粤西沿岸海域潮汐特征

成印河, 梁广建, 朱凤芹, 陈 建, 纪文君, 赵 辉



粤西沿岸海域潮汐特征

成印河1, 梁广建2, 朱凤芹1, 陈 建1, 纪文君3, 赵 辉3

(1. 广东海洋大学电子与信息工程学院海洋技术系, 广东湛江 524088; 2. 南海舰队水文气象中心, 广东湛江524001; 3. 广东省近岸海洋变化与灾害重点实验室, 广东海洋大学海洋与气象学院, 广东湛江 524088)

对粤西海域水东、湛江、硇州岛、南渡和海安验潮站各1年水位资料进行了调和分析及统计。结果表明: 粤西海域北部湛江、水东、硇洲岛、南渡4站主要分潮为M2、K1、S2和O1, 是不规则半日潮; 而南部海安站主要分潮为O1和K1分潮, 是不规则日潮。粤西沿岸各站浅水分潮和平均水位从北到南有减小趋势。在日潮不等方面, 粤西沿岸验潮站都存在明显的日潮高、日潮时不等现象。日潮时不等总体上从北到南有降低的趋势, 北部湛江、水东和硇州岛涨潮时间比落潮长1~1.5 h, 南部南渡和海安两站涨、落潮时相差不大。另外, 调和分析和经验公式不再适用于南渡站, 南渡河入海口处堤闸工程是主要原因。这为粤西海域环境资源开发、航运活动等提供环境支持和保障。

粤西沿岸; 潮汐; 调和分析; 日潮不等

潮汐是海洋中最常见的物理现象, 受到专家、学者的关注。尤其是沿岸港口区域的潮汐对于港口码头设计, 浴场、航运经济活动及军事活动都有重要影响, 因此掌握特定海域潮汐特征及预报具有重要科学意义和应用价值。

近年来, 专家、学者对多个区域近海潮汐和潮流特征进行了分析和研究, 如浙江近海海域的杭州湾[1-2]、象山港[3]、乐清湾[4]、台州湾[5]、南麓岛[6]以及涉及浙江部分地区[7-8], 台湾海峡西部沿岸[9], 部分河流入海口地区如长江河口[10]、珠三角八大门口[11]和鸭绿江口[12], 南海潮汐潮流[13-31]。在相关南海及北部湾海域, 学者进行了较多的数值模拟研究[13-26], 然而对南海潮汐观测的研究却较少, 仅有南海诸岛、南沙等部分海域潮汐特征分析[27-31]。针对南海北部近岸, 只有郑有任等[31]在2012年对南海北部沿岸的部分站位作过研究。粤西海域是南海重要的组成部分, 该海域港口是海上“一带一路”重要交通枢纽。在粤西海域众多港口码头中, 湛江港最为突出, 位于中国大陆最南端的广东省雷州半岛, 东临南海, 南望海南岛, 素以天然深水良港著称。它是中国大陆通往东南亚、非洲、欧洲和大洋洲航程最短的港口, 是中国大西南和华南地区货物的出海主通道。然而粤西沿岸海域潮汐水文潮汐特征却鲜有研究, 仅在部分数值模拟研究中有所涉及, 一般讨论该海域某几个重要分潮分布情况及影响因素。然而粤西海域既有湛江湾、又有东海岛、硇洲岛等, 海陆分布复杂,还受台风、风暴潮及雨季增水等因素影响, 对其潮汐水文特征有必要开展进一步讨论。因此, 本文针对粤西沿岸多个站位潮汐水位观测数据, 分析该海域潮汐水文特征及其规律。这对掌握该海域潮汐特征值具有十分重要的实用价值和科学意义, 为粤西海域环境资源开发、航运活动等提供环境支持和保障。

