冬季舟山外海定點實測海流資料分析

費岳軍，史軍強，堵盤軍，陳學恩

（1.國家海洋局東海預報中心，上海 100017；2.中國海洋大學 海洋環境學院，山東 青島 266100）

長江口外東海海域岸線曲折、島嶼眾多，海底地形極其復雜。受外海潮汐作用影響，潮流作用明顯，屬于強潮海區，潮汐能資源豐富。同時，舟山海域水產業發達，是我國最大漁場舟山漁場所在海域。由于流場對該海域的初級生產力、物質輸運、生態結構、環境保護等均有重要影響，因此，了解該海域的流場分布態勢及其變化特征不僅具有重要的科學價值，同時具有重要的經濟意義。

對于該海域的潮流和余流特征，前人已經做過不少研究：徐建平等（1984）根據實測資料揭示了浙江近海余流垂向結構特征，為研究浙江沿岸上升流的形成機制和臺灣暖流的行蹤提供了較好的依據；史峰巖等（2000）用數值模擬的方法計算了長江口及其鄰近海域余流特征；陳倩等（2003）依據近年來浙江海岸帶和海島調查的實測海流數據，研究了浙江近海的潮流、余流特征和分布規律；唐曉暉等（2004）在對多年觀測數據分析的基礎上分析了長江口鄰近海域冬夏水文特征。陳學恩等（2010）根據2009年8、9月間長江口外東海海域2個站位的短期連續ADCP實測資料，采用調和分析、EOF分解、功率譜分析等方法，分析了該海域海流隨時間的變化趨勢和空間的結構特征，并指出長江口外海域M2為主要分潮，屬于正規半日潮，各層潮流呈現出旋轉流性質，旋轉方向為順時針占優；張慧等（2011）基于在浙閩海域獲得的連續觀測長達40 d的逐季海流資料，深入分析了該海域余流的分布特征及季節變化規律，指出近岸區域余流受長江沖淡水、浙閩沿岸流控制，外海余流則受臺灣暖流控制。這些成果加深了人們對舟山海域海流特征的了解和認識。

圖1 觀測點位置（■）及地形

本文在前人研究的基礎上，選取該海域代表性站點 （122.998°E，30.013°N）（圖 1）連續一個月的實測海流資料作為研究對象，對該點海流特征進行了深入的分析。由于該點位于舟山漁場中心區域，55m等深線經過此點縱貫南北，浙閩沿岸流與臺灣暖流在此交叉影響，因此，對該站點海流的研究具有重要性、典型性和代表性。

1 數據

1.1 數據來源

本文所用數據由國家海洋局東海預報中心提供。為布設在舟山海域（水深55m）的QF201大型綜合浮標實測的一個月連續海流數據。數據垂向分辨率為5m/層，垂向測量范圍為5.5～50.5m，為了下文敘述方便，本文將5.5m層稱為表層，將50.5m層稱為底層。采樣間隔為1小時，時間跨度為北京時間2009年12月6日14點至2010年1月5日14點。期間共缺測36時次。通過與同時段內地波雷達實測數據和下放式聲學多普勒海流剖面儀（Ladcp）數據進行比對并參考模式數據，發現該浮標所測數據質量普遍較好，只是在較少時刻出現異常值點，因此本文僅使用Grubbs檢驗法（史靜濤等，2011）對浮標數據進行質量控制，剔除無效數據。最后對空缺數據進行插值補齊，得到連續的高質量逐時海流數據。

1.2 流速時間序列

站點流速矢量時空分布如圖2所示。從圖中可以看出：（1）同一時刻，表層流速普遍較底層流速大，且北向流明顯占優。統計發現，表層流速最大值可以達到111.8 cm/s，平均值為41.4 cm/s，而底層流速最大值只有77.6 cm/s，平均值為36.9 cm/s。底層流速最大值和平均值分別只有表層的69.4%和89.2%。（2）流速、流向隨深度的變化趨勢基本一致，該站點各層的流動呈現出明顯的正壓流動特征。（3）各層流動均具有顯著的周期性，潮流特征明顯。

