基于高頻地波雷達觀測的連云港近岸海表流時空特征分析

張文雅，潘廣維，丘仲鋒，任 磊,3*，徐 青

(1.中山大學海洋工程與技術學院，廣東 珠海 519082；2.南京信息工程大學，江蘇 南京 210044；3.南方海洋科學與工程廣東省實驗室(珠海)，廣東 珠海 519082；4.河海大學海洋學院，江蘇 南京 210098)

海流是影響近岸動力過程、地形地貌形成與演變及物質輸移最為重要的因素之一，且與海上軍事活動、海洋能源的開采與保護、海洋漁業、港口經濟等人類活動關系密切。位于江蘇的連云港是中國長江三角洲的重要區域性港口，也是中國海洋運輸與內河運輸體系的重要樞紐，因此，對該區域近岸海流時空特征的研究具有重要的意義。

現有研究主要可分為基于實測數據進行分析和數值模擬2種[1-6]。前者多是基于單一站點或局部區域(浮標、潮位站、ADCP等)的實測海流數據進行分析，其對大面積區域海流的觀測與分析探討甚少，后者可以對大面積區域海流進行分析，但多是采用SWAN、FVCOM、WAM Ⅲ等海洋模型進行數值模擬，因模型中的同化與近似處理，導致其模擬結果與實際有一定的差異。若要精確地分析大面積區域的潮流特征不能僅依靠物理模型的模擬，還需要獲取該地區的海表流矢量場實測數據進行進一步分析，而高頻地波雷達作為一種新型的海洋流場動力觀測技術，它不僅能夠長時段、連續地、大范圍獲取風、浪、流場信息，而且具有在異常海面氣象繼續觀測的能力，這是傳統觀測手段難以實現的[7]。經過半個多世紀的發展，高頻地波雷達已成為海洋監測最有效、可靠和經濟的工具[8-10]。因此，本文運用岸基高頻地波雷達系統獲取的長周期數據對連云港近岸區域海表流時空特征進行分析。

1 研究區域介紹

1.1 地理位置

黃海以成山頭—白翎島為界分為南黃海和北黃海，南黃海面積約為30.94萬km2，平均水深為46 m，最大水深為144 m，陸緣深槽為界的西部平均坡度為00°00′50″[11]。

連云港近岸海域是一個位于南黃海西部的開敞性海灣，北側為海州灣，南側為連云港南部區域，由于處于近海地區，水深較淺，有海岸的阻擋作用，外海逆時針旋轉潮波傳入后會呈現出強烈的非線性特征，潮差較大[4]。

連云港沿岸區域的OSMAR-S型便攜式高頻地波雷達觀測系統可實時監測到二維海表流矢量場的信息，最大探測探測距離為200 km，其空間覆蓋范圍為119.64°E～120.63°E，34.38°N～34.98°N(圖1)，形成一個34×21的空間網格，監測時間段為2017年6月至2019年12月，其方位角分辨率為3°，測流精度為7 cm/s，其空間分辨率為0.03°×0.03°(3 km×3 km)，時間分辨率為20 min[12]。

圖1 連云港海域示意

1.2 地形特征

高頻地波雷達分布的區域水深在0～26 m之間，北側與海州灣相連，南側與連云港南部水域相接，在南側與陸地部分的廢棄黃河口三角洲相接壤，由于天然優勢，該地的淤泥質充分淤積成為水下淺灘，連云港因此成為一個優良的深水港灣。在水深為0～10 m的海域，等深線與岸線平行，坡度較緩，其中水深在5～10 m范圍稱為陸架谷，在10 m水深處是陸架谷的頂部；在水深為10～20 m的海域，等深線基本與海岸線平行，在120.05°E～120.50°E，34.76°N～34.81°N的海域等深線分布密集，坡度急速下降；中水深大于20 m的海域，坡度再次變緩，但會存在深潭[13]。另外，在高頻地波雷達分布區域的南側水域，廣泛分布著十分特殊的輻射沙洲地形，含有明沙暗脊和潮汐水道，形態錯綜復雜，會對研究區域地形的演變有一定的影響[6]。

