东海北部1个潜标连续观测站的潮流垂向特征分析

田志光，杨春辉，王振峰

（1.92899部队，浙江宁波 315200；2.东海舰队海洋水文气象中心，浙江宁波 315122）

东海北部1个潜标连续观测站的潮流垂向特征分析

田志光1，杨春辉2，王振峰2

（1.92899部队，浙江宁波 315200；2.东海舰队海洋水文气象中心，浙江宁波 315122）

采用调和分析方法对东海北部海区1个坐底式潜标连续观测的近两个半月的海流数据进行分析，研究了该站点的潮流空间结构特征以及余流信息。调和分析结果表明，该点以半日潮流为主，潮流类型在40 m以上属不规则半日潮流，40 m以下则属规则半日潮流；该海区的潮流以顺时针旋转为主，潮流量值占海流的比率随深度递增，潮流椭圆要素存在明显的垂向变化。本文研究有助于了解该站点潮流的垂直变化特点，并为潮流数值模拟提供校验依据。

潮流；分潮；调和分析；余流

0 引言

潮汐和潮流对东海的环流和混合具有较大贡献，同时潮流垂直结构与海洋湍流、物质扩散特别是沉积物的输运等都有密切的关系。近年来，人们利用观测资料和数值模拟的方法对东海潮流系统进行了大量的研究。丁文兰［1］利用观测资料对东海潮汐和潮流的特征进行了分析；FANG［2］根据大量的实测资料以及一系列准确度较高的数值结果，绘制了中国近海较完整的潮流图；万振文等［3］、王凯等［4］基于不同的数值模式对东中国海潮波运动进行了模拟。对于潮流垂直结构的研究，我国学者亦做了大量的工作，如方国洪等［5］采用常涡动粘性系数模型定性地研究了潮流的垂直结构；方国洪［6］还基于国内、外一系列实测资料对潮流垂直结构的基本特征作了理论和观测结果的进一步比较；叶安乐［7-8］曾分别就分潮流最大流速发生时刻和潮流椭圆长轴方向随深度变化的特征等问题进行了探讨；李身铎［9］基于大量近期的海流观测资料研究了长江口潮流的垂直结构。这些研究成果加深了人们对东海海域潮波的了解和认识。由于潮流现象自身的复杂性，受地形、风场、余流以及摩擦和非线性效应等诸多因素的共同作用，加之东海北部海区长时间连续时间序列的海流观测资料较为缺乏，因此本文利用投放在东海北部海区1个定点潜标的海流观测资料，研究了该站点潮流的性质及其垂向分布特征，以期为更进一步了解该海域的潮波状况提供参考。

1 数据来源与分析方法

1.1 数据来源

本文的海流数据来源于2011年5月投放在东海北部海区的1个坐底式Work Horse ADCP，该潜标的位置如图1所示。

海流数据的时间分辨率为5 min，垂向空间采样间隔为4 m。由于仪器坐底的原因，海流数据在海表附近的某些水层存在不同时间段的缺测。为了分析该海区的潮流空间结构，本文选取了各深度层海流数据都比较完整的2011年05月12日—2011年07月30日近两个半月的海流数据，垂向跨度为12.8～96.8 m。

1.2 分析方法

潮流的调和分析可以将实测海流按天文分潮的频率进行展开，得到各个天文分潮的潮流椭圆要素。潮流椭圆要素包含4个特征参量，分别为最大分潮流流速（椭圆长半轴）、方向、发生的时间以及椭圆率。潮流椭圆短半轴与长半轴之比值称为潮流椭圆率，若潮流按逆时针方向旋转，潮流椭圆率为正值，否则为负值。本文采用了国际上比较通用的T-tide调和分析工具包［10］对12.8～96.8 m总共22层的海流数据进行调和分析。该Matlab程序包是由加拿大学者Rich Pawlowicz联合美国伍兹霍尔海洋研究所的2位科学家Bob Beardsley和Steve Lentz共同开发，其准确性和可靠性已经得到国际公认。图2为随机选取的44.8 m层调和分析回报结果与该层深原始海流观测数据的比较。

从图2中可以清楚地看到调和分析回报结果与原始观测数据变化趋势吻合良好，其中u分量二者的相关系数为91.3%，均方根误差为9.4 cm/s；v分量二者的相关系数为87.2%，均方根误差为8.6 cm/s。对各层深的调和分析回报结果进行分析发现，均方根误差随水深增加而递减，说明水深越深，调和分析的回报结果与原始观测数据吻合程度越好。

