基于高频地波雷达资料的海南中东部近海表层海流特征

周旋 , 李自强 安玉柱 张耀文 杨晓峰

1. 中国人民解放军61741 部队, 北京 100094;

2. 中国科学院空天信息创新研究院, 北京 100101

海南中东部近海海域位于南海西北部陆坡处, 海岸线曲折多弯, 港湾众多, 渔业、航运、旅游等经济活动频繁, 受东亚季风、南海环流、海底地形和岸线等诸多因素影响, 其表层海流特征较为复杂。目前, 针对海南中东部海流特性的研究主要集中在上升流和大尺度环流特征(经志友 等, 2008; 许金电 等, 2013; 刘科峰 等, 2014; 卢燕 等, 2017), 采用的资料主要来源于声学多普勒流速剖面仪和表层漂流浮标, 时间范围较短、数据点稀疏且空间分布不均, 不能较好地表征海南中东部近海表层海流时空分布特性。

高频地波雷达是一种新兴的表层海流监测技术, 利用高频无线电波与海面作用时产生的布拉格散射和多普勒效应探测视距以外表层海流信息, 与传统测流仪器观测结果的均方差在10cm·s–1左右(朱大勇 等, 2013; Capodici et al, 2019)。高频地波雷达作为能够获取大范围海流观测数据的设备, 能够得到海流计、声学多普勒流速剖面仪等传统测流仪器无法得到的空间分布信息, 受到国内外研究学者的关注。Ullman 等(2004)利用2000 年6 月—2001 年12 月高频地波雷达海流观测资料研究了美国长岛海峡沿岸急流的季节性变化。朱大勇等(2013)利用2006 年1 月—2009 年4月闽南沿岸高频地波雷达的海流资料分析了中国台湾海峡南部浅滩以西区域表层海流的季节与年际变化特征。沈志奔(2014)利用2005 年8 月舟山海域高频地波雷达海流资料进行准调和分析, 研究了舟山外海潮流的空间分布特性。Cosoli 等(2015)利用2012 年8 月—2014 年7 月高频地波雷达海流观测资料研究了马耳他—西西里海峡的表层潮流特征。吉会峰等(2017)和杨华等(2019)利用江苏如东海域地波雷达获得的长期海流观测资料对烂沙洋海域表层海流特征进行了统计分析、潮流调和分析以及余流分析。

与传统的测流仪器相比, 高频地波雷达观测资料具有高空间覆盖和高空间分辨率的优点, 能够反映观测海域海流的时空间分布特征。本文利用海南中东部的文昌良梅和琼海博鳌2 个高频地波雷达站获取的2019 年4 月—2020 年5 月表层海流观测资料进行潮流调和分析和余流分析, 研究海南中东部近海潮流、余流分布特征及变化规律, 为该海域的航线规划、海岸工程、水产养殖和环境保护等工作提供基础数据支撑。

1 地波雷达观测资料

图1 地波雷达站和海流计的位置(a)以及观测海域水深分布(b) 图a 中五角星为连续观测位置。审图号: 琼S(2019)054 Fig. 1 Locations of the HFSWR stations and current meters (a), superimposed with topography of the observation area (b)

海南中东部的文昌良梅和琼海博鳌2 个高频地波雷达站采用的是武汉大学电波传播实验室研发的OSMAR-S100 便携式雷达系统(吴雄斌 等, 2003; 陈江 等, 2005; Zhou et al, 2015)。该系统采用了调频中断连续波体制和单极子交叉环紧凑型天线阵, 实现100km 范围内海洋表层海流、海浪和风场等信息的探测。文昌良梅和琼海博鳌2 个高频地波雷达站的工作波长λ分别为18.6m 和22.4m, 波束覆盖扇角120°, 运行状态良好, 其探测的是λ/8π深度(约为0.8m)处的海流流速, 时间分辨率为20min, 空间分辨率为0.05°。地波雷达站的位置、观测海域及水深分布如图1 所示。地波雷达探测范围内的海底地形从西北向东南倾斜, 西北和中间部分为大陆架, 较为平缓, 等深线与海岸线大致平行, 东南部分为大 陆架向大陆坡过渡处, 等深线密集, 坡度较大。

本文使用的高频地波雷达表层海流数据时间范围为2019 年4 月1 日—2020 年3 月31 日, 其中由于停电、设备故障等因素导致41d 观测数据缺失。观测区域为(110°39′—110°33′E, 18°42′—19°36′N), 按照0.05°空间分辨率可分为19×19 的网格, 如图1a所示。由于电离层干扰、射频干扰、停电、设备故障等因素影响, 高频地波雷达表层海流资料存在异常值或缺失值。为了保证研究结果的准确性, 需进行有效的质量控制(沈志奔, 2014), 步骤如下:

1) 将表层海流数据分解为北分量U 和东分量V, 以每个网格点为中心分别计算3×3 范围内U 和V分量标准差, 剔除超过2 倍标准差的异常数据;

2) 计算以缺失点网格为中心3×3 范围内其他8个网格点的数据缺失率, 若数据缺失率小于50%, 即8 个网格点中至少有4 个有效数据点, 则通过反距离加权平均法填补缺失点网格的海流数据。