1.3 水文氣象

研究區域水文氣象復雜多變，其海流變化主要受潮汐、風應力及波浪等影響。其水文氣象要素特征如下。

1.3.1潮汐潮流

連云港近岸海域的潮波動力來源是北部海州灣海域，潮流自北向南流動，且形成較大潮差，平均為3.29 m，最大能達到6.48 m[14]。該區域的潮流類型為典型的規則半日潮流，近岸海域以往復流為主，離岸呈現往復流轉變為旋轉流的趨勢。另外，該區域的潮流特征與其空間分布有密切聯系，南北海域差異較大。主要體現在流速大小、流速方向、漲潮歷時和往復性強弱：①在漲潮階段，海州灣區域的流向為西南，連云港南部區域的流向為東南，在落潮階段，海州灣區域的流向為東北，連云港南部區域的流向為西北，2個區域的流向基本呈現垂直關系；②海州灣區域的流速大于連云港南部區域流速；③海州灣區域的漲潮歷時大于連云港南部區域漲潮歷時；④海州灣區域的往復性比連云港南部區域更強烈。其中，②、③體現出了海州灣區域的潮動力在漲潮時占主要優勢[4]。

1.3.2風

連云港近岸區域位于北半球的中緯度地區，位于太平洋西部，是中國典型的東亞季風區[15]，深受溫帶季風和季風濕潤氣候影響；海陸風尤為盛行，風向表現為冬季為偏北風，夏季為偏東南風。由于海陸性質差異，該地的風速大小、風向和持續時間、影響范圍都會受到海洋的影響，呈現強烈的海洋性特征。

1.3.3波浪

張存勇[13]認為研究區域波浪的主要驅動因素為風應力，連云港近岸區域的波浪與風具有明顯的相關性。因為風具有明顯的季節變化特征，所以在風的作用下，波浪在浪向上也存在明顯的季節性特征，表現為常浪向在春、夏、秋、冬4個季節分別為東北、東和東北、東北、東北偏北。

2 高頻地波雷達觀測系統

2.1 工作機理

高頻地波雷達系統的工作原理是利用短波(3～30 MHz)在導電海表面傳播的過程中衰減率小、繞射性好的特點，采用垂直極化天線輻射電波使電磁波可以在彎曲地表面上遠距離傳播，即實現超視探測海面動力特征[10]。高頻地波雷達通過Bragg散射原理通過反演海面反射的回波獲取海況信息，由于海面的變化多端，高頻地波雷達的回波不會一直呈現為正弦波特征，因此采用Fourier等變換把真正的海浪分解為多個規則正弦波的疊加。其中，分解出來的正弦波都會對電磁波產生散射，但貢獻最大的海浪成分需滿足如下條件的波列：

(1)

式中L——波長；φ——海浪的入射角；λ——高頻地波雷達電磁波波長，即最強烈的后向散射會在海浪波長等于高頻地波雷達發出的電磁波波長的一半時產生。

岸基高頻地波雷達測量海流速度的基本原理是海流、海浪會對入射波會產生多普勒效應，一個較大的固定頻移會使海水運動產生頻偏，這個附加頻偏對左、右Bragg峰的影響是一致的，朝負頻率方向偏移表示流速分量與雷達的距離增大，朝正頻率方向偏移表示流速分量與雷達的距離減小，因此，可以通過測量這個附加頻偏得出海表流速。但通常單站地波雷達僅可以觀測雷達波輻射方向的徑向流信息，若要觀測整個海域的海表流流場，需要構建雙站或者多站觀測系統，然后將不同站點得到的徑向流進行矢量合成以獲取海洋表層流場[16-18]。

2.2 高頻地波雷達系統連接方式

整個雷達系統包括接收機、發射機、接收天線、發射天線、工作電腦和他們之間的連接電纜。發射天線架設在尺度約為20 m的相對平坦的基地上，保障漲潮或臺風襲擊時海水不會侵蝕天線體。永久站發射天線場制作規范的地網，天線基地上相間120°的3個方向上，距天線底座約5 m處設置3個拉線地錨。接收天線的架設類似于發射天線，對地錨的要求完全相同，但距天線基座距離可為3～4 m。

