广东红海湾海流季节性特征分析

王春阳，张永强，王恩康，金永德

(1.山东电力工程咨询院有限公司，山东 济南 250100； 2.自然资源部第一海洋研究所，山东 青岛 266061；3.山东科技大学，山东 青岛 266590)

海流是海洋内部能量和质量传输的重要形式，使整个世界大洋的各种水文要素、化学元素及热盐状况保持长期相对稳定的状态，对海洋生物、地质状况和过程以及海上和沿岸天气、气候都有影响和制约作用，对海上生产活动和海上工程建设有重要影响。红海湾位于南海北部粤东沿岸中段(22°39′～22°51′N, 114°56′～115°27′E), 为半封闭海湾，面积约300 km2, 水深10～50 m。湾北部较平缓，自北向南倾斜，西部沿岸坡度较大[1]。多年来对粤东海湾及南海北部海区潮流的研究已经有大量的工作。

俞慕耕(1984)探讨了南海的潮汐特征[2]；黄企洲(1982)进行了南海北部的深层海流观测[3]；管秉贤(1985)分析了南海北部冬季逆风海流的时空分布特征[4]；邱章等(1999)对南海北部春季海流的垂向变化进行了分析[5]；王卫强等(2002)估算了南海上层海洋季风性海流调整的特征时间尺度[6]；王江伟等(2007)计算了与温盐资料时间序列相对应的不同季节不同层深的南海海洋环流及流涡系统，并得出相关结论[7]；吴仁豪等(2007)用三维陆架海模式(HAMSOM)对大亚湾海域的潮汐、潮流和余流进行了数值模拟研究[8]；司广成等(2012)分析了南海北部东沙岛附近的内潮和余流特征[9]；夏综万等(2013)探讨了粤东甲子海域潮波异常和南海北部潮波的传播[10]；余学芳等(2016)对深圳大鹏湾的潮流运动进行了三维数值模拟研究[11]；许婷等(2017)基于POM海洋模式对南海不同深度环流的季节性变化进行了数值模拟研究[12]。刘广平等(2018)利用2008年夏季和冬季的海流资料分析了红海湾西北海区潮流性质、运动形式、涨落潮流特性、余流特征。以上研究使人们对粤东海域和南海北部海域的潮汐和潮流特征有了一定的了解，但由于研究不多，对广东红海湾海域潮流特征的了解依然不足。本研究利用2016年冬季和2017年春季的实测海流数据分析了红海湾海区潮流动力学特征，为后期的环评、海域使用论证，以及工程设计提供翔实、准确的科学依据，同时也为今后对海湾的生物地球化学过程的研究提供了重要的理论支撑。

1 资料来源与研究方法

1.1 潮位

根据技术要求，需设置3个临时潮位站(S1～S3站，图1)。潮位观测采用加拿大RBR公司生产的TGR-2050型温潮位仪，采样间隔10 min，仪器置于海底，获取水位连续观测资料。观测时间为2016年12月3日至2017年1月2日和2017年4月3日至5月2日。潮位观测期间，在S2站设立人工水尺验潮站，将潮位数据订正到1985国家高程基准，并给出工程区各基面关系。

图1 红海湾潮位观测站布设示意图Fig.1 Distribution of tidal level observation station in Honghai Bay

1.2 海流

海流观测按技术任务书的要求在工程海域布设11个站，在大、中、小潮期间各进行一次周日逐时连续观测，本研究观测实际站位见图1。11个测站总体布置原则为在工程海域的东、西、南侧各布设1个站位，并以此为起点，从湾顶向湾口辐射布置3条断面，分别代表湾西侧、湾中、湾东侧连线。

海流观测采用安德拉RCM9型海流计、诺泰克公司生产的小阔龙和日本ALEC公司生产的电磁亚力克海流计，采样时间间隔设置为1 min，每层测量时间保持约3 min，以保证每层至少有2个有效记录，最后根据仪器压力值的变化，筛选出各层实测海流流速、流向值。各站按六点法观测，即表、0.2 H(H为整点时刻实测水深)、0.4 H、0.6 H、0.8 H和底层。

本研究冬季大潮水文观测时间包括大潮观测： 2016年12月14日13时至15日15时；中潮观测：2016年12月10日11时至11日13时；小潮观测：2016年12月08日09时至09日11时。春季大潮水文观测时间包括大潮观测：2017年4月29日10时至30日12时；中潮观测：2017年4月25日08时至26日10时；小潮观测：2017年4月22日11时至23日13时。

