南海北部流花海域海流特征分析*
——基于2013年冬季流花海域潛標ADCP資料

吳海京 閆慶勛 王愛梅 于 洋 朱友生 李 強 徐如彥

南海北部流花海域海流特征分析*
——基于2013年冬季流花海域潛標ADCP資料

吳海京1閆慶勛1王愛梅2于 洋1朱友生1李 強3徐如彥4

(1. 中海油田服務股份有限公司 天津 300459; 2. 國家海洋信息中心 天津 300171;3. 中海油研究總院 北京 100028; 4. 中國科學院海洋研究所 山東青島 266071)

利用2013年冬季在南海北部流花海域獲取的4個多月的潛標ADCP資料，分析了該海域的流速特征。觀測表明該海域內流向以西向流和西南向流為主，最大流速可達1.07 m/s。調和分析結果表明該海域正壓潮和斜壓潮均以全日潮流為主，正壓潮弱于斜壓潮；斜壓潮潮流在近表層和近底層較強，在250 m層最弱；潮流橢圓長軸方向隨水深發生旋轉，表層接近東—西方向，底層為東南—西北方向。通過對比同期的衛星高度計資料發現，較強的中尺度渦經過使該海域出現了2次持續性的偏東向異常強流，可能對整個海洋上層的流速和流向產生影響，進而影響鋼結構疲勞條件，建議平臺設計中應當予以關注。對潛標流速資料進行EOF分析發現，該海域存在較強的斜壓模態，斜壓流的存在使得海流可能在垂向上形成剪切，剪切力過大會對鉆井船或鉆井平臺作業產生較大危害，建議作業期間應密切關注流速剖面的變化。

南海流花海域；2013年冬季；潛標ADCP海流特征；正壓潮；斜壓潮；中尺度渦；斜壓模態

南海盛行東亞季風，夏、秋季節又伴有熱帶氣旋過境[1-3]，海域東部是太平洋與南海的唯一深水通道呂宋海峽，太平洋的潮汐系統和黑潮流系通過該通道向南海輸送能量和水體[4-7]。季風是南海環流的第一驅動因素，夏季在西南季風作用下南海上層主要為反氣旋環流所控制，而冬季在東北季風作用下基本上呈現為氣旋式環流。冬季在南海北部黑潮入侵南海的分支向西到達東沙群島南部后一分為二，一支繼續向西或西南流動，流速在0.31～0.46 m/s(不含潮流)，另一支則是在南海暖流向東北方向流動[8-9]。

季風、環流、層化的水體[10-11]以及復雜的海底地形等為海洋內波的發生提供了得天獨厚的條件，其中包括高頻隨機內波、低頻的內潮波以及孤立內波等[12]。海洋內波的最大振幅發生在海面以下，難以察覺，且發生速度快、周期短，往往會對鉆井平臺、海底油氣管道以及海上其他工程作業(如三維數字地震采集、地質鉆孔等)造成較大威脅，近年來吸引了眾多學者的興趣與關注[13-18]。

流花油田位于南海北部東沙群島以東珠江口盆地的中部隆起帶，該海域受內波影響最為明顯和頻繁，該海域的海流受內波的影響也存在許多獨特的特征。邱章 等[19]利用1996年在該海域附近獲取的近1個月的聲學多普勒海流剖面儀(ADCP)資料(位置見圖1右下圖中的黑色三角形)分析了斜壓海流的垂向結構，發現斜壓流存在顯著的日周期，斜壓流的橢圓長軸方向大致呈西北—東南方向；方文東 等[20]利用該資料重點討論了孤立內波引起的突發性強流的特征，分析發現該海域波致強流以向岸方向為主，且與大潮的發生存在一定的關系，觀測期間最大流速可達2 m/s，由于此次ADCP資料深度介于11～115 m之間，因此他們的研究主要集中于上層水體斜壓流的垂向結構；李俊德 等[21]利用在東沙群島西南海域300、500、1 000 m水深布放的3套近底錨系觀測了底層水溫和壓力變化，據此分析了陸坡區的正壓潮和內潮特征，由于沒有海流剖面觀測，因此只能依據對水溫和壓力資料進行調和分析和功率譜分析，以此確定正壓潮和內潮的主要分潮成分；石新剛 等[22]利用在東沙群島以東約100 km處(水深327 m，位置見圖1右下圖中黑色圓點)布放的潛標系統，分析了該海域的內孤立波特征，側重于孤立內波的形式、傳播速度與方向等；司廣成 等[23]利用在流花海域布放的長達9個月的錨定潛標資料(位置見圖1右下圖中黑色三角形)分析了該海域的正壓潮、內潮和余流情況，但是此次觀測ADCP資料集中于210 m以上水層(當地水深約400 m)，難以完全刻畫該海域全剖面的斜壓潮特征。