1 数据与方法

1.1 潮汐水位数据

本文收集了粤西海域湛江、水东、硇州岛、南渡和海安潮汐验潮站各1年的逐时水位数据。该数据是由南海舰队水文气象中心提供的纸质各站位潮汐观测记录月报表整理而成, 地理位置见图1。其中湛江和南渡站覆盖时间分别为2002年和1978年全年365 d, 水东站为2002年12月—2003年11月, 共365 d, 硇州岛站为1996年11月—1997年10月共365 d, 海安站为1960年7月—1961年6月, 共365 d。

A. 水东站; B. 湛江站; C. 硇洲岛站; D. 南渡站; E. 海安站

A. Shuidong station; B. Zhanjiang station; C. Naozhou Island station; D. Nandu station; E. Haian station

1.2 处理方法

对潮汐的数据处理主要是调和分析方法。平衡潮理论认为实际水位是由天体运动引起的多个特定频率振动迭加的结果[32]。因此时刻实际水位可写成如下形式,

求解公式(1)一般采用最小二乘法。基于此, Pawlowice等[32]于2002年根据前人研究开发了基于MATLAB软件t_tide潮汐处理程序。该程序几经升级, 能够进行几个月、1 a及18 a甚至更长逐时水位数据潮汐调和分析, 包括数据分析前期缺测数据插值、分析中节点修正未定潮汐成分以及后期潮汐回报、预报和误差分析等。该程序在南海北部部分验潮站使用, 其有效性已经被验证[31]。因此本文基于t_tide 1.3 beta版工具包部分程序, 针对粤西海域几个站位进行了潮汐特征分析, 同时给出了其潮汐特征值。在数据处理过程中, 引入了M10浅水分潮, 同时使用了水文数据节点修正, 自动选择了60个分潮参与了调和分析。

2 结果与讨论

2.1 调和分析潮汐特征

通过对5个站位逐时潮高数据进行调和分析, 其主要分潮的振幅和迟角, 见图2和图3。在结果分析中值得注意的是, 在通过Rayleigh规则可分辨的60个分潮中, 通过95%置信度的有效分潮数量不同, 其中海安站最多有45个, 水东站42个, 湛江、硇洲岛站各有40个, 南渡站最少22个。这可能是由于湛江、硇洲岛及水东站位都位于相对开阔位置所以其有效分潮相当, 而南渡处于雷州半岛中东部, 相对位于内陆, 受地形限制天文影响因素较少, 因此其有效分潮最少, 仅有22个分潮。而海安站位于琼州海峡内部, 受海底摩擦力及海流影响较大, 因此其有效分潮较多, 但每个分潮振幅贡献较小。

从图2中可以清晰地看出, 粤西沿岸海域主要分潮为M2、K1、S2、O1, 次要分潮有N2、K2、P1和SSA等, 但各个站位又有所不同。粤西北部海域湛江、水东和硇州岛三站主要分潮是M2、K1、S2、O1分潮, 其中最大分潮为M2分潮, 湛江站振幅最大达0.93 m, 其次为硇洲岛站振幅为0.81 m, 再次为水东站位为0.73 m。而粤西南部海域主要分潮为K1和O1分潮, 其次为半日分潮M2、S2、K2等。在南渡站贡献最大为K1分潮, 振幅为0.45 m, 其次为MKS2(图中无标出)分潮和S2分潮, 振幅都在0.40 m左右, 次要分潮都是浅水分潮TAU1(图中无标出)等, 但其振幅都比较小, 小于0.1 m。粤西海域最南部海安站主要实际分潮为O1和K1分潮, 最大为O1分潮, 振幅为0.45 m, 其次为K1分潮, 振幅为0.36 m, 其他分潮虽有组分, 但贡献较小。从图3中可知粤西北部主要分潮, 南部南渡和海安站的分潮迟角变化较大, 其他三站, 除了SSA、MS4、M4分潮, 迟角变化较小, 大都在300°左右。

