桑沟湾筏式海带养殖对潮流垂直结构的影响

何宇晴，黄大吉*,3，曾定勇，乔旭东

(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；3．浙江大学 海洋学院，浙江 舟山316021；4．浙江工商大学 环境科学与工程学院，浙江 杭州 310018)



桑沟湾筏式海带养殖对潮流垂直结构的影响

何宇晴1,2，黄大吉*1,2,3，曾定勇1,2，乔旭东4

(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；3．浙江大学 海洋学院，浙江 舟山316021；4．浙江工商大学 环境科学与工程学院，浙江 杭州 310018)

利用桑沟湾海带播苗前和成熟期的海流剖面资料，对最显著的M2分潮流椭圆四要素(最大流速、椭圆率、最大流速方向和最大流速出现时间)的垂直分布特征进行对比分析，结果表明筏式海带养殖对潮流垂直结构有显著影响，由海带播苗前的单一海底边界层，变为海带成熟期的海表和海底双重边界层。海带播苗前，M2分潮流椭圆要素在垂向上变化不大；而在海带成熟期，从中层向海面和海底，最大流速迅速减小、椭圆率逐渐增大、最大流速方向左偏、最大流速出现时间提前。湾口中部的最大流速方向从海带播苗前的南北方向转为海带成熟期的西北—东南方向，这是由水位梯度的变化造成的。

桑沟湾；筏式海带养殖；潮流垂直结构；M2分潮

0 引言

桑沟湾位于山东半岛东端(37°01′～37°09′N，122°24′～122°35′E)，湾口朝东，面临黄海。湾口长约11.5 km，东西宽约7.5 km，水域总面积约144 km2，平均水深7.5 m，最大水深18 m[1]。该湾水动力由潮驱动，潮汐类型为不正规半日潮，最大潮差可达2 m左右；潮流类型为正规半日潮，属于往复流类型，其中M2分潮流明显占优[2]。桑沟湾是我国北方重要的贝藻养殖海湾，养殖历史超过30 a，养殖面积已达全湾总面积的2/3，养殖品种主要包括海带Saccharinajaponica，栉孔扇贝Chlamysfarrei和长牡蛎Crassostreagigas[3]。养殖布局如图1所示。为充分利用海域的空间资源，将海带和笼内养殖的滤食性贝类吊挂在浮筏和长绳上养殖。海带的养殖时间一般是11月至翌年6月，海带自海面向下生长，最长可达5 m，随着海流方向的变化摇摆。高密度的海带养殖对水动力的影响不容忽视[4]。

养殖设施及养殖生物的存在会使当地的水动力空间特征明显区别于自然海域。在水平方向上，养殖区流速显著减弱，如新西兰某贻贝养殖区的流速比周围流速减小30%[5]，南非Saldanha湾贝类筏式养殖海区的流速平均只有周边水流的15%左右，并且在养殖密度越大的区域，水流越小[6]。在垂直方向上，养殖海域的流速分布特征也有别于自然海域，表现为养殖层的海水流动缓慢，而非养殖层的流速得到一定程度的加强[5,7-8]。

图1 桑沟湾的地理位置、养殖布局及观测站位Fig.1 The geographic location, aquaculture species and observation stations in Sanggou Bay

历史观测资料表明养殖活动对桑沟湾水体流动存在显著影响。1983—1984年的调查表明：湾口垂向平均最大流速为72 cm/s，湾内垂向平均最大流速为30 cm/s[9]。而大规模养殖活动开展后，1994年的调查表明：湾口垂向平均最大流速为33 cm/s，湾内垂向平均最大流速为15 cm/s，较80 年代降低了50%[2]。值得注意的是，以上垂向平均流速仅为表层和底层两个观测层次的平均流速，在筏式养殖区，受表层和底层边界层的影响，其值比实际的垂向平均流速要小。近年来对桑沟湾潮流剖面的观测表明，筏式养殖区的潮流垂直结构呈现出不同于自然海区的特征。FAN et al[8]发现在大量养殖设施和部分未收获的海带的影响下，潮流最大流速并未出现在海面，而是在海面以下数米的位置，形成较厚的潮流上边界层，且上层潮流相对于下层先涨先落。此外，SHI et al[4]通过建立一个考虑海面养殖设施和海带阻力的三维水动力模型对桑沟湾水动力场进行了研究，模拟结果表明养殖使表层流速从33.1 cm/s 减小到12.2 cm/s，中层流速从19.8 cm/s 减小到13.9 cm/s，底层流速从3.2 cm/s 减小到2.3 cm/s，垂向平均流速减小了40%。