注：紅色矩形框為流花海域，紅色五角星為潛標位置，黑色三角形為文獻[18]中的資料位置，黑色正方形為文獻[21]中的資料位置，黑色圓點是文獻[22]中的資料位置；地形數據來源于美國地球物理數據中心發布的ETOPO數據。

圖1 南海地形圖

Fig .1 Topography of the South China Sea

筆者利用2013年在流花海域獲取的長達4個月的潛標ADCP資料對該海域冬季的海流剖面特征進行分析和探討，旨在增加對該海域海流變化特征的認識，為后期油田開發設計與現場施工提供參考依據。

1 數據資料收集

1.1 潛標資料

為獲取海流變化特征，為后期油田開發與設計提供基礎資料，于2013年11月24日在流花海域布放了一組座底式潛標[24]，測站坐標20.55°N，115.64°E，水深約410 m，并于2014年3月30日成功回收。潛標搭載了1臺LinkQuest公司產FlowQuest 150k型ADCP，座底向上觀測海流剖面的變化特征，觀測層厚16 m，觀測層數25層，采樣間隔20 min。通過對下載數據進行分析與質量控制，有效數據時間跨度為2013年11月24日—2014年3月28日，有效觀測層數22層，垂向覆蓋海面以下50～400 m。

1.2 衛星高度計資料

法國空間局AVISO衛星數據中心可以提供近實時的海面高度數據及延時全球海面高度數據和海表地轉流數據[25]。根據需要，筆者下載了與潛標觀測同期的衛星高度計資料，用于探討調查海域異常強流出現的原因。

2 流花海域海流特征分析

2.1 海流剖面特征

對ADCP采集的各層數據進行三點平滑處理，繪制了流花海域東西向流速(U)和南北向流速(V)剖面的時間序列變化(圖2)。從圖2可以看出，U和V整體呈現強弱交替的條帶狀分布，這主要是周期性的潮流信號；觀測期間U分量強于V分量，且上層流速強于下層流速。統計發現，觀測期間流花海域海流流向以西向和西南向為主，占比超過39%，各層最大流速均超過0.6 m/s，最大流速為1.07 m/s，出現在深度103 m。

圖2 流花海域海流剖面時序變化Fig .2 Time series of current profilers in Liuhua sea area

值得注意的是，2014的1月中下旬在200 m以上水層出現了較強的偏東、偏北的流速,對應圖2的紅色區域。東西向流速U,正值代表向東的流速，負值代表向西的流速；南北向的流速V,正值代表向北的流速，負值代表向南的流速。2013年11月底在120 m以上水層也出現了較強的偏東、偏北向流，但后者在強度和時空范圍上弱于前者。本文將主要分析2014年1月中下旬出現的持續強流產生的原因。

2.2 潮流特征

正壓流體是指流體內部任一點的壓力只是密度的函數的流體，若流體壓力不僅是密度的函數，而且還和其他熱力學參量(如溫度、鹽度等)有關，則稱為斜壓流體，因此正壓流體和斜壓流體的動力機制是不同的。為了更好地理解海洋內部的物理過程，海洋學家一般將海水的流動分解為正壓流和斜壓流兩部分單獨研究。本文采用文獻[26]中的觀點，即把深度平均的流動稱為正壓流部分，隨深度變化偏離平均流的部分稱為斜壓流部分。由于海水流動又可劃分為潮流和余流，因此本文將對正壓潮流與余流、斜壓潮流與余流分別進行分析。

