基于海床基观测资料的辽东湾东部海流特征研究

赵 骞，陈 超，丁德文，陈伟斌

(1. 国家海洋环境监测中心，辽宁 大连 116023；2.国家海洋局第一海洋研究所，山东 青岛 266061；3. 上海海洋大学 海洋科学学院，上海 201306)

基于海床基观测资料的辽东湾东部海流特征研究

赵 骞1,2，陈 超3,1，丁德文2，陈伟斌1

(1. 国家海洋环境监测中心，辽宁 大连 116023；2.国家海洋局第一海洋研究所，山东 青岛 266061；3. 上海海洋大学 海洋科学学院，上海 201306)

基于海床基观测平台，对2010年秋季辽东湾东部海域的海流开展连续观测，并运用谱分析和调和分析方法对该海域的潮流和余流特征进行研究。结果表明：辽东湾东北部潮流属于规则半日潮流；而中东部和东南部两站潮流属于不规则半日潮流。三个站位优势分潮流均为M2分潮，并呈往复流特征；其最大流速介于38～55 cm/s之间，流向为东北-西南，最大流速发生时刻随深度增加而提前。最大可能潮流流速介于91～142 cm/s，流向与岸线走向大致平行。秋季辽东湾东部沿岸余流整体较弱，流向以西南向为主，从北往南三站余流流速分别约为3～5 cm/s，3 cm/s和2～5.5 cm/s。

辽东湾；谱分析；潮流；余流；海床基

Abstract: Based on the seabed based platform, we continuously observed ocean current, and then analyzed characteristics of tidal and residual currents by means of spectral and harmonic analysis in the east of Liaodong Bay in the autumn of 2010. The results showed that the tidal current in the northeast of Liaodong Bay was a regular semidiurnal one, while the tidal current in the mid-east as well as at the eastern part of the bay mouth was irregular semidiurnal; the dominant tidal current constituent was M2which flowed rectilinearly in the direction of northeast-southwest with the maximum speed of 38～55 cm/s; the moment of maximum M2tidal current was advanced with depth; the maximum possible velocity of tidal current ranged from 91 cm/s to 142 cm/s, and the direction paralleled to the coastline approximately; and the residual current was feeble in the eastern area of Liaodong Bay and mainly directed southwestward, with the typical velocity of 3～5cm/s, 3 cm/s and 2～5.5 cm/s from north to south, respectively.

Keywords: Liaodong Bay; spectral analysis; tidal current; residual current; seabed based platform

辽东湾是渤海的三大海湾之一，面积约3.6×104km2，湾口以河北大清河口至辽东半岛西南端的老铁山岬连线为界。辽东湾内海流主要由潮流、入海径流和风海流组成，且存在季节性的环流系统[1]。赵保仁等[2]基于普查资料的再分析认为，调查期间辽东湾环流除1959年表现为逆时针形态外，其他时间均表现为顺时针流动特征。此后，研究人员基于现场观测对辽东湾局部海域的水动力特征进行了研究[3-6]，并利用投放人工水母的办法初步估算了渤海及辽东湾底层环流的特征[7]。在观测基础上，科研人员也基于数值模拟技术对辽东湾的海流特征及机制进行了研究[8-11]，并认为辽东湾的环流具有显著的季节性特征。上述工作为我们进一步认识辽东湾的海流及其它水动力特征打下了良好的基础。但由于缺乏长期连续的实测资料，针对辽东湾冬夏季的环流特征尚未达成一致观点，对秋春季的环流研究还未开展。

辽东湾东部海域位于辽东半岛西侧，沿岸有大清河、熊岳河、复州河和鞍子河等径流汇入，是辽东湾与黄海进行水交换的重要通道[12]。这里利用海床基平台，在对秋季辽东湾东部代表性站点长期同步观测的基础上，利用谱分析和调和分析的方法对该海域的潮流、余流特征进行了研究，并估算了调查期间辽东湾环流的形态。通过该研究，不仅有助于丰富对辽东湾及渤海环流的认识，也可为辽东湾沿岸海洋环境综合防治提供科学依据。