对于潮流垂直结构的研究，国内外学者通常从分潮流椭圆要素的角度进行理论分析[10-12]。潮流垂直变化的主要规律有：当趋向海底时，潮流椭圆半长轴减小、椭圆率增加、椭圆倾角增大以及椭圆迟角减小。由于桑沟湾潮流的历史调查数据以周日观测为主，缺乏长时间剖面观测数据，目前尚无关于从潮流椭圆要素的角度研究养殖活动造成潮流垂直结构变化方面的报道。本文以2011—2012年海带播苗前及成熟期多站位、长时间的流速剖面资料，对比分析海带养殖前后最显著的M2分潮流的垂向结构特征，探讨桑沟湾筏式海带养殖对潮流垂直结构的影响。

1 资料和方法

1.1 资料

于2011年10月—11月和2012年6月在桑沟湾布放了3个坐底观测锚系，获得了海带播苗前和成熟期的水文资料。湾内贝类养殖区的观测站记为T1，湾口海带-贝类混养区的2个观测站从南向北分别记为T2和T3(图1)。观测仪器为ADCP海流计和RBR XR 420 CTD，分别用来观测海流剖面和水位，海带播苗前和成熟期的采样时间间隔分别为20 min和10 min。ADCP换能器位于底上0.8 m，采取“仰视”工作方式，采样层厚0.5 m，盲区设置1.05 m。观测站的地理位置、水深及有效观测时间见表1。为研究海带养殖对潮流垂向结构的影响，本文选取T2和T3站的流速剖面资料进行研究，3个观测站的水位资料用于水位梯度的估算。

表1 站位信息和有效观测时间

由于底基ADCP是从海底向上测量均匀间隔水层的流速，在z坐标系(绝对深度坐标系)下，流速剖面的上限位置会随海面的起伏发生变化，不同时刻的海面流速对应的观测层次不同，海面附近观测层次的数据时有时无，给分析海面附近的流动特征带来困难[13]。为解决这一问题，本文在垂向上采用σ坐标系(相对深度坐标系，σ=z/H)，海底σ取0，海面σ取1，通过插值使每个相对深度上都有连续的数据，从而使得在观测时间内海流剖面都有相同的垂向观测层数。在垂向剖面观测数据从z坐标系转换到σ坐标系之前，需要对原始数据进行预处理。首先，将缺测或错误的数值(数值为-32768)、仪器倾斜角度>20°以及良好百分率<60%的数据标记为缺测值。其次，通过匹配水位与流速剖面数据来确定流速剖面上限位置，并剔除上限之外的流速数据。最后，采用BOOK et al[14]的inpaint_nans.m程序对缺测值进行插值填补。据统计，海带播苗前的数据缺失率为0.1%～0.3%，成熟期的数据缺失率为2%～5%。

在σ坐标系下各站的垂向观测层数由平均水深除以0.5 m确定，T2和T3站的观测层数分别为18和22。由于盲区和海表附近旁瓣区的影响，T2站有效观测数据的σ=0.22～0.95，T3站有效观测数据的σ=0.18～0.95。

1.2 方法

1.2.1 潮流椭圆的分解

众所周知，潮流由许多不同频率的分潮流所构成，研究潮流垂直结构的基本特征时，常对不同频率的分潮流分别进行考察。由于分潮流的矢量端轨迹为椭圆，因此常用椭圆要素来刻画分潮流的特征。潮流椭圆要素包括半长轴Ua、半短轴Ub、倾角Φ和迟角φ，它们分别表征分潮流的最大流速、最小流速、最大流速方向和最大流速出现时间。此外，也常用椭圆率e(Ub/Ua)来表征分潮流椭圆的形状和旋转特征[15]。

由于潮流椭圆的数学表达式复杂，在理论研究时，通常将分潮流椭圆分解成两个旋转分量[10]：

R+=R+ei(ω t+φ+)

(1)

R-=R-ei(-ω t+φ-)

(2)

其中，R为复数形式的潮流旋转分量，R和φ分别代表旋转分量的模和初相位，ω为分潮流旋转角速度，下标“+”和“-”分别代表气旋分量(逆时针旋转)和反气旋分量(顺时针旋转)。旋转分量的模和初相位与椭圆要素之间有如下关系：

Ua=R++R-

(3)

Ub=R+-R-

(4)

(5)

(6)

(7)