根據上述定義，實測海流可以分解為正壓流和斜壓流。前者是實測海流的垂向平均，在進行平均之前，首先對原始數據進行帶通濾波，截止頻率為0.8f和3.5f(f為當地的慣性頻率)，這樣既可以保留潮流信號，又可過濾掉高頻震蕩和低頻變化趨勢[27]。

對正壓流進行調和分析，可分離出正壓潮流和正壓余流。流花海域正壓潮流曲線如圖3所示，可以看出，正壓潮流振幅較小，東西分量U和南北分量V均不足5 cm/s，U稍大于V。該海域正壓余流曲線見圖4，可以看出，流花海域的正壓余流以偏西、偏南為主，在2014年1月中下旬左右，U和V均出現了持續的正值。

利用上述正壓流東西分量U和南北分量V的調和分析結果，可以計算該海域正壓潮的潮流橢圓要素，在此選擇了4個主要分潮(全日分潮O1和K1，半日分潮M2和S2)，對應的潮流橢圓要素見表1。根據潮流橢圓要素，繪制了該海域正壓潮的潮流橢圓(圖5)。從圖5可以看出，O1、K1和M2的長軸長度相當，分別為1.80、1.60和1.78 cm，S2分潮長軸長度較短；O1、M2、S2分潮呈現逆時針方向旋轉，K1分潮呈現順時針方向旋轉；O1分潮呈現較強的旋轉流特征，長軸指向接近東北—西南方向，而K1、S2、M2分潮呈現較強的往復流特征，潮流流向接近東南—西北方向。

圖3 流花海域正壓潮流過程曲線Fig .3 Process curves of the barotropic tide in Liuhua sea area

圖4 流花海域正壓余流過程曲線Fig .4 Process curves of the barotropic residual tide in Liuhua sea area

將帶通濾波后的潛標ADCP各層海流數據減去正壓流，然后對各層進行調和分析，分離出斜壓的潮流和余流，各層的潮流橢圓隨深度變化而變化(圖6)。從圖6可以看出，海流的斜壓性導致每層的潮流橢圓隨水深發生旋轉，該海域的斜壓潮以全日分潮為主，O1分潮略弱于K1分潮；O1和K1分潮在80 m附近出現一次極大值，然后隨深度增加逐漸減小，到250m出現極小值，之后隨深度增加又顯著增強；K1分潮在50～70 m水深，長軸指向為東偏北—西偏南，接近東西走向，隨深度增加，潮流橢圓按順時針方向旋轉，長軸指向逐漸發展為東南—西北指向；O1分潮上層接近東—西走向，而在250 m以深，長軸指向與同深度K1分潮接近。另外，在觀測深度上，該海域O1和K1分潮長軸最大值出現在390 m水深，最大值分別接近12 cm和14 cm，明顯強于該處的正壓潮。

表1 流花海域主要分潮潮流橢圓要素表Table 1 Elliptic elements of the main tidal constituents current in Liuhua sea area

圖5 流花海域主要分潮正壓潮流橢圓(灰色陰影代表 對應分潮旋轉方向為順時針，無陰影代表逆時針旋轉)Fig .5 Barotropic tidal ellipses of the main tidal constituents in Liuhua sea area(gray shading represents that the corresponding tidal constituent current rotates clockwise, no shading represents counterclockwise)

圖6 流花海域主要分潮斜壓潮流橢圓(灰色陰影代表對應 分潮旋轉方向為順時針，無陰影代表逆時針旋轉)Fig .6 Baroclinic tidal ellipses of the main tidal constituents in Liuhua sea area(gray shading represents that the corresponding tidal constituent current rotates clockwise, no shading represents counterclockwise)