圖2 流速矢量分布

此外，本文隨機選取連續25 h的流速并結合該點附近的潮位數據給出了該點的流速與潮位的分布，如圖3所示。從圖3可以看出，25 h內該站點的潮位時間序列共出現了兩次高潮和兩次低潮，半日潮特征明顯。海流以南北向的V分量為主，東西向的U分量相對較弱。與潮位特征相似，25 h內海流也表現出兩次漲落過程，具有明顯的半日周期。并且根據圖3顯示，水位的峰（谷）值區大致對應流速V的高值區。由此可知，實測海流以潮流占優，并且潮流的前進波性質比較明顯。從垂向上看，漲、落潮發生的時刻也不一致，在落潮期間，上層首先開始轉流，而在漲潮期間，中下層首先開始轉流（姚志剛等，2012）。另外，各層的漲潮流速要普遍大于落潮流速，漲落潮不對稱現象顯著。

圖3 潮位（上）以及流速東西分量U（中）和南北分量V（下）的時空序列分布

2 潮流特征分析

潮流計算采用了Pawlowicz等（2002）提供的潮流調和分析Matlab程序包。潮流調和分析（陳宗鏞，1980）可以將不同天文分潮的頻率固定，并將實際海水的流動分解成由不同天文分潮的作用引起的流動和非周期性質的余流部分。只要時間序列足夠長，就能夠將頻率相隔很近的分潮完全進行分離，得到各個天文分潮的潮流橢圓要素。本文所得各潮流要素是在95%的信度下得到的。根據公式K=（WK1+WO1）/WM2得到站點各層的K值介于0.156～0.178之間，均小于0.5，故各層的潮流類型均為正規半日潮流類型，其中M2和S2是最主要分潮。主要的分潮要素見表1。表中橢圓率的正值表示橢圓逆時針旋轉，負值表示橢圓順時針旋轉。站點4個主要分潮的潮流橢圓結構如圖4所示。

圖4 M 2、S2、K 1及O1潮流橢圓垂向分布

從表1及圖4中可以看出，各層M2潮流橢圓均呈順時針方向旋轉且橢圓主軸方向比較一致，基本上呈現出南—北向分布特點。具體來看，在15.5m以淺，主軸隨深度順時針偏轉。在15.5～35.5m層之間則逆時針偏轉。35.5m層以下除最低層傾角較小外，又呈順時針偏轉，但是整體偏轉角度都不大，在北偏東1.46°到北偏東4.02°的狹小范圍內變動。M2橢率絕對值除表層外，基本表現出隨深度減小的趨勢。整體變化范圍不大，介于0.52至0.57之間。最大值出現在15.5m層，最小值出現在40.5m層，具有一定的旋轉性，往復流性質并不顯著。M2橢圓長軸在5.5m層處達到最大值，最大值為44.3 cm/s，而短軸在剖面15.5m處達到最小值，最小值為19.5 cm/s。各層S2潮流橢圓均為順時針方向旋轉，主軸均向北偏東方向偏轉，偏轉角度在40.5m處達到最小，僅為0.85°，接近正北向，在10.5m處偏轉達到最大，最大值為11.59°。主軸隨深度的偏轉方向并沒有明顯的規律性，順時針偏轉與逆時針偏轉相間發生。S2分潮橢率絕對值基本呈隨水深減小趨勢，最小值出現在35.5m層，為0.46，35.5m以深至底層橢率略微增大并且較為一致，最大值出現在5.5m層，為0.56。S2橢圓長軸在30.5m層處達到最大值，最大值為13.3 cm/s，而短軸在剖面10.5 m處達到最小值，最小值為5.5 cm/s。相對M2分潮，S2分潮的橢圓長軸、短軸的量值均大幅減小。

K1分潮潮流橢圓除10.5m層表現出逆時針方向旋轉外，其它各層均為順時針方向旋轉。主軸基本呈西北—東南走向，除表層外，25.5m以淺主軸隨深度順時針偏轉，25.5m以深則隨深度表現出逆時針偏轉趨勢。K1分潮橢率絕對值均小于0.2，往復流特征明顯且在25.5m以淺隨深度變大，25.5m以深隨深度變化無明顯規律。K1潮流橢圓長軸最大值出現在5.5m層，最大值為4.7 cm/s，橢圓短軸最小值也出現在5.5m層接近于0。各層O1分潮潮流橢圓均為順時針方向旋轉。主軸呈西北—東南向分布。主軸偏轉方向隨水深搖擺不定，無明顯規律。O1分潮橢率的絕對值最小值出現在5.5m層處，僅為0.13，往復流特征明顯。最大值出現在15.5m層，為0.62，具有一定的旋轉性。O1潮流橢圓長軸最大值和短軸最小值均出現在5.5m層。

