煙墩角海域二測(cè)站周日水溫及潮流變化特征

郝佳佳,林鵬飛,溫小虎,王 德

(1.中國(guó)科學(xué)院 海洋研究所 海洋環(huán)流與波動(dòng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,山東 青島 266071;2.中國(guó)科學(xué)院 大氣科學(xué)和地球流體力學(xué)數(shù)值模擬國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100029;3.中國(guó)科學(xué)院 煙臺(tái)海岸帶研究所,山東 煙臺(tái) 264003)

煙墩角位于山東半島東部榮成市內(nèi),屬小港灣,總面積約 0.25 km2,呈“布袋”形式,北與養(yǎng)魚池毗鄰,南與俚島灣毗鄰,東南開口朝向黃海,灣口介于大黑石與崮山頭之間,寬1 800 m。煙墩角是我國(guó)北方重要的漁業(yè)養(yǎng)殖基地,漁港位于臨洛灣北部,港內(nèi)水深4～7 m,2 m等深線距岸300 m,底質(zhì)大部為泥沙及沙,間有石底,可供錨泊水域0.52 km2,能同時(shí)提供200余條漁船錨泊[1]。港灣東岸是一海拔約200 m的山丘,可以屏蔽冬季我國(guó)北部外海的西北季風(fēng),水面安靜,是大天鵝最理想的生存環(huán)境之一[2]。因此,該海域的海岸帶生態(tài)發(fā)展問(wèn)題受到多方面的關(guān)注[3-4]。

2010年7月,中國(guó)科學(xué)院煙臺(tái)海岸帶研究所在煙墩角進(jìn)行海洋綜合調(diào)查時(shí),在海灣內(nèi)部A 站(37°17′32.3″N,122°33′57.2″E)和外部 B 站(37°17′9.8″N,122°35′7.5″E)分別進(jìn)行了 25 h 的定點(diǎn)連續(xù)水溫、流速、流向觀測(cè),所使用儀器為ALEC ELECTRONICS公司的INFINITY-EM海流計(jì)。本文利用二測(cè)站的周日水溫和海流觀測(cè)資料,對(duì)該海區(qū)的潮流進(jìn)行調(diào)和分析,以便進(jìn)一步得出該海區(qū)水溫垂向變化以及潮流的一些特征。

1 觀測(cè)資料及處理方法

分別在 A測(cè)站表層和底層進(jìn)行連續(xù)觀測(cè),觀測(cè)時(shí)間自2010年7月3日13:30至7月4日14:30,持續(xù)兩個(gè)潮周期;分別在 B測(cè)站表層和底層進(jìn)行連續(xù)觀測(cè),自2010年7月3日13:00至7月4日14:00,也進(jìn)行了兩個(gè)潮周期的觀測(cè)。觀測(cè)程序嚴(yán)格按照《海洋調(diào)查規(guī)范》[5],測(cè)站信息見表1。

表1 海流觀測(cè)信息一覽表Tab.1 List of current observation information

由于原始記錄帶有擾動(dòng)信息,需對(duì)原始海流觀測(cè)資料進(jìn)行質(zhì)量控制,濾去不合理的值。參考王凱和葉冬[6]的具體做法:分別計(jì)算東分量和北分量在1 min觀測(cè)時(shí)段內(nèi)的均值和標(biāo)準(zhǔn)差,剔除偏離3倍標(biāo)準(zhǔn)差的數(shù)據(jù),再對(duì)這些1 h內(nèi)的觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行平均構(gòu)成常規(guī) 1次/h的海流觀測(cè)結(jié)果。每個(gè)站點(diǎn)在每層進(jìn)行的25 h觀測(cè)可得25個(gè)數(shù)據(jù),所得1次/h的觀測(cè)數(shù)據(jù)見圖1,其中U為流速北分量,V為流速南分量。水溫資料的處理同海流資料(圖1)。由于是周日觀測(cè),資料時(shí)間序列比較短,通過(guò)引入差比關(guān)系,可對(duì)上述海流觀測(cè)資料進(jìn)行潮流的準(zhǔn)調(diào)和分析[6-8],獲得每一測(cè)點(diǎn)每層的O1,K1,M2,S2,M4,MS4等6個(gè)主要分潮流的調(diào)和常數(shù)和觀測(cè)期間的余流值。獲得的潮流調(diào)和常數(shù)列于表2中,相應(yīng)的潮流橢圓要素列于表3中。

