韩国“世越号”沉船海域海流垂向分量研究

2019-05-23张田雷

水道港口 2019年2期

张田雷

(1.海岛(礁)测绘技术国家测绘地理信息局重点实验室，青岛 266590； 2.天津水运工程勘察设计院，天津 300456)

海水在运动过程中，其质量场随之重新分布，但这种因运动引起的质量分布的变化，必须遵守质量守恒基本法则，即海水在运动过程中其总量既不会自动产生，也不会自动消失。由于海水的压缩性微小，可以认为海水是不可压缩的，因此海水的质量连续方程可变为体积连续方程[1]。根据海水的连续性，只要水平流动的散度不为零，就必定产生垂向的运动。在海岛礁、暗礁地区，由于地形的影响使海水堆积或流失，便加强了海水水平流动的散度，因此垂向流的现象显得更加强烈，其对海区的水文要素分布和海洋生产力具有重要意义。

海水从深海流动至暗礁时，由于礁体阻流的作用，使周围水体的压力场出现变化，从而使流态发生改变，流场重新分布并形成新的流场。垂向流分量比水平方向的流分量小，但是它的变化是有规律的，随涨潮、落潮发生变化[2]，张存勇采用经验模态分解法对海州湾湾顶浅海区垂向流速分量与水平流速分量后进行了研究，发现二者内在模在低频模态和趋势项具有较强的相关性[3]。除涨落潮运动影响垂向流速分量外，湍流、波浪、风、潮流旋转、表底层流向差异、海底摩擦、温、盐、密的垂直结构、非线性效应和海底地形等对海流垂向分量变化都有影响[3-4]。本文以“世越号”沉船海域为研究对象，利用“世越号”沉船打捞前后ADCP测流资料，研究该海域海流垂向分量的变化规律及其与潮流的关系。

1 资料与方法

1.1 观测资料

2014年4月16日，载有476人的客船“世越号”，在韩国西南部海域沉没，事发海域水深约为44 m。沉船船长145 m，宽22 m，沉船在海底艏向为52.8°，左舷陷入海底面，基本呈90°侧卧于海床上，于2017年3月被打捞出水。使用Teledyne RDI公司的WorkHorse 300K ADCP于2015年10月13～22日(打捞前)及2017年5月10～16日(打捞后)进行了定点海流观测，观测点位距船头北侧约30 m(34.212 4°N，125.957 1°E)。观测时，仪器入水6 m，单元层厚度为2 m，盲区2 m，采样周期为60 s，流速测量精度±5 mm/s，罗经采用外置Octans III 高精度光纤罗经[5]，方精度为0.1°。该海域潮汐类型为正规半日潮，实测最大潮差439 cm，潮流类型为不正规半日潮流，呈往复流运动，实测最大流速1.82 m/s。

1.2 经验模态分解法

经验模态分解(Empirical Mode Decomposition，简称EMD)方法是依据数据自身的时间尺度特征来进行信号分解，无须预先设定任何基函数。EMD方法在理论上可以应用于任何类型的信号的分解，因而在处理非平稳及非线性数据上，具有非常明显的优势，适合于分析非线性、非平稳信号序列，具有很高的信噪比[6-7]。该方法的关键是经验模式分解，它能使复杂信号分解为有限个本征模函数(Intrinsic Mode Function，简称IMF)，所分解出来的各IMF分量包含了原信号的不同时间尺度的局部特征信号。经验模态分解法能使非平稳数据进行平稳化处理，然后进行Hilbert变换获得时频谱图，得到有物理意义的频率[8]。

1.3 功率谱分析法

在海洋中广泛地存在各种现象，他们大多可用标量过程或矢量过程来描述。在其研究方法上又可以分为两类：一是用统计方法研究外观量，即在时空域内对所描述的现象进行研究；另一类方法就是谱分析方法，企图从内部结构上，即在频率域或波数域内对描述的过程进行研究。所谓功率谱分析，就是通过能量相对于频率的分布来确定构成波面各组成波的相对大小，并依据在线性下导出的功率谱矩与外观特征量之间的理论关系，来确定该标量过程的外观统计特征。

2 结果与讨论

2.1 实测海流垂向分量

沉船打捞前，下层(30 m)的垂向流整体上大于上层(10 m)，中层(20 m)最小，平均值上、中、下层分别为47 mm/s、36 mm/s、48 mm/s，最大值分别为175 mm/s、178 mm/s、215 mm/s；沉船打捞后，上层(10 m)的垂向流整体上大于中层(20 m)，下层(30 m)最小，平均值上、中、下层分别为59 mm/s、25 mm/s、17 mm/s，最大值分别为312 mm/s、114 mm/s、71 mm/s。

图1 逐时流矢图Fig.1 Hourly velocity vector diagram

垂向流速分量受涨落潮运动影响，图1为选取2015年10月17～18日期间一个潮周期过程的水平及垂向的流速数据绘制的逐时流矢图，图中水平方向(EN)流速向上为北方向，单位为cm/s，垂向(U)流速向上为正，单位为mm/s。从图中可以看出，涨潮过程中，垂向流方向向下，落潮过程方向向上。深度为10 m、20 m、30 m的垂向流与水平流的相关系数分别为-0.8(高度相关)、-0.36(实相关)、-0.02(微相关)，从计算结果来看，上层的垂向流与水平流的相关程度高于下层水流。沉船打捞后垂向流与水平流的相关程度较弱，为微相关。

