广西近岸西部海域的海流特征研究❋

曹雪峰， 石洪源， 郑斌鑫， 侍茂崇， 郭佩芳❋❋， 吴伦宇， 丁 扬

(1.中国海洋大学海洋与大气学院，山东 青岛 266100； 2.鲁东大学土木工程学院，山东 烟台 264025； 3.华东师范大学河口海岸学国家重点实验室，上海 200062； 4.国家海洋局第三海洋研究所，福建 厦门 361005； 5.国家海洋局第一海洋研究所，山东 青岛 266061)

广西近岸西部海域的海流特征研究❋

曹雪峰1， 石洪源2， 郑斌鑫3,4， 侍茂崇1， 郭佩芳1❋❋， 吴伦宇5， 丁 扬1

(1.中国海洋大学海洋与大气学院，山东 青岛 266100； 2.鲁东大学土木工程学院，山东 烟台 264025； 3.华东师范大学河口海岸学国家重点实验室，上海 200062； 4.国家海洋局第三海洋研究所，福建 厦门 361005； 5.国家海洋局第一海洋研究所，山东 青岛 266061)

利用广西近岸西部白龙半岛海域2011—2012年连续一年的观测资料和数值计算方法，研究了该海域潮流和余流的基本特征及变化规律,得出如下结论：白龙半岛海域潮汐为正规全日潮，但是潮流为不规则半日潮流；旋转谱分析显示，潮流逆时针旋转分量强于顺时针旋转分量，全日潮流的总能量小于半日潮流的能量；潮流振幅在夏季明显高于冬季，这是因为夏季北部湾北部的显著层结导致的较浅海域的内潮同样比较显著，并且表现为由表层向底层加强；另外，本文首次发现，经过北部湾的台风会增强主要的全日、半日分潮的能量，引起潮流的流速增加。通过数模试验，第一次发现在白龙半岛附近海域存在一个小尺度的反气旋涡，范围大约位于108°E～108.7°E、20.8°N～21.5°N，涡旋在秋季产生，可以一直持续到冬季结束。

白龙半岛；潮流；潮汐；旋转谱；余流；反气旋涡

北部湾位于南海西北部，是一个较大的半封闭海湾，东部通过琼州海峡与南海西北部相通，南部通过越南与海南岛之间的海域与南海相接(见图1)。湾内海水的运动主要受潮汐、季风和径流的驱动[1-3]，湾内部的潮汐和底地形以及底摩擦之间的非线性相互作用较弱，而在近岸、岛屿周围和琼州海峡较强[2-3]。沿岸验潮站的水位记录、卫星高度计观测和数值模型的结果显示，北部湾潮汐以全日分潮(K1和O1)和半日分潮(M2和S2)为主导[1-2]。由于沿海南岛西南岸有较强的全日潮潮能通量进入湾内，这一海域全日潮最大振幅比半日潮大0.5 m左右[4]，潮流主要受日潮控制[5]，丁扬[19]利用涠洲岛的10、20和30 m层的流资料，发现潮流为不规则全日潮。

北部湾的水动力调查研究最早始于1964年“中越合作北部湾海洋综合调查”，后来一些学者通过收集南海的历史资料[6-10]或者数值模型[11-19]对北部湾的环流形态进行了研究，基本认为夏季和冬季北部湾北部为逆时针环流。现阶段由于涉及外交安全等问题，北部湾的实测资料分析研究较少，并且以往的研究多注重北部湾中尺度环流的变化，而对近岸海域的小尺度环流系统研究较少。

国家海洋局第三海洋研究所2011年5月至2012年4月期间在广西近岸西部的白龙半岛海域进行了一年的连续潮位和海流观测。本文利用该观测资料，通过分析潮流性质、潮流旋转谱、潮流季节变化和内潮、台风对潮流的影响和余流变化，研究该海域的海流特征。潮、余流作为影响北部湾的主要动力因子，其空间结构分布和季节时间变化的研究对了解海水交换和混合，污染物扩散和稀释，海岸侵蚀和淤积，海底地形分布和变迁、北部湾沿岸气候变化以及湾内鱼群的洄游与繁殖都有非常重要的现实意义。

