沙埕港灣口斷面潮流及余流特征分析*

萬 凱 鮑獻文, 姚志剛, 萬修全, 夏穎穎

(1.中國海洋大學海洋環境學院 青島 266100;2.中國海洋大學物理海洋教育部重點實驗室 青島 266100)

沙埕港是位于浙江福建交界的海灣,屬福建省福鼎市,地理范圍 120°10.74′—120°26.57′E,27°8.37′—27°9.07′N。灣內水深大都在 15m 以上,最大水深45m(鮑獻文等,2008),是一個天然的深水避風良港。沙埕港港區為正規半日潮,潮差較大,大潮時可達7—8m(李克先等,2001);灣內岸線曲折多變,海流變化主要受地形影響。沙埕港灣口較為狹窄且為灣內與外海進行水體和物質交換的唯一通道,灣口斷面的潮流及余流特征對研究沙埕港水動力環境與物質輸運過程有一定意義。

前人對沙埕港的研究主要集中在風暴潮的特征分析和數值模擬方面。李克先等(1995;2001)在對沙埕港多年風暴潮歷史資料的特征分析基礎上,建立了一個基于氣壓高度、局地風速的二元線性回歸極值預報模式。欒曙光等(2012)使用 Mike21模型對超強臺風“桑美”正面登陸時的風場進行了數值模擬,分析了臺風造成災害的原因。然而,對沙埕港海流及余流方面的研究則較少,高精度觀測資料的缺乏使科研工作者對沙埕港灣內海流、余流的空間結構和變化規律的認識尚不明晰。聲學多普勒流速剖面儀(Acoustic Doppler Current Profiler,ADCP)的普及和應用對獲得高精度的海流資料提供了便利(汪亞平等,1999;Wang Y Het al,2003;楊錦坤等,2009)。ADCP對海流流場不產生擾動和影響,具有傳統儀器無可比擬的觀測精度。同時 ADCP觀測也具有觀測時間間隔短,觀測層次精細的優勢,可以提供時空上連續的海流觀測序列,從而對海流的潮流和余流精細結構有一個較為完整和細致的認識。本文利用走航觀測獲得的沙埕港灣口高精度斷面資料對沙埕港灣口斷面的潮流、余流的結構和性質以及潮通量等進行分析,以提高對沙埕港灣口潮流及其水體交換特征的認識,同時在ADCP走航資料的數據處理和應用方面進行有益探索。

1 數據及處理過程

本文使用的資料來自中國海洋大學于 2006年 4月28日10:04—2006年4月29日11:30在福建沙埕港灣口進行的 25h連續走航觀測(圖1)。走航路線為東北-西南方向,基本與沙埕港灣口主軸方向垂直。觀測使用的儀器為美國Sontek公司Acoustic Doppler Profiler(ADP)-1000K,觀測垂直方向分為 18個測層,層厚1m,觀測間隔30s(GEOTECH ENVIRONMENTAL EQUIPMENT,2001)。儀器的具體參數和詳細配置見表1。

圖1 沙埕港地理特征及走航斷面位置(a,黑色線)和走航ADCP軌跡(b)Fig.1 The geographical features of Shachenggang Channel,position of the underway transaction(a)and trajectory of the shipboard ADCP

表1 ADP-1000K參數及配置Tab.1 Parameters and configuration of ADP-1000K

對于走航觀測而言,最理想的航跡是一條直線,觀測船在此直線上做往復運動,但由于船只在航行時受海流、航速等因素的影響,實際的航跡會有所偏差,因此觀測獲得的數據序列會隨時間和空間變化。為保證船只盡量沿著灣口斷面直線航行,消除空間位置差異對數據的影響,本次走航觀測在斷面兩端設置了浮標以輔助航行,并且考慮到觀測的需要,走航時船速基本保持穩定,約 1.7m/s;沙埕港灣口的寬度約為 1.2km,斷面單次走航的時間約為12min,從平均來看,每個觀測點 2次觀測的時間間隔應該為 12min左右,但是由于船的航跡的漂移、船體掉頭等原因,不能保證觀測樣本之間的時間均勻性。