2.2 EMD分析

垂向流速分量逐时数据经EMD分解共得到6个内在模(IMF)和一个剩余项(Res)，海流垂向流速分量的分解过程表明垂向流速分量可分解为不同周期的函数，表现为由不同频率、不同振幅的分量叠加而成(图2)。海流受暗礁及其他因素影响，非线性过程明显，经验模态分解能够把非线性的海流分成准线性的子波，对这些子波进行Hilbert 变换，进而得到各自的瞬时振幅和瞬时频率(表1)。

图2 垂向流经验模态分解(打捞前，10 m深度)Fig.2 EMD result (Before refloating, 10 m depth)

表1 打捞前不同深度各模态的方差贡献率、平均周期及平均振幅Tab.1 Variance contribution rate, mean period and mean amplitude of different depths and IMFs before refloating

不同深度各模态对整个波动的贡献差异明显，10 m深度IMF2方差贡献率最大，IMF3、IMF1次之；20 m深度IMF1方差贡献率最大，IMF3、IMF2次之；30 m深度IMF1方差贡献率最大，达到53.34%，IMF2次之。不同深度各模态的平均振幅差异明显，10 m深度IMF3平均振幅最大，为42.70 mm，对应的平均周期为12.50 h，与半日分潮的周期相近；20 m深度同样为IMF3平均振幅最大，为34.06 mm，对应的平均周期为12.79 h，与半日分潮的周期相近；30 m处IMF1平均振幅最大，为43.30 mm，对应的周期为3.18 h，与八分日潮族的周期相近。

垂向流速分量与东向、北向流速分量各内在模函数具有一定的相关性。垂向流速分量与水平流速分量的趋势项相关性强，表明垂向流速分量与水平流速分量在波动趋势上具有一定的联系。与10 m、20 m深度不同的是，30 m深度各模态的相关系数，在前4个模态中，第一模态最大，该模态的周期与浅水分潮的周期接近，其平均振幅最大，说明下层水流垂向流速分量主要来源于浅水分潮潮致贡献。

沉船打捞后EMD分解结果显示，10 m、20 m深度第一模态的方差贡献最大，介于44.50 %～-56.96 %，平均振幅也最大，介于43.84～112.74 mm，周期最小，平均周期介于2.98～3.19 h；第二模态仅次于第一模态，方差贡献为18.47%～19.16 %，平均振幅为34.49～169.31 mm，平均周期为6.22 h。随着模态序号的增大，模态方差贡献变小。30 m深度第二模态方差贡献率最大，平均振幅为32.30 mm，平均周期为6.83 h。

2.3 功率谱分析

对10～30 m深度各层海流垂向分量做谱分析(图3、图4)。沉船打捞前，垂向分量大小主要体现为12.8 h、6.1 h、4.1 h三种周期变化，该三周期分别对应日分潮流、四分日分潮流、六分日分潮流流速变化周期。深度越小，半日潮流对应谱峰越大；深度越大，六分日分潮流对应的谱峰越大。比较不同深度的分析结果可以看出，10～16 m深度各层通过显著性检验的主要谱峰对应的周期分别为12.8 h、6.1 h、4.1 h；18～24 m深度各层通过显著性检验的主要谱峰对应的周期分别为12.8 h、4.1 h；26～30 m深度各层通过显著性检验的主要谱峰对应的周期为4.1 h。沉船打捞后，垂向分量大小主要体现为4.1 h周期变化，该周期对应六分日分潮流流速变化周期。比较不同深度的分析结果可以看出，10～12 m深度各层通过显著性检验的主要谱峰对应的周期分别为12.8 h、4.1 h；14～30 m深度各层通过显著性检验的主要谱峰对应的周期为4.1 h。

图3 打捞前不同深度海流垂向分量谱分析结果Fig.3 Power spectrum analysis result of U in different depths before refloating图4 打捞后不同深度海流垂向分量谱分析结果Fig.4 Power spectrum analysis result of U in different depths after refloating

表2 垂向分量分别与东分量、北分量功率谱相关系数Tab.2 Correlation coefficient between U and E N of the power spectrum

分别对两种情况下不同深度的垂向分量与东分量、北分量的功率谱结果做相关性分析(表2)，在打捞前，深度10～14 m垂向分量与东、北分量的功率谱相关系数皆大于0.80，为高度相关，最大达到0.95；深度16～24 m垂向分量与东、北分量的功率谱相关系数皆在0.54～0.82，为显著相关，其中20 m深度垂向分量与东分量相关系数为0.82(高度相关)；深度26～30 m垂向分量与东、北分量的功率谱相关系数皆在0.23～0.43，为实相关，其中28 m深度垂向分量与东分量相关系数为0.23(微相关)。打捞后，深度10 m垂向分量与东、北分量的功率谱相关系数大于0.50，为显著相关，最大为0.54；深度12～14 m垂向分量与东、北分量的功率谱相关系数皆在0.32～0.33，为实相关；深度16～30 m垂向分量与东、北分量的功率谱相关系数在0.09～0.30，为微相关。打捞前相关系数曲线在18～20 m深度处变化明显，而该深度与沉船的顶部深度相近，说明垂向流速分量的分布及变化规律明显受沉船的影响，过水断面变化导致海水堆积或流失，加强了海水水平流动的散度，因此打捞前垂向流的现象显得更加强烈。