图1 海床基平台位置Fig. 1 Location of seabed based platform

1 资料与方法

观测资料来源于2010年秋季投放于该海域东北部、中东部和东南部的三个海床基平台(站名分别以A、B、C表示，如图1所示)，各平台均配置一台ADCP以获取海流剖面，观测对象、仪器(型号)、采样间隔和局地水深等信息如表 1所示。鉴于ADCP上盲区、海平面起伏及海浪效应对海洋上层流动的影响，文中的观测剖面表层取为海平面以下约4 m处。此外，A、B、C三站的观测剖面底层分别设置为距换能器1.9 m、1.9 m和2.1 m，考虑到ADCP换能器距海底约0.5 m，因此，三站观测剖面底层的实际高度分别为距海底2.4 m、2.4 m和2.6 m。对所采集的原始数据进行质量控制后，选取2010年10月1日至11月30日时间段的同步观测资料来研究各站的潮流和余流特征。

利用Pawlowicz等[13]提供的T_TIDE程序包对潮流进行分析，该程序用调和分析方法来计算海流时间序列中包含的周期性潮流成分。它的优点包括：根据观测时间计算交点因子；对因资料长度限制而无法分离的次要分潮，可通过它们和主要分潮的差比关系将其分离；对计算所得的分潮作显著性检验；计算出各分潮流的椭圆要素，如长轴、短轴、旋转率、最大流速方向和迟角等。文中使用的功率谱估计是非参数化方法中较为常用的韦尔奇(Welch)方法，该方法通过除以样本长度，确保估计值是渐进无偏的。

表1 观测站位背景信息Tab. 1 Background information of observation stations

2 结果分析

2.1 潮流

2.1.1 海流旋转谱

海流旋转谱可分为顺时针谱和逆时针谱，它们分别反映了海流顺时针和逆时针旋转分矢量的能量分布情况。从各站表、中、底层的旋转谱(图2)可以看出，频率为0.08 cph附近的海流波动信号最强，对应着半日分潮流。各站表层半日分潮流的顺时针旋转波动信号均略强于逆时针旋转波动信号，表明表层半日分潮流按顺时针方向旋转；中层，C站半日分潮流呈顺时针方向旋转，其余两站呈逆时针方向旋转；底层半日分潮流均按逆时针方向旋转。此外，频率为0.04 cph附近的波动信号亦较强，对应全日分潮流。A站和B站表、中、底三层全日分潮流均为顺时针方向旋转；C站表层和中层全日分潮流呈顺时针旋转，底层则呈逆时针旋转。此外，图中所示的逆时针和顺时针旋转谱均未表现出显著的惯性周期谱锋，主要是由于研究海域水深较浅且离岸较近，海流运动受科氏力的影响不明显。

图2 海流旋转谱Fig. 2 Rotational spectrum of current

2.1.2 椭圆要素的垂向分布

利用T_TIDE程序包计算潮流东分量和北分量的调和常数，并在此基础上计算潮流椭圆要素。从各分潮流的调和常数中可以看出，最显著的半日分潮流为M2分潮流，最显著的全日分潮流为K1分潮流，据此文中给出辽东湾东部各站M2、K1分潮流的最大流速、旋转率、最大流速方向和最大流速发生时间的垂向分布(图3、图4)。

图3 M2分潮流椭圆要素Fig. 3 Ellipse elements of M2 tidal current component

图4 K1分潮流椭圆要素Fig. 4 Ellipse elements of K1 tidal current component

如图3、4所示，A、B、C三站M2分潮流流速范围分别为43～54 cm/s、43～55 cm/s 、38～54 cm/s。A站和C站M2分潮流流速的最大值都出现在表层，最小值出现在底层；B站流速的最大值则出现在表层以下的7 m处，流速最小值同样位于底层。三站流速最大值近乎相同，且靠近底部部分的流速基本呈指数变化，越靠近海底流速越小，这是由于海底摩擦作用的结果。A、B、C三站K1分潮流最大流速范围为8.5～9.8 cm/s、11.5～16.3 cm/s 、16.1～26.8 cm/s，可以看出越靠近辽东湾口最大流速越大。各站最大流速垂直变化情况同与之对应的M2分潮流最大流速变化趋势相似，A站和C站的最大值出现在表层，B站的最大值出现在6 m层，从最大值所在水层往下，最大流速随深度增加逐渐减小。