2.2 潮汐类型

潮汐类型根据主要日分潮K1、O1振幅之和与半日分潮M2振幅的比值确定, 浅水分潮是否显著主要由1/4日分潮M4和半日M2振幅比值表征, 即[32],

(3)

其中,代表分潮的振幅, 角标表示某个分潮, 下文中类似表示;和分别表示某些分潮振幅或其组合的比值。

按照潮汐类型的标准, 各站位潮汐类型的数值指标由公式(2)和(3)计算和区分。若≤0.5则为半日潮; 若0.5<≤2.0则为不规则半日潮混合潮; 若2.0<≤4.0则为不规则日潮混合潮; 若>4.0则其为全日潮。>0.04视为浅水分潮显著, 同时也可以表征涨、落潮时间差别。5个站位潮汐类型见表1, 同时给出了各个站位的年平均水位、平均误差及实测与回报相关系数。其中平均误差值为实测值与回报值之差绝对值的平均。

表1 各站位平均水位、潮汐类型及平均误差

由表1可知湛江、水东、硇州岛和南渡站都是不规则半日潮混合型, 从粤西海域北部到南部潮汐类型值越大, 日潮成分越大, 直到南部海安验潮站已成为不规则全日潮, 潮汐类型值达3.78, 接近正规全日潮值。湛江、硇州岛站位的因子都大于0.04, 为显著的浅水分潮, 水东、南渡和海安站浅水分潮不明显。值得注意的是南渡站的M4分潮没有通过59%的显著性检验, 为无效成分, 因此其因子为0。整体上,因子相对大小值表明粤西沿岸从北至南部受浅水分潮影响越来越小, 南渡站基本不受浅水分潮的影响。平均水位与因子类似, 从北到南有降低的趋势, 其中南渡站最低为0.07 m。从回报的整体平均误差可以看出都是比较小的, 虽然有极个别的误差较大超过1 m, 但基本不影响其预报精度。这与郑有任分析的湛江站结果是一致的[31]。图4为各站位部分水文数据及其回报时间序列。但我们注意到南渡站误差序列是比较大的, 同时从实测水位数据与回报数据相关性也能表现出来, 南渡站相关系数为0.6, 其他站位都在0.95以上。这点从图4中南渡站部分水位数据时间序列中也能反映出来, 需要重点分析。

2.3 潮汐的日潮不等

除赤道地区外任何地点一天内总会形成日潮不等现象, 包括潮高日不等、涨潮时与落潮时不等。这种日潮不等现象通常用S2和M2分潮振幅比值表示, 即来表征日潮不等相对大小。当>0.4时, 潮高日不等现象明显。另外潮高日不等现象时也可用半日分潮和全日分潮相角差值来估算即[34],

(5)

其中,为格里尼治相角, 角标为某个特定分潮。

根据的大小判断潮高日不等现象类型。=0°或360°时为高潮日不等,=180°时为低潮日不等,=270°时为高低潮均出现日不等现象。涨、落潮时差别主要取决于浅水分潮的大小, 一般可由(3)式计算。当<0.01时, 实际上不用考虑浅水分潮的影响; 若=0.04, 则落潮与涨潮时间一般相差30 min左右; 若=0.08, 则相差可达1 h; 若>0.5, 则在一个太阴日中可能会出现4次高潮和低潮特殊现象。另外涨、落潮时差别也可由分潮相角差来表征, 当=90°时, 落潮历时长于涨潮历时; 当=270°时则相反。粤西5个站位潮汐日潮不等参数计算见表2和表1中的因子。

表2 各站位日潮不等相关参数

2.4 潮汐特征值

潮汐特征值是表征一个海区基本特征的参数值, 原则上需要长期大于18.6 a的验潮资料统计得到。本文利用了1年水位数据, 作了初步统计, 提供参考, 同时给出了工程水位中应用的平均潮差和最大可能潮差。平均潮差1和最大可能潮差2用下式计算[32],

(7)