2 二測(cè)站的水溫及流況特征

2.1 水溫及海流過(guò)程曲線

從圖1水溫變化過(guò)程來(lái)看,該海域內(nèi)海水具有明顯的層化特征,其中灣外 B站點(diǎn)在一天內(nèi),海溫呈現(xiàn)兩個(gè)波動(dòng),底層水溫在14:00和2:00時(shí)最低,此時(shí)海水層化最強(qiáng),在18:00和5:00時(shí)最高,此時(shí)海水層化最弱。可以看到它們分別近似對(duì)應(yīng)于南向流速最大和北向流速最大的時(shí)刻。南向流將北部海域具有較低溫度的海水帶到這一海域,引起海溫的降低,層化變強(qiáng),而北向流時(shí)情況剛好相反。灣外 B站點(diǎn)水溫變化過(guò)程的另一個(gè)顯著特征是,底層水溫變化大于表層水溫變化,這可能主要是由該處水溫的水平梯度變化引起的。夏季,表層海溫在外海(相對(duì)而言)和近海相差不大,但在底層,由于近岸混合強(qiáng)烈,而外海層化較強(qiáng),引起底層海水的水平變化一般會(huì)強(qiáng)于表層。因此,在較強(qiáng)的底層平流作用下,底層水溫變化要大于表層。

圖1 A站和B站每小時(shí)平均觀測(cè)海流與海溫?cái)?shù)據(jù)Fig.1 Averaged current and temperature per hour at stations A and B

由圖1流速變化曲線可以看出,灣內(nèi)與灣外明顯呈現(xiàn)不同的變化過(guò)程。灣外 B站點(diǎn)在一天的變化過(guò)程中,流速、流向呈現(xiàn)兩個(gè)波動(dòng)結(jié)構(gòu),在20:00和9:00處于北(東)向最大值,14:00和 4:00處于南(西)向最大值,即說(shuō)明這一海域是以半日潮流為主。而灣內(nèi) A站點(diǎn)表層海流無(wú)明顯周日波動(dòng),底層流呈現(xiàn)兩個(gè)波動(dòng),在13:30和3:30處于北(東)向最大值,21:30和 9:30處于南(西)向最大值,與灣外海流波動(dòng)過(guò)程正好相反。這可能主要是由于灣內(nèi)岸線復(fù)雜,水深較淺,容易受到各種障礙物的影響,與灣外呈現(xiàn)不同的變化過(guò)程。總體上說(shuō),該海域內(nèi)(特別是 B站點(diǎn))北分量基本上大于東分量,其中北分量的變化幅度明顯大于東分量的變化幅度。灣外 B站點(diǎn)表、底潮流有明顯差異,底層流明顯大于表層流,且方向有一定差異。

2.2 潮流調(diào)和常數(shù)

由表2,比較二測(cè)站的潮流調(diào)和常數(shù),除灣內(nèi)A點(diǎn)表層外,總起來(lái)說(shuō)是以半日潮流為主,該海域北、東分量的半日潮流振幅均大于全日潮流的北、東分量,說(shuō)明這一海域半日潮流占據(jù)主要地位,呈現(xiàn)半日潮流的性質(zhì)。對(duì)半日分潮流(M2,S2)各測(cè)站各層的結(jié)果均體現(xiàn)北分量大于東分量。對(duì)于全日潮流(K1,O1)灣內(nèi)A站點(diǎn)呈現(xiàn)北分量大于東分量,而灣外呈現(xiàn)東分量大于北分量的結(jié)果。淺水分潮M4和MS4灣內(nèi)A測(cè)站深層上東分量大于北分量,其他站點(diǎn)層次上處于北分量大于東分量的狀態(tài)。所以雖然有些測(cè)站某些水層上東分量大于北分量,但由于此海域半日潮流占主導(dǎo)地位,因而無(wú)法改變北分量海流大于東分量海流的結(jié)果。

對(duì)比各層余流的結(jié)果,一般表層的余流較大。灣外 B站的余流是 2個(gè)測(cè)站中最大的一個(gè),其表層余流達(dá)4.3cm/s,底層只有1.5cm/s。表層余流的北分量大于東分量,而底層的北分量余流小于東分量。灣內(nèi)A站表層余流0.6cm/s,底層為0.5cm/s。表層余流的北分量大于東分量,而底層的北分量余流小于東分量。總體上看。該海域內(nèi)余流較小,表層余流表現(xiàn)為南偏西或偏東,而底層余流表現(xiàn)為北偏西。

表2 A,B連續(xù)站潮流調(diào)和常數(shù)Tab.2 Harmonic constants of tidal current at Stations A and B

2.3 潮流橢圓要素

為進(jìn)一步分析潮流的一些特征,分別計(jì)算出二測(cè)站在表、底層上O1,K1,M2,S2,M4,MS46個(gè)主要分潮的潮流橢圓要素,列于表3中,潮流橢圓示意圖見圖2。下面對(duì)計(jì)算所得各層的潮流橢圓要素結(jié)果進(jìn)行進(jìn)一步的比較和分析。