1 数据

调查站位于广西省防城港市白龙半岛附近(见图1黑色五星BL处)，位于108°13.90′E，21°30′N，该站东、南、西三面环海，平均水深为10 m。观测仪器和时间见表1。其中TD压力式水位测量仪通过压力传感器对压力进行测量，并且通过40 s的时间积分以滤除波浪的影响。AWAC声学多普勒海流剖面仪则是测定声波入射到海水中微颗粒后向散射频率在频率上的多普勒频移，从而得到不同水层水体的运动速度，仪器每分钟发射60个声脉冲，平均得到整个剖面海流数据。潮位和海流数据通过质量控制以剔除异常值，另外海流数据需考虑AWAC声学多普勒海流剖面仪的旁瓣效应和接收器的共振效应，海流数据表层为水面下1 m处，底层为距离海底1.5 m处，中层为表、底层中间的位置。

1.南流江 Nanliu River 2.大风江 Dafeng River 3.钦江 Qin River 4.茅岭江 Miaoling River 5.防城河 Fangcheng River 6.北仑河 Beilun River7.红河 Hong River(等值线为水深，单位为m；黑点为北部湾沿岸河流入海口位置； BL代表2011—2012年潮位和流速的观测站位；M1代表908专项在北部湾的流速观测点。Contours indicate isobaths in meters. Black dots are locations of seven rivers. BLis the location of site Bailong for tidal level and current measurementsfrom 2011—2012.M1 is the location of the mooring site in 908 project.)

2 潮流特征

2.1 潮流性质

为研究不同季节的海水层结状态下潮流的变化特征，分别对夏季(6、7和8月)和冬季(12、1和2月)的所有层次的海流观测资料进行了调和分析。利用Pawlowicz等[22]的T_TIDE调和分析程序计算得到4个主要分潮(全日分潮: O1和 K1；半日分潮: M2和 S2)的潮流椭圆参数。结果见表2和图2。

表1 白龙半岛测站的观测要素

表2 冬季(W)和夏季(S)不同水深潮流椭圆参数Table 2 Elliptical parameters of tidal currents at different depths for winter (W) and summer (S)

续表2

注：表中潮流椭圆短轴正负号代表旋转方向：负的为顺时针旋转；正的为逆时针旋转。

Signs of minor axes of tidal current ellipses indicate the direction of rotation: negative for clockwise rotating and positive for counterclockwise rotating.

(S：夏季Summer；W：冬季Winter.)图2 白龙半岛2011—2012年夏季和冬季表、中和底层4个主要分潮O1, K1, M2和 S2的潮流椭圆参数

潮流椭圆参数的计算结果表明，半日M2分潮的潮流椭圆长轴最长，半日潮流相对较强，不同层次的潮流冬夏季表现不同，表层、中层和底层的主要全日分潮O1和K1表现为夏季强于冬季；而半日潮流冬、夏季相差不大。在底层，夏季O1,K1和M2分潮的潮流椭圆长轴分别为3.2,3.4和5.1cm/s，而在冬季3个分潮的椭圆长轴分别为1.4,2.8和4.3cm/s。全日潮流椭圆长轴在冬季和夏季相差约0.7cm/s，半日潮流椭圆长轴在冬季和夏季相差约0.8cm/s。因为冬季海水垂向混合均匀，而在夏季海水层结较强。潮流椭圆长轴在冬季和夏季的差别主要是海水层结的季节变化引起的。

3.2 旋转谱分析

旋转谱分析能够较好的确定顺时针和逆时针旋转的海流能量，并能清晰的显示显著周期的海流信号[23-25]。利用旋转谱分析方法对1小时1次的观测海流时间序列进行分析(见图3)。表层、中层和底层的海流时间序列显示出相似的能量谱分布，全日周期的O1、K1分潮和半日周期的M2分潮的谱峰均比较显著。全日潮流和半日潮流基本表现为逆时针比顺时针旋转的能量分量强，表明两个分量合成为逆时针旋转运动。与北部湾的潮流观测资料[4]的结果不同，全日潮流的总能量小于半日潮流的能量。北部湾局地的的惯性频率为0.712cpd，谱分析的结果没有显示出惯性频率的明显谱峰。

表3 白龙半岛潮汐调和常数

(表层的旋转谱放大了104倍，中层的往上放大了102倍。旋转谱通过每小时的海流时间序列进行计算，谱密度单位为(cm/s)2/cpd。The counter-clockwise energy. The spectra of surface layer are exaggerated by 102, and spectra of the medium layer are exaggerated by 104. Rotary spectra were estimated using the hourly data. Spectra density is in (cm/s)2/cpd.)