2.3 地波雷達資料的應用

由于表層海流的運動具有隨機性，且觀測的海洋面積往往較大，傳統海流觀測設備難以對海域進行長時間、大范圍、自動的海況觀測，具有很大的局限性。而高頻地波雷達的優勢為全天候觀測、觀測時段長且連續、觀測面積大、觀測成本低[8]。國際上現有測流高頻地波雷達的主要類型有：美國的SeaSonde HFR系統、加拿大的SWR-503系統、德國的WERA系統、英國的OSCR超視距地波雷達系統與Overseer系統以及俄羅斯的TELETS系統等；中國高頻地波雷達的代表是武漢大學開發的OSMAR系統[19]。現今豐富的地波雷達觀測資料已在數據同化、模型驗證、次中尺度過程和溢油處理等方面得到了廣泛應用[20-28]。

3 數據分析

3.1 數據選取

首先，選取高頻地波雷達測得的2019年全年觀測數據，并確定已有數據均是在沒有風暴潮等極端天氣干擾下測得的，故可直接用于本文的全年總體趨勢研究；其次，選取空間中某一觀測點(圖1中A點)，繪制其數據的時間分布(圖2)。將所有的海流數據進行統計分析可知，每個空間點的數據量差異顯著，即在不同觀測點上的某些時間節點上，高頻地波雷達觀測資料存在缺失，可能是由于電離層干擾、惡劣天氣或設備故障造成。為保證研究數據的連續性和準確性，選取數據量大于或等于分析年份總數據量85%(15 112個)的觀測點作為此次分析的空間點(圖1紅色標識點)，稱為高密度觀測點，共有326個(總觀測點有714個)。

圖2 A點表層海流數據的時間分布

3.2 潮流特征

3.2.1潮流基本特征

由于受地形的影響，連云港近岸潮流基本為往復流和半日潮流[4]。圖3為大潮期間各高密度觀測點的逐時潮流流矢。本區域潮流靠近海岸一側基本呈現往復流，其流向為西南—東北向漲潮落潮向比較集中；自近岸到外海，往復流趨勢弱化，旋轉流趨勢加強。

圖3 研究區域大潮逐時潮流流矢

3.2.2調和分析

潮流調和分析可以將一個潮流分解成不同天文分潮所引起的線性組成，這些天文分潮是人為規定的，有著固定的頻率，例如K1、O1、M2、S2、M3、M4、S4等分潮[29]，本文使用T-tide經典潮流調和分析方法得出各個潮流橢圓要素。

首先，選取連續的7個月(1—7月)實測海流數據進行空間平均處理；然后，對其進行經典調和分析后計算出主要分潮的調和常數及其潮流橢圓要素；接著，選取出信噪比(SNR)大于2的分潮進行分析[30]，可知連云港近岸海域以M2分潮占絕對優勢，全日分潮也占有一定比例，M1/4、M1/6淺水分潮的影響也不容忽視。

3.2.3潮流性質

根據JTJ 221—87《港口工程技術規范》規定，潮流類型由潮流類型系數定義：

(2)

WO1、WK1和WM2分別為其對應分潮(表1)的最大潮流流速即潮流橢圓的半長軸，其中，F≤0.5為規則半日潮流；0.54.0為規則全日潮流。另外，由于研究區域屬于近海，還需考慮潮流中淺水分潮的比值，淺水分潮可定義為[31-33]：

表1 主要分潮及其橢圓要素

(3)

根據計算公式計算得F、G值的空間分布見圖4，F值均小于0.5，平均值為0.231，該區域的主要潮流運動類型為規則半日潮流[4]。G值平均值為0.205，大于0.04，表明該海域淺水分潮的影響較大。圖中顯示近岸區域有處異常大值，可能是由于地波雷達在此處出現較大誤差，或者是該區域的地形比較特殊[13,21]。

a)F值分布

3.2.4半日分潮潮流橢圓

因為連云港近岸區域潮流特征為半日分潮，所以選取M2、S2、MKS2作為代表分潮來表征該區域的潮流特征(圖5)。潮流橢圓形狀越圓，其旋轉性越強；反之，其往復性越強。

