长江口徐六泾水域余流及潮流垂直结构变化规律研究

陈志高， 陈小叶， 王胜平， 王真祥

(1．东华理工大学 测绘工程学院，江西 南昌 330013；2．长江水利委员会长江口水文水资源勘测局，上海 200136)

对于近岸和河口地区，潮流常在海水运动中起着主导的作用。对潮流垂直结构的观测和研究在20世纪初就已开始，但在2000年代之前，对潮流垂直结构的研究受限于观测仪器，观测的空间分辨率即垂直方向的观测点距离一般大于10 m(臧克家，2016)。自从引入声学多普勒流速剖面仪(Acoustic Doppler Current Profilers，ADCP)进行流速观测以后，其垂向分辨率能达到几米甚至更高，极大地方便了潮流数据的外业观测，且在时间和空间上提高了观测精度。

由于长江口地理位置的重要性及特殊性，对于该地区的潮流特征研究相对较早。在20世纪80、90年代，国内就有较多学者对长江口的潮流特征进行了定性分析，得到长江口潮流结构的基本特征(叶安乐，1984；李身铎，1985)。但由于当时的观测技术和设备的限制，缺少长期及分辨率较高的实测数据，只是定性研究。21世纪以来，国内开始引入ADCP，其相关研究也陆续展开。曾定勇等(2012)以2008年冬季在浙江近海南麂岛附近投放的4个底锚系ADCP流速资料为依据，分析了该区域的潮流特征。王雪竹等(2009)对1998年10月至1999年4月南海中部的3个ADCP观测站点近6个月的流速观测资料进行分析，研究了观测海区的潮流空间结构特征。展鹏等(2010)根据长江口外海域的2个站位的短期连续ADCP实测资料，采用调和分析、EOF分解、功率谱分析以及频率统计等方法，分析了该海域海流随时间的变化趋势和空间的结构特征。汤任等(2015)对长江口南支、南北港局部河段三维潮流进行数值模拟。潘金仙等(2016)则对长江口深水航道2005年8月大潮期间的垂线平均流速进行准潮流调和分析，得出10个分潮的潮流调和常数及余流结果，并计算给出了相应椭圆要素。

然而，已有研究缺少长江口水域实测的潮流数据，且未能获得高分辨率的潮流垂直结构及其变化规律。因此，利用ADCP获得的长期观测数据并进行潮流垂直结构的建模和实验验证显得十分重要。因此，本次拟基于实测的长江口长时段的固定式ADCP流速数据进行潮流调和分析，获得不同季节对应的不同径流量下的潮流和余流垂直结构，然后结合余流垂直结构分析不同季节的径流流量对潮流的影响，以最终获得潮流垂直结构的季节性变化规律，为长江口水域的物理海洋学研究和海洋监测提供数据和方法支撑。

1 研究方法

1.1 潮流调和分析

流速为矢量，可分解为东分量和北分量。为方便起见，本次仅介绍东分量u的调和分析，北分量v与之类似。流速观测值可表示为余流与若干分潮之和：

(1)

式中，u(t)为观测值，t为观测时刻；U0为潮流东分量的平均值，又称余流；m为分潮个数；σi为分潮i的角速度；υ0i为分潮i在t=0时刻格林尼治天文相角；Ui和ζi为分别为分潮i的振幅和相位，两个数值均称为调和常数；ε(t)为观测误差，具有随机特性。

若不考虑观测误差ε(t)，且令υ0-ζ=-θ，b=Ucos(θ)，c=Usin(θ)，则式(1)可写成：

(2)

这样，采用最小二乘方法可得到余流U0及各分潮的b、c值，进而可得到各分潮的振幅U和相位θ：

(3)

式中，θ取值范围为0～2π，可根据b、c值的正负符号判断所在象限。

1.2 潮流椭圆计算

若仅从潮流分析预报的角度来说，获得了东、北分量的余流及各个分潮的调和常数就足够了。但若想了解该地点潮流变化的特征，则调和常数就显得不太直观。常用方法是选定几个主要分潮，分别考察各分潮由北、东分量合成的矢量，即潮流椭圆随时间变化的特点。最大分潮流速W，最小分潮流速w，椭圆倾角Θ，以及发生的时间Φ决定了该分潮流椭圆的基本特征。椭圆参数和调和常数之间的关系式表示如下(Defant，1961)：

