基于海床基觀測資料的遼東灣東部海流特征研究

趙 騫，陳 超，丁德文，陳偉斌

(1. 國家海洋環境監測中心，遼寧 大連 116023；2.國家海洋局第一海洋研究所，山東 青島 266061；3. 上海海洋大學 海洋科學學院，上海 201306)

基于海床基觀測資料的遼東灣東部海流特征研究

趙 騫1,2，陳 超3,1，丁德文2，陳偉斌1

(1. 國家海洋環境監測中心，遼寧 大連 116023；2.國家海洋局第一海洋研究所，山東 青島 266061；3. 上海海洋大學 海洋科學學院，上海 201306)

基于海床基觀測平臺，對2010年秋季遼東灣東部海域的海流開展連續觀測，并運用譜分析和調和分析方法對該海域的潮流和余流特征進行研究。結果表明：遼東灣東北部潮流屬于規則半日潮流；而中東部和東南部兩站潮流屬于不規則半日潮流。三個站位優勢分潮流均為M2分潮，并呈往復流特征；其最大流速介于38～55 cm/s之間，流向為東北-西南，最大流速發生時刻隨深度增加而提前。最大可能潮流流速介于91～142 cm/s，流向與岸線走向大致平行。秋季遼東灣東部沿岸余流整體較弱，流向以西南向為主，從北往南三站余流流速分別約為3～5 cm/s，3 cm/s和2～5.5 cm/s。

遼東灣；譜分析；潮流；余流；海床基

Abstract: Based on the seabed based platform, we continuously observed ocean current, and then analyzed characteristics of tidal and residual currents by means of spectral and harmonic analysis in the east of Liaodong Bay in the autumn of 2010. The results showed that the tidal current in the northeast of Liaodong Bay was a regular semidiurnal one, while the tidal current in the mid-east as well as at the eastern part of the bay mouth was irregular semidiurnal; the dominant tidal current constituent was M2which flowed rectilinearly in the direction of northeast-southwest with the maximum speed of 38～55 cm/s; the moment of maximum M2tidal current was advanced with depth; the maximum possible velocity of tidal current ranged from 91 cm/s to 142 cm/s, and the direction paralleled to the coastline approximately; and the residual current was feeble in the eastern area of Liaodong Bay and mainly directed southwestward, with the typical velocity of 3～5cm/s, 3 cm/s and 2～5.5 cm/s from north to south, respectively.

Keywords: Liaodong Bay; spectral analysis; tidal current; residual current; seabed based platform

遼東灣是渤海的三大海灣之一，面積約3.6×104km2，灣口以河北大清河口至遼東半島西南端的老鐵山岬連線為界。遼東灣內海流主要由潮流、入海徑流和風海流組成，且存在季節性的環流系統[1]。趙保仁等[2]基于普查資料的再分析認為，調查期間遼東灣環流除1959年表現為逆時針形態外，其他時間均表現為順時針流動特征。此后，研究人員基于現場觀測對遼東灣局部海域的水動力特征進行了研究[3-6]，并利用投放人工水母的辦法初步估算了渤海及遼東灣底層環流的特征[7]。在觀測基礎上，科研人員也基于數值模擬技術對遼東灣的海流特征及機制進行了研究[8-11]，并認為遼東灣的環流具有顯著的季節性特征。上述工作為我們進一步認識遼東灣的海流及其它水動力特征打下了良好的基礎。但由于缺乏長期連續的實測資料，針對遼東灣冬夏季的環流特征尚未達成一致觀點，對秋春季的環流研究還未開展。

遼東灣東部海域位于遼東半島西側，沿岸有大清河、熊岳河、復州河和鞍子河等徑流匯入，是遼東灣與黃海進行水交換的重要通道[12]。這里利用海床基平臺，在對秋季遼東灣東部代表性站點長期同步觀測的基礎上，利用譜分析和調和分析的方法對該海域的潮流、余流特征進行了研究，并估算了調查期間遼東灣環流的形態。通過該研究，不僅有助于豐富對遼東灣及渤海環流的認識，也可為遼東灣沿岸海洋環境綜合防治提供科學依據。