3 余流特征分析

余流是指從實測海流中剔除周期性流以后的剩余水體的流動。它直接指示著水體的運移和交換情況，對海水中物質的輸運及擴散起著重要作用。從原始海流中將調和分析得到的周期性潮流成分減掉，然后再進行48 h低通濾波即得到了原始海流中各層次的余流的時間序列（王國龍等，2010）。

3.1 余流主軸

圖5給出了以站位位置為起點，余流矢端在水平面上的分布散點圖。散點圖的中心代表余流的平均值，矢量矢端的分散程度反映了余流的方差大小。用Kundu等（1976）提出的主軸分析法把余流分解到變化最大和最小的兩個正交方向上，得到站點余流的主軸方向為218.7°（設正北方向為0°，順時針轉動為正）。與該處等深線走向基本一致。這說明了地形也是制約該點余流分布的一個重要因素。定義局部直角坐標系：x軸正方向取為余流主軸所指向的西南方向，取右手坐標系，則y軸垂直于主軸，正方向指向東南，z軸正方向向上，原點取在海面上。以下分析無特別說明均是在該局地坐標系下進行。

圖5 余流散點圖

表1 潮流橢圓參數

3.2 逐時余流

逐時余流刻畫的是余流的高頻時變特征。圖6是根據得到的逐時余流繪制的表層、中層（25.5m）及底層的余流前進矢量圖。圖中每兩個星號標記之間代表24 h的時間跨度。圖7為觀測站點海表面風矢量的時間分布（a）與余流失量時空分布圖（b）。由圖6、圖7可以看出，無論表層、中層還是底層，絕大多數觀測時間段內，余流均是沿西南-東北走向，并且由表及底，余流逐漸由西南偏向東北。可見，余流無論在時間分布上還是在空間深度分布上均以西南-東北走向的流動頻率為最高并且隨水深增加余流流向整體向右偏轉。在同一時刻各層余流流速大小變化不大，基本一致，底層略小于表層。各層級余流的時變趨勢也基本一致。余流矢量與風矢量相比較可以明顯看出，在多數時段，余流對風的響應比較迅速，風較強時余流也得到加強，風較弱是，余流則相應減弱。這種響應現象隨著水深的的增加而減弱。在某些時段，隨著水深的增大，余流還表現出明顯的滯后效應。但是，由圖7可以還看出，本文分析的上述結論只是與觀測時間內的多數時段對應。不可否認，在個別時段上，余流的時空分布特征是有別于上述分析的，例如，在初始觀測的前100 h，就出現了底層的余流反而要比表層大、表底層余流方向相反、風向與各層余流方向相反等現象。這也說明了該區域余流時空變化的復雜性。

圖6 余流前進矢量圖

圖7 海表面風矢量（a）和余流失量（b）

為了客觀反映余流隨時間的變化程度，以及它們之間存在的空間差異，本文通過求取垂向每一層上余流時間序列的標準差來進行分析，標準差越大，余流隨時間的變化就越激烈（曾定勇 等，2012）。圖8即為站點余流U、V分量的標準差的空間分布。U分量在各層的標準差普遍較大，隨著隨水深先減小后變大。最大值出現在表層達到了0.1 m/s以上，底層為8.42 cm/s，最小值出現在35.5m層，也有7.1 cm/s。這說明沿余流主軸方向，各層余流隨時間變化普遍比較劇烈，其中又以表層變化程度最大，其次為底層，中間各層次之。余流V分量的標準差相比U分量的標準差小得多，且垂向變化不顯著，說明余流隨時間的變化主要沿著x方向，即沿余流主軸方向。

圖8 余流U、V分量標準差空間分布

從上述分析可以看出，沿岸方向整個垂向范圍內余流的時間變化都很大，沒有穩定的流向。

已有的水文分析和短期的測流結果表明，臺灣暖流在東海西部陸架終年存在并且沿50～100m等深線向北流動（Su etal，1987），其位置在冬季比夏季更靠近岸，其寬度和速度在冬季比夏季都有所減小（Guan etal,1982）。浙閩沿岸流流向夏季和臺灣暖流相同，沿岸線向東北流動，冬季則反向，沿岸線向西南流動。本站位于55m等深線附近，臺灣暖流和浙閩沿岸流均能延伸到此，且在冬季，這兩個流系的運動方向相反，本文所分析站點正處于浙閩沿岸流和臺灣暖流的交叉影響地帶，可以認為臺灣暖流和浙閩沿岸流的此消彼長在很大程度上控制著站點余流的時變特征，進而導致余流方向的不穩定。