(4)

式中，V和η分别为北分量的振幅和相位。

2 研究区域及数据获取

长江河口水量丰沛，输沙量大，据大通站水文测验资料可知，年均流量为28 700 m3/s，年均输沙量为4.330×108t(沈焕庭，2001；水利部，2007)。徐六泾站距长江口门约110 km(图1A)，它既是南北支的分流点，又是整个长江口多级分汊的起点。作为长江进入河口区的重要边界点，徐六泾水文特征的研究对河口科学研究和探讨长江三峡大坝、南水北调及长江口深水航道等重大工程对河口地区的影响都显得非常重要。

图1 徐六泾断面地理位置(A) 和ADCP仪器布设(B)Fig.1 Location of Xuliujing(A) section in Yangtze estuary and ADCP instrument layout(B)

徐六泾断面不同位置处的水深差异较为明显：断面南侧的平均水深为25 m，而北侧的只有5 m左右。此外，徐六泾断面涨潮和落潮的时间长短不一致，涨潮的时间短，落潮时间长。在涨潮阶段，潮波一方面受河床上升和阻力的影响，一方面又受河水下注的阻碍，潮流能力逐渐消耗，流速渐减，因此涨潮时间短；在落潮阶段，河口内的潮水便又流回海中，再加上河水下注的推力，落潮的水量也就愈多，时间也愈长(Liu et al.，2008)。

实验采用3台RDI公司生产的频率为300 kHz的4个探头的ADCP浮标布设在徐六泾断面以作为固定垂线，分别以C1，C2，C3表示，仪器布设位置如图2所示。各垂线的平均水深分别为14.9 m，51.5 m和9.7 m。仪器设置的水深单元为1.0 m，每30 min观测一组数据。为分析径流的季节性变化对感潮河段潮流垂直结构的影响，实验首先获取了大通站2011年全年日均流量(图3)。由图3可知，长江口径流量在夏季最大，可达5×104m3/s；秋季其次；春季和冬季最小，且二者径流量基本一致，约为2×104m3/s。因此，实验提取了2011年3月至5月(春季)，6月至8月(夏季)以及9月至11月(秋季)这3个时段对应的固定观测数据，分别对应了长江口小径流流量、大径流流量及中径流量流量时段，以便于对不用径流量下的ADCP垂线观测数据分别进行分析。

图2 固定式ADCP在徐六泾断面中的位置及断面地形变化Fig.2 Location of fixed ADCP stations in Xuliujing section and change of section to pography

图3 大通站2011年日均流量Fig.3 Daily average discharge at Datong station in 2011

3 实验结果

3.1 余流的垂直结构

对C1，C2和C3测站ADCP获得的各水深单元的流速东、北分量分别利用式(1)进行潮流调和分析，可得到各水深层余流东分量和北分量的U0和V0，最终可获得各测站的余流垂直结构(图4)，最大流速均出现在表层，流速值则随水深增大而减小，最小值皆出现在底层。整体而言，对于3个测站，夏季流速均最大，秋季次之，春季最小。对于同一季节的流速值，C1和C3测站值基本一致，而相同水深处的C2测站值较C1和C3要大。C2测站，春季、夏季和秋季的表层流速分别为0.42 m/s，0.65 m/s和0.60 m/s，C1测站3个相应季节的表层流速分别为0.22 m/s，0.48 m/s和0.38 m/s，C3测站3个相应季节的表层流速分别为0.29 m/s，0.51 m/s和0.33 m/s。由徐六泾断面径流量的季节性变化可知，余流主要受径流影响，夏季径流强度大，所以流速也大，春季和秋季的流量相对较小，所以流速也小，即流速值与流量值有同样的季节性变化规律。