由公式(6)、(7)计算了各站位平均潮差和最大可能潮差, 见表3。同时也给出了利用1年的统计的平均涨潮潮差、时间, 落潮潮差、时间。

表3 各站位潮汐特征值

从表3中可知, 由式(6)和(7)计算的平均潮差和最大可能潮差从粤西北部到南部有减小的趋势, 其中平均潮差和最大可能潮差湛江站最大分别为2 m和5 m左右, 海安站最小分别为0.7 m和2.5 m。然而与1年水位数据统计进行比较, 其部分站位经验公式计算准确性值得商榷。南渡站和海安站误差较大, 其中海安站误差最大, 最大潮差经验公式计算值与统计值差2 m左右, 南渡站差1.5 m; 平均潮差也在1 m左右。因此公式(6)和(7)已经不能用来估算南渡站和海安站平均潮差和最大可能潮差。湛江、水东、硇州岛三站经验公式计算与统计初步结果基本一致。在日潮不等方面, 涨、落潮平均潮差几乎相同, 然而其涨、落潮时间与公式(3)、(5)所推断出来的趋势基本一致。涨落潮时间上, 粤西北部湛江、水东和硇州岛站涨潮都比落潮时间长, 从北到南涨落差时间差值有降低的趋势, 最大为湛江站涨潮时间比落潮时间长1.5 h, 最小差值为硇洲岛站0.9 h, 与经验公式计算量值相差0.5 h左右。粤西海域南部南渡和海安站涨、落时间几乎相等与经验公式计算结果一致。

2.5 调和分析误差成因分析

为了分析南渡站调和分析存在较大误差的原因, 我们对粤西海域5个站位观测的1年水位数据进行了功率谱分析。本文采用间接法进行功率谱分析, 该方法于1949年Tukey提出[35], 即先由个观察值, 估计出自相关函数 , 求自相关函数傅里叶变换, 以此变换结果作为对功率谱的估计。除了粤西南渡站外, 其他4站基本类似, 因此本文选择湛江和南渡两个验潮站进行对比研究, 结果见图5。

从图5可知, 两站主要分潮是位于0.11×10–4和0.22×10–4Hz附近, 即分别位于0.04和0.08 圈/h附近的日潮和半日潮成分, 然而又有差别。两站水位数据虽然经同样的矩形窗平滑处理, 但在南渡站存在多个其他较小谱锋, 如在0~0.04圈/h范围内存在多个频率、1/3和1/4日分潮附近。尤其存在的0~0.04圈/h频率表明南渡站有许多较小频率的波动, 但是其能量太小, 以至于被随机噪声淹没覆盖。为了更进一步分析南渡河产生较大误差的原因, 我们对南渡河地形及水文情况重新进行了调研, 发现1974年7月南渡河堤闸工程竣工[36], 进行了防海潮入侵、储淡水的调节。而南渡站位于南渡河中部, 位于入海口堤闸的上游, 该堤闸工程改变了南渡河水位升降, 不再完全满足天文潮的规律, 同时参与调和分析潮汐是离散的, 只有有限的分潮参与调和分析, 参与计算较低频率分潮部分能量太小, 没有通过可信度检验。因此, 在南渡站调和分析结果误差较大。另外, 由于南渡站地处雷州半岛中部, 海水由东向西进入狭长的南渡河, 水深较浅, 这种地形也有可能受气象及外海潮波胁迫振动, 形成假潮。这与郑淑贤利用FVCOM模式对琼州海峡所做的关闭西口数值实验结果相似[25], 由东口传入该区域的外海潮波中全日分潮占优。其他粤西海域4站位相对处于开阔海区, 基本不受海岸影响。