圖9給出了觀測期間同步風矢量（上）、余流U（中）、V（下）分量的時空分布特征。由圖9可以看出，在觀測期間的大多數時段，海表面風均為偏北風，只在少數觀測時段出現了持續時間較短且風力較小的偏南風天氣。對比同步風場可以發現余流U分量，尤其是在近表層，對風的響應比較迅速。當海面刮偏北風時，余流U分量在近表層基本為余流主軸所指向的西南向，而在中下層方向變化較大。例如，在觀測的第60 h至第145 h，偏北風持續作用在海面上，但是風力普遍較小，平均風力僅為4.2m/s，在20m以淺的水域，余流U分量基本為西南向，但在30m以深，方向則變為東北向。而在觀測的第200 h至第300 h之間，出現了連續的強北風天氣，平均風力達到了10.8m/s。在此期間，余流U分量的東北向流動全部消失，強勁的西南向流貫穿整個垂向剖面，并且在近表層出現了一個持續時間與強北風持續時間相當的極值達到10 cm/s以上的流核區，個別時刻流速甚至超過了15 cm/s。當海面刮偏南風時，對應時間段內各層余流U分量基本均指向東北方向，并且底層速度普遍大于表層。究其原因，本文認為這主要是在海面風的強迫作用下，西南向的浙閩沿岸流與東北向的臺灣暖流勢力此消彼長的結果。觀測海域在中上層受浙閩沿岸流影響顯著，在中下層則受臺灣暖流影響顯著，當海面刮偏北風時，隨著風力的增強，浙閩沿岸流勢力增強而臺灣暖流勢力相對減弱，西南向流的影響深度逐漸加深，當風力達到一定程度是，強勁的西南向流甚至會貫穿整個垂向剖面；當海面吹刮偏南風時，浙閩沿岸流受到消弱，在一定的風力下則會使海表面流轉向東北與中下層的臺灣暖流方向趨于一致。從余流V分量的時空分布來看，分布較U分量要復雜，對風的響應程度也較弱，隨風變化規律也沒有U分量明顯。這可能是由于V分量方向基本與等深線垂直，受地形影響較大的緣故，以及其他一些影響因子綜合作用的結果。不過這有待更深入的調查、更詳盡的資料所證實。另外，在量級上，余流V分量普遍比U分量小很多，這也說明了該站點余流以U分量為主。

圖9 海表面風矢量與余流

為了進一步分析余流的變化特征及其與風之間的對應關系，分別對余流的U、V分量做主成分分析（胡基福，1996），得到了各個模態U、V分量的時間變化規律。結果顯示，U、V分量的PC1分別可以解釋總方差的91.6%和87.2%，因此，只需對U、V分量的PC1進行分析即可。分別對余流U、V分量的PC1做功率譜分析，結果分別如圖10（a）、（b）所示。發現余流U分量的PC1主要周期為 2.2～3 d、5～7.5 d、10 d和 15 d的波動，說明余流沿主軸方向分量在冬季存在天氣尺度及半月尺度的顯著周期變化。余流V分量的PC1主要周期為3.3～4.3 d、5 d、6 d和7.5 d的波動，另外，還存在3～20 h不等的高頻波動，這說明垂直于余流主軸的分量表現出天氣尺度的周期變化。相對于余流U分量，表現出顯著的高頻特征。

圖10 余流U、V分量PC1功率譜圖（虛線為95%信度水平閾值線）

圖11 第一模態時間序列及標準化風速

為了進一步探討逐時余流與同步的海表面風之間的關系，將經過48 h低通濾波之后的逐時風速在局地坐標系中分解為U、V分量后分別與余流U、V分量的PC1比較，結果如圖11所示。風速與余流U、V分量的相關系數分別為0.807 6和0.536 0。這說明，對于U分量，余流與風之間具有比較一致的變化，風速U分量的大值往往對應余流U分量PC1的大值，但是圖中也存在當風速變小，余流變大或風速變大余流變小的時段。因此，對于U分量，風是影響余流的一個重要因素，但不是唯一因素。對于V分量，其相關系數要小于U分量的相關系數，這說明風對余流V分量的影響要小于對U分量的影響。余流V的變化在觀測時間內相當一部分時段與風的變化是不成正比的，這說明風至少不是影響余流V分量的主導因子，由于本文所掌握的數據有限，因此暫時不進行更加深入的探討。

