冬季舟山外海定点实测海流资料分析

2013-08-14费岳军史军强堵盘军陈学恩

海洋通报 2013年6期

费岳军，史军强，堵盘军，陈学恩

（1.国家海洋局东海预报中心，上海 100017；2.中国海洋大学海洋环境学院，山东青岛 266100）

长江口外东海海域岸线曲折、岛屿众多，海底地形极其复杂。受外海潮汐作用影响，潮流作用明显，属于强潮海区，潮汐能资源丰富。同时，舟山海域水产业发达，是我国最大渔场舟山渔场所在海域。由于流场对该海域的初级生产力、物质输运、生态结构、环境保护等均有重要影响，因此，了解该海域的流场分布态势及其变化特征不仅具有重要的科学价值，同时具有重要的经济意义。

对于该海域的潮流和余流特征，前人已经做过不少研究：徐建平等（1984）根据实测资料揭示了浙江近海余流垂向结构特征，为研究浙江沿岸上升流的形成机制和台湾暖流的行踪提供了较好的依据；史峰岩等（2000）用数值模拟的方法计算了长江口及其邻近海域余流特征；陈倩等（2003）依据近年来浙江海岸带和海岛调查的实测海流数据，研究了浙江近海的潮流、余流特征和分布规律；唐晓晖等（2004）在对多年观测数据分析的基础上分析了长江口邻近海域冬夏水文特征。陈学恩等（2010）根据2009年8、9月间长江口外东海海域2个站位的短期连续ADCP实测资料，采用调和分析、EOF分解、功率谱分析等方法，分析了该海域海流随时间的变化趋势和空间的结构特征，并指出长江口外海域M2为主要分潮，属于正规半日潮，各层潮流呈现出旋转流性质，旋转方向为顺时针占优；张慧等（2011）基于在浙闽海域获得的连续观测长达40 d的逐季海流资料，深入分析了该海域余流的分布特征及季节变化规律，指出近岸区域余流受长江冲淡水、浙闽沿岸流控制，外海余流则受台湾暖流控制。这些成果加深了人们对舟山海域海流特征的了解和认识。

图1 观测点位置（■）及地形

本文在前人研究的基础上，选取该海域代表性站点（122.998°E，30.013°N）（图 1）连续一个月的实测海流资料作为研究对象，对该点海流特征进行了深入的分析。由于该点位于舟山渔场中心区域，55m等深线经过此点纵贯南北，浙闽沿岸流与台湾暖流在此交叉影响，因此，对该站点海流的研究具有重要性、典型性和代表性。

1 数据

1.1 数据来源

本文所用数据由国家海洋局东海预报中心提供。为布设在舟山海域（水深55m）的QF201大型综合浮标实测的一个月连续海流数据。数据垂向分辨率为5m/层，垂向测量范围为5.5～50.5m，为了下文叙述方便，本文将5.5m层称为表层，将50.5m层称为底层。采样间隔为1小时，时间跨度为北京时间2009年12月6日14点至2010年1月5日14点。期间共缺测36时次。通过与同时段内地波雷达实测数据和下放式声学多普勒海流剖面仪（Ladcp）数据进行比对并参考模式数据，发现该浮标所测数据质量普遍较好，只是在较少时刻出现异常值点，因此本文仅使用Grubbs检验法（史静涛等，2011）对浮标数据进行质量控制，剔除无效数据。最后对空缺数据进行插值补齐，得到连续的高质量逐时海流数据。

1.2 流速时间序列

站点流速矢量时空分布如图2所示。从图中可以看出：（1）同一时刻，表层流速普遍较底层流速大，且北向流明显占优。统计发现，表层流速最大值可以达到111.8 cm/s，平均值为41.4 cm/s，而底层流速最大值只有77.6 cm/s，平均值为36.9 cm/s。底层流速最大值和平均值分别只有表层的69.4%和89.2%。（2）流速、流向随深度的变化趋势基本一致，该站点各层的流动呈现出明显的正压流动特征。（3）各层流动均具有显著的周期性，潮流特征明显。

