北部湾北部白龙尾附近海域潮流谱分析＊

郑斌鑫，侍茂崇，廖康明，王 璐，何 佳

（1.华东师范大学 河口海岸学国家重点实验室，上海200062；2.国家海洋局 第三海洋研究所，福建 厦门361005；3.中国海洋大学 海洋环境学院，山东 青岛266003）

广西海岸带位于我国沿海的西南端，南临北部湾，西起中越界河北仑河口，东至两广界湾英罗港口，海岸线总长1 595km，沿海属半封闭性的大陆架海域，自西向东有珍珠港、防城港、钦州湾、大风江口、廉州湾和铁山港等［1］。对于广西沿岸及北部湾的水动力特征很多学者进行了大量的调查研究。20世纪60年代初，中越合作开展北部湾海洋综合调查。在20世纪60～70年代，中国科学院南海海洋研究所等投放了大量漂流瓶，用来研究北部湾的表层海流状况。20世纪80年代的“全国海岸带和海涂资源综合调查”以及1988－1995年期间的“全国海岛资源综合调查”等［2－3］，对北部湾环流和广西近岸部分的水动力有了进一步认识。在调查基础上，不少学者专门对北部湾和广西沿岸的潮汐、潮流进行分析和数值研究［4－14］。这些研究对北部湾环流和广西沿岸流季节性特点，特别是对夏季环流结构却有着不同的认识。传统上认为北部湾受季风控制，冬季为逆时针型环流：海水从湾口东部的莺歌海沿海南岛西海岸向北流，到达浅水后主流转而向西，最后沿广西、越南沿岸向南流出；夏季为顺时针型环流：外海水由越南沿岸进入湾内，沿岸北上，在广西沿岸由西向东流，靠近浅水后再分成两支，一支向东穿过琼州海峡，进入粤西海域，而另一支沿海南岛西海岸向南流出。后来许多研究表明［6－11］，北部湾常年都是气旋涡占主导地位。潮流是广西沿岸最为重要的水动力现象之一，而余流则对水体的运移和交换，对海水中悬浮及可溶性物质的稀释、扩散和输运起着重要的作用。过去使用的研究资料一般基于周日连续海流观测结果，缺乏对长序列海流资料的研究，用这些资料分析潮流和余流，有较多的偶然性和误差，不足以反映水动力长时间尺度的变化。另外，之前研究大多对不同季风下的表层流进行探讨，很少对不同深度的流动差异进行分析。本文主要对广西沿岸白龙尾附近一年连续的流速和流向垂向资料进行分析，了解其潮流、余流运动规律，从而加深对北部湾环流及广西沿岸流季节性垂向流动的认识，可对了解污染物的扩散路径，预防和治理污染起到一定的指导作用。

1 研究与方法

1.1 资料来源

调查站位S1站位于广西防城港市白龙半岛南部的开阔水域（图1）。东、南、西三面环海，海图水深约为8m。

观测使用的仪器为ADCP声学多普勒海流剖面仪。其中流速和流向采用座底方式向上进行观测，观测层间距为0.5m。仪器每1min发射60个声脉冲，经平均得到整个剖面海流数据。我们从剖面数据中挑选表、中、底三层数据进行分析。这里的表层是指水面下1m处，底层是指距海底约1.5m处，中层是指相对于表和底层中间的位置。观测时间为2011－05－01—2012－04－30，历时1a。

图1 调查站位图Fig.1 Location of observation station

1.2 处理方法

潮流旋转谱分析：旋转谱估计较分量谱估计有明显的优越性［15］，在海洋学研究中有广泛的应用。我们采用最大熵方法计算海流旋转功率谱，取自由度ν＝2，对研究锚定站海流随时间变化的特性进行分析研究。

2 分析结果

2.1 表层海流谱分析

图2为表层谱计算结果，从图中可知：无论是f＞0（逆时针运动）或f＜0（顺时针运动），日潮、半日潮和1/3、1/4诸分潮在谱图中都有明显表现。

图2 表层潮流谱Fig.2 Rotary spectra of tidal current of surface layer

采用红噪声假设对表层海流谱峰进行显著性检验，其检验结果列于表1（表中W（fm）表示谱能量）。由表1可以看出其存在如下显著谱峰周期：

1）当f＞0时，日分潮 K1（周期约为23.9h）通过显著性检验，半日潮 M2（周期约为12.4h），S2（周期约为12h）通过显著性检验，半日潮谱峰高于全日潮谱峰；f＜0时，主要全日分潮和主要半日分潮未通过显著性检验。

2）在半日潮和全日潮分量中，逆时针分量是主要的：日分潮K1的顺时针能谱峰值只有逆时针的38.8%；半日潮 M2，S2顺时针能谱峰值只有逆时针的6.9%，52.2%。