由以上关系可知，旋转分量的相对强弱(模)决定了椭圆的形状和旋转特征，如当R+大于R-时，e为正值，潮流椭圆以逆时针方向旋转；反之当R+小于R-时，e为负值，潮流椭圆以顺时针方向旋转。

1.2.2 水位梯度的估算

桑沟湾的线性水动力控制方程为：

(8)

(9)

其中，l1和l2分别为T1、T3站与T2站的距离，θ1和θ2分别为方向角。

(10)

(11)

(12)

(13)

(14)

其中，G和θ为压强梯度力的旋转分量振幅(模)和初相位，下标“u”代表分潮流的椭圆要素，下标“ξ”代表压强梯度力的椭圆要素。由公式(13)可知无摩擦流与压强梯度力椭圆的倾角相等。在桑沟湾，由于M2分潮的ω≈2f，因此，当G+>3G-时，e∞>0，无摩擦潮流以逆时针方向旋转；反之，无摩擦潮流以顺时针方向旋转。

2 结果

2.1 潮流垂直结构的变化

本文采用PAWLOWICZ et al[16]提供的T_TIDE程序对海带播苗前和成熟期的海流资料和水位梯度资料做调和分析，得到M2分潮流和水位梯度的椭圆要素，并从旋转分量的角度进行分析。

2.1.1 最大流速的变化

图2a给出了海带播苗前各站M2分潮流最大流速的垂直分布。在T2站，最大流速的最大值出现在中上层(z/H=0.61)，大小为19.9 cm/s，表、底层最大流速略小，分别为19.0和18.2 cm/s。在流速相对较大的T3站，最大流速的最大值出现在下层(z/H=0.28)，大小为25.8 cm/s，向海面流速逐渐减小，表层最大流速18.4 cm/s比垂向最大值减小了近30%，该站最大流速分布特征与樊星 等[8]的观测结果相一致。表层流速比其下层小，是由于海面养殖设施的摩擦作用引起的；底层流速越靠近海底越小，是由于海底的摩擦作用造成的。

如图2b所示，海带成熟期各站最大流速的垂直剖面特征较一致，最大值出现在无海带覆盖的中层，向海面和海底最大流速迅速减小，但接近海面时减小速率有所减缓。海带养殖对上层流速的阻碍作用显著，T2站和T3站的表层流速相对于中层的最大值分别减小了30%和78%。

图2 海带播苗前(a)和成熟期(b)最大流速的垂直分布Fig.2 Profiles of the maximum velocity during kelp-free period (a) and kelp-mature period (b)

此外，由表2可知，海带养殖后，虽然表层流速显著减小，但在无海带覆盖的中层流速显著增加，所以海带养殖前后最大流速的垂向平均值变化不大(T2和T3站垂向平均值的变化率分别为4%和7%)。因此，受海带阻挡的部分水流会从海带覆盖层的下方进出海湾。

表2 海带养殖前后M2分潮流最大流速值的对比

2.1.2 椭圆率的变化

如图3a所示，海带播苗前各站M2分潮流椭圆率在整个深度上均为负值，垂向变化不大，在-0.1附近，表明潮流椭圆在整个深度上以顺时针方向旋转，往复流特征明显。到了海带成熟期，各站椭圆率的最小值出现在中层，向海面和海底，椭圆率逐渐增大(图3b)。在T2站，中层的椭圆率为负值，大小接近0，潮流为往复流；表、底层椭圆率接近0.2，潮流椭圆以逆时针方向旋转，旋转性增强。在T3站，中下层椭圆率约为-0.1，潮流椭圆以顺时针方向旋转，往复流特征显著；表层潮流椭圆率超过0.2，为以逆时针方向的旋转流。

图3 海带播苗前(a)和成熟期(b)M2分潮流椭圆率的垂直分布Fig.3 Profiles of the ellipticity of M2 tidal current during kelp-free period (a) and kelp-mature period (b)

从旋转分量的角度看，在海带播苗前，气旋和反气旋分量的振幅(模)在垂向分布上基本平行，反气旋分量相对较强，使得潮流以顺时针方向旋转，椭圆率保持不变(图4a和4b)；在海带成熟期，T2与T3站由于旋转分量的垂向变化趋势不同，导致潮流垂向结构不同。在T2站，相对较强的反气旋分量以较大的速率从中下层向海面和海底减小，表、底层气旋分量相对较强，潮流以逆时针方向旋转(图4c和3b)。在T3站，气旋和反气旋分量垂向变化的格局相似，但反气旋分量的变化率比气旋分量大，中上层气旋分量比反气旋分量强，而在中下层气旋分量比反气旋分量弱，相应地，中上层以逆时针方向旋转的潮流，逐渐转变为中下层以顺时针方向旋转的潮流(图4d和3b)。