對(duì)于灣內(nèi) A站點(diǎn),計(jì)算潮流性質(zhì)可以得到表、底兩層F值分別為2.8和0.6,說(shuō)明該海域表層屬于全日潮流,底層屬于不正規(guī)半日潮流區(qū)。表層以 K1,O1潮流為主,底層以 M2潮流占優(yōu),最大流速均為1.6cm/s,最大流速方向以南向(S)為主,灣內(nèi)底層流速達(dá)到最大值的時(shí)刻要比表層早1.6 h左右。通過(guò)計(jì)算得出該海域表、底層最大可能流速分別為5.2cm/s和4.1cm/s。計(jì)算所得表層全日潮和半日潮橢圓率較小,為典型的往復(fù)流。底層半日潮橢圓率較小,全日潮為正值,說(shuō)明底層潮流以往復(fù)流為主,以旋轉(zhuǎn)流為副。計(jì)算得G值在表、底層分別為0.7和0.3,說(shuō)明底層淺水分潮在總海流所占份額要比表層相應(yīng)淺水分潮占有的份額為小,意味著淺水分潮在底層衰減的要比半日分潮來(lái)得大。同時(shí)A站點(diǎn)G值明顯大于B站點(diǎn),說(shuō)明A站淺水分潮的份額比B測(cè)站在總海流中占有稍大一些的份額。

表3 A,B連續(xù)站潮流橢圓要素Tab.3 Tidal current ellipse elements at stations A and B

圖2 潮流橢圓示意圖Fig.2 Tidal current ellipses

3 結(jié)論

本文利用便攜式INFINITY-EM海流計(jì)在煙墩角海域二測(cè)站的周日水溫和海流觀測(cè)資料,對(duì)該海區(qū)的潮流進(jìn)行調(diào)和分析,得出了該海區(qū)水溫垂向變化以及潮流的一些特征,將有助于加深對(duì)該海域的流場(chǎng)特征的認(rèn)識(shí),并為潮流數(shù)值模擬提供了校驗(yàn)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù),進(jìn)一步與同期獲得的營(yíng)養(yǎng)鹽和生物量數(shù)據(jù)的比對(duì),將有助于研究海流、海溫變化與該地區(qū)生態(tài)特征分布之間的關(guān)系。

該海域內(nèi)海水具有明顯的層化特征,在一天內(nèi),海溫呈現(xiàn)兩個(gè)波動(dòng),主要受N-S向半日潮流的影響。底層水溫變化大于表層水溫變化,這可能主要是由于該處水溫的水平梯度變化以及底層流大于表層流引起的。由流速變化曲線可以看出,灣內(nèi)與灣外明顯呈現(xiàn)不同的變化過(guò)程。灣外 B站點(diǎn)在一天的變化過(guò)程中,流速、流向呈現(xiàn)兩個(gè)波動(dòng)結(jié)構(gòu)。總體上說(shuō),該海域內(nèi)觀測(cè)海流的北分量大于東分量,其中北分量的變化幅度明顯大于東分量的變化幅度。灣外 B站點(diǎn)表、底潮流有明顯差異,底層流明顯大于表層流,且方向有一定差異。

由二測(cè)站的潮流調(diào)和分析可以發(fā)現(xiàn),該海域北、東分量的半日潮流振幅均大于全日潮流的北、東分量,說(shuō)明該海域以半日潮流為主,同時(shí)半日分潮流各測(cè)站各層的結(jié)果均體現(xiàn)北分量大于東分量。對(duì)比各層余流的結(jié)果,一般表層的余流較大。灣外B站的余流最大,其表層余流達(dá)4.3cm/s,底層為1.5cm/s。灣內(nèi)A站表層余流0.6cm/s,底層為0.5cm/s。總體上看,該海域內(nèi)余流較小,表層余流表現(xiàn)為南偏西或偏東,而底層余流表現(xiàn)為北偏西。

通過(guò)比較分析各測(cè)站各分層的潮流橢圓要素結(jié)果,表明該海域除灣內(nèi) A站點(diǎn)表層外,均屬于半日潮流性質(zhì),灣外最大可能流速為34.4cm/s和41cm/s,明顯大于灣內(nèi)最大可能流速。灣內(nèi)A站點(diǎn)以往復(fù)流為主,流向?yàn)楸逼珫|為主,而灣外 B站點(diǎn)以往復(fù)流為主,旋轉(zhuǎn)流為輔,流向以南向?yàn)橹鳌Ｍㄟ^(guò)計(jì)算淺水分潮指標(biāo),反映出淺水分潮在底層衰減的要比半日分潮大,淺水分潮在表層的總海流中所占份額高于底層的淺水分潮。

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