a)M2分潮潮流橢圓

a)M2分潮西側的潮流橢圓以順時針為主，東側的潮汐橢圓以逆時針為主，在兩者交界處的潮流橢圓長軸較小且較為扁平，往兩側呈現長軸增加、潮流橢圓的旋轉率增大。靠近海岸的潮流橢圓極其扁平，為往復流的趨勢，遠離海岸東側的橢圓旋轉率大一些，表明由岸向海往復流趨勢減弱。M2分潮的潮流橢圓的長軸平均值為44.34 cm/s。

b)S2分潮的潮流橢圓以逆時針方向為主，少數為順時針方向。潮流橢圓基本為扁平的橢圓，長軸較長；少數位于東側的潮流橢圓旋轉率較大，但長軸較短。S2分潮的潮流橢圓的長軸平均值為11.71 cm/s。

c)MKS2分潮的潮汐橢圓以逆時針為主，整體表現為扁平狀。東側的潮流橢圓比西側的更為圓潤，長軸更長。MKS2分潮的潮流橢圓的長軸平均值為12.85 cm/s。MKS2分潮與S2分潮潮流橢圓特征相近，但其往復流的趨勢會比S2分潮弱一些。

3.2.5潮流運動形式

為探究潮流運動形態及空間特征，分別計算M2、S2、MKS2分潮的旋轉率K，其計算公式為：

(4)

一般來說，|K|>0.25時表示潮流有很強的旋轉性，為旋轉流；|K|<0.25時，潮流主要集中在漲潮、落潮的方向上，為往復流；K>0其流向為順時針，K<0其流向為逆時針[32]。

M2分潮的K值在-0.6～0.4，東側K值最高達0.4，呈現較強的往復性(圖6)。西北區域和正南區域K為負值，潮流橢圓為逆時針旋轉，其余區域為正值，為順時針旋轉。

a)M2分潮旋轉率

S2分潮的K值較低，主要在-0.1～0.2，有很強的往復性。大部分區域的K值大于零，為逆時針旋轉。

MKS2分潮的西側區域K值較低，在0左右，有較強的往復性，在東側區域K值逐漸變大到2，往復性逐漸減弱，旋轉性逐漸增強。大部分區域的K值大于零，其流向為逆時針旋轉。

綜上可知，在近岸區域潮流屬于往復流，隨著離岸距離的增加，K值增加，有從往復流向旋轉流轉變的趨勢。

3.3 空間最大流速

為給近岸或海上工程設施安全提供參考，對326個高密度觀測點分別求全年實測流速的最大值，分布見圖7。可知，實測最大流速介于100 ～199 cm/s之間，且主要在秋冬季節，占比為287/326；空間上有一定差異但不明顯，在最東側、最西側以及近岸區域的流速會相對大一些；根據流向可將區域劃分為四大區域，離岸較遠的西北區域指向東—東北，離岸遠的東北區域流向基本指向西北，東南區域指向東南，近岸區域的流向垂直于海岸線。

圖7 研究區域冬季實測最大流速矢量

離岸較遠的區域可能是由于海底地形的影響，最大流速的指向與地形等高線近似平行，北部區域地形為水下淺灘，較為平坦，潮流流速較平穩[11]，而近岸的海流由于近岸的折射效應，潮流基本垂直于海岸線方向。

3.4 海表流場季節性特征

本文將海流數據劃分為春夏秋冬，春季為3—5月，夏季為6—8月，秋季為9—11月，冬季為1—2月，分別探討4個季節的海流流速大小及其分布特點。

首先，選取屬于3、4、5三個月份的海流數據，計算空間各點的海表流平均值；然后，比較并選取空間上海表流最大值，并找出最大值所在位置；夏季、秋季、冬季按相同方法選取并計算。為保持分析數據的連續性，冬季選取的月份為1、2月，結果見表2、圖8。

