浙闽沿岸潮余流的空间变化

林其良, 黄大吉,3, 宣基亮

(1.卫星海洋环境动力学国家重点实验室，浙江 杭州 310012; 2.国家海洋局 第二海洋研究所，浙江 杭州 310012;

2. 浙江大学 海洋学院，浙江 杭州 310058)



浙闽沿岸潮余流的空间变化

林其良1,2, 黄大吉1,2,3, 宣基亮1,2

(1.卫星海洋环境动力学国家重点实验室，浙江 杭州 310012; 2.国家海洋局 第二海洋研究所，浙江 杭州 310012;

2. 浙江大学 海洋学院，浙江 杭州 310058)

摘要:利用非结构网格海洋环流模式(FVCOM)，研究了浙闽沿岸潮余流的空间变化及其生成机制。结果表明，浙闽沿岸的潮余流具有明显的水平二维特征。根据潮余流的流速和方向，浙闽沿岸的潮余流可分为3个区域，自东北向西南，依次为区域I、区域II和区域III。区域I和区域III的潮余流较强，前者流速为0.6~2.5 cm/s，方向沿等深线指向西南；后者流速为0.5~1.5 cm/s，方向沿等深线指向东北。区域II的潮余流较弱，均小于0.6 cm/s，方向自岸向海逆时针旋转，离岸较近区域方向指向西南，离岸较远区域方向指向东北。结合浙闽沿岸的潮余流和海底地形进行分析，发现潮余流与地形β效应成正比，这与前人研究获得的海底地形对潮流的整流机制相符合，表明浙闽沿岸海域陡峭的海底地形对潮流有明显的整流作用。

关键词:数值模拟；潮余流；地形β效应；浙闽沿岸

0引言

余流是海流过滤掉周期性的潮流后剩下的部分，包括风海流、密度流、径流和潮余流等。在余流的组成中，潮余流与其它成分有明显不同，它的产生机制基本不随长时间尺度变化，始终对余流有所贡献。因此，潮余流对海水中物质的输运起重要作用，如热量、溶解盐、污染物和营养盐等[1]。同时，潮余流的流速可从每秒几厘米到几十厘米，与其它成分余流具有相同的量级，也是余流的重要部分，比如乔治浅滩上的顺时针环流[2]。

潮余流是由潮流和地形(海底地形和海岸边界)非线性相互作用，将能量从潮流场传输到余流场而产生的。本文只关注潮流和海底地形的非线性相互作用。潮流流过陡峭的海底地形时，受到摩擦力和科氏力的作用，受体积守恒和位涡守恒双重约束，其流速和方向都会产生空间变化，通过潮流与潮流空间变化的非线性作用产生潮余流。HUTHNANCE[3-4]研究了潮流和海底地形非线性相互作用，提出2种产生潮余流的机制：(1)科氏效应：由于科氏力作用，潮流跨等深线运动的过程中，为了维持位涡守恒，将产生潮余流；(2)摩擦-平流效应：分潮流半长轴在沿着等深线和垂直于等深线方向都存在分量时，底摩擦力与动量通量平衡，将产生潮余流。ZIMMERMAN[5-6]，ROBINSON[7-8]从涡度的角度阐述了这2种机制。MASS和ZIMMERMAN[9]用谱方法描述了海底地形上潮余流的分布。LODER[2]研究了乔治浅滩上面的顺时针余流，认为考虑科氏效应是产生潮余流的主要机制，与HUTHNANCE不同，LODER还考虑了潮流和潮余流的相互作用，发现潮流和潮余流的相互作用使潮余流的空间分布趋于均匀。另外，LODER还考虑了旋转潮流，但是在解释乔治浅滩上的顺时针余流时，他仍然用往复潮流讨论了科氏效应的作用，没有具体体现潮流的旋转效应。不同形式的底摩擦表达对海底地形整流的影响已经被讨论[10]，同样的，有摩擦和没有摩擦对海底地形整流的影响也被详细讨论[11-12]，研究表明，虽然底摩擦的表达形式不同，但其在海底地形整流的作用机制是相同的。后来，为了研究乔治浅滩上顺时针环流的季节变化，许多努力付诸于研究层化海水的潮整流过程[13-17]，并成功地解释了乔治浅滩上顺时针环流的季节变化。前人的研究都表明：强潮流在陡峭海底地形处的运动将会产生强潮余流。

图1　浙闽沿岸海域地形(水深单位：m)Fig.1　Bathymetry in the coastal area off Zhejiang and FujianProvinces (isobaths are labeled in meters)

20世纪90年代以来，部分学者把渤、黄、东海作为一个整体进行数值计算，研究了渤、黄、东海的余流和潮余流特征，他们的结果中都显示出浙闽沿岸存在较强余流或潮余流[18-20]。由于计算条件的限制，数值模式的网格分辨率较低，不足以描述浙闽沿岸潮余流的空间分布特征及其对余流的贡献。浙闽沿岸的海底地形陡峭(图1)，受外海潮波影响，潮流也较强[18,21-25]，满足产生强潮余流的2个必要条件，笔者估计浙闽沿岸海域存在较强的潮余流。