3.3 季节变化和内潮

为更好地分析观测站潮流的时间和空间结构，对2011—2012年观测期间不同深度的海流资料时间序列进行带通滤波的复杂解调分析[26-27]。根据前面旋转谱分析的结果，全日分潮的带通滤波频率范围为0.82～1.19cpd，半日分潮频率范围取为1.69～2.25cpd(见图4)。图中清晰显示了潮流振幅的季节变化，全日潮流和半日潮流的振幅存在明显14天的周期，这主要由大、中、小潮的潮汐变化引起。小潮和大潮的振幅差别的量级约为4～13cm/s。除了14天的周期性变化，各层深度所观测海流的振幅在夏季明显高于冬季。大潮期间冬季和夏季的振幅最大相差，表层约为3cm/s，达到30%的差别；中层和底层约为5cm，达到50%差别。

潮流观测站附近水深较浅，但冬夏季的差别显著。本文使用HYCOM模式全球1/12(°)的海洋同化模型HYCOM+NCODA再分析数据[28]，绘制了2011年5月—2012年4月白龙半岛附近海域的温度(上)、盐度(下)随深度和时间变化图(见图5)，可见夏季潮流的增强与海水层结的季节变化相一致。2011年8月前后海水层结显著，相应的表、中和底层大潮振幅加强。夏季海水的层结不止与海表面的热通量有关，还受到河流淡水入海径流量增加的影响，广西沿岸的主要径流有南流江、钦江、大风江、茅岭江、防城河、北仑河，夏秋季节径流量最大，约为1.5×103m3·s-1。越南的红河径流量在夏季达到最大，径流量超过1.0×104m3·s-1[3]，约为广西沿岸所有河流流量的10倍。图5中盐度在8月份最低可达30.5psu，显然径流量的季节变化显著影响了北部湾的层结。潮流和海水层结季节变化的一致性表明，夏季北部湾北部较浅的海域内潮同样比较显著，潮流振幅在不同季节的差别归因于夏季内潮的产生和增强，并且表现为不同深度的影响不同，由表层向底层加强。

图4 2011年5月—2012年4月表、中和底层海流的全日分潮和半日分潮的带通滤波的振幅时间序列

图5 HYCOM模式2011年5月—2012年4月白龙半岛附近海域的温度(上)、盐度(下)随深度和时间变化

3.4 台风对白龙半岛附近海域潮流的影响

2011-09-30左右，图4中全日和半日分潮的振幅明显陡然升高，表层的O1+K1达到了11.9cm，M2+S2达到了14.8cm，随后又降为5cm左右的平均振幅，夏季最强分别也只有13.3和8.8cm。统计美国海军空军联合台风警报中心[29]的台风路径信息，发现该时段正好“纳沙”台风经过(见图6)。本文猜测，可能是台风经过北部湾，注入了与潮周期相近的能量，导致潮流振幅的增大。2011年20号台风纳沙2011-09-24T08:00起源于139.5°E、13.0°N的西北太平洋海域，一路向西北行进，09-25T14:00台风中心到达(129.2°E，14.6°N)，演变为台风，风速达到33.0m/s，09-27T14:00台风穿过菲律宾进入南海(120.3°E，16.7°N)，最大风速为46.0m/s，09-29T20:00台风穿过琼州海峡(110.1°E，20.2°N)，最大风速为30.6m/s，09-30T14:00台风在越南登陆(106.7°E，21.0°N)，最大风速仍有25.5m/s，直至10-01T02:00变为TD(TropicalDepression)消失。“纳沙”台风期间，北部湾南侧的外海水入侵、强烈的垂向混合和底层水的上涌，导致白龙半岛附近海域的盐度升高、温度下降(见图5)，其影响北部湾的时间为1 天左右，与O1分潮和K1分潮的周期相近，在为海水运动注入了强大的能量的同时，减弱了北部湾海域的潮能在北向传播过程中的耗散，导致白龙半岛海域潮流流速振幅的加强。

(点与点之间的间隔为6 h。Time interval between squares is six hours.)(XM：厦门Xiamen；SW：汕尾Shanwei；DWS：大万山Dawanshan；ZP：闸坡Zhabo；BH：北海Beihai。)图6 纳沙台风路径