2.3 異常余流特征

流花海域的斜壓余流剖面見圖7，可以看出，100 m附近水深的余流以偏西向流為主，這與觀測期間南海海域盛行的東北季風一致，但在2013年11月底以及2014年1月中下旬出現了偏東的異常流，最大余流接近40 cm/s；200 m附近水深的斜壓余流在觀測期間都很小；300 m附近水深斜壓余流以偏東向流為主，但在2013年11月底和2014年1月中下旬也出現了與上層相反的偏西向流動。

中尺度渦是海洋中直徑在50～500 km，壽命長達幾天到幾百天的巨大渦旋，中尺度渦影響范圍內的海流沿著等高度線作順時針或逆時針旋轉。在北半球，氣旋型渦旋中心海面高度低、四周高，伴隨著海水在水平方向作逆時針運動，中心海水自下向上運動，攜帶下層較冷的海水進入上層，導致海表中尺度渦中心較冷，因此又叫冷渦；反之，反氣旋型渦旋又叫暖渦[28]。已有的水文資料和衛星高度計資料均顯示南海有著相當活躍的中尺度渦現象。衛星高度計資料具有較好的空間覆蓋率、準同步性和時間連續性，已經被廣泛應用于識別中尺度渦[29-31]。陳更新[28]基于17年(1992年10月—2009年10月)的高度計資料在南海共識別了434個反氣旋渦和393個氣旋渦，它們主要產生在南海的東北—西南對角線上和呂宋島西南海域，渦旋的平均半徑是132 km，平均生命周期為8.8周。南海北部的渦旋主要沿陸架向西南方向傳播，傳播速度約為5.0～9.0 cm/s。

圖7 流花海域斜壓余流剖面的時間演變Fig .7 Time series of baroclinic residual current profiles in Liuhua sea area

通過查閱同期衛星高度計資料，發現流花海域在2014年1月中下旬有一個強烈的中尺度渦過境。如圖8所示，1月4日，在流花海域以東存在一處明顯的、海平面高于四周的區域(暖渦)，為便于描述，選取-0.18 m等值線圍成的閉合區域為該暖渦。2014年1月10日，該暖渦開始影響流花海域，在科氏力作用下暖渦附近海水沿海面高度等值線順時針旋轉，受此影響，至1月24日，海流以東偏北為主；1月25日—2月1日，海流以東偏南為主，之后該暖渦漸漸遠離測站位置。

為了更好地說明該暖渦對流花海域海流的影響，對比了觀測期間ADCP記錄的56m層的流速和衛星高度計資料反演的海表地轉流的過程曲線，見圖9。可以看出，觀測期間潛標資料與海表地轉流流速大小和方向曲線吻合較好，特別是在2014年1月中下旬，實測海流流向與地轉流的流向變化趨勢基本一致，由偏東方向逆時針旋轉，逐漸變為偏西向流，這說明觀測期間出現的偏西向余流主要是由于中尺度渦過境引起的。研究表明[28]，南海北部的中尺度渦主要是由黑潮通過呂宋海峽入侵南海過程中以“流套”形式脫落產生的。通過追溯中尺度渦的產生和傳播過程發現，此次過境的暖渦是2013年11月11日左右黑潮入侵時產生的，然后向西不斷傳播，影響流花海域。衛星資料顯示，2013年11月底和12月初流花海域也經歷了一次暖渦過境，只不過這個暖渦空間尺度較小，持續時間較短。

表2統計了2014年1月中下旬中尺度渦過境期間流花海域不同層次出現的最大流速，可以看出，最大流速為0.86 m/s，出現在水深103 m，這說明中尺度渦對流速的影響在垂向上存在差異，此次中尺度渦最大影響深度可達200 m。另外，中尺度渦過境在流花海域并非個例，司廣成 等[23]就曾發現2009年2—3月期間有一次中尺度渦影響流花海域。由于中尺度渦會帶來海洋上層在短期內出現不同于潮流的沿特色方向的持續性強流，這會對鋼結構的疲勞產生一定影響，在海上平臺設計中應給予關注。