本文用非结构网格海洋环流模式(FVCOM)[26]模拟了浙闽沿岸的潮余流，并对其特征进行了研究，发现海底地形对潮流的整流机制能较好地解释浙闽沿岸潮余流与海底地形的依赖关系。

1研究方法

本文所用潮流和潮余流数据来自XUAN et al[27]的数值计算结果，计算海域为整个渤、黄、东海，浙闽沿岸海域网格加密(水平网格3′~4′)，垂向采用σ坐标，共20层。时间步长为1 h，开边界水位包含11个主要分潮流(M2、S2、N2、K2、K1、O1、P1、Q1、M4、MS4和MN4)。因为探讨的是潮余流，不考虑海-气之间的动量、热量和水量交换以及径流的效应。

通过数值模拟结果与实测数据的比对[27]，结果显示数值模拟获得的同潮图与TOPEX-Poseidon高度计10 a测量数据结合275个海岸和岛屿站点观测记录绘制获得的同潮图相一致。数值模拟获得的潮流与卫星海洋动力学国家重点实验室锚系调查获得的潮流数据相符合。潮流流速的均方根误差小于0.05 cm/s，方向的均方根误差小于10 °，相对于该区域的潮流误差只有10%。数值模拟结果可靠，可以进一步分析。

模式产生的逐时数据经过3次25点滑动平均，然后去除两端的数据，选取中间区段(约1个月)求平均，得到欧拉潮余流。本文主要探讨潮流和地形非线性相互作用产生的余流，暂不考虑岬角效应(岸线)的影响，因此剔除了水深小于10 m水域的潮余流。

2浙闽沿岸的潮余流分布特征

图2是浙闽沿岸潮余流的空间结构。在水平方向上，潮余流的流速和方向都存在显著的变化。根据其流速和方向，分为3个区域研究其特征：自东北向西南依次为区域I、区域II和区域III。在垂直方向上，浙闽沿岸潮余流的流速自海面向下逐渐减弱，且其流向基本一致。

为了进一步定量分析潮余流的垂向变化，定义潮余流的最大偏离为：

(1)

图2　浙闽沿岸的潮余流Fig.2　The tidal residual currents in the coastal area off Zhejiang and Fujian Provinces图中灰线分别代表20，30和50 m等深线Gray lines indicate the 20, 30 and 50 m isobaths，respectively

式中，Max为取最大值符号，N为潮余流层数，ui为第i层潮余流的流速，δ表示潮余流偏离垂向平均的最大程度。浙闽沿岸海域潮余流的最大偏离δ(图3)表明，区域I内大部分区域的潮余流垂向变化小于15%，只有在个别潮余流很弱的区域，垂向变化较大；区域II的垂向变化较大，这是由于该区域的潮余流很弱，很小的绝对变化能引起较大的相对变化；区域III大部分区域的垂向变化小于25%，只有在个别潮余流很弱的区域，垂向变化较大。

图3　浙闽沿岸潮余流的最大偏离δFig.3　The column maximum deviation of tidal residualcurrents velocity with respect to its vertical mean

定性(图2)和定量(图3)分析都表明，浙闽沿岸的潮余流表现出较强的水平二维特征，故采用表层流场(图2a)探讨潮余流空间分布特征。3个区域中潮余流的空间特征存在较大差异，具体如下：

区域I的潮余流是3个区域中最强的，流速为0.6~2.5 cm/s，方向大部分(约95%)沿着等深线指向西南。潮余流流速在沿着和垂直等深线方向都存在变化。沿着等深线自东北向西南，潮余流逐渐减弱，东北部(1.0~2.5 cm/s)明显强于西南部(0.6~1.0 cm/s)。垂直等深线方向，强潮余流位于20 m和50 m等深线之间，自10 m到50 m等深线，潮余流先增大后减小，极大值出现在30 m等深线附近。50 m等深线以外，潮余流迅速减弱。

区域II的潮余流最弱，均小于0.6 cm/s。自海岸向海，潮余流方向逆时针转变，离岸较近区域(50 m等深线以内)方向指向西南，离岸较远区域(50 m等深线以外)方向指向东北。在潮余流方向转变的区域存在1条西南—东北向的条带结构，条带内潮余流很弱，均小于0.2 cm/s。沿着等深线自东北向西南，东北向的潮余流逐渐增强，条带结构逐渐向岸移动。