首先對觀測數據進行質量控制,采用用 ADP自帶底跟蹤與Difference Global Positioning System(DGPS)相結合的方法訂正船速后求出海流速度,剔除觀測中的觀測異常值和完好率較差的數據,同時對所有剔除的數據使用完好的數據進行內插補齊。其次處理經質量控制的數據,剔除空間上明顯偏離灣口斷面的數據后,對有效數據進一步處理和分析。

為了分析簡便,本文忽略走航船只空間位置的變化,把本次走航的空間維度簡化為1維,同時把整個走航過程分為若干個航段,認為從斷面的一個端點到對面端點的單次走航為 1個航段。對于所有的數據可以建立如下關系v=v(x,t),其中v表示速度矢量,x表示觀測點的空間位置,t表示觀測的時間。做如下假設:對于任意航段的空間上的任意點x存在位于x兩側的相鄰點x1、x2,且x1、x2滿足(x1＜x＜x2),如果x1、x2處的海流分量值已知,就可以根據空間位置使用線性內插的方法獲得x處的值。從船速和數據時間間隔兩方面來分析上述假設的合理性,平均船速為 1.7m/s,數據時間間隔為 30s,也就是說相鄰兩個數據之間的空間位置相差大約為51m,在海流流場隨空間變化比較平緩的前提下,上述假設是成立的。也就是說,對于走航獲得的任意航段的資料,可以認為其在空間上是連續的,取斷面上的任意點x0在每個航段上觀測的值即可以構成 1個不等時間間隔的觀測序列。再假設在 1個航段耗時 12min的時間內,任意點x0的空間位置變化是較為緩慢的,那么對上述不等時間間隔的觀測序列在時間上進行差值,就可以獲得等時間間隔的觀測序列。為保證合理性,選擇一個航段耗時的時間 12min為等時間間隔,這樣就獲得了一個時間間隔為 12min的觀測序列。值得特別指出的是,由于觀測資料所限,在此忽略了x0點附近水位變化的影響,認為在整個觀測時間范圍內任意航段相同層次的數據近似位于同一深度上。

在上述假設下,對走航船只航跡使用最小二乘法擬合以確定走航斷面,同時為保證數據的質量舍去了主軸端點附近走航開始和結束的少量數據,以消除走航船只掉頭導致船體姿態變化對觀測數據的影響,這樣獲得了一個沿主軸方向的斷面,稱之為參考斷面。為了分析簡便,在參考斷面上取相同空間間隔的10個點(記為S1—S10,具體位置見圖1b),作為走航數據轉換為等時間間隔的觀測序列的空間基準點,稱之為標準點。數據處理的結果是獲得了在各個標準點上的等間隔海流觀測序列,本文后續的分析就是基于這10個標準點所獲得的海流觀測序列進行的。

2 分析和結果

2.1 海流時間序列及潮流橢圓

對 10個標準點的海流時間序列進行分析,由于10個標準點空間的距離較近,潮流變化特征較為相似,受篇幅的限制,取S5點作為代表點。S5點位于沙埕港灣口的中心位置,流場特征具有很好的代表性,S5站的潮流時間序列能夠代表整個斷面的情況。首先做出海流時間變化序列圖(圖2),并結合斷面附近的潮位觀測進行潮汐潮流分析。從潮位數據來看,2006年4月28日10時—2006年4月29日11時,由于觀測開始時為高潮,所以觀測序列出現了2次完整的低潮(28日16時、29日4時),且相鄰2個波谷的時間間隔約為 12.5h,為十分明顯的正規半日潮特征。漲潮時約為6h,潮流沿西北方向進入沙埕港,平均潮流流向約為 300°,最大漲潮流流速約為 1m/s。落潮時同樣約為6h,海流沿東南方向推出沙埕港,平均流向約為 150°,最大落潮流流速同樣為 1m/s。漲落潮流流速比較接近,漲落潮流流向基本與灣口水道主軸方向平行,從東西分量(U)和南北分量(V)上來看,灣口潮流UV兩方向分量較為接近,V方向略大,最大可達0.9m/s,發生在落潮時刻,U方向分量略小,可達0.7m/s,發生在漲潮時。潮流UV分量的時間序列也有明顯的2次漲潮、落潮現象,表現出典型的正規半日潮流特征。漲潮流(28日19時)、落潮流(28日13時)出現在漲潮落潮時段的中間時刻,而高低潮時海流流速很小,這符合半封閉海灣潮波的典型特點,即最大流速出現在半潮面時刻而高低潮時流速最小。從垂直方向看,海流垂向分布均勻,除漲急、落急時中上層流速比底層流速略大外,其他時刻幾乎表現為垂向分布均勻的流動。轉流時間方面,漲潮時中下層最先轉流,但提前的時間有限,約為30min,落潮時表層最先轉流,30min后中下層開始落潮。總體來說轉流各層次是基本同步的。