经质量控制后, 高频地波雷达表层海流数据获取率如图2 所示。本文选取数据获取率大于76%的表层海流数据研究潮流、余流分布特征及变化规律。

图2 高频地波雷达表层海流的数据获取率 审图号: 琼S(2019)054 Fig. 2 Data acquisition rate of ocean surface currents from HFSWRs

图3 2019 年6 月1 日—2 日高频地波雷达和海流计观测表层海流U 分量(a)和V 分量(b)对比时间序列图 Fig. 3 Comparison of ocean surface currents observed by the HFSWRs and the current meters for meridional (a) and zonal (b) components from June 1 to 2, 2019

为了检验高频地波雷达的数据精度, 2019 年6 月1 日—2 日国家海洋局海口海洋环境监测中心站 利用2 台船载海流计对图1 五角星处(111°11′58′′E、19°12′5′′N)的海流进行了连续观测。2 台船载海流计采用的是亚力克自容式电磁海流计, 固定在船体外3m 处, 深度分别为2.2m 和2.7m, 观测时间间隔为5min, 对2 台海流计20min 的海流数据进行平均, 然后与高频地波雷达表层海流进行匹配, 比对结果如图3 所示。二者的匹配数据点为76 个, U 分量均 方 差 7cm·s–1、相关系 数 0.83, V 分量均方差8.1cm·s–1、相关系数0.91, 这说明高频地波雷达与海流计观测的表层海流具有较好的一致性。值得注意的是, 在高频地波雷达观测区域的边缘, 由于回波信号减弱、观测几何条件差等因素影响, 高频地波雷达的海流观测精度下降。

2 潮流调和分析

潮流调和分析是将海流分解成不同频率的天文分潮流, 然后根据海流观测数据计算各分潮流的调和常数。本文采用Pawlowicz 等(2002)提供的潮流调和分析程序对海南中东部高频地波雷达表层海流数据进行调和分析。

2.1 潮流类型

图4 潮流类型系数分布图 审图号: 琼S(2019)054 Fig. 4 Spatial distribution of tidal current type factor

2.2 潮流椭圆及运动形式

海南中东部近海海域潮流类型比较复杂, 包括不规则半日潮流和不规则全日潮流。本文利用T-tide潮流调和分析程序计算了M2、S2、N2、K2、K1、O1、P1、Q1、M4、MS4、M611 个分潮, 信噪比大于2 的分潮为M2、S2、N2、K2、K1、O1、Q1、MS4。根据观测海域最大潮流流速的平均值排序, 半日分潮M2、S2和全日分潮O1、K1为最大的4 个分潮, 占比为71%。M2、S2、O1、K1分潮最大潮流流速的比为1 : 0.51 : 0.60 : 0.65, 潮流椭圆如图5 和图6 所示。为了显示方便, 每3 个网格点给出一个潮流椭圆, 其半长轴和半短轴分别代表该分潮最大流速和最小流速, 长轴方向代表该分潮最大流速方向。

由图5a 和5b 可知, M2分潮的潮流椭圆扁平, 旋转率的绝对值较小, 潮流运动形式以往复流为主, 椭圆长轴在近海岸呈西南—东北走向, 与海岸线基本平行, 随着距海岸线距离的增加, 逐渐变为南北走向。对比图5 各分图可知, S2分潮的椭圆长轴平均值为2.6cm·s–1、明显小于M2分潮, 但其潮流运动形式和椭圆长轴走向与M2分潮类似, 以往复流为主, 椭圆长轴由近海岸的西南—东北走向逐步向远海岸的南北走向过渡。对比图5 和图1 可知, 随着等深线密度的增大, 半日分潮M2和S2的潮流椭圆旋转率绝对值增大、运动形式趋向于旋转流。

由图6a 和6b 可知, O1分潮的潮流椭圆长轴平均值为3.1cm·s–1、小于M2分潮, 旋转率的绝对值较大、平均值为0.36, 运动形式以顺时针旋转流为主, 在中间区域出现小范围的西南—东北走向往复流。由图6c 和6d 可知, K1分潮的潮流椭圆长轴平均值与O1分潮一致、均小于M2分潮, 旋转率的绝对值大于O1分潮、平均值为0.45, 运动形式以顺时针旋转流为主, 在近海岸出现小范围的西南—东北走向往复流。另外, 在高频地波雷达观测区域东侧和南侧, O1和K1的潮流椭圆变化较大, 这可能是由于海底地形变化较大, 或者是高频地波雷达观测边缘海流误差较大造成的。对比图6 和图1 可知, 等深线密度增大, O1分潮潮流运动形式趋向于旋转流, K1分潮潮流运动形式趋向于往复流。

综上所述, M2分潮的潮流椭圆长轴最大, 其次是K1和O1分潮, 最小是S2分潮, 但4 个分潮的椭 圆长轴相差不大。半日分潮M2、S2的运动形式以往复流为主, 近海岸为西南—东北走向、远海岸为南北走向; 全日分潮O1、K1的运动形式以顺时针旋转流为主, 这是因为海南中东部海