图2 流速矢量分布

此外，本文随机选取连续25 h的流速并结合该点附近的潮位数据给出了该点的流速与潮位的分布，如图3所示。从图3可以看出，25 h内该站点的潮位时间序列共出现了两次高潮和两次低潮，半日潮特征明显。海流以南北向的V分量为主，东西向的U分量相对较弱。与潮位特征相似，25 h内海流也表现出两次涨落过程，具有明显的半日周期。并且根据图3显示，水位的峰（谷）值区大致对应流速V的高值区。由此可知，实测海流以潮流占优，并且潮流的前进波性质比较明显。从垂向上看，涨、落潮发生的时刻也不一致，在落潮期间，上层首先开始转流，而在涨潮期间，中下层首先开始转流（姚志刚等，2012）。另外，各层的涨潮流速要普遍大于落潮流速，涨落潮不对称现象显著。

图3 潮位（上）以及流速东西分量U（中）和南北分量V（下）的时空序列分布

2 潮流特征分析

潮流计算采用了Pawlowicz等（2002）提供的潮流调和分析Matlab程序包。潮流调和分析（陈宗镛，1980）可以将不同天文分潮的频率固定，并将实际海水的流动分解成由不同天文分潮的作用引起的流动和非周期性质的余流部分。只要时间序列足够长，就能够将频率相隔很近的分潮完全进行分离，得到各个天文分潮的潮流椭圆要素。本文所得各潮流要素是在95%的信度下得到的。根据公式K=（WK1+WO1）/WM2得到站点各层的K值介于0.156～0.178之间，均小于0.5，故各层的潮流类型均为正规半日潮流类型，其中M2和S2是最主要分潮。主要的分潮要素见表1。表中椭圆率的正值表示椭圆逆时针旋转，负值表示椭圆顺时针旋转。站点4个主要分潮的潮流椭圆结构如图4所示。

图4 M 2、S2、K 1及O1潮流椭圆垂向分布

从表1及图4中可以看出，各层M2潮流椭圆均呈顺时针方向旋转且椭圆主轴方向比较一致，基本上呈现出南—北向分布特点。具体来看，在15.5m以浅，主轴随深度顺时针偏转。在15.5～35.5m层之间则逆时针偏转。35.5m层以下除最低层倾角较小外，又呈顺时针偏转，但是整体偏转角度都不大，在北偏东1.46°到北偏东4.02°的狭小范围内变动。M2椭率绝对值除表层外，基本表现出随深度减小的趋势。整体变化范围不大，介于0.52至0.57之间。最大值出现在15.5m层，最小值出现在40.5m层，具有一定的旋转性，往复流性质并不显著。M2椭圆长轴在5.5m层处达到最大值，最大值为44.3 cm/s，而短轴在剖面15.5m处达到最小值，最小值为19.5 cm/s。各层S2潮流椭圆均为顺时针方向旋转，主轴均向北偏东方向偏转，偏转角度在40.5m处达到最小，仅为0.85°，接近正北向，在10.5m处偏转达到最大，最大值为11.59°。主轴随深度的偏转方向并没有明显的规律性，顺时针偏转与逆时针偏转相间发生。S2分潮椭率绝对值基本呈随水深减小趋势，最小值出现在35.5m层，为0.46，35.5m以深至底层椭率略微增大并且较为一致，最大值出现在5.5m层，为0.56。S2椭圆长轴在30.5m层处达到最大值，最大值为13.3 cm/s，而短轴在剖面10.5 m处达到最小值，最小值为5.5 cm/s。相对M2分潮，S2分潮的椭圆长轴、短轴的量值均大幅减小。

K1分潮潮流椭圆除10.5m层表现出逆时针方向旋转外，其它各层均为顺时针方向旋转。主轴基本呈西北—东南走向，除表层外，25.5m以浅主轴随深度顺时针偏转，25.5m以深则随深度表现出逆时针偏转趋势。K1分潮椭率绝对值均小于0.2，往复流特征明显且在25.5m以浅随深度变大，25.5m以深随深度变化无明显规律。K1潮流椭圆长轴最大值出现在5.5m层，最大值为4.7 cm/s，椭圆短轴最小值也出现在5.5m层接近于0。各层O1分潮潮流椭圆均为顺时针方向旋转。主轴呈西北—东南向分布。主轴偏转方向随水深摇摆不定，无明显规律。O1分潮椭率的绝对值最小值出现在5.5m层处，仅为0.13，往复流特征明显。最大值出现在15.5m层，为0.62，具有一定的旋转性。O1潮流椭圆长轴最大值和短轴最小值均出现在5.5m层。