3）周期为8.3，6.2h的浅水分潮也有表现，但是未通过显著性检验。

4）周期超过24h的，特别是3d以上的也有明显表现，其中周期为8.3d的在f＞0时通过检验；11.5d的则在f＜0时通过显著性检验。

表1 采用红噪声假设对表层海流谱峰进行显著性检验Table 1 Significance test of spectrum crest of tidal current of surface layer under hypothesis of red noise

2.2 中层海流谱分析

图3是中层海流谱计算结果，从图中可以看出：无论是f＞0或f＜0，日潮、半日潮和1/3、1/4诸潮分量在谱图中都有明显表现。

图3 中层潮流谱Fig.3 Rotary spectra of tidal current of middle layer

采用红噪声假设对中层海流谱峰进行显著性检验，其检验结果列于表2中。从表2中可以看出如下规律：

1）当f＞0时，日分潮K1（周期约为23.9h）和O1（周期约为25.8h）通过显著性检验，半日潮 M2（周期约为12.4h）和S2（周期约为12h）通过显著性检验，半日潮谱峰高于全日潮谱峰；f＜0时，只有O1分潮和M2分潮通过显著性检验，全日分潮和半日分潮谱峰接近。

2）在半日潮和全日潮分量中，逆时针分量是主要的：日分潮K1，O1的顺时针能谱峰值分别只有逆时针的17.4%，52.0%；半日潮 M2，S2顺时针能谱峰值分别只有逆时针的13.4%，19.8%。

3）周期为8.3，4.1h的浅水分潮也有表现，但是未通过显著性检验。

4）周期超过24h的，特别是3d以上的也有明显表现，其中周期为5.2，8.3d的在f＞0时通过显著性检验。

表2 采用红噪声假设对中层海流谱峰进行显著性检验Table 2 Significance test of spectrum crest of tidal current of middle layer under hypothesis of red noise

2.3 底层海流谱分析

图4为底层谱计算结果，从图中可知：无论是f＞0或f＜0，日潮、半日潮和1/3、1/4诸潮分量在谱图中都有明显表现。

图4 底层潮流谱Fig.4 Rotary spectra of tidal current of bottom layer

采用红噪声假设对底层海流谱峰进行显著性检验，其检验结果列于表3中。从表3中可以看出如下规律：

1）当f＞0时，日分潮K1（周期约为23.9h）和O1（周期约为25.8h）通过显著性检验，半日潮 M2（周期约为12.4h）和S2（周期约为12h）通过显著性检验，半日潮谱峰高于全日潮谱峰；f＜0时，只有K1分潮和M2分潮通过显著性检验，全日分潮和半日分潮谱峰接近。

2）在半日潮和全日潮分量中，逆时针分量是主要的：日分潮K1，O1的顺时针能谱峰值分别只有逆时针的3.7%，5.4%；半日潮 M2，S2顺时针能谱峰值分别只有逆时针的5.1%，5.0%。

3）周期为8.3，6.2，6.1和4.1h的浅水分潮也有表现，只有在f＞0时，6h附近周期通过显著性检验。

4）周期超过24h的，特别是3d以上的也有明显表现，其中周期为3.4，5.2和8.3d的在f＜0时通过显著性检验。

表3 采用红噪声假设对底层海流谱峰进行显著性检验Table 3 Significance test of spectrum crest of tidal current of bottom layer under hypothesis of red noise

3 讨论

3.1 潮流类型

式中，A≤0.5，属正规半日潮流型；0.5＜A≤2.0，属不正规半日潮流型；2.0＜A≤4.0，属不正规日潮流型；A＞4.0，属正规日潮流型。

根据一年潮流观测资料，计算的潮流调和常数为：WO1＝4.15cm/s，WK1＝5.84cm/s，WM2＝10.0cm/s，由此就算得到A≈1.00，属不正规半日潮型。而广西沿海从东向西：涠洲岛、北海、防城港、东兴海关码头的潮汐类型判别因子依次为：5.34，4.76，5.54，5.72，白龙尾介于防城港和东兴中间，其潮汐类型判别系数5.63，由此可见，无一例外地都属于典型日潮类型。白龙尾海域潮汐与潮流类型是不一致的。

潮流与潮位类型不一致也表现在其他海区：广西最东部的铁山港，潮流特征判别系数A值为1.45～2.89［16］，其中位于航道和深槽的大部分区域A值为2.03～2.89，属于不规则日潮流，而浅水区A值大都在1.45～2.00，属于不规则半日潮流。北海港潮流判别系数A值在1.78～2.89变化［17］，钦州湾的A值在1.58～2.97变化，说明那里是不规则半日潮流和不规则日潮流海域。

以白龙尾2011－05中层流向和潮位的变化过程为例，可以看出潮流和潮位类型的不同：在1个月的时间历程中，潮位是日潮，而潮流基本是半日潮；在1个月中，出现60个潮流变化周期，但振幅不等（图5）。