2 结果与讨论

2.1 潮汐特征

对实测资料进行分析得到调查期间水位特征值见表1，观测期间平均海平面冬季为-8 cm，春季为56 cm。从图2可以看出，冬季和春季S1、S2、S3站3个临时水位站相位相差较小，振幅波动、相位变化趋势基本一致。

表1 红海湾观测期间潮汐特征统计表Tab.1 Statistic for tidal current characteristics during the observation in Honghai Bay

图2 红海湾观测期间潮位过程曲线Fig.2 Tidal process curves during the observation in Honghai Bay

2.2 海流特征

2.2.1 海流在平面上的分布 图3为冬季和春季大、中、小潮期间各站垂线平均流速流向矢量图，可以看出冬季大潮期和中潮期，整个海湾内海流呈现东进西出，为逆时针旋转特征，小潮期为西进东出，为顺时针旋转特征；春季大潮期和中潮期，整个海湾内海流呈现西进东出，为顺时针旋转特征，小潮期为东进西出，为逆时针旋转特征。

图3 红海湾垂线平均海流矢量图Fig.3 Vector maps of vertical average currents in Honghai Bay

冬季垂线平均的涨、落潮流平均流速，其变化范围落潮流为1～25 cm/s，涨潮流变化范围为1～21 cm/s。大潮期落潮流平均流速最大为10 cm/s，流向为180°、202°，出现在H7站、H8站，涨潮流平均流速最大为19 cm/s，流向为312°，出现在H10站；中潮期落潮流平均流速最大为25 cm/s，流向为245°，出现在H4站，涨潮流平均流速最大为21 cm/s，流向为为281°，出现在H11站；小潮期，落潮流平均流速最大为19 m/s，流向为122°，出现在H11站，涨潮流平均流速最大为10 cm/s，流向为250°，均出现在H4站。在三次观测中，各站涨落潮平均流速中潮期最大。

大潮期垂线平均的落潮流最大流速的变化范围在9～42 cm/s之间，最大值出现在H7站，流向为80°，垂线平均的涨潮流最大流速的变化范围在11～50 cm/s，最大值出现在H7站，流向为69°。中潮期，垂线平均的落潮流最大流速的变化范围在7～43 cm/s之间，最大值出现在H11站，流向为85°，垂线平均的涨潮流最大流速的变化范围在10～35 cm/s，最大值出现在H7站，流向为95°。小潮期，垂线平均的落潮流最大流速的变化范围在8～29 cm/s之间，最大值出现在H11站，流向为130°，垂线平均的涨潮流最大流速的变化范围在6～23 cm/s，最大值出现在H4站，流向为245°。

春季垂线平均的涨、落潮流平均流速变化范围：落潮流为1～18 cm/s，涨潮流为1～19 cm/s。大潮期落潮流平均流速最大为14 cm/s，流向为106°，出现在H11站，涨潮流平均流速最大为7 cm/s，流向为73°，出现在H3站；中潮期落潮流平均流速最大为10 cm/s，流向为63°，出现在H3站，涨潮流平均流速最大为14 cm/s，流向分别为61°、118°，分别出现在H3、H6站；小潮期落潮流平均流速最大为12 cm/s，流向分别为237°、294°，分别出现在H5、H11站，涨潮流平均流速最大为15 cm/s，流向为291°，出现在H11站。在三次观测中，各站涨落潮平均流速属大潮期最大。总体来看，离岸站点涨落潮平均流速大于近岸站点涨落潮平均流速。

大潮期垂线平均的落潮流最大流速的变化范围为15～36 cm/s，最大值出现在H11站，流向为119°，垂线平均的涨潮流最大流速的变化范围为19～42 cm/s，最大值出现在H11站，流向为120°。中潮期垂线平均的落潮流最大流速的变化范围为9～24 cm/s，最大值出现在H10站，流向为115°，垂线平均的涨潮流最大流速的变化范围为13～36 cm/s，最大值出现在H11站，流向为133°。小潮期垂线平均的落潮流最大流速的变化范围为12～27 cm/s，最大值分别出现在H10站和H11站，流向分别为315°和304°，垂线平均的涨潮流最大流速的变化范围为13～31 cm/s，最大值出现在H11站，流向为297°。