4 余流特征

利用lanczous余弦滤波器[27]对海流观测时间序列进行40h的低通滤波得到滤掉潮流等高频信号的低频海流。同样，对美国国家环境预报中心的气候预报系统提供的时间分辨率1h、空间分辨率0.2°的海表面风矢量数据[30]低通滤波得到低频成分(见图7)。

(1)2011年6月到2011年8月期间，观测站附近总体盛行西南季风，偶有偏北风出现，6、7月份较强，8月份较弱，风速在2～10m/s的范围。相应地，表层海水受季风影响显著，在西南风较强时，海流流向为东北向流，西南风松弛时，表现为西南向流。中层和底层受季风影响较小，海流流向表现为强势且稳定的西南向流。这与经典的夏季风生环流理论不相符。根据侍茂崇[2]、俎婷婷[16]、高劲松[18]和丁扬[19]的研究，北部湾夏季环流并非只受西南季风驱动，红河的淡水通量、海水的垂向层结和潮流的非线性作用都对北部湾的夏季环流有重要贡献，北部湾北部在夏季表现为气旋式环流。这与本文的观测结果相一致。

(2)2011-09—2011-11期间，西南季风在9月份中旬转向为东北季风，表层流整体表现为西南向流。而中层和底层的海流流向，除了2011-09-30“纳沙”台风期间，中层和底层流向由东北转为西南，其余时间表现为稳定的东北向流，中层流速比底层略强。(3)2011-12—2012-02期间，观测站附近总体盛行东北季风，风向和风速相对稳定，风速在7～15m/s的范围。表层仍然对东北季风响应显著，表现为西南向流。而中层和底层的海流流向表现为稳定的东北向流。

(虚线代表选择要研究的夏季和冬季时间段。Dashed line: the boundary defined for the seasons.)

表层受季风影响显著，中层和底层在秋季和冬季表现为稳定的东北向流，这与东北季风的方向相反，也与一直认为的冬季北部湾北部为气旋式环流不相符。为了进一步了解白龙半岛冬季逆风余流的产生原因，利用FVCOM数值模式进行了初步的数值模拟[31]，计算区域包括整个南海北部，外界驱动包括表面风场，潮汐，热通量，气压，径流，SST同化等，模型输出日平均的结果，以便于研究余流变化。图8显示了2011年12月9日的表层、5、10m层和垂向平均余流结果，均显示在白龙半岛附近海域存在一个小尺度的反气旋涡，范围大致为108°E～108.7°E、20.8°N～21.5°N，根据图7推断涡旋在秋季产生，可以一直持续到冬季结束。关于北部湾的余流特征文献中并没有该小尺度涡旋的介绍，这是基于实测资料分析的第一次发现，该涡旋的生成、维持和消散机制需要进一步研究。

图8 2011年12月9日北部湾冬季表层、5、10 m层和垂向平均余流

通过调查历史资料，908专项在M1处设立了浮标观测站点。图9显示了观测期间冬季和夏季的垂向流速结构，可以看到M1站的冬季和春季余流表现为西北向流，也与东北季风的方向不相符。这进一步佐证了本文的数模结果，在白龙半岛附近海域存在小尺度反气旋涡。

5 结论

本文利用广西近岸西部的白龙半岛海域2011—2012年连续一年的观测资料，并结合数值模式模拟，研究该海域的潮流和低频余流的特征和变化。得出结论如下：

(1)白龙半岛海域的潮汐为正规全日潮，全日潮最大振幅O1要比半日潮最大振幅M2大59.3cm。而潮流性质为不规则半日潮流，不同层次的潮流冬夏季表现不同。表层、中层和底层的主要全日分潮O1和K1表现为夏季强于冬季；而半日潮流冬、夏季相差不大。

(2)旋转谱分析显示，半日潮流和全日潮流的顺时针和逆时针旋转运动都非常显著，逆时针比顺时针旋转的能量分量强，表明顺时针和逆时针两个分量合成为逆时针旋转运动。全日潮流的总能量小于半日潮流的能量。北部湾33.7h的惯性震荡并不显著。

(3)观测海流的振幅在夏季明显高于冬季。大潮期间冬季和夏季的振幅最大相差，表层约为3cm/s，达到30%的差别；中层和底层约为5cm，达到50%差别。潮流观测站附近水深较浅，但冬夏季的差别显著，结合HYCOM模式的垂向温盐结构，说明夏季北部湾北部的显著层结导致的较浅海域的内潮同样比较显著，并且表现为不同深度的影响不同，由表层向底层加强。