圖8 觀測期間流花海域周圍海域海面高度異常隨時間的變化(五角星為本次觀測站位，暖色調代表海面高度異常， 冷色調代表負的海面高度異常，黑色實線為-0.18 m等值線)Fig .8 Spatial and temporal variation of sea surface height (SSH) near the subsurface mooring site during the observation in Liuhua sea area (pentagram indicates the position of the subsurface mooring site, warm color represents higher SSH and cold color represents lower SSH, black line represents the contours with -0.18 m)

注：藍線代表流速，紅線代表流向,實線為潛標ADCP資料，虛線為衛星資料反演得到的海表地轉流。

圖9 流花海域潛標ADCP 56 m層與衛星觀測得到的海表 地轉流流速與流向對比 Fig .9 Comparison between the current records in the 56 m depth from the subsurface mooring ADCP and the geostrophic current from the satellite altimeter data in Liuhua sea area 表2 中尺度渦過境期間流花海域不同深度出現的 最大流速Table 2 Maximum current in different depths during the passage of the mesoscale eddy in Liuhua sea area

2.4 垂向模態特征

經驗正交函數(EOF)分析方法在20世紀50年代被引入氣象和氣候研究，現在在地學及其他學科中均得到了廣泛應用。為了分析流花海域海流的垂向模態，利用EOF對去除潮流信號的流速U進行了分解。圖10、11分別展示了流花海域前5個模態的流速垂向分布和時間系數，圖12為該海域前5個EOF模態時間系數的功率譜。

圖10 流花海域流速U分量前5個模態的垂向分布Fig .10 Vertical distribution of the first five modes of Uin Liuhua sea area

圖11 流花海域流速U分量前5個模態的時間系數Fig .11 Time coefficients of the first five modes of Uin Liuhua sea area

圖12 流花海域流速U分量前5個模態時間系數的功率譜Fig .12 Spatial modes of the first five component of Uin Liuhua sea area

該海域EOF第1模態對流速U的貢獻率達46.4%，流速在垂向上均為正數(對應流速的正壓模態)，對應時間系數以周日變化為主，對應的譜峰周期有2個，分別為23.9 h和25.9 h，對應K1分潮和O1分潮(K1分湖和O1分湖周期分別為23.93 h和25.82 h左右[32])，半日周期功率譜較弱，但也對應2個峰值，分別為M2和S2分潮[32]。整體上看，EOF第1模態的時間系數與正壓余流變化存在較好的相關性，大部分時間為負值，2014年1月中下旬出現正值，分析認為這是由于該時期暖渦過境引起的。EOF第2模態對流速U的貢獻率為28.5%，流速在垂向上存在方向變化(第2模態及更高模態對應流速的斜壓模態)，發生轉變的水深約在200 m(流速在200 m以上的為正值，以下的為負值)，對應時間系數以日周期變化為主。第3模態對流速U的貢獻率為10.8%，時間系數也以周日變化為主，流速在垂向上發生2次方向變化。以上3個模態對流速U的貢獻率合計為85.7%，后2個模態貢獻率較小，能量主要分布在1.0～1.5 d的周期范圍內，流速在垂向上發生方向變化次數分別為3次和4次。

同理，對流花海域海流流速V進行EOF分解得到的垂向模態和時間系數與流速U類似，能量主要集中在全日周期。

由此可見，流花海域內去除潮流信號的海流中仍存在較強的斜壓模態。斜壓模態的存在會使流花海域流速在垂向上發生剪切(流速發生反向)，這種流速剪切對于海上工程作業，如鉆井船或鉆井平臺的鉆井作業存在較大危險，作業期間應予以密切關注。

3 結論及建議

1) 2013年冬季南海北部流花海域內流向以西向流和西南向流為主，最大流速可達1.07 m/s。該海域內正壓潮和斜壓潮均以全日潮流為主，正壓潮弱于斜壓潮；斜壓潮潮流在近表層和近底層較強，在250 m層最弱；潮流橢圓長軸方向隨水深發生旋轉，表層接近東—西方向，底層為東南—西北方向。