图4 C1，C2及C3各测站时均流速及流向的垂直分布Fig.4 Vertical distribution of hourly average velocity and flow direction in C1,C2 and C3 stations

对于各水深层的余流流向，各测站流向沿水深变化基本平稳，介于70°～100°。具体而言，对于C1测站，春季流向值最大，秋季和夏季次之。对于C2测站，春季和秋季基本一致，表层和底层的流向约为90°左右，而秋季的流向则在80°附近波动；对于浅水区C3，夏季的流向最大，为100°左右，而春季和秋季基本一致，为90°左右。总体上来讲，3个测站余流流向的季节差异的整体幅度不超过20°。

3.2 潮流椭圆的垂直结构

根据分潮能量比重的分析结果可知，徐六泾地区的M2分潮为最主要分潮，因此以下的实验结果及分析皆针对M2分潮。C1，C2和C3测站各季节的表层(0.2 h)，中间层(0.5 h)及底层(0.9 h)的M2分潮潮流椭圆计算结果如图5所示。

图5 C1，C2及C3测站表层(0.2h)，中间层(0.5h)及底层(0.9h)的M2分潮椭圆Fig.5 M2 tidal ellipse in surface (0.2h), middle (0.5h) and bottom (0.9h) of C1, C2 and C3 stations

总体来说，M2分潮的长半轴远大于短半轴，极化严重，潮流椭圆几乎接近于直线，且基本与河岸平行，属于往复型潮流，这是由河道的狭长特性决定的。表层，中层及底层的潮流椭圆的倾角基本一致，且表层与底层的长半轴差异不明显，这与近海研究结果不同(Sánchez-Román et al., 2008)。

对于半日分潮M2，整体上来说，在3个测站上的椭圆参数差异并不十分明显，但测站C1和C3的椭圆率相对测站C2较大，即极化更严重，并且从图6可以看出，在测站C1和C3的表、中、底3层的椭圆差异较小。对于测站C2，表层和中间层的椭圆差异较小，而底层的差异较大，即表层的长半轴明显大于底层。此外，对于季节性变化，3个测站的夏季椭圆长半轴比春季和秋季较大，即涨落潮能量较大，这与动能方差的计算结果一致。实验结果表明，在夏季潮流能量最大，春季和秋季则较小，这与各季节的平均流速(余流)变化规律是一致的。

3.3 潮流垂直结构的季节差异

各测站各水深层的椭圆参数的垂直结构如图6所示。为方便与余流流向进行比较，椭圆倾角统一归算为方位角，而非传统椭圆倾角与东方向的夹角。同已有的近岸潮流的垂直结构研究相同之处是，M2分潮的长半轴振幅在垂直方向上基本呈递减趋势，但表层和底层的长半轴振幅差异较小，与底层差异较大；对于倾角，垂直方向的变化幅度较小，从表层到底层为递增趋势(Poulain et al.，2011；曾定勇等，2012；师鹏飞等，2012)。然而，相对于相同之处，近岸潮流与感潮河段的垂直结构的差异更加明显，具体表现在以下几个方面：

(1)对于短半轴，近岸潮流的短半轴从表层至底层基本呈S型，即先缓慢减小再逐渐增大；而在该感潮河段的M2分潮短半轴则是由上而下逐渐增大，且各测站的规律不一致(图6)。

图6 各测站M2分潮垂直结构的季节变化Fig.6 Seasonal variation of vertical structure of M2 tidal composition at various stations

(2)对于倾角，从表层到底层的倾角值在3个季节的差异较小，而对于近岸潮流，表层和底层的倾角差值可达20°(Codiga et al.，2004)。对不同季节，C1和C3浅水区的差异较小，最大差值小于5°；而对于C2测站，同一水深的椭圆倾角差异明显，其春季倾角值最小，夏季其次，秋季最大。

(3)对于相位，3个测站在不同季节基本呈现统一规律，即从表层到底层缓慢减小，与之前学者的近岸研究结果一致(Tsimplis，2000；Codiga et al.，2004)。不同的是，近岸潮流的表层和底层相位差异较大，可达20°(Tsimplis，2000)或40°(Codiga et al.，2004)，而本次研究区域的表层和底层相位值差异则为10°左右。