图4 海带播苗前(a,b)和成熟期(c,d)旋转分量振幅的垂直分布Fig.4 Profiles of the amplitude of rotary components during kelp-free period (a,b) and kelp-mature period (c,d)

2.1.3 最大流速方向的变化

如图5a所示，海带播苗前各站M2分潮流最大流速方向在垂直方向上变化很小，变化幅度不超过3°。M2分潮的频率大于科氏参数(ω>f)，在T2站最大流速方向度随靠近海底边界层略有增大，该变化特征与叶安乐[17]对潮流椭圆长轴方向随深度变化的研究结果相符合。到了海带成熟期，从中层向海面或海底，最大流速方向度有所增大，即最大流速方向左偏，较海带播苗前最大流速方向度的垂向变化幅度有所增大(图5b)。在T2站，上层(z/H>0.7)最大流速方向度基本稳定在135°附近，向海底最大流速方向度有所增大，底层最大流速方向度增大到140°左右。在T3站，上层(z/H>0.7)最大流速方向度随着靠近海面而增大，表层最大流速方向度约为0°，下层最大流速方向度变化较小，保持在-8°～-7°之间。

图5 海带播苗前(a)和成熟期(b)最大流速方向的垂直分布Fig.5 Profiles of the direction of the maximum velocity during kelp-free period (a) and kelp-mature period (b)

2.1.4 最大流速出现时间的变化

如图6a所示，海带播苗前各站M2分潮最大流速出现时间在垂直方向上变化很小，变化幅度不超过5 min，表明整层海水同涨同落。到了海带成熟期，各站最大流速出现时间的垂直分布发生显著变化(图6b)。在T2站，近底层最大流速出现时间最晚，向海面最大流速出现时间明显提前，表层潮流的最大流速出现时间相较于底层潮流提前约75 min。在T3站，中层(z/H=0.45)最大流速出现时间最晚，表、底层最大流速出现时间有所提前，较中层潮流分别提前了60 min和15 min左右。

图6 海带播苗前(a)和成熟期(b)最大流速迟角(出现时间)的垂直分布Fig.6 Profiles of the time of maximum velocity during kelp-free period (a) and kelp-mature period (b)

从旋转分量的角度看，在海带播苗前，气旋和反气旋分量的初相位在垂向分布上基本平行(图7a和7b)；在海带成熟期，越靠近海面，气旋分量的初相位越大，反气旋分量的初相位越小，使得表层潮流的最大流速出现时间提前(图7c和7d)。

2.2 水位梯度的变化

观测发现，在海带播苗前T2站的最大流速方向为南北向，而在海带成熟期最大流速方向变为西北—东南方向，整体左偏45°左右。由桑沟湾水动力控制方程(8)可知，M2分潮流方向的转变可能是由水位梯度的变化造成的。对T2站的水位梯度做调和分析，结果显示海带养殖前后M2分潮水位梯度的椭圆发生显著变化，海带养殖后水位梯度的椭圆倾角向左偏转约40°(图8)。

由公式(10)～(14)可求出无摩擦情况下的M2潮流椭圆要素。由无摩擦流与实测M2分潮流的对比可知(图9)，实测潮流明显小于无摩擦流，桑沟湾海区摩擦效应不容忽视。海带养殖前后无摩擦流的流向与实测潮流的方向相一致，因此桑沟湾海区的潮流方向主要由水位梯度所决定。海带养殖后湾口中部的最大流速方向从南北向转为西北—东南方向，这是水位梯度的变化造成的。

图7 海带播苗前(a,b)和成熟期(c,d)旋转分量初相位的垂直分布Fig.7 Profiles of the phase of rotary components during kelp-free period (a,b) and kelp-mature period (c,d)

图8 海带养殖前后T2站的水位梯度变化Fig.8 The variation of sea level gradient from kelp-free period to kelp-mature period at station T2

图9 海带播苗前(a)和成熟期(b)无摩擦流与实测 M2分潮流的对比Fig.9 Comparison of frictionless and in-situ M2 tidal current between kelp-free period (a) and kelp-mature period(b)

3 结论

基于桑沟湾海带播苗前和成熟期的海流剖面资料，采用调和分析法对海带养殖前后最显著的M2分潮流椭圆要素(最大流速、椭圆率、最大流速方向和最大流速出现时间)的垂向分布特征进行了对比分析，研究表明筏式海带养殖对桑沟湾潮流垂直结构有显著影响。