2 数据分析

2.1 站点海流的基本特征

对海流数据进行初步处理后，随机选取10 d（2011年5月12日至5月21日）的原始海流数据，选取12.8，52.8和92.8 m这3个深度分别代表该站点上、中、下三层，通过绘制海流时间序列图以此说明该站点实测海流的特征（图3）。

由图3a可知，各层深的流速值均小于0.8 m/s，上层海流的流速稍大于下层。流向曲线的变化表明该站点各层深的潮流性质应属旋转流（图3b）。利用矢量分解法把流速和流向值转化成东分量和北分量，从图3c和图3d中都可以看到，各层深的速度分量变化曲线都呈明显的半日周期性。

2.2 潮流的分离以及余流信息

图4a为经过调和分析后分离出来的潮流量值占海流的比率随深度的变化曲线。总体上，潮流量值占比随深度呈递增趋势。其中20 m以浅潮流量值占比小于80%，这是由于上层海水受风影响相对较大，因此12.8 m处的潮流量值占比最小，仅为68.5%；20～50 m层的潮流量值占比约为80%；50～70 m层的潮流量值占比介于80%～90%之间；70 m以深的潮流量值占比达到90%以上。

通过计算K1和O1全日分潮流的最大流速之和与M2半日分潮流的最大流速的比值，可对潮流类型进行分类［11］，图4b显示了潮流性质的垂直变化特征：潮流类型系数随深度的增加而减小。其中潮流类型系数在40 m水深以上介于0.5～1.0之间，潮流类型应属不规则半日潮流；而40 m以下的水层潮流类型系数小于0.5，因此潮流类型属规则半日潮流。

图4c显示的是余流随深度变化特征。余流流速量值介于6～13 cm/s之间，余流流向都呈东北向，量值介于30°～62°之间。垂向上余流流速、流向都随深度的增加而递减，且余流流向自上而下逐渐向左偏转。

2.3 潮流主要分潮的垂直特征

调和分析结果显示观测站点振幅较为显著的5个分潮分别为M2、S2、N2、O1和K1，5个分潮的椭圆长半轴及其最大流方向、椭圆率的垂直变化如图5和图6所示。

2.3.1 椭圆长半轴随深度的变化

从图5a中可以看出：M2分潮的椭圆长半轴最大，量值介于24～30 cm/s，其它4个分潮的量值介于1～16 cm/s。由于全日分潮波的能量从太平洋进入东海后，受到陆坡的阻挡，一部分能量又折回了太平洋［12］，因此全日分潮的量值占比较少，潮流以半日潮为主。垂向上，M2分潮的最大流速在60～80 m处，椭圆长半轴接近30 cm/s，越接近海底，流速显著减小，到底层处时椭圆长半轴减小为24.7 cm/s。O1和K1分潮的椭圆长半轴基本随水深的增加而减小，椭圆长半轴在12.8 m层最大，分别为11.9和15.6 cm/s，至底层时椭圆长半轴都减为1.4 cm/s左右。S2和N2分潮的椭圆长半轴垂向上变化较小，其椭圆长半轴分别在10和5 cm/s左右轻微摆动，只是S2分潮的椭圆长半轴在靠近上层和底层时稍有变小约为8 cm/s，而N2分潮的椭圆长半轴在上层最大约为6.6 cm/s，在底层处最小约为4.0 cm/s。

2.3.2 最大流方向随深度的变化

图5b显示了5个分潮最大流的方向随水深变化情况：总体上，半日分潮的最大流方向在垂向上较为稳定，基本都维持在210°左右，各层最大流速方向均以西向偏南为主；而全日分潮最大流的方向在垂向上摆动幅度较大，其中K1分潮最大流的方向在16.8～32.8 m深度上在350°附近小幅振荡，36.8～60.8 m处由190°递增到270°左右，64.8 m以下基本维持在260°左右；O1分潮最大流的方向在16.8～72.8 m深度上以西向偏南为主，而在12.8 m和76.8 m以下都以南向偏东为主。