3 余流特征分析

余流是指从实测海流中剔除周期性流以后的剩余水体的流动。它直接指示着水体的运移和交换情况，对海水中物质的输运及扩散起着重要作用。从原始海流中将调和分析得到的周期性潮流成分减掉，然后再进行48 h低通滤波即得到了原始海流中各层次的余流的时间序列（王国龙等，2010）。

3.1 余流主轴

图5给出了以站位位置为起点，余流矢端在水平面上的分布散点图。散点图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）提出的主轴分析法把余流分解到变化最大和最小的两个正交方向上，得到站点余流的主轴方向为218.7°（设正北方向为0°，顺时针转动为正）。与该处等深线走向基本一致。这说明了地形也是制约该点余流分布的一个重要因素。定义局部直角坐标系：x轴正方向取为余流主轴所指向的西南方向，取右手坐标系，则y轴垂直于主轴，正方向指向东南，z轴正方向向上，原点取在海面上。以下分析无特别说明均是在该局地坐标系下进行。

图5 余流散点图

表1 潮流椭圆参数

3.2 逐时余流

逐时余流刻画的是余流的高频时变特征。图6是根据得到的逐时余流绘制的表层、中层（25.5m）及底层的余流前进矢量图。图中每两个星号标记之间代表24 h的时间跨度。图7为观测站点海表面风矢量的时间分布（a）与余流失量时空分布图（b）。由图6、图7可以看出，无论表层、中层还是底层，绝大多数观测时间段内，余流均是沿西南-东北走向，并且由表及底，余流逐渐由西南偏向东北。可见，余流无论在时间分布上还是在空间深度分布上均以西南-东北走向的流动频率为最高并且随水深增加余流流向整体向右偏转。在同一时刻各层余流流速大小变化不大，基本一致，底层略小于表层。各层级余流的时变趋势也基本一致。余流矢量与风矢量相比较可以明显看出，在多数时段，余流对风的响应比较迅速，风较强时余流也得到加强，风较弱是，余流则相应减弱。这种响应现象随着水深的的增加而减弱。在某些时段，随着水深的增大，余流还表现出明显的滞后效应。但是，由图7可以还看出，本文分析的上述结论只是与观测时间内的多数时段对应。不可否认，在个别时段上，余流的时空分布特征是有别于上述分析的，例如，在初始观测的前100 h，就出现了底层的余流反而要比表层大、表底层余流方向相反、风向与各层余流方向相反等现象。这也说明了该区域余流时空变化的复杂性。

图6 余流前进矢量图

图7 海表面风矢量（a）和余流失量（b）

为了客观反映余流随时间的变化程度，以及它们之间存在的空间差异，本文通过求取垂向每一层上余流时间序列的标准差来进行分析，标准差越大，余流随时间的变化就越激烈（曾定勇等，2012）。图8即为站点余流U、V分量的标准差的空间分布。U分量在各层的标准差普遍较大，随着随水深先减小后变大。最大值出现在表层达到了0.1 m/s以上，底层为8.42 cm/s，最小值出现在35.5m层，也有7.1 cm/s。这说明沿余流主轴方向，各层余流随时间变化普遍比较剧烈，其中又以表层变化程度最大，其次为底层，中间各层次之。余流V分量的标准差相比U分量的标准差小得多，且垂向变化不显著，说明余流随时间的变化主要沿着x方向，即沿余流主轴方向。

图8 余流U、V分量标准差空间分布

从上述分析可以看出，沿岸方向整个垂向范围内余流的时间变化都很大，没有稳定的流向。

已有的水文分析和短期的测流结果表明，台湾暖流在东海西部陆架终年存在并且沿50～100m等深线向北流动（Su etal，1987），其位置在冬季比夏季更靠近岸，其宽度和速度在冬季比夏季都有所减小（Guan etal,1982）。浙闽沿岸流流向夏季和台湾暖流相同，沿岸线向东北流动，冬季则反向，沿岸线向西南流动。本站位于55m等深线附近，台湾暖流和浙闽沿岸流均能延伸到此，且在冬季，这两个流系的运动方向相反，本文所分析站点正处于浙闽沿岸流和台湾暖流的交叉影响地带，可以认为台湾暖流和浙闽沿岸流的此消彼长在很大程度上控制着站点余流的时变特征，进而导致余流方向的不稳定。