2.2.2 海流在垂向上的分布 由各站实测涨、落潮流最大流速及流向数据可以看出，冬季各站各层涨、落潮流最大流速分布及变化趋势：大潮期，落潮流最大流速为50 cm/s，流向为97°，出现在H7站表层，涨潮流最大流速为57 cm/s，流向为39°，出现在H7站表层；中潮期，落潮流最大流速为51 cm/s，流向为230°，出现在H4站表层，涨潮流最大流速为42 cm/s，流向为107°，出现在H7站表层；小潮期，落潮流最大流速为34 cm/s，流向为155°，出现在H11站表层，涨潮流最大流速为29 cm/s，流向为280°，出现在H4站表层。

春季各站各层涨、落潮流最大流速分布及变化趋势：大潮期，落潮流最大流速为41 cm/s，流向为112°，出现在H11站表层，涨潮流最大流速为48 cm/s，流向为124°，出现在H11站0.2 H层；中潮期，落潮流最大流速为28 cm/s，流向为126°，出现在H6站0.2 H层，涨潮流最大流速为40 cm/s，流向为129°，出现在H11站0.4 H层；小潮期，落潮流最大流速为37 cm/s，流向为321°，出现在H10站0.2 H层，涨潮流最大流速为39 cm/s，流向为317°，出现在H10站0.2 H层。

由各站实测涨、落潮流平均流速及流向和涨、落潮流最大流速及流向数据可看出，冬季和春季大、中、小潮期三次观测中，海流流速在大部分测站的最大值出现在表层或0.2 H层，流速基本上均自表至底逐渐减小，流向在垂直线上的分布比较一致。

2.2.3 潮流状况 潮流可分为规则的、不规则的半日潮流和规则的、不规则的全日潮流，其判别标准见表2。

表2 潮流类型判别表Tab.2 Discrimination of tidal current types

由表3可知，冬季在各站的潮型系数中，除H2站各层、H7站0.8 H、底层外各站各层潮流类型判别数均在0.50～2.00之间，其潮流性质为不规则半日潮流；H2站0.4 H至底层、H7站0.8 H和底层为不规则全日潮流，H2站表层、0.2 H层为全日潮流。春季在各站的潮型系数中，H4站(表层、0.2 H、0.4 H、底层)、H5站(表层)、H6站(0.2 H、0.4 H、底层)、H7站(0.2 H)、H11(0.2 H、底层)各站各层潮流类型判别数均在小于0.5，其潮流性质为规则半日潮流；H3站(0.8 H、底层)潮流类型判别数均在2.00～4.00之间，其潮流性质为不规则全日潮流；其余各站各层潮流类型判别数均在0.50～2.00之间，其潮流性质为不规则半日潮流。

表3 冬季、春季各站潮流类型判别数Tab.3 Discriminant number of tidal current types at the observation stations in winter and spring

续表3

①潮流的运动形式。潮流的运动形式分旋转流和往复流，通常以椭圆率K的绝对值大小来判断，当|K|=1时，潮流椭圆成圆形，各方向流速相等，为纯旋转流；当|K|=0时，潮流椭圆为一直线，海水在一直线上往返流动，为典型往复流。|K|值通常在0～1之间，|K|值越大，旋转流的形式越显著，|K|值越小，往复流的形式越显著[14]。

由于观测海域为半日潮流类型，因此，除H2站外主要以M2分潮流的椭圆率来对潮流运动形式作近似分析。各分潮流椭圆率计算结果见表4。潮流的旋转方向，通常是以旋转率K前面的符号来判断。K前面为“+”，表示潮流逆时针旋转(左旋)，K前面为“-”，说明潮流是顺时针旋转(右旋)。

由表4可知，各站的潮流椭圆率|K|值均较小，冬季H3、H6、H7、H8、H9、H10、H11站以往复流为主，H1、H2、H4、H5站潮流运动具有一定旋转性；春季H1、H2、H5、H6、H7、H8、H9、H10、H11站以往复流为主，H3、H4站潮流运动则具有一定旋转性。

表4 冬季、春季各站各层主要分潮流的k值表Tab.4 K-value of the component currents of each layer at observation stations in winter and spring