圖12 風速U分量和沿岸方向的余流PC1交叉譜分析虛線表示95%置信度

對風速U分量和沿岸方向余流PC1做交叉譜分析（劉天然等，2010），結果如圖12所示。兩者存在一個相關性很高的頻率區間，大約介于0.003 3～0.016 6之間，分別對應2.5 d、4.2 d、6.3 d和12.6 d的周期變化。相關系數最大值在12.6 d的周期處取得，為0.904，位相滯后曲線表明，余流U分量滯后于風速U分量約12.8 h。由于余流U分量的PC1占了沿岸方向余流的91.6%，因此，可以粗略地認為沿岸方向的余流相對于風的變化滯后了約12.8 h。

3.3 定常余流

將所得到的逐時余流進行月平均即得到站點的定常余流垂向分布（于華明等，2008）。圖13左邊部分是余流U、V分量的垂向分布，右邊是在原坐標系下的余流矢量的垂向分布。

如圖13所示，余流矢量在垂直方向上明顯地呈兩個流系控制特征，這也與本文對逐時余流的分析結論相一致。余流呈現出由西南逐漸向東北順時針偏轉的空間分布結構，上層流速與下層流速方向相反，以水深25.5 m為界，上層呈現偏南方流動，下層則是偏北方流動。流速在近表層10.5m處達到最大值為4.46 cm/s，最小值出現在20.5m層為1.86 cm/s。除表層外，流速隨深度先減小后增大。通過垂向平均定常余流得到了余流全流，大小為1.4 cm/s，流速方向為北偏西54°。

圖13 余流U、V分量的垂向分布（左）與矢量垂向分布（右）

U分量的垂向分布大致以水深26m為中心，呈現出較規則的反對稱結構。26m以淺，西南向流，流速先從表層增大至10.5m層，然后迅速減小25.5m層，最小僅為0.21 cm/s。26m層以深，則表現為東北向流且隨深度逐漸增大，在底層東北向流速達到最大值為3.43 cm/s。V分量在15.5m以淺呈現出微弱的離岸流（東南向），在15.5m以深均為向岸流，流速先增大后減小，在35.5m層處達到最大為2.75 cm/s。

4 結論

由上文對實測海流資料的分析表明，該站位余流明顯地呈浙閩沿岸流與臺灣暖流交替控制特征，已有的水文分析和短期的測流結果亦表明本文研究站點處于浙閩沿岸流與臺灣暖流交匯中心海域。因此，本文所得到的對該站位的分析研究結果可以在很大程度上代表浙閩沿岸流與臺灣暖流交匯海域的基本海流特征。

本文通過對浙閩沿岸流與臺灣暖流交匯海域一個月的浮標實測海流資料進行分析，得到如下結論：

（1）觀測期間，站位表層流速普遍大于底層流速，且北向流占優。各層的流動呈現出明顯的正壓流特征及周期性特征。實測海流以潮流占優，并且潮流的前進波性質比較明顯。25 h內海流也表現出兩次的漲落過程，具有明顯的半日周期，漲落潮不對稱現象顯著。

（2）潮流調和分析表明，各層的潮流類型均為正規半日潮流類型，其中M2和S2是最主要分潮，表現出一定的旋轉流特征。

（3）對逐時余流的統計表明，無論表層、中層還是底層，在絕大多數觀測時間段內，余流均是沿西南-東北走向，并且由表及底，余流逐漸由西南偏向東北。余流的主軸方向為218.7°，與該海域等深線走向基本一致。地形是制約余流的一個重要因素。

（4）對逐時余流分析表明，余流隨時間的變化主要沿著余流主軸方向。臺灣暖流和浙閩沿岸流的此消彼長在很大程度上控制余流的空間分布特點。研究站位處于浙閩沿岸流和臺灣暖流的交界地帶，所以導致余流方向不穩定。在多數時段，余流對風的響應比較迅速。風是影響沿岸余流的一個重要因素但不是唯一因素。風對向岸余流與離岸余流作用有限。相對于沿岸余流分量，向岸余流與離岸余流表現出顯著的高頻特征。余流U分量滯后于風速U分量約12.8 h。

（5）對定常余流的分析表明，定常余流呈現出由西南逐漸向東北順時針偏轉的空間分布結構，上層流速與下層流速方向相反。該站位的余流全流，大小為1.4 cm/s，流速方向為北偏西54°。

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