Advanced Scatterometer, ASCAT)風(fēng)矢量產(chǎn)品, 空間分辨率為0.25°, 在地波雷達(dá)觀測海域內(nèi)進(jìn)行空間平均, 圖9 為觀測海域月平均ASCAT 風(fēng)矢量隨時(shí)間變化情況。對比圖8 和圖9 可知, 月平均余流受東亞季風(fēng)影響較大, 季節(jié)變化特征顯著。2020 年3月、2019 年4 月—5 月為季風(fēng)過渡期, 觀測海域由東南風(fēng)向西南風(fēng)轉(zhuǎn)換, 月平均余流的流速較小, 流向較復(fù)雜, 3 月、4 月平均流速為12cm·s–1, 近海岸流向偏北, 遠(yuǎn)海岸流向西南, 5 月平均流速為16cm·s–1, 近海岸流向西北, 遠(yuǎn)海岸流向西南。2019 年6 月—8月為西南季風(fēng)期, 風(fēng)向?yàn)槟掀? 觀測海域呈現(xiàn)一致的東北向流, 導(dǎo)致上層海水的離岸輸送, 中、深層海水向岸涌升與補(bǔ)償, 形成上升流, 7 月余流的平均流速最大, 達(dá)到42cm·s–1, 海水離岸輸送最強(qiáng), 上升流也是全年最強(qiáng), 這與已有文獻(xiàn)結(jié)果是一致的(謝玲玲 等, 2012)。2019 年9 月—2020 年2 月, 在強(qiáng)勁的東北風(fēng)影響下, 觀測海域呈現(xiàn)一致的西南向流, 11 月平均流速最大, 達(dá)到52cm·s–1。

圖8 2019 年4 月—2020 年3 月月定常余流圖 審圖號: 瓊S(2019)054 Fig. 8 Residual currents from April 2019 to March 2020

圖9 2019 年4 月—2020 年3 月觀測海域ASCAT 海面風(fēng)場隨時(shí)間變化圖 Fig. 9 The variation of ASCAT wind vectors in the observation area from April 2019 to March 2020

通過高頻地波雷達(dá)連續(xù)觀測表明, 海南中東部海域余流主要呈夏季形態(tài)、冬季形態(tài)和過渡形態(tài), 與季風(fēng)的變化過程基本一致。6 月—8 月為夏季形態(tài), 流向東北, 7 月平均流速最大; 9 月夏季形態(tài)迅速轉(zhuǎn)變?yōu)槎拘螒B(tài), 持續(xù)到次年2 月, 流向西南, 11 月平均流速最大; 3 月和5 月為過渡形態(tài), 是冬季形態(tài)向夏季形態(tài)的轉(zhuǎn)變期, 流速較小, 流向時(shí)空變化特征比較復(fù)雜。

4 結(jié)論

本文通過對2019 年4 月—2020 年3 月海南中東部近海高頻地波雷達(dá)表層海流觀測資料進(jìn)行潮流調(diào)和分析和余流分析, 得到以下結(jié)論:

1) 從潮流調(diào)和分析結(jié)果, 半日分潮M2、S2和全日分潮O(jiān)1、K1為最大的4 個分潮, 占比為71%。M2、S2、O1、K1分潮最大潮流流速的比為1 : 0.51 : 0.60 : 0.65, M2為最主要分潮。海南中東部近海海域的潮流類型系數(shù)在0.8～2.8 之間, 平均數(shù)為1.5, 以不規(guī)則半日潮流為主, 在東南方向小范圍海域出現(xiàn)不規(guī)則全日潮流; 等深線越密集、坡度越大, 全日分潮的影響越大, 潮流類型趨向于全日潮流。

2) 從潮流運(yùn)動形式和橢圓分布來看, 半日分潮M2和S2的潮流以往復(fù)流為主, 近海岸為西南—東北走向, 遠(yuǎn)海岸為南北走向, M2分潮的橢圓長軸明顯大于S2分潮; 隨著等深線密度的增大, 半日分潮M2和S2的潮流運(yùn)動形式趨向于旋轉(zhuǎn)流; 全日分潮O(jiān)1、K1的橢圓長軸相等, 其值在M2和S2分潮橢圓長軸之間, 運(yùn)動形式以順時(shí)針旋轉(zhuǎn)流為主; 隨著等深線密度增大, O1分潮潮流運(yùn)動形式趨向于旋轉(zhuǎn)流, K1分潮潮流運(yùn)動形式趨向于往復(fù)流。

3) 最大可能潮流流速分布從西南向東北方向逐步增大, 最大值為35cm·s–1, 出現(xiàn)在觀測海域的東北方向。

4) 余流分析結(jié)果表明, 該海域的余流受東亞季風(fēng)影響較大, 季節(jié)變化特征顯著, 主要呈夏季形態(tài)(6 月—8 月)、冬季形態(tài)(9 月—次年2 月)和過渡形態(tài)(3 月—5 月)。夏季形態(tài)持續(xù)時(shí)間較短、僅為3 個月, 流向東北, 平均流速29cm·s–1; 冬季形態(tài)持續(xù)時(shí)間最長、達(dá)到6 個月, 流向西南, 流速大于為夏季形態(tài), 平均流速36cm·s–1; 過渡形態(tài)持續(xù)3 個月, 為冬季形態(tài)向夏季形態(tài)的轉(zhuǎn)變期, 風(fēng)生流影響小, 平均流速13cm·s–1, 明顯小于夏季和冬季形態(tài), 流向分布較復(fù)雜。從全年來看, 西南向流動的時(shí)間最長, 海南中東部表層海水物質(zhì)輸運(yùn)應(yīng)自東北向西南。