3.4 平均流速和潮流椭圆参数对比

图7显示的是C1，C2和C3测站位置及各季节的表层(0.2 h，红色箭头)，中间层(0.5 h，绿色箭头)及底层(0.9 h，蓝色箭头)的平均流速及流向。图8给出了C2测站不同季节下的M2分潮椭圆参数及平均流速大小及方向的垂直结构。由图7可以看到，最大流速均出现在表层，流速值则随水深增大而减小，最小值皆出现在底层。整体而言，对于3个测站，夏季流速均最大，秋季次之，春季最小。对比图8可知，平均流速值与M2分潮的长半轴的垂直结构季节变化和垂向变化规律一致。对于各水深层的流向，各测站流向垂直变化较小，且基本与河岸平行(图7)。从表层至底层，流向基本呈逆时针旋转，尽管各季节差异较小。同样的，对于深泓处的C2测站，同一水深处的流向因季节而异，即春季较大，夏季其次，秋季最小，这同样与主要分潮M2的倾角的季节变化规律一致。

图7 各测站表层，中层及底层在春，夏和秋 3个季节的平均流速流向Fig.7 Average velocity and flow direction of surface, middle and bottom stations in Spring, Summer and Fall seasons

由图8可以明显看出，M2分潮振幅和倾角的垂直变化和季节变化规律与平均流速和流向的变化规律基本一致，即：①振幅大小和流速大小均沿水深增长缓慢变小；②整体上来说，夏季的振幅和流速均最大，秋季次之，春季最小，潮流的强度与径流强度呈正相关；③椭圆的倾角变化规律与平均流速变化规律也是一致，即椭圆倾角和流向的方位角在春季最大，夏季其次，冬季最小。这是由于受河床和地势的影响，在不同季节流向值也发生变化。同样受径流(平均流速)的动力影响，椭圆的倾角也发生类似的旋转。

图8 C2测站不同季节下的M2分潮4个椭圆要素及平均流速大小及方向的垂直结构Fig.8 Four elliptical elements of M2 tidal composition and average velocity and flow direction of vertical structure at C2 station in different seasons

4 总结

为获得长江口感潮河段潮流及余流的垂直结构及其季节性变化规律，笔者基于长江口徐六泾断面3个测站的高垂直分辨率(1.0 m)的春、夏、秋3个季节对应的小、大及中等径流量下的ADCP流速数据，采用调和分析方法对长江口感潮河段的余流(径流)和潮流进行特征分析，得到了该地区的余流和潮流不同的季节特征及相互影响规律，结论如下：

(1)受长江口径流量的季节性变化影响，3个测站的平均流速值在夏季最大，春季和秋季相对较小。对于单个测站，最大流速均出现表层，流速值则随水深增大而减小，最小值皆出现在底层。此外，各测站流向沿水深变化平稳，基本与河岸线平行。

(2)徐六泾水域潮流椭圆极化严重，几乎接近于直线，且基本与河岸线平行，属于往复型潮流，表层，中间层及底层的潮流椭圆的倾角基本一致，且表层与中间层的长半轴差异较小。

(3)对于主要分潮M2的垂直结构，其长半轴振幅在垂直方向上基本呈递减趋势，但表层和底层的长半轴振幅差异较小，与底层差异较大；对于倾角，垂直方向的变化幅度较小，从表层到底层为递增趋势，在3个季节的差异较小。因此，近岸潮流和感潮河道潮流的长半轴垂直结构的变化规律基本一致，然而由于河道中的潮流受径流作用强劲，因此又表现出于近岸潮流明显的差异。

(4)M2分潮振幅和倾角的垂直变化和季节变化规律与余流的流速和流向的变化规律基本一致，其振幅大小和流速大小均沿水深增长缓慢变小；潮流的强度与径流强度呈正相关，受河床和地势的影响，椭圆的倾角旋转变化规律与平均流速变化规律也是一致。