圖1 海床基平臺位置Fig. 1 Location of seabed based platform

1 資料與方法

觀測資料來源于2010年秋季投放于該海域東北部、中東部和東南部的三個海床基平臺(站名分別以A、B、C表示，如圖1所示)，各平臺均配置一臺ADCP以獲取海流剖面，觀測對象、儀器(型號)、采樣間隔和局地水深等信息如表 1所示。鑒于ADCP上盲區、海平面起伏及海浪效應對海洋上層流動的影響，文中的觀測剖面表層取為海平面以下約4 m處。此外，A、B、C三站的觀測剖面底層分別設置為距換能器1.9 m、1.9 m和2.1 m，考慮到ADCP換能器距海底約0.5 m，因此，三站觀測剖面底層的實際高度分別為距海底2.4 m、2.4 m和2.6 m。對所采集的原始數據進行質量控制后，選取2010年10月1日至11月30日時間段的同步觀測資料來研究各站的潮流和余流特征。

利用Pawlowicz等[13]提供的T_TIDE程序包對潮流進行分析，該程序用調和分析方法來計算海流時間序列中包含的周期性潮流成分。它的優點包括：根據觀測時間計算交點因子；對因資料長度限制而無法分離的次要分潮，可通過它們和主要分潮的差比關系將其分離；對計算所得的分潮作顯著性檢驗；計算出各分潮流的橢圓要素，如長軸、短軸、旋轉率、最大流速方向和遲角等。文中使用的功率譜估計是非參數化方法中較為常用的韋爾奇(Welch)方法，該方法通過除以樣本長度，確保估計值是漸進無偏的。

表1 觀測站位背景信息Tab. 1 Background information of observation stations

2 結果分析

2.1 潮流

2.1.1 海流旋轉譜

海流旋轉譜可分為順時針譜和逆時針譜，它們分別反映了海流順時針和逆時針旋轉分矢量的能量分布情況。從各站表、中、底層的旋轉譜(圖2)可以看出，頻率為0.08 cph附近的海流波動信號最強，對應著半日分潮流。各站表層半日分潮流的順時針旋轉波動信號均略強于逆時針旋轉波動信號，表明表層半日分潮流按順時針方向旋轉；中層，C站半日分潮流呈順時針方向旋轉，其余兩站呈逆時針方向旋轉；底層半日分潮流均按逆時針方向旋轉。此外，頻率為0.04 cph附近的波動信號亦較強，對應全日分潮流。A站和B站表、中、底三層全日分潮流均為順時針方向旋轉；C站表層和中層全日分潮流呈順時針旋轉，底層則呈逆時針旋轉。此外，圖中所示的逆時針和順時針旋轉譜均未表現出顯著的慣性周期譜鋒，主要是由于研究海域水深較淺且離岸較近，海流運動受科氏力的影響不明顯。

圖2 海流旋轉譜Fig. 2 Rotational spectrum of current

2.1.2 橢圓要素的垂向分布

利用T_TIDE程序包計算潮流東分量和北分量的調和常數，并在此基礎上計算潮流橢圓要素。從各分潮流的調和常數中可以看出，最顯著的半日分潮流為M2分潮流，最顯著的全日分潮流為K1分潮流，據此文中給出遼東灣東部各站M2、K1分潮流的最大流速、旋轉率、最大流速方向和最大流速發生時間的垂向分布(圖3、圖4)。

圖3 M2分潮流橢圓要素Fig. 3 Ellipse elements of M2 tidal current component

圖4 K1分潮流橢圓要素Fig. 4 Ellipse elements of K1 tidal current component

如圖3、4所示，A、B、C三站M2分潮流流速范圍分別為43～54 cm/s、43～55 cm/s 、38～54 cm/s。A站和C站M2分潮流流速的最大值都出現在表層，最小值出現在底層；B站流速的最大值則出現在表層以下的7 m處，流速最小值同樣位于底層。三站流速最大值近乎相同，且靠近底部部分的流速基本呈指數變化，越靠近海底流速越小，這是由于海底摩擦作用的結果。A、B、C三站K1分潮流最大流速范圍為8.5～9.8 cm/s、11.5～16.3 cm/s 、16.1～26.8 cm/s，可以看出越靠近遼東灣口最大流速越大。各站最大流速垂直變化情況同與之對應的M2分潮流最大流速變化趨勢相似，A站和C站的最大值出現在表層，B站的最大值出現在6 m層，從最大值所在水層往下，最大流速隨深度增加逐漸減小。