图9给出了观测期间同步风矢量（上）、余流U（中）、V（下）分量的时空分布特征。由图9可以看出，在观测期间的大多数时段，海表面风均为偏北风，只在少数观测时段出现了持续时间较短且风力较小的偏南风天气。对比同步风场可以发现余流U分量，尤其是在近表层，对风的响应比较迅速。当海面刮偏北风时，余流U分量在近表层基本为余流主轴所指向的西南向，而在中下层方向变化较大。例如，在观测的第60 h至第145 h，偏北风持续作用在海面上，但是风力普遍较小，平均风力仅为4.2m/s，在20m以浅的水域，余流U分量基本为西南向，但在30m以深，方向则变为东北向。而在观测的第200 h至第300 h之间，出现了连续的强北风天气，平均风力达到了10.8m/s。在此期间，余流U分量的东北向流动全部消失，强劲的西南向流贯穿整个垂向剖面，并且在近表层出现了一个持续时间与强北风持续时间相当的极值达到10 cm/s以上的流核区，个别时刻流速甚至超过了15 cm/s。当海面刮偏南风时，对应时间段内各层余流U分量基本均指向东北方向，并且底层速度普遍大于表层。究其原因，本文认为这主要是在海面风的强迫作用下，西南向的浙闽沿岸流与东北向的台湾暖流势力此消彼长的结果。观测海域在中上层受浙闽沿岸流影响显著，在中下层则受台湾暖流影响显著，当海面刮偏北风时，随着风力的增强，浙闽沿岸流势力增强而台湾暖流势力相对减弱，西南向流的影响深度逐渐加深，当风力达到一定程度是，强劲的西南向流甚至会贯穿整个垂向剖面；当海面吹刮偏南风时，浙闽沿岸流受到消弱，在一定的风力下则会使海表面流转向东北与中下层的台湾暖流方向趋于一致。从余流V分量的时空分布来看，分布较U分量要复杂，对风的响应程度也较弱，随风变化规律也没有U分量明显。这可能是由于V分量方向基本与等深线垂直，受地形影响较大的缘故，以及其他一些影响因子综合作用的结果。不过这有待更深入的调查、更详尽的资料所证实。另外，在量级上，余流V分量普遍比U分量小很多，这也说明了该站点余流以U分量为主。

图9 海表面风矢量与余流

为了进一步分析余流的变化特征及其与风之间的对应关系，分别对余流的U、V分量做主成分分析（胡基福，1996），得到了各个模态U、V分量的时间变化规律。结果显示，U、V分量的PC1分别可以解释总方差的91.6%和87.2%，因此，只需对U、V分量的PC1进行分析即可。分别对余流U、V分量的PC1做功率谱分析，结果分别如图10（a）、（b）所示。发现余流U分量的PC1主要周期为 2.2～3 d、5～7.5 d、10 d和 15 d的波动，说明余流沿主轴方向分量在冬季存在天气尺度及半月尺度的显著周期变化。余流V分量的PC1主要周期为3.3～4.3 d、5 d、6 d和7.5 d的波动，另外，还存在3～20 h不等的高频波动，这说明垂直于余流主轴的分量表现出天气尺度的周期变化。相对于余流U分量，表现出显著的高频特征。

图10 余流U、V分量PC1功率谱图（虚线为95%信度水平阈值线）

图11 第一模态时间序列及标准化风速

为了进一步探讨逐时余流与同步的海表面风之间的关系，将经过48 h低通滤波之后的逐时风速在局地坐标系中分解为U、V分量后分别与余流U、V分量的PC1比较，结果如图11所示。风速与余流U、V分量的相关系数分别为0.807 6和0.536 0。这说明，对于U分量，余流与风之间具有比较一致的变化，风速U分量的大值往往对应余流U分量PC1的大值，但是图中也存在当风速变小，余流变大或风速变大余流变小的时段。因此，对于U分量，风是影响余流的一个重要因素，但不是唯一因素。对于V分量，其相关系数要小于U分量的相关系数，这说明风对余流V分量的影响要小于对U分量的影响。余流V的变化在观测时间内相当一部分时段与风的变化是不成正比的，这说明风至少不是影响余流V分量的主导因子，由于本文所掌握的数据有限，因此暂时不进行更加深入的探讨。