区域III的潮余流较强，自海岸向海，其流速从0.5 cm/s单调增加到1.5 cm/s，大部分(约86%)方向沿着等深线指向东北。

综上所述，浙闽沿岸的潮余流具有明显的水平二维特征，根据潮余流的流速和方向，浙闽沿岸的潮余流可分为3个区域，自东北向西南依次为：区域I、区域II和区域III。区域I和区域III的潮余流较强，两者方向相反，前者方向沿等深线指向西南，后者指向东北。区域II的潮余流较弱，自海岸向海方向逆时针旋转，离岸较近区域方向指向西南，离岸较远区域方向指向东北，是区域I和区域III的过渡区域。

3浙闽沿岸潮余流的生成机制探讨

浙闽沿岸的海底地形陡峭，受外海潮波作用，潮流较强，满足产生强潮余流的2个必要条件，存在HUTHNANCE[3]和LODER[2]讨论的海底地形对潮流的整流机制，即存在产生潮余流的2种机制：摩擦-平流效应和科氏效应。浙闽沿岸海域的主要分潮是M2分潮，我们以M2分潮为代表，结合该区海底地形对潮流的整流机制以及浙闽沿岸潮余流的生成机制作初步探讨。

图4　浙闽沿岸的潮余流和地形β效应Fig.4　The tidal residual currents and the topographic beta factor in the coastal area off Zhejiang and Fujian Provinces颜色代表地形β效应的大小；向量代表潮余流，等值线为潮余流流速Color represents the topographic beta .The vector represents the tidal residual currents and thewhite contours represent their velocity

图5　科氏效应产生潮余流示意图Fig.5　Schematic diagram shows the tidal residual currentsgenerated by the Coriolis effect

图6　摩擦-平流效应产生的潮余流示意图Fig.6　Schematic diagram shows the tidal residual currentsgenerated by the friction-advection effect

表1为浙闽沿岸2种效应产生的潮余流方向和数值计算的潮余流方向。根据表2可知：区域I、区域II和区域III，由于φd∈(0, π/2)，所以摩擦-平流效应产生潮余流为正向(西南向)。同时，科氏效应产生的潮余流始终为正向(西南向)。两者叠加，只能产生正向(西南向)的潮余流，无法解释区域II和区域III存在的负向(东北向)潮余流。

前人的研究主要针对往复潮流的情况，并没有解释潮流旋转特性的作用。浙闽沿岸M2分潮流旋转特性明显，潮流椭圆的偏心率较大(-0.3~0.4)，且沿着等深线自东北向西南，潮流的旋转方向从顺时针旋转变为逆时针旋转，与潮余流方向的转变相对应，这可能是产生负向(东北向)潮余流的一个重要原因。

表1　潮余流的方向

4结论

用非结构网格海洋环流模式(FVCOM)对浙闽沿岸的潮余流特征及其生成机制进行研究表明，浙闽沿岸的潮余流具有明显的水平二维特征，根据潮余流的流速和方向，浙闽沿岸的潮余流可分为3个区域。沿着等深线自东北向西南，依次为区域I、区域II和区域III。区域I和区域III的潮余流较强，前者流速为0.6~2.5 cm/s，方向沿等深线指向西南，后者流速为0.5~1.5 cm/s，方向指向东北。区域II的潮余流较弱，均小于0.6 cm/s，自海岸向海逆时针旋转，离岸较近区域方向指向西南，离岸较远区域方向指向东北。

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Spatial variation of the tidal residual currents in the

coastal area off Zhejiang and Fujian Provinces

in the East China Sea

LIN Qi-liang1,2, HUANG Da-ji1,2,3, XUAN Ji-liang1,2

(1.StateKeyLaboratoryofSatelliteOceanEnvironmentDynamics,Hangzhou310012,China;

2.TheSecondInstituteofOceanography,SOA,Hangzhou310012,China;

3.OceanCollege,ZhejiangUniversity,Hangzhou310058,China)

Abstract:A detailed spatial structure of the tidal residual currents (TRCs) in the coastal area off Zhejiang and Fujian Provinces in the East China Sea was simulated by an unstructured grid-volume, three-dimensional, primitive equations ocean model (FVCOM). The simulated TRCs have apparent horizontal 2-D characters. The TRCs were further divided into three regions from north to south according to their velocity and direction, i.e., Region I, Region II and Region III. The TRCs in Region I and Region III are stronger but in opposite direction, flowing along isobaths in the southwestward with a velocity of 0.6~2.5 cm/s and northeastward directions with a velocity of 0.5~1.5 cm/s, respectively. The TRCs in Region II are weaker (less than 0.6 cm/s), and their directions are unticlockwise with the distance away from the coast. The analysis shows that the TRCs are directly proportional to the topographic beta factor , this is consistent with the previous studies, and indicates the rectification of tidal currents when they flow over the steep bottom topography.

Key words:numerical simulation; tidal residual currents; topographic beta factor; coastal area off Zhejiang and Fujian Provinces

Doi:10.3969/j.issn.1001-909X.2015.04.003

中图分类号:P731

文献标识码:A

文章编号:1001-909X(2015)04-0030-07