2.3.3 椭圆率随深度的变化

调和分析计算得到的M2、S2、N2、O1以及K1分潮大部分的椭圆短半轴均为负值，因此从图6上可以看到5个分潮的潮流椭圆率在整个测量深度上基本都为负值，说明该站点的分潮均顺时针旋转，具有地转效应特征。图6a显示M2分潮的椭圆率介于-0.63～-0.55之间，其中50.0 m以上的椭圆率变化较小，50.0～75.0 m呈单调递减趋势，76.8 m处的椭圆率最小，即M2分潮的潮流椭圆在此处最接近于圆，76.8 m以下的椭圆率随着水深的增加而缓慢增加。图6b显示S2分潮的潮流椭圆率介于-0.60～-0.45之间，其中12.8 m处椭圆率最大，约为-0.45，28.8 m附近最小约为-0.58。图6c与图6d显示的N2分潮的潮流椭圆率介于-0.70～-0.50之间、O1分潮的潮流椭圆率介于-1.00～-0.60之间，二者随深度的变化趋势较为一致，潮流椭圆在40.0～70.0 m处相较于其它水层更扁。图6e显示了K1分潮的潮流椭圆率随深度呈单调递增趋势，潮流椭圆在上层接近于圆，而在底层处潮流变为往复流。

3 结论

本文通过对布放在东海北部海区的1个潜标观测到的海流数据进行调和分析得到以下结论：

（1）潮流在该观测站点占很大比率，且潮流量值占海流的比率随深度而递增。

（2）调和分析结果主要为M2、S2、N2、O1和K15个主要分潮，其中又以M2半日分潮所占比率最大。

（3）5个分潮的椭圆长半轴在接近海底时显著减小，具有明显的浅水分潮特征，与前人研究一致。

（4）半日分潮最大流的方向在垂向上较为稳定，基本都以西向偏南为主，而全日分潮最大流的方向在垂向上摆动幅度较大。

（5）5个分潮的潮流椭圆率在整个测量深度上基本都为负值，说明该站点各层深的潮流均为顺时针旋转流。

（6）余流流速量值介于6～13 cm/s之间，余流流向都呈东北向，量值介于30°～62°之间。垂向上余流流速和流向都随深度的增加而递减，且余流流向自上而下逐渐向左偏转。

本文采用数据的连续性强，分析结果可信度高，可以很好地表述该测站潮流特征，对数值模式检验具有重要意义。

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苏纪兰，袁业立.中国近海水文［M］.北京：海洋出版社，2005.

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乔方利.中国区域海洋学——物理海洋学［M］.北京：海洋出版社，2012.

Vertical feature of the tidal current in the north of the East China Sea based on a moored buoy

TIAN Zhi-guang1，YANG Chun-hui2，WANG Zhen-feng2
（1.92899 PLA Troops，Ningbo 315200，China；2.Ocean Hydrometeorology Institute，Navy Donghai-Armada，Ningbo 315122，China）

Based on the ocean current data observed by a moored buoy in the north of the East China Sea for two and a half months，the special structure characteristics of tidal current and the information of the residual current in the observed area were studied using the harmonic analysis method.The results show that it is dominated by the semidiurnal tide in this area.The type of tidal current in the depth less than 40 m belongs to irregular semidiurnal tide，while it belongs to regular semidiurnal tide in the depth more than 40 m.The tidal current is dominated by clockwise rotation in this area，and the proportion of the tidal current accounted for the ocean current increases with the depth.There are significant vertical variations in the tidal current ellipses elements.This research work will be helpful for understanding the vertical feature of tidal current in this area and the observed data can be provided to calibrate the ocean model on tidal current.

tidal current；tidal constituent；harmonic analysis；residual current

P731.2

A

1001-909X（2014）02-0040-06

10.3969/j.issn.1001-909X.2014.02.005

田志光，杨春辉，王振峰.东海北部1个潜标连续观测站的潮流垂向特征分析［J］.海洋学研究，2014，32（2）：40-45，

10.3969/j. issn.1001-909X.2014.02.005.

TIAN Zhi-guang，YANG Chun-hui，WANG Zhen-feng.Vertical feature of the tidal current in the north of the East China Sea based on a moored buoy［J］.Journal of Marine Sciences，2014，32（2）：40-45，doi：10.3969/j.issn.1001-909X.2014.02.005.

2013-08-26…………

2014-04-01

田志光（1974-），男，山东昌乐县人，高级工程师，主要从事海洋环境预报与资料处理方面的研究。E-mail：tianzhg@126.com