圖2 潮位(a)以及S5站U(m/s,b)和V(m/s,c)的時間序列分布Fig.2 The time series of tide level(a),the east-west component U( m/s,b)and the north-south component V( m/s,c)at S5 station

調和分析是研究不同頻率分潮的貢獻和分布特征的有效方法,利用普遍使用的 t_tide(Pawlowiczet al,2002)潮汐分析程序對上述25h等時間間隔的觀測序列進行調和分析。根據瑞利準則(Δf=1/T,其中,Δf為頻率的分辨率,T為采樣時長),25h的時間觀測長度并不能夠分離同一潮族的分潮(比如關注的O1和K1、M2和S2);為了對不同分潮的貢獻有更清楚的認識,基于沙埕港灣口附近的歷史數據,引入上述分潮的差比關系來分離同一潮族的不同分潮,最終選定O1、K1、M2、S2、M3、M4共 6 個分潮做出對應分潮的潮流橢圓,如圖3所示。

圖3 沙埕港灣口水道潮流橢圓垂向分布Fig.3 The vertical distribution of the tidal current ellipse in the Shachenggang Channel

從沙埕港灣口潮流橢圓的情況來看,振幅最為顯著的為 M2分潮,其值遠大于其他分潮,沿參考斷面M2分潮的潮流橢圓長軸最大可達0.72m/s,出現在灣口中部表層區域,M2分潮長軸的最小值為0.44m/s,出現在參考斷面最北側的底層區域。從空間整體分布來看,M2分潮長軸值最大位于沙埕港灣口中部,從中部至兩側逐漸減小,且南側值衰減較北側小,也就是說南側 M2長軸值大于北側。垂直方向 M2分潮的長軸值在參考斷面北側表現為表底一致,而在斷面的中部和南側則表現為底層值略小,中上層區域值略大的分層結構。推測造成這種現象的原因是底摩擦對潮流的影響,北側水深較南側淺,底摩擦對潮流的影響較為顯著,故而 M2分潮長軸值較小而斷面中部和南部由于水深較深,潮流受底摩擦的影響相對較小而值較大。同理可推測參考斷面中部和南側分層的現象也是受底摩擦影響,由于北側底摩擦影響更顯著故而北側 M2長軸值垂直均勻分布。M2分潮潮流橢圓的橢圓率大都在 0.05以下,表現出很強的往復流的特點,在沙埕港斷面中部的中上層橢圓率在 0.1左右,旋轉性較強,這也符合狹長水道以往復流為主,水道中部由于受岸線影響較小而旋轉性強的特征。M2分潮主軸傾角主要為 100°—130°,基本沿沙埕港水道主軸方向,傾角由北側向南側逐漸增大,最大值出現在南側表層區域,潮流橢圓的傾角變化與沙埕港灣口的地理特征是一致的。此外,和狹長水道的特征不同,參考斷面北側S10點M2分潮表現出了較強的旋轉性,橢圓率可達 0.2,根據走航現場的實際情況推測,造成此現象的原因是走航參考斷面位于沙埕港北側岸線的轉折處。西北-東南走向的北側岸線進入沙埕港后迅速折為東北-西南方向,觀測獲得的海流資料在轉折處受岸線約束而流向變化復雜,表現出較強的旋轉性。

振幅僅次于M2分潮的是S2分潮,但是其長軸量值要比 M2小很多,為 0.2—0.32m/s,約為 M2分潮的一半,S2分潮的空間分布特征和旋轉性都和 M2分潮非常接近,其北側S10站處海流的旋轉性也較大。接下來是代表淺水分潮的M4(走航資料觀測時間較短給出的 M4分潮實際上包含整個 1/4日潮族)和代表的1/3日分潮的M3分潮,其潮流橢圓長軸量值為0.08—0.2m/s,空間分布特征和旋轉性也與M2分潮類似,但是旋轉性更強,橢圓率最大可達 0.3。再次為全日潮族的 O1和 S1分潮,其振幅最為微弱,為 0.01—0.09m/s,從圖上可以看到其傾角與 M2分潮類似,基本沿沙埕港灣口水道主軸方向,但是其旋轉性比半日分潮更強。