图5 白龙尾中层流向和潮位的变化曲线Fig.5 Variations of tidal current direction and amplitude of middle layer

3.2 流速与潮位的对应关系

潮流最大流速不对应最大潮位，恰恰相反，最小流速对应最大潮差，最大流速对应最小潮差，这是日潮海域潮位与潮流的典型特征（图6，以2011－05为例）。在半日潮海域，潮流流速与潮差基本呈正比关系。

图6 白龙尾中层潮流流速和潮位的变化曲线Fig.6 Variations of tidal current veloccity and amplitude of middle layer

3.3 潮流主要运动特征

从表、中、底层潮流谱分析结果得知：

K1日潮流分量能量：相应表、中、底层，f＞0时分别为f＜0的2.6倍，5.6倍和26.9倍。O1分潮流能量：相应表、中、底层，f＞0时也分别为f＜0的1.5倍，1.9倍和18.6倍。

半日分潮流 M2，S2也是如此：相应表、中、底层，f＞0时 M2分潮流能量分别为f＜0的14.6倍，7.5倍和19.6倍；相应表、中、底层，f＞0时S2分潮流能量分别为f＜0的1.9倍，5.0倍和20.3倍。

数值计算结果［18－19，24－25］表明，日潮（K1）和半日潮（M2）潮波在广西沿海也是呈逆时针运动的（图7，图8），潮波先到达北海，然后向西传播。

图7 K1分潮同潮时图［18－19］Fig.7 Co－tidal chart of K［18－19］1

图8 M2分潮同潮时图［24－25］Fig.8 Co－tidal chart of M［24－25］2

实测结果也证明上述结果可信（表4）：

1）白龙尾日分潮（K1，O1，P1）的迟角比北海要大约2°，半日分潮 M2几乎同时，而S2的迟角比北海要大2°左右。这表明，潮波先到北海，然后向西传至白龙尾。

2）在传播过程中，受海底摩擦的影响，能量衰减，潮汐振幅减少，其中日潮振幅减少较少，只有2～4cm，而半日潮M2振幅减少较多，接近11cm。

表4 白龙尾与北海东部主要日分潮和半日分潮振幅和迟角对比Table 4 Comparison of tidal phase and amplitude of major diurnal and semi－diurnal constituents between Bailongwei and the region east of Beihai

3.4 海底摩擦效应

表5中给出表、中、底层浅水分潮W（fm）值及其显著性检验结果。由表中可以看出，越接近海底W（fm）值越大，到了底层，周期为6.2和6.1h的浅水分潮，均通过显著性检验。说明海底摩擦是浅水分潮生成的主要机制。

表5 浅水分潮W（fm）的变化和显著性检验Table 5 Significance test of W（fm）of shallow water constituents

3.5 余 流

全年余流各向出现频率如图9所示。由图9可以看出：从表层到底层，东向流年出现频率逐渐增大，西向流年出现频率则逐渐减小。表、中层以WSW向年出现频率最大，分别为25.4%和23.5%；底层则为NE向，年出现频率为25.4%，可能是补偿性效应引起的。

图9 全年余流各向出现频率Fig.9 Rose diagrams of residual current

大于3d的长周期（余流），通过显著性检验的都是f＞0的条件下发生的，在f＞0情况下，周期超过3d以上的长周期运动（余流）有3个。其中8.3d的长周期运动，在表中底层都通过显著性检验（表6）。5.2d在中、底层都通过显著性检验，3.4d只在底层通过显著性检验。

表6 余流W（fm）的变化和显著性检验Table 6 Significance test of W（fm）of residual currents

研究余流产生机制是比较困难的。我们对风做过小波分析，没有发现接近8.3d的周期，也没有发现与3.4，5.2d相近的周期。因此，8.3d周期的余流产生机制和天气过程特别是风不相关。我们认为，最有可能是和潮流本身引起的潮致余流有关。从图5可以看出，5月中层潮流流速明显具有3.4，5.2和8.3d的变化周期，特别是8.3d变化周期表现更为明显。

4 结论

本文在广西沿海第一次使用高精度的声学多普勒海流剖面仪，对白龙尾开阔水域进行为期一年的分层海流观测，通过谱分析方法，给出如下结论：

1）日分潮O1，K1和半日分潮M2，S2是白龙尾主要分潮流。半日潮流的能量甚至大于日潮流能量。

2）在半日潮流和全日潮流分量中，逆时针分量是主要的。这可能与潮波旋转形态有关。

3）只有到了底层，周期为6h左右的浅水分潮，通过显著性检验。表明海底摩擦是浅水分潮生成的主要机制。

4）在f＞0情况下，周期超过3d以上的长周期运动（余流）有3种。其中8.3d的长周期运动，在表、中、底层都通过显著性检验。5.2d在中、底层都通过显著性检验。根据我们研究结果，认为该现象和天气变化关系不大，可能主要是由潮余流引起的。

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