旋转率k又称之为椭圆率，是潮流运动形式的反映。当k>0时，潮流呈逆时针方向旋转；反之则呈顺时针方向旋转。三站M2分潮流的旋转率介于-0.04～0.06之间，随深度增加而增大。A站表层至7 m层呈顺时针方向旋转，7 m层以下则呈逆时针方向旋转；B站表层至6 m层呈顺时针方向旋转，6 m层以下呈逆时针方向旋转；C站表层至24 m层呈现顺时针方向旋转，24 m层以下则转为逆时针方向旋转。K1分潮流旋转率的垂向变化较为复杂，A站和B站各层均呈顺时针方向旋转；C站18 m层以上呈顺时针方向旋转，18 m层以下则呈逆时针方向旋转。三站旋转率随深度增加均呈现增大的趋势。Qiao等[5]的研究认为辽东湾顶部M2分潮流表层和底层均呈逆时针方向旋转，K1分潮流表层为顺时针方向旋转，而底层为逆时针方向旋转，这与本文研究结果有所不同。除了观测位置不完全一致外，其可能原因是两者海流观测方式及数据长度不同，前者基于船载海流计观测，观测时间为1周左右；而本文基于坐底式ADCP观测且持续两月，因此导致数据分析结果有所不同。研究表明，如果上层潮流是逆时针方向旋转的，则随深度增加旋转率将变大，即椭圆将越来越圆；如果上层潮流是顺时针方向旋转，则下层的潮流椭圆将变扁，甚至可能变成逆时针旋转[13]，文中各站旋转率的变化趋势均符合上述观点。

A、C两站M2分潮流最大流速方向随深度增加向右偏，底层比表层分别右偏约1.7°、1.8°；而B站自7 m以下最大流速方向随深度增加向左偏，底层比表层左偏1.2°。A、C两站K1分潮流最大流速方向随深度增加向左偏，底层相对表层分别左偏5.2°和8.4°；而B站仅7 m层以下最大流速方向随深度增加呈左偏趋势，底层与7 m层相比左偏约2.2°。方国洪[14]的研究认为，分潮流最大流速方向的垂向变化取决于分潮角频率σ和科氏参量f。当σ>f时，变动较小；当σf的条件，各站最大流速方向的垂向分布规律不尽相同，但总体上变化幅度较小；K1分潮流满足σ

M2分潮流最大流速发生时间的垂向分布趋势在各站大致相同，即随深度增加发生时间提前，底层最大流速发生时间比表层提前15～30 min。A站和C站K1分潮流最大流速发生时间的变化与M2分潮流相比变化较小，B站最大流速发生时间从上到下先延后然后又提前。方国洪[14]指出最大流速发生时间的垂向变化也决定于σ和f的相对大小，当σ>f时，随着接近海底时间提前，当σ

2.1.3 潮流类型

潮流类型通常是以全日、半日分潮流最大流速的比值F=(WO1+WK1)/WM2作为判别指标[15]。F≤0.5为规则半日潮流，0.54.0为规则全日潮流。另外，文中还通过计算G=(WM4+WMS4)/WM2的大小来衡量浅水分潮流在总潮流中的影响，当G>0.04时认为浅水分潮比较显著。三个沿岸站点F，G值的垂向分布如图5所示，可以看出，A站各层的F值在0.31～0.33之间，其潮流类型属于规则半日潮流；B站、C站各层的F值分别介于0.53～0.60及0.77～0.91之间，潮流类型属于不规则半日潮流。A站各层G值在0.05～0.06之间，浅水分潮较为显著；B、C两站的G值范围为0.016～0.04，浅水分潮不显著。上述计算结果表明，在辽东湾东部海域，越靠近湾顶半日分潮流在潮流中所占的比重越大，这与Qiao等[5]的研究结果一致；此外，由于靠近湾顶水深变浅，潮流的浅水效应逐步显著。

2.1.4 最大可能潮流

根据《海港水文规范》[16]，最大可能潮流采用公式：

及

进行计算。对于规则半日潮流区，采用式(1)计算；对于不规则半日潮流区，则首先按式(1)、(2)分别计算，然后取两者中的大值作为最大可能潮流。从图6可以看出，三个站位最大可能潮流流速的分布特征与上述M2、K1分潮流最大流速的特征基本相同，即A站和C站最大值都出现在表层，B站最大值出现在7 m层，最大值以下流速随深度的增加而减小，至底层流速达到最小。其中，A、C两站表层和底层的最大可能潮流流速分别为111.64 cm/s、91.79 cm/s及142.50 m/s、92.15 cm/s；B站7 m层和底层最大可能潮流流速分别为124.19 cm/s和97.30 cm/s。各站最大可能潮流流向整体变化幅度较小，除B站7 m以上水层外，其余水层均呈现随深度增加而减小的趋势，A、C两站底层比表层分别左偏0.51°和2.69°；B站底层比7 m层左偏约1.7°。由计算结果可知，三个站位最大可能潮流流速均大于90 cm/s，属于强潮流区；流向整体变化较小，表现出与岸线近乎平行的特征。