旋轉率k又稱之為橢圓率，是潮流運動形式的反映。當k>0時，潮流呈逆時針方向旋轉；反之則呈順時針方向旋轉。三站M2分潮流的旋轉率介于-0.04～0.06之間，隨深度增加而增大。A站表層至7 m層呈順時針方向旋轉，7 m層以下則呈逆時針方向旋轉；B站表層至6 m層呈順時針方向旋轉，6 m層以下呈逆時針方向旋轉；C站表層至24 m層呈現順時針方向旋轉，24 m層以下則轉為逆時針方向旋轉。K1分潮流旋轉率的垂向變化較為復雜，A站和B站各層均呈順時針方向旋轉；C站18 m層以上呈順時針方向旋轉，18 m層以下則呈逆時針方向旋轉。三站旋轉率隨深度增加均呈現增大的趨勢。Qiao等[5]的研究認為遼東灣頂部M2分潮流表層和底層均呈逆時針方向旋轉，K1分潮流表層為順時針方向旋轉，而底層為逆時針方向旋轉，這與本文研究結果有所不同。除了觀測位置不完全一致外，其可能原因是兩者海流觀測方式及數據長度不同，前者基于船載海流計觀測，觀測時間為1周左右；而本文基于坐底式ADCP觀測且持續兩月，因此導致數據分析結果有所不同。研究表明，如果上層潮流是逆時針方向旋轉的，則隨深度增加旋轉率將變大，即橢圓將越來越圓；如果上層潮流是順時針方向旋轉，則下層的潮流橢圓將變扁，甚至可能變成逆時針旋轉[13]，文中各站旋轉率的變化趨勢均符合上述觀點。

A、C兩站M2分潮流最大流速方向隨深度增加向右偏，底層比表層分別右偏約1.7°、1.8°；而B站自7 m以下最大流速方向隨深度增加向左偏，底層比表層左偏1.2°。A、C兩站K1分潮流最大流速方向隨深度增加向左偏，底層相對表層分別左偏5.2°和8.4°；而B站僅7 m層以下最大流速方向隨深度增加呈左偏趨勢，底層與7 m層相比左偏約2.2°。方國洪[14]的研究認為，分潮流最大流速方向的垂向變化取決于分潮角頻率σ和科氏參量f。當σ>f時，變動較小；當σf的條件，各站最大流速方向的垂向分布規律不盡相同，但總體上變化幅度較小；K1分潮流滿足σ

M2分潮流最大流速發生時間的垂向分布趨勢在各站大致相同，即隨深度增加發生時間提前，底層最大流速發生時間比表層提前15～30 min。A站和C站K1分潮流最大流速發生時間的變化與M2分潮流相比變化較小，B站最大流速發生時間從上到下先延后然后又提前。方國洪[14]指出最大流速發生時間的垂向變化也決定于σ和f的相對大小，當σ>f時，隨著接近海底時間提前，當σ

2.1.3 潮流類型

潮流類型通常是以全日、半日分潮流最大流速的比值F=(WO1+WK1)/WM2作為判別指標[15]。F≤0.5為規則半日潮流，0.54.0為規則全日潮流。另外，文中還通過計算G=(WM4+WMS4)/WM2的大小來衡量淺水分潮流在總潮流中的影響，當G>0.04時認為淺水分潮比較顯著。三個沿岸站點F，G值的垂向分布如圖5所示，可以看出，A站各層的F值在0.31～0.33之間，其潮流類型屬于規則半日潮流；B站、C站各層的F值分別介于0.53～0.60及0.77～0.91之間，潮流類型屬于不規則半日潮流。A站各層G值在0.05～0.06之間，淺水分潮較為顯著；B、C兩站的G值范圍為0.016～0.04，淺水分潮不顯著。上述計算結果表明，在遼東灣東部海域，越靠近灣頂半日分潮流在潮流中所占的比重越大，這與Qiao等[5]的研究結果一致；此外，由于靠近灣頂水深變淺，潮流的淺水效應逐步顯著。

2.1.4 最大可能潮流

根據《海港水文規范》[16]，最大可能潮流采用公式：

及

進行計算。對于規則半日潮流區，采用式(1)計算；對于不規則半日潮流區，則首先按式(1)、(2)分別計算，然后取兩者中的大值作為最大可能潮流。從圖6可以看出，三個站位最大可能潮流流速的分布特征與上述M2、K1分潮流最大流速的特征基本相同，即A站和C站最大值都出現在表層，B站最大值出現在7 m層，最大值以下流速隨深度的增加而減小，至底層流速達到最小。其中，A、C兩站表層和底層的最大可能潮流流速分別為111.64 cm/s、91.79 cm/s及142.50 m/s、92.15 cm/s；B站7 m層和底層最大可能潮流流速分別為124.19 cm/s和97.30 cm/s。各站最大可能潮流流向整體變化幅度較小，除B站7 m以上水層外，其余水層均呈現隨深度增加而減小的趨勢，A、C兩站底層比表層分別左偏0.51°和2.69°；B站底層比7 m層左偏約1.7°。由計算結果可知，三個站位最大可能潮流流速均大于90 cm/s，屬于強潮流區；流向整體變化較小，表現出與岸線近乎平行的特征。