(4)首次发现，经过北部湾的台风会增强主要的全日、半日分潮的能量，引起潮流的流速增加。作者认为其影响机制是：“纳沙”台风侵入北部湾，其影响北部湾的时间为1 天左右，与O1分潮和K1分潮的周期相近，为海水运动注入了强大的能量的同时，减弱了北部湾海域的潮能在北向传播过程中的耗散，导致白龙半岛海域潮流流速振幅的加强。

(5)余流观测和数值模式的结果表明，北部湾的白龙半岛附近海域存在一个反气旋涡，范围大致为108°E～108.7°E、20.8°N～21.5°N，涡旋在秋季产生，可以一直持续到冬季结束。这是迄今为止在北部湾第一次发现该小尺度涡旋，关于此涡旋产生、维持和消散机制的进一步研究可以更加全面的认识北部湾环流系统。

图9 M1站冬、春季余流垂向结构分布

致谢：感谢美国环境预报中心(NCEP)计算信息系统实验室提供的风场数据。感谢HYCOM提供的1/12°全球HYCOM+NCODA海洋温盐再分析数据。感谢美国联合台风预警中心提供的台风路径数据。

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责任编辑 庞 旻

Characteristics Researches of Current Nearby the West of Guangxi Offshore

CAO Xue-Feng1, SHI Hong-Yuan2, ZHENG Bin-Xin3,4, SHI Mao-Chong1, Guo Pei-Fang1*, Wu Lun-Yu5， Ding Yang1

(1.College of Oceanic and Atmospheric Sciences, Ocean University of China, Qingdao 266100， China； 2. Ludong University, School of Civil Engineering, Yantai 264025， China； 3. State Key Laboratory of Estuarine and Coastal Research, East China Normal University, Shanghai 200062， China； 4. The Third Institute of Oceanography, SOA, Xiamen 361005， China； 5. The First Institute of Oceanography, SOA, Qingdao 266061,China)

In this paper, one consecutive year's observed data from 2011 to 2012 nearby Bailong Peninsula and numerical simulation model were used to analyze the characteristics of tide, tidal current and subtidal current in the northern Tokin Gulf. Conclusions are as follows: the sea nearby Bailong Peninsula owns regular diurnal tide and irregular semidiurnal tidal current. The results of rotary spectrum showed that the CCW(counterclockwise) components is bigger than CW(clockwise), and the energy of diurnal tidal current is smaller than the semidiurnal. The amplitudes of tidal current of total layers in summer arebigger than in winter,because the inertial tide caused by stratification in summeris significantin shallow water, and the deeper water depth is, the stronger inertial tide is. In addition，we firstly find that typhoon passing through Tokin Gulf will strengthen the semidiurnal and diurnal tidal current energy with increasing of current velocities. The results of numerical simulation model firstly show that an anti-cyclone eddy exists nearby Bailong Peninsula, which locates within range from 108°E to 108.7°E east longitudeand from 20.8°N to 21.5°N north latitude，and it generates in autumn, and disappears at the end of winter.

Bailong Peninsula； tidal current；tide； rotary spectrum；subtidal current； anti-cyclone eddy

国家自然科学基金项目(41266002，41406031，41406044)；中央级公益性科研院所基本科研业务费专项资金项目(2015P02)资助 Supported by the National Natural Science Foundation of China (NSFC) (41266002,41406031,41406044 )； Special Fund for Basic Scientific Research Business of Central Public Research Institutes (2015P02)

2016-06-20；

2016-07-23

曹雪峰(1991-)，男，博士，主要从事物理海洋学研究。

❋❋ 通讯作者：E-mail：pfguo@ouc.edu.cn

P733

A

1672-5174(2017)05-001-09

10.16441/j.cnki.hdxb.20160230

曹雪峰，石洪源，郑斌鑫， 等. 广西近岸西部海域的海流特征研究[J].中国海洋大学学报(自然科学版),2017,47(5)： 1-9.

CAO Xue-Feng, SHI Hong-Yuan, ZHENG Bin-Xin, et al. Characteristics researches of current nearby the west of Guangxi offshore [J].Periodical of Ocean University of China, 2017, 47(5)： 1-9.