表2 4個季節海流流速的特征值

a)春季

由于對海表流在四個季節的平均處理近似于計算歐拉余流，因此，四個季節的平均海表流流速值較小。春季空間平均海流流速最大值為6.49 cm/s，其空間點位于119.73° E、34.59° N，平均值為3.11 cm/s。其流速大小的空間差異不大，高密度點區域的平均流向基本為北向流動。在120.15° E西側基本向西偏轉，在120.15° E東側主要向東偏轉，流速矢量場具有逆時針旋轉的趨勢，在四個季節當中春季的平均海表流流速最小。

夏季在時間上的平均海流流速最大值為10.39 cm/s，其空間點位于120.39° E、34.74° N，平均值為3.33 cm/s，流向角主要在0～90°之間。在120.13° E可將區域劃分為東西2個區域，西側區域的流速較小，有的空間點的流速甚至趨近于0，流向以東北和南向為主；東側的流速較大，流向以東北向為主，可能與夏季徑流量較大和復雜地形相關[34]。

秋季在時間上的平均海流流速最大值為9.47 cm/s，位于119.97° E、34.83° N，平均值為3.72 cm/s。在34.67° N可將區域劃分為南北2個區域，北側區域的流速較大，流向偏向西—西南；南側區域的整體流速較小，其中近岸的流速相對較大，流向主要垂直于海岸線方向。

冬季在時間上的平均海流流速的最大值為6.65 cm/s，位于119.82° E，34.59° N，平均值為4.15 cm/s。西側平均流速大小大于東側，但流速大小在空間上的差異不顯著，流向角的范圍主要為270～360°，流速矢量場具有逆時針旋轉的趨勢，可能與冬季強勁的偏北風有關[35]。

3.5 最大可能流速

在以潮動力和風應力為海流主要驅動因素的近岸區域，海表流的實際流速主要受到潮流和風的影響，計算時需將兩者進行疊加。求得潮流最大可能流速對港口工程實際應用十分重要。根據《港口工程技術規范》的規定，規則半日潮流區的最大可能潮流流速、規則全日潮流區的最大可能潮流流速分別按照式(5)、(6)計算：

(5)

(6)

連云港近岸區域屬于規則半日潮流區域，采用式(5)進行計算，計算結果見圖9。最大可能流速大小在44～158 cm/s之間，平均值為89 cm/s，近岸區域的流速值大于離岸區域，流速大小由東南向西北減弱，流速方向為垂直于海岸線指向外海。由圖可知最大可能流速的分布與M2分潮的潮流運動形式有一定相關性，旋轉流區域的流速值大于往復流區域。另外，近岸區域出現的高于周圍區域的最大可能流速可能與離岸距離或是海域特殊地形有關系，該地的水深小于5 m，等深線密集分布，水深變化梯度大，產生更大的流速。

圖9 最大可能潮流流速分布

4 結語

本文通過對2019年1—12月連云港近岸區域的高頻地波雷達海表流觀測資料進行時空特征分析，得到結論如下。

a)準調和分析結果表明潮流運動類型為規則半日潮流，淺水分潮影響較大。其潮流運動形式有一定的差異，靠近海岸一側基本呈現往復流，流向為西南—東北向，漲潮落潮流向比較集中；潮流從近岸往外海的變化趨勢是旋轉流趨勢增強，往復流趨勢減弱，在研究區域西部，M2分潮潮流橢圓流向主要為順時針，S2和MKS2分潮潮流橢圓的主要流向為逆時針；M2分潮潮流橢圓長軸平均矢量為44.34 cm/s，S2分潮為11.71 cm/s，MKS2分潮為12.85 cm/s。

b)海表流實測最大流速大小介于100～199 cm/s之間，主要在秋冬季節，空間上差異不明顯；近岸區域流向垂直于海岸線，離岸遠的區域以西北、東南向為主。

c)四季平均的海表流流場時空變化特征差異顯著，4個季節的流速矢量場分布各異，整體上具有逆時針旋轉的趨勢；春、夏、秋、冬季節的平均流速大小分別為3.11、3.33、3.72、4.15 cm/s。

d)該海域最大可能流速大小在44～158 cm/s之間，平均值為89 cm/s。在空間分布上近岸區域的流速大小大于離岸區域，其方向為垂直于海岸線方向。流速大小由東南向西北減弱，流速方向為垂直于海岸線指向外海。