圖5 潮流性質判據Fig. 5 Criteria of tidal current property

圖6 最大可能潮流Fig. 6 Maximum probable tidal current

2.2 余流

余流是海水的定常運動，它對水體及污染物的長期輸運具有重要意義。將實測海流減去周期性潮流部分，獲得余流的時間序列；然后將其在觀測時段內取平均，從而得到2010年秋季遼東灣東部沿岸3個站點的平均余流(圖7)。從圖中可以看出，受岸線和地形影響，遼東灣東北部余流的垂向分布特征較為復雜，表層余流流速約為4 cm/s，流向為西南向；隨著深度的增加，流速至中層逐漸減小至3 cm/s，流向由表層的247.2°逆時針旋轉至中層的203.2°；中層以下流速維持在3 cm/s，流向由西南向逆時針旋轉為東南向，呈向岸流動的特征。中東部余流流速介于2～3 cm/s之間，最大流速出現在7米水層；流向在垂向上均為西南向。西南部表層余流流速約為5 cm/s，隨著深度的增加，流速先增大后減小，在18 m層附近流速達到最大，約為5.5 cm/s，18 m層以下流速開始逐漸減小，至底層流速達到最小約為2.0 cm/s；流向在垂向各層均為西南向。上述觀測結果表明：秋季遼東灣東部沿岸的余流較弱，流速在2～5.5 cm/s之間；流向除東北部中層以下及中東部表層外，其余部分均為西南向，表現出與遼東灣東部岸線平行的特征。由此可進一步推斷遼東灣秋季環流具有順時針流動的特征，這與趙保仁等[2]和吳冠等[4]的研究結論較為符合。

圖7 余流的垂向分布Fig. 7 Vertical distribution of residual current

3 結 語

利用海床基觀測平臺，獲得2010年秋季遼東灣東部沿岸的水動力連續觀測資料，在此基礎上對該海域的潮流、余流特征進行研究，主要結論如下：

1)三個站位M2分潮流最大流速介于38～55 cm/s之間，A、C兩站最大值出現在表層，B站出現在7 m層，流向垂向變幅在2°以內；最大流速發生時刻隨深度增加而提前，底層比表層提前約15～30 min。東部沿岸潮流均屬于往復流，漲、落潮流的方向與遼東灣東岸岸線走向一致。最大可能潮流流速介于91～142 cm/s之間，流向與岸線走向大致平行。

2)A站潮流屬于規則半日潮流，淺水分潮較為顯著；B、C兩站潮流屬于不規則半日潮流，淺水分潮不顯著。

3)秋季，遼東灣東部沿岸的余流整體較弱。其中，東北部余流流速為3～5 cm/s，流向由表層的西南向逆時針旋轉至底層的東南向；中東部余流流速為3 cm/s，流向除表層外，其余各層均為西南向；西南部余流流速介于2～5.5 cm/s之間，流向均為西南向。由此可推斷秋季遼東灣環流具有順時針流動的特征。

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Study on coastal current characteristics in the eastern area of Liaodong Bay based on the observed data from seabed based platform

ZHAO Qian1,2， CHEN Chao3,1， DING Dewen2， CHEN Weibin1

(1. National Marine Environmental Monitoring Center, Dalian 116023, China; 2. The First Institute of Oceanography, State Oceanic Administration, Qingdao 266061, China; 3. Shanghai Ocean University, College of Marine Science, Shanghai 201306, China)

1005-9865(2016)04-0118-07

P731.21

A

10.16483/j.issn.1005-9865.2016.04.016

2015-09-30

海洋公益性行業科研專項(200905007，201305043)；國家海洋局環保項目“渤海環境立體監測和動態評價專項”

趙 騫(1978-)，男，江蘇蘇州人，副研究員，從事近海環境動力學研究。E-mail：qzhao@nmemc.org.cn