3 结论

通过对粤西海域湛江、水东、硇州岛、南渡和海安验潮站1年水位资料分析, 得到了一些有用的结论。

粤西海域北部湛江、水东、硇洲岛3个站主要分潮为M2、K1、S2和O1, 是不规则半日潮, 南渡站除了上述外还包括MKS2分潮, 是不规则半日潮; 而南部海安站主要分潮为O1和K1分潮, 是不规则日潮。粤西沿岸各站浅水分潮和平均水位从北到南有减小趋势。在日潮不等方面, 粤西沿岸5个站位都存在明显的日潮高不等现象, 日潮时不等有较大差异。总体上日潮时不等从北到南有降低的趋势, 涨潮时比落潮时要长, 粤西海域北部湛江、水东和硇州岛涨潮时间比落潮长1~1.5 h, 南部南渡和海安站涨、落潮时相差不大。另外, 相对位于内陆的南渡验潮站, 有效分潮相对较少同时还存在其他频率波动, 同时南渡河入海口处堤闸工程综合因素导致该站潮汐调和分析和部分经验公式适用不准确。

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Tidal characteristics along coast of Western Guangdong Province

CHENG Yin-he1, LIANG Guang-jian2, ZHU Feng-qin1, CHEN Jian1, JI Wen-jun3, ZHAO Hui3

(1. Department of Ocean Technology, College of Electronic and Information Engineering, Guangdong Ocean University, Zhanjiang 524088, China; 2. Marine Hydro-Meteorological Center, South China Sea Fleet, Zhanjiang 524001, China; 3. Guangdong Province Key Laboratory of Coastal Ocean Variation and Disaster Prediction, College of Ocean and Meteorology, Guangdong Ocean University, Zhanjiang 524088, China)

Based on one year of hourly elevations at the Shuidong, Zhanjiang, the Naozhou Island, Nandu, and Haian tidal stations, we investigated the tidal characteristics by harmonic and statistical analyses. The results show that the main significant constituents at all stations excepting the Haian station are the M2, K1, S2and O1bands and that the corresponding tidal type of the four stations is an irregular semidiurnal band in the north area of Western Guangdong. However, the tide for the Haian station in the south area of Western Guangdong mainly consists of the significant constituents O1and K1, whose corresponding tidal type is an irregular diurnal band. Moreover, the shallow-water constituents and mean sea-surface elevations show a decreasing trend from north to south in the west sea of Guangdong. With respect to the diurnal inequality, all the stations exhibit a tidal height difference and an obviously large discrepancy in the tidal hour difference. The mean tidal hour difference between the flood and ebb tides seems to shorten from north to south along the coast of Western Guangdong. The time of the rising tide in the north of Western Guangdong is roughly 1 to 1.5 h longer than that of the falling tide and those in the south of Western Guangdong seem to be nearly equal. In addition, the tidal harmonic analysis and related empirical formula are inexact for the Nandu station, which is mainly due to the bounded bank and sluice gate system on the Nandu River estuary.

coast of Western Guangdong; tide; harmonic analysis; diurnal inequality

(本文编辑: 刘珊珊)

Sept. 23, 2016

[National Natural Science Foundation of China, No. 41406041, No. 41776029; Natural Science Foundation of Guangdong Province , No. 2016A030313751; Program for Reform and Development of School of Guangdong Educational Committee, No.GDOU2016050242; Special Foundation for Young Teachers of Guangdong Ocean University, No.HDYQ2015008]

P731

A

1000-3096(2017)06-0111-08

10.11759/hykx20160923004

2016-09-23;

2017-02-09

国家自然科学基金项目(41406041, 41776029); 广东省自然科学基金项目(2016A030313751); 广东省教育厅创新强校项目(GDOU2016050242); 广东海洋大学优秀青年教师专项人才培养特别资助项目(HDYQ2015008)

成印河(1980-), 男, 山东惠民人, 博士, 副教授, 主要从事海气相互作用与数值模拟研究, E-mail: yinhe_9951@163.com; 朱凤芹(1981-), 通信作者, 女, 山东菏泽人, 在读博士, 讲师, 主要从事数据分析及信号处理, E-mail: fqzhu_07@163.com