图5 潮流性质判据Fig. 5 Criteria of tidal current property

图6 最大可能潮流Fig. 6 Maximum probable tidal current

2.2 余流

余流是海水的定常运动，它对水体及污染物的长期输运具有重要意义。将实测海流减去周期性潮流部分，获得余流的时间序列；然后将其在观测时段内取平均，从而得到2010年秋季辽东湾东部沿岸3个站点的平均余流(图7)。从图中可以看出，受岸线和地形影响，辽东湾东北部余流的垂向分布特征较为复杂，表层余流流速约为4 cm/s，流向为西南向；随着深度的增加，流速至中层逐渐减小至3 cm/s，流向由表层的247.2°逆时针旋转至中层的203.2°；中层以下流速维持在3 cm/s，流向由西南向逆时针旋转为东南向，呈向岸流动的特征。中东部余流流速介于2～3 cm/s之间，最大流速出现在7米水层；流向在垂向上均为西南向。西南部表层余流流速约为5 cm/s，随着深度的增加，流速先增大后减小，在18 m层附近流速达到最大，约为5.5 cm/s，18 m层以下流速开始逐渐减小，至底层流速达到最小约为2.0 cm/s；流向在垂向各层均为西南向。上述观测结果表明：秋季辽东湾东部沿岸的余流较弱，流速在2～5.5 cm/s之间；流向除东北部中层以下及中东部表层外，其余部分均为西南向，表现出与辽东湾东部岸线平行的特征。由此可进一步推断辽东湾秋季环流具有顺时针流动的特征，这与赵保仁等[2]和吴冠等[4]的研究结论较为符合。

图7 余流的垂向分布Fig. 7 Vertical distribution of residual current

3 结 语

利用海床基观测平台，获得2010年秋季辽东湾东部沿岸的水动力连续观测资料，在此基础上对该海域的潮流、余流特征进行研究，主要结论如下：

1)三个站位M2分潮流最大流速介于38～55 cm/s之间，A、C两站最大值出现在表层，B站出现在7 m层，流向垂向变幅在2°以内；最大流速发生时刻随深度增加而提前，底层比表层提前约15～30 min。东部沿岸潮流均属于往复流，涨、落潮流的方向与辽东湾东岸岸线走向一致。最大可能潮流流速介于91～142 cm/s之间，流向与岸线走向大致平行。

2)A站潮流属于规则半日潮流，浅水分潮较为显著；B、C两站潮流属于不规则半日潮流，浅水分潮不显著。

3)秋季，辽东湾东部沿岸的余流整体较弱。其中，东北部余流流速为3～5 cm/s，流向由表层的西南向逆时针旋转至底层的东南向；中东部余流流速为3 cm/s，流向除表层外，其余各层均为西南向；西南部余流流速介于2～5.5 cm/s之间，流向均为西南向。由此可推断秋季辽东湾环流具有顺时针流动的特征。

[1] 孙湘平．中国近海区域海洋[M]．北京：海洋出版社，2008：106-107．(SUN Xiangping. Regional oceanography in offshore area of China[M]. Beijing：Ocean Press, 2008：106-107. (in Chinese))

[2] 赵保仁, 庄国文, 曹德明, 等. 渤海的环流、潮余流及其对沉积物分布的影响[J].海洋与湖沼, 1995, 26(5)：466-473. (ZHAO Baoren, ZHUANG Guowen, CAO Deming, et al. Circulation, tidal residual currents and their effects on the sedimentations in the Bohai Sea[J]. Oceanologia Et Limnologia Sinica, 1995, 26(5)：466-473. (in Chinese))

[3] 刘恒魁. 辽东湾近岸水域海流特征分析[J]. 海洋科学, 1990,14(2)：22-27. (LIU Hengkui. Analysis of current characteristics of the coastal shallow water area in the Liaodong Bay[J]. Marine Sciences, 1990,14(2)：22-27. (in Chinese))

[4] 吴冠, 王锡侯, 刘恒魁. 辽东湾顶浅海区海流分布特征[J]. 海洋通报, 1991, 10(5)：8-13. (WU Guan, WANG Xihou, LIU Hengkui. Characteristics of current distribution in shallow water area at Liaodong Bay-Head[J]. Marine Science Bulletin, 1991, 10(5)：8-13. (in Chinese))

[5] QIAO L L, BAO X W, WU D X. The observed currents in summer in the Bohai Sea[J]. Chinese Journal of Oceanology and Limnology, 2008, 26(2)：130-136.