2.2 余流

鮑獻文等(2008)的研究結果表明沙埕港水道海流以潮流為主,且半日分潮對潮流貢獻最大,其他分潮貢獻較小,M2分潮周期為 12.42h,S2分潮為 12h,如果對25h走航資料取平均,可以濾去大部分潮流信號,獲得沙埕港灣口的余流空間結構,結果如圖4所示。

圖4 沙埕港水道斷面余流結構U(m/s,a)和V(m/s,b)Fig.4 East-west component U(m/s,a)and the north-south component V(m/s,b)of residual current in the transection of the Shachenggang Channel

對于沙埕港灣口斷面余流東分量U,可以清楚地看到灣口斷面U分量呈分層分布,入流為負值,基本表現為從整個中下層向西流入沙埕港,在水道中間偏北處(27.1638°N)入流的范圍最大可直達表層,形成一個突出的脊從而將表層出流一分為二。入流流速隨水深變深而增加,其核心位于 27.1626°—27.1638°N的下層區域,流速為0.06m/s以上,最大值為 0.08m/s,位于斷面南側;流核在北側上翹至 15m處,形成的脊狀突起直至表層,中心流速約為0.07m/s,表層入流則十分微弱,約為 0.01m/s。總體而言,入流流速水平方向變化較為平緩,這說明海水進入沙埕港水道時比較均勻,沒有明顯的強側和弱側之分。而水道上層U分量基本為正值,向東流出灣口,出流南側流幅較寬但影響深度較淺,約為 7m左右,水平方向變化較為平緩,在 27.1634°N處開始上翹;東向出流北側流幅較窄但深度范圍可達10m,在水平方向上2側變化都較平緩,流速等值線微微向脊的方向翹起。對于流速量值方面,東向出流流速最大值為 0.05m/s,位于灣口斷面南側表層區域,北側出流最大值為 0.03m/s,同樣位于表層區域,出流從表向下呈逐漸減弱的趨勢。對于東向出流而言,南側的流速和影響面積大于北側,這說明海水主要從南側流出沙埕港。推測此現象的原因為春季東風的影響,由于春季風力較弱影響深度有限,故中下層的入流沒有此現象。

對于V分量,同樣有比較明顯的分層結構,入流為正值且集中在26.1628°—26.1643°N的中下層區域,等值線呈拱形,在北側邊界附近等值線較為密集,入流中心位于26.1638°N、深度15m水深附近區域,最大流速為0.05m/s,中心平均流速約為0.04m/s。南向出流為負值,主要位于中上層區域,在灣口斷面南側出流影響的垂向范圍最大,可直達底部,出流垂向范圍最小位于入流流核上部7m水深附近。出流流速較入流大,最大位于灣口斷面兩側的表層,為 0.1m/s,斷面中部表層流速較弱為 0.04m/s,垂直方向上流速基本呈從上到下逐漸減小的趨勢。出流與U方向表層出流類似,也有南側出流強于北側特點。

總體來說,在沙埕港灣口水道斷面,東南向流出沙埕港的海流主要集中在水道上層,約為 10m以淺的區域,而且具有較為明顯的出流偏向南側的現象,入流的位置主要位于水道的中下層區域,整個灣口斷面呈“底進表出”的結構。

為了更直觀的了解沙埕港灣口斷面的余流空間分布特征,本文給出了沿參考斷面的余流矢量的空間分布圖(圖5)。可以清楚地看到水道上層基本為東南向的出流,且出流流速和垂向深度自水道兩側向水道中心遞減,斷面中心表層區域入流幾乎為 0。除S10點附近受岸線影響出流方向接近180°外,其余區域絕大部分出流的方向為 130°左右,基本沿沙埕港灣口水道的主軸方向。至于中下層入流情況則略為復雜,位于斷面中部的大部分區域為西北向的入流,入流的方向大約為300°,基本與出流的方向相反,斷面北側 S9中下層區域受岸線影響入流方向約為 270°,北向余流分量近乎消失。斷面南側S1—S3站入流方向從 235°逐漸增大至 270°,結合沙埕港灣口南側的岸線可以發現灣口南側岸線有 1個指向西南方的小凹陷,故而造成入流略向南偏。整個斷面余流矢量隨深度順時針旋轉,轉流的深度自南向北逐漸變淺,27.1638N°表層出流近乎消失,后轉流深度開始增加,于S9站附近位置達到最大值,最大轉流深度為12m。S10站則因受水深較淺和北側岸線的影響,余流矢量不隨深度旋轉,全深度表現為偏南向流。