图12 风速U分量和沿岸方向的余流PC1交叉谱分析虚线表示95%置信度

对风速U分量和沿岸方向余流PC1做交叉谱分析（刘天然等，2010），结果如图12所示。两者存在一个相关性很高的频率区间，大约介于0.003 3～0.016 6之间，分别对应2.5 d、4.2 d、6.3 d和12.6 d的周期变化。相关系数最大值在12.6 d的周期处取得，为0.904，位相滞后曲线表明，余流U分量滞后于风速U分量约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，可以粗略地认为沿岸方向的余流相对于风的变化滞后了约12.8 h。

3.3 定常余流

将所得到的逐时余流进行月平均即得到站点的定常余流垂向分布（于华明等，2008）。图13左边部分是余流U、V分量的垂向分布，右边是在原坐标系下的余流矢量的垂向分布。

如图13所示，余流矢量在垂直方向上明显地呈两个流系控制特征，这也与本文对逐时余流的分析结论相一致。余流呈现出由西南逐渐向东北顺时针偏转的空间分布结构，上层流速与下层流速方向相反，以水深25.5 m为界，上层呈现偏南方流动，下层则是偏北方流动。流速在近表层10.5m处达到最大值为4.46 cm/s，最小值出现在20.5m层为1.86 cm/s。除表层外，流速随深度先减小后增大。通过垂向平均定常余流得到了余流全流，大小为1.4 cm/s，流速方向为北偏西54°。

图13 余流U、V分量的垂向分布（左）与矢量垂向分布（右）

U分量的垂向分布大致以水深26m为中心，呈现出较规则的反对称结构。26m以浅，西南向流，流速先从表层增大至10.5m层，然后迅速减小25.5m层，最小仅为0.21 cm/s。26m层以深，则表现为东北向流且随深度逐渐增大，在底层东北向流速达到最大值为3.43 cm/s。V分量在15.5m以浅呈现出微弱的离岸流（东南向），在15.5m以深均为向岸流，流速先增大后减小，在35.5m层处达到最大为2.75 cm/s。

4 结论

由上文对实测海流资料的分析表明，该站位余流明显地呈浙闽沿岸流与台湾暖流交替控制特征，已有的水文分析和短期的测流结果亦表明本文研究站点处于浙闽沿岸流与台湾暖流交汇中心海域。因此，本文所得到的对该站位的分析研究结果可以在很大程度上代表浙闽沿岸流与台湾暖流交汇海域的基本海流特征。

本文通过对浙闽沿岸流与台湾暖流交汇海域一个月的浮标实测海流资料进行分析，得到如下结论：

（1）观测期间，站位表层流速普遍大于底层流速，且北向流占优。各层的流动呈现出明显的正压流特征及周期性特征。实测海流以潮流占优，并且潮流的前进波性质比较明显。25 h内海流也表现出两次的涨落过程，具有明显的半日周期，涨落潮不对称现象显著。

（2）潮流调和分析表明，各层的潮流类型均为正规半日潮流类型，其中M2和S2是最主要分潮，表现出一定的旋转流特征。

（3）对逐时余流的统计表明，无论表层、中层还是底层，在绝大多数观测时间段内，余流均是沿西南-东北走向，并且由表及底，余流逐渐由西南偏向东北。余流的主轴方向为218.7°，与该海域等深线走向基本一致。地形是制约余流的一个重要因素。

（4）对逐时余流分析表明，余流随时间的变化主要沿着余流主轴方向。台湾暖流和浙闽沿岸流的此消彼长在很大程度上控制余流的空间分布特点。研究站位处于浙闽沿岸流和台湾暖流的交界地带，所以导致余流方向不稳定。在多数时段，余流对风的响应比较迅速。风是影响沿岸余流的一个重要因素但不是唯一因素。风对向岸余流与离岸余流作用有限。相对于沿岸余流分量，向岸余流与离岸余流表现出显著的高频特征。余流U分量滞后于风速U分量约12.8 h。

（5）对定常余流的分析表明，定常余流呈现出由西南逐渐向东北顺时针偏转的空间分布结构，上层流速与下层流速方向相反。该站位的余流全流，大小为1.4 cm/s，流速方向为北偏西54°。

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