2) 南海北部流花海域的上層海流在2013年11月底和2014年1月中下旬出現了持續性的偏東向異常強流，通過對比同期的衛星高度計資料發現這是由于該段時間內有中尺度渦經過。較強的中尺度渦過程可能對該海域整個海洋上層的流速和流向產生影響，進而影響平臺設計中的鋼鐵疲勞條件，因此建議平臺設計中應當予以關注。

3) 對潛標流速資料進行EOF分析發現，南海北部流花海域存在較強的斜壓模態。斜壓流的存在使得海流可能在垂向上形成剪切，剪切力過大會對鉆井船或鉆井平臺作業產生較大危害，因此建議作業期間應密切關注流速剖面的變化。

致謝：感謝“海洋石油709”船全體作業成員在潛標布放和回收期間付出的努力。

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(編輯：葉秋敏)

Analysis of current characteristics in Liuhua area in northern South China Sea: based on the mooring ADCP data in the winter of 2013

WU Haijing1YAN Qingxun1WANG Aimei2YU Yang1ZHU Yousheng1LI Qiang3XU Ruyan4

(1.COSL，Tianjin300459,China; 2.NationalMarineDataandInformationService,Tianjin300171,China; 3.CNOOCResearchInstitute,Beijing100028,China; 4.InstituteofOceanology,ChineseAcademyofSciences,Qingdao,Shandong266071,China)

The current characteristics were analyzed based on the records of 4-month current data in Liuhua area in northern South China Sea. Observations show that the main current directions in this area are west and southwest, and the maximal current velocity is 1.07 m/s. Harmonic analysis indicates that the barotropic and baroclinic tides are both dominated by diurnal tide, and the barotropic tide is weaker than the baroclinic tide; the latter is stronger in the near surface layer and bottom layer, and is the weakest in the 250 m layer; the tidal ellipses’ long axis rotates with depth: it is nearly in the direction of west-east in the upper layer and in the direction of northwest-southeast near the bottom. By comparison of the satellite altimeter data in the same period with the mooring data, it is found that 2 processes of strong mesoscale eddies are attributed to the abnormal eastward strong current in the upper layer of the area; the mesoscale eddy may affect both the velocity and direction of the current in the whole upper layer of the ocean, which in turn may affect the fatigue conditions of steel structures. Consequently it is advised that this affect should be considered in the platform design. The empirical orthogonal function (EOF) is used in the mooring current data, and the result also shows that the current in this area exhibits stronger baroclinic mode which may make the currents in the different layers form shear. Close attention should be paid to this current shear in the marine engineering construction because excessive current shear would be very dangerous to the operations of drilling ships or platforms.

Liuhua area in South China Sea; winter of 2013; mooring ADCP current characteristic; barotropic tide; baroclinic tide; mesoscale eddy; baroclinic mode

*中海油田服務股份有限公司科研項目“深水潛標系統的研發與應用(編號：E-23162018)”部分研究成果。

吳海京，男，工程師，2006年畢業于中國石油大學(北京)，現主要從事海洋工程勘察工作。地址：天津市塘沽海洋高新技術開發區海川路1581號(郵編：300459)。E-mail：wuhj4@cosl.com.cn。

1673-1506(2017)03-0122-09

10.11935/j.issn.1673-1506.2017.03.20

P731.21

A

2016-10-21 改回日期：2017-01-24

吳海京,閆慶勛,王愛梅，等.南海北部流花海域海流特征分析——基于2013年冬季流花海域潛標ADCP資料[J].中國海上油氣，2017,29(3)：122-130.WU Haijing,YAN Qingxun,WANG Aimei，et al.Analysis of current characteristics in Liuhua area in northern South China Sea:based on the mooring ADCP data in the winter of 2013[J].China Offshore Oil and Gas,2017,29(3):122-130.