2.3 納潮量

圖5 灣口水道斷面余流垂向矢量圖Fig.5 The vertical vector of residual currents along transaction

其中tS和tE分別代表觀測的起始和結束時間,dt為觀測時間間隔,這里取走航一次的時間 12min;Zb表示觀測斷面的深度,dz為垂向單元的厚度,這里取為測層厚度 1m,Xall和Yall分別為觀測斷面沿東西和南北方向的長度。由于ADCP的自身特性,獲得的海流序列存在一定程度的表層和底層盲區;而受岸線和水深的影響,走航路線很難涵蓋整個灣口斷面,所以對于走航獲得的潮流序列,通常會存在底層、表層和斷面兩側的盲區。本次計算考慮了表層和底層的盲區的影響,使用相近層次的數據進行近似處理,由于缺少相應的觀測和歷史參考資料,本次計算未考慮斷面兩側盲區則。

從圖6可以看出,2006年4月28日16時—22時50分,進入沙埕港的海水體積為1.63×108m3,28日22時50分—次日4時15分,流出沙埕港的海水體積為1.57×108m3,而28日10時—16時,流出沙埕港的海水體積為1.71×108m3,為本次觀測時間段內最大值。走航觀測開始時(農歷四月初一),沙埕港海域正處于朔望大潮 ,故而通過斷面海流計算所得的納潮量表現出隨時間減小的現象。

圖6 沿斷面積分的累計水體體積Fig.6 Cumulative tidal flux integrated along transaction切線斜率為正值:流入灣內

3 結論

本文基于沿沙埕港灣口斷面走航獲得的 25h潮流序列,構建了S1—S10共10個標準點的等時間間隔連續海流數據。基于上述10個站點的海流序列對沙埕港灣口斷面的潮流特征,余流結構和納潮量進行了分析,結論如下:

1)沙埕港灣口水道海流主要以潮流為主,潮流的類型為正規半日潮流,潮流的方向基本沿灣口水道的主軸方向。結合附近的水位觀測進行潮流的分析對比可知,漲、落潮歷時均為6h左右,最大漲、落潮流出現在半潮面附近,高、低潮時潮流的流速最小。漲、落潮順序各層次基本一致,漲潮時中下層提前約30min轉流,落潮時表層提前30min轉流。

2)根據對各標準點海流數據的調和分析結果,沙埕港灣口水道潮流表現為十分明顯的半日潮流,主太陰半日分潮流 M2振幅最為顯著,最大分潮流可達0.73m/s,主太陽半日分潮流S2振幅次之,約為M2振幅的1/2略少。M2分潮流最大值位于沙埕港灣口水道斷面中部表層區域,沿斷面向兩側減小。整個斷面M2分潮流表現出較強的往復性,傾角為 100°—130°,基本沿水道主軸方向,只在靠近北側岸線的S10點附近表現出略強的旋轉性。S2分潮流的空間分布和 M2分潮流十分類似,其他的分潮流振幅很小但表現出更強的旋轉性。

3)觀測獲得的沙埕港灣口水道余流在垂向呈較為明顯的2層結構,上層基本以東南向出流為主,且出流流速和垂向深度自水道兩側向水道中心遞減,斷面中心表層區域入流幾乎為零,出流流速最大約為 0.1m/s,位于水道南側;中下層入流的情況較為復雜,大部分區域為西北向入流,南側區域受岸線影響入流方向在 235°—270°左右;余流矢量大都隨深度順時針旋轉,S10站附近受水深較淺和岸線的影響,余流方向接近180°。

4)對沙埕港納潮量的估計表明,通過走航觀測斷面進入沙埕港的潮通量約為1.63×108m3,因為計算未考慮兩側盲區部分對納潮量的貢獻,故而估算的納潮量應比真實的納潮量小。

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