[6] 胡展铭, 史文奇, 张淑芳, 等. 金普湾春季海床基实测海流分析[J]. 海洋环境科学, 2014, 33(2)：220-225. (HU Zhanming, SHI Wenqi, ZHANG Shufang, et al. Current observed in spring by seabed platform in Jinpu Bay[J]. Marine Environmental Science, 2014, 33(2)：220-225. (in Chinese))

[7] 江文胜, 吴德星, 高会旺. 渤海夏季底层环流的观测与模拟[J]. 青岛海洋大学学报, 2002, 32(4)：511-518. (JIANG Wensheng, WU Dexing, GAO Huiwang. The observation and simulation of bottom circulation in the Bohai Sea in summer[J]. Journal of Ocean University of Qingdao, 2002, 32(4)：511-518. (in Chinese))

[8] 王辉, 苏志清, 冯士筰, 等. 渤海三维风生-热盐-潮致Lagrange余流数值计算[J]. 海洋学报, 1993, 15(1)：9-21. (WANG Hui, SU Zhiqing, FENG Shizuo, et al. A three-dimension numerical modeling of Lagrange residual current by winds, salinity and tides in Bohai Sea[J]. Acta Oceanologica Sinica, 1993, 15(1)：9-21. (in Chinese))

[9] 赵保仁, 曹德明. 渤海冬季环流形成机制动力学分析及数值研究[J]. 海洋与湖沼, 1998, 29(1)：86-96. (ZHAO Baoren, CAO Deming. Dynamic analysis and numerical modeling of forming mechanisms of winter circulations in the Bohai Sea[J]. Oceanologia Et Limnologia Sinica, 1998, 29(1)：86-96. (in Chinese))

[10] FANG Y, FANG G H, ZHANG Q H. Numerical simulation and that the dynamic study of the wintertime circulation of the Bohai Sea[J]. Chinese Journal of Oceanology and Limnology, 2000, 18(1)：1-9.

[11] WEI H, WU J P, POHLMANN T. A simulation on the seasonal variation of the circulation and transport in the Bohai Sea[J]. Journal of Oceanography of Huanghai & Bohai Seas, 2001, 19(2)：1-9.

[12] 周锋, 黄大吉, 苏纪兰. 夏季渤海温跃层下的双中心冷水结构的数值模拟[J]. 科学通报, 2009, 54(11)：1591-1599.(ZHOU Feng, HUANG Daji, SU Jilan. Numerical simulation of the dual-core structure of the Bohai Sea cold bottom water in summer[J]. Chinese Sci. Bull, 2009,54(11), 1591-1599. (in Chinese))

[13] PAWLOWICZ R, BEARDSLEY B, LENTZ S. Classical tidal harmonic analysis including error estimates in MATLAB using T_TIDE[J]. Computers and Geosciences, 2002, 28(8)：929-937.

[14] 方国洪. 潮流垂直结构的基本特征——理论和观测比较[J]. 海洋科学, 1984,8(3)：1-11. (FANG Guohong. Basic characteristics of the vertical structure of tidal currents-A comparison of theory and observations[J]. Marine Science, 1984,8(3) ：1-11. (in Chinese))

[15] 方国洪, 郑文振, 陈宗镛, 等. 潮汐和潮流的分析和预报[M]. 北京：海洋出版社, 1986：9-11. (FANG Guohong, ZHENG Wenzhen, CHEN Zongyong, et al. Analysis and prediction of tides and tidal currents[M]. Beijing: Ocean Press, 1986：9-11. (in Chinese))

[16] JTS145-2-2013, 海港水文规范[S]. 北京：人民交通出版社, 2013: 97-98. (JTS145-2-2013, Seaport hydrology criterion[S]. Beijing：China Communications Press, 2013: 97-98. (in Chinese))

Study on coastal current characteristics in the eastern area of Liaodong Bay based on the observed data from seabed based platform

ZHAO Qian1,2， CHEN Chao3,1， DING Dewen2， CHEN Weibin1

(1. National Marine Environmental Monitoring Center, Dalian 116023, China; 2. The First Institute of Oceanography, State Oceanic Administration, Qingdao 266061, China; 3. Shanghai Ocean University, College of Marine Science, Shanghai 201306, China)

1005-9865(2016)04-0118-07

P731.21

A

10.16483/j.issn.1005-9865.2016.04.016

2015-09-30

海洋公益性行业科研专项(200905007，201305043)；国家海洋局环保项目“渤海环境立体监测和动态评价专项”

赵 骞(1978-)，男，江苏苏州人，副研究员，从事近海环境动力学研究。E-mail：qzhao@nmemc.org.cn