因研究海域是半日潮流为主海域，讨论潮流的旋转方向时，可以M2分潮流的K值变化来讨论各站各层的潮流旋转方向。冬季H1、H4、H5、H6、H9站为逆时针旋转，H2、H7、H8、H10站为顺时针旋转，其他各站各层潮流旋转方向不一致；春季H2、H3、H4站为逆时针旋转，H1、H5、H6、H8、H10站为顺时针旋转，其他各站各层潮流旋转方向不一致。

② 潮流的可能最大流速。规则半日潮流海区：

(1)

规则全日潮流海区：

(2)

③ 潮流水质点最大可能运移距离。规则半日潮流海区：

(3)

规则全日潮流海区：

(4)

按半日潮流海区的公式计算，计算结果显示冬季研究区水质点的最大可能运移距离在1 056.2～9 214.0 m之间，春季研究区水质点的最大可能运移距离在1 676.2～5 937.9 m之间。水质点可能最大运移距离的远近与潮流最大可能流速的大小是相对应的，潮流最大可能流速越大，水质点最大可能运移距离就越远。

2.2.4 余流 按调和分析得出观测期间各测站的余流情况[15]，冬季观测海域大潮期各站各层余流流速在1.2～17.0 cm/s之间，最大余流流速出现在H11站表层，流向为253°；中潮期各站各层余流流速在1.5～28.1 cm/s之间，最大余流流速出现在H4站表层，流向为252°；小潮期各站各层余流流速在2.8～13.3 cm/s之间，最大余流流速出现在H3站表层，流向为242°。大潮期和中潮期各站余流流向整体为偏西向。小潮期，湾西侧余流流向偏西向，湾东侧余流流向偏南东向(图4)。

春季大潮期各站各层余流流速在1.7～10.1 cm/s之间，最大余流流速出现在H11站0.6 H层，流向为103°；中潮期余流流速在1.2～12.0 cm/s之间，最大余流流速出现在H3站0.6 H层，流向为63°；小潮期各站各层余流流速在2.7～18.7 cm/s之间，最大余流流速出现在H11站0.2 H层，流向为297°。大潮期和中潮期各站余流流向整体为偏东向。小潮期，除H3站偏向南东向，其余余流流向偏西向。

垂向上各层余流流速由表至底逐渐减小，流向基本一致。

3 结论

本研究利用2016年冬季至2017年春季的潮流资料, 分析了红海湾海区海流特征, 结果如下:

(1)红海湾海区属于不规则半日潮流主导的海域。潮流性质大部分站位属往复流，少数站位潮流运动具有一定的旋转性。

(2)海流流向受地形和风的影响而出现变化。冬季, 最大平均涨潮流为21 cm/s, 最大平均退潮流为25 cm/s; 春季, 最大平均涨潮流为15 cm/s,最大平均退潮流为14 cm/s。

(3)冬季在各站的潮型系数中，除H2站各层、H7站0.8 H、底层外各站各层潮流类型判别数均在0.50～2.00之间，其潮流性质为不规则半日潮流，H2站0.4 H至底层、H7站0.8 H和底层为不规则全日潮流，H2站表层、0.2 H层为全日潮流；春季在各站的潮型系数中，H4站(表层、0.2 H、0.4 H、底层)、H5站(表层)、H6站(0.2 H、0.4 H、底层)、H7站(0.2 H)、H11(0.2 H、底层)各站各层潮流类型判别数均小于0.50，其潮流性质为规则半日潮流；H3站(0.8 H、底层)潮流类型判别数均在2.00～4.00之间，其潮流性质为不规则全日潮流；其余各站各层潮流类型判别数均在0.50～2.00之间，其潮流性质为不规则半日潮流。

(4)冬季测区潮流最大可能流速在7～53 cm/s之间。最大可能流速最大值为53 cm/s，出现在H11站0.2 H层。水质点的最大可能运移距离在1 056.2～9 214.0 m之间；春季测区潮流最大可能流速在10～36 cm/s之间。最大可能流速最大值为36 cm/s，出现在H11站0.4 H层。水质点的最大可能运移距离在1 676.2～5 937.9 m之间。

(5)冬季大潮期和中潮期各站余流流向整体为偏西向。小潮期，湾西侧余流流向偏西向，湾东侧余流流向偏南东向；春季大潮期和中潮期各站余流流向整体为偏东向。小潮期，除H3站偏向南东向，其余余流流向偏西向。冬季最大余流流速可达17.0 cm/s，春季最大余流流速可达10.1 cm/s。