在海带播苗前，M2分潮各椭圆要素在垂向上较均匀。表、底层最大流速略小，垂向变化不超过30%；椭圆率稳定在-0.1附近，分潮流在整个深度上以顺时针方向旋转且往复流特征显著；最大流速方向度的垂向变化幅度不超过3°；最大流速出现时间的垂向变化幅度不超过5 min，整个水柱的潮流同涨同落。

在海带成熟期，从中层向海面和海底，M2分潮各椭圆要素的变化趋势较一致。最大流速的最大值出现在无海带覆盖的中层，向海面和海底最大流速快速减小，表层最大流速较中层最大可减小78%；椭圆率的最小值出现在中层，向海面和海底椭圆率逐渐增大，顺时针旋转的潮流转为逆时针旋转，潮流的旋转性明显增强；从中层向海面或海底，最大流速方向度增加，最大流速方向左偏，较海带播苗前最大流速方向度的垂向变化幅度有所增大；中层潮流的最大流速出现时间最晚，向海面和海底最大流速出现时间有所提前，表层最大潮流出现时间较中层提前约1 h。这些特征一致表明，在海带成熟期存在表层和底层双重边界层。

海带养殖后，表层流速显著减小，无海带覆盖的中层流速显著增加，最大流速的垂向平均值与海带养殖前相比变化不大，受海带阻挡的部分水流会从海带覆盖层的下方进出海湾。观测结果还表明，海带养殖后湾口中部的最大流速方向从南北向转为西北—东南方向，这是水位梯度的变化造成的。

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Effect of suspended kelp culture on vertical structure of tidal current in Sanggou Bay, China

HE Yu-qing1,2， HUANG Da-ji*1,2,3， ZENG Ding-yong1,2， QIAO Xu-dong4

(1．StateKeyLaboratoryofSatelliteOceanEnvironmentDynamics，Hangzhou310012,China; 2．SecondInstituteofOceanography,SOA,Hangzhou310012,China; 3．OceanCollege,ZhejiangUniversity,Zhoushan316021,China; 4．SchoolofEnvironmentalScienceandEngineering,ZhejiangGongshangUniversity,Hangzhou310018,China)

The vertical distribution of tidal ellipse parameters (amplitude of the major axis, ellipticity, direction and phase) of the dominantM2tidal current in Sanggou Bay are analyzed based on in-situ observed current profile data during kelp-free and kelp-mature periods. The results indicate that the suspended kelp culture has a remarkable effect on vertical structure of tidal current. The parameters ofM2tidal ellipse vary little in the vertical direction during kelp-free period. In contrast, due to the impact of the suspended kelp, theM2tidal ellipse parameters show a significant vertical variation during kelp-mature period. Specifically, moving away from the middle layer towards both surface and bottom boundary layers, the maximum velocity decreases rapidly, the ellipticity increases, the direction of the maximum velocity veers clockwise and the appearing time of maximum velocity becomes earlier. The observed data also indicate that at the middle entrance of Sanggou Bay, the direction of the maximum velocity turns from the north-south direction during the kelp-free period to the northwest-southeast direction during the kelp mature period, which was found to be caused by the relevant change of sea level gradient.

Sanggou Bay；suspended kelp culture；vertical tidal current structure；M2tidal current

10.3969/j.issn.1001-909X.2016.04.003.

2016-05-17

2016-06-17

国家重点基础研究发展计划项目资助(2011CB409803)

何宇晴(1991-)，女，江苏张家港市人，主要从事海洋动力过程方面的研究。E-mail：heeyuqing1991@163.com

*通讯作者:黄大吉(1962-)，男，研究员，主要从事海洋动力过程和海洋生态系统动力学方面的研究。E-mail：djhuang@sio.org.cn

P731.2

A

1001-909X(2016)04-0020-08

10.3969/j.issn.1001-909X.2016.04.003

何宇晴，黄大吉，曾定勇，等. 桑沟湾筏式海带养殖对潮流垂直结构的影响[J]. 海洋学研究,2016,34(4):20-27,

HE Yu-qing，HUANG Da-ji，ZENG Ding-yong, et al. Effect of suspended kelp culture on vertical structure of tidal current in Sanggou Bay, China[J]. Journal of Marine Sciences, 2016,34(4):20-27, doi:10.3969/j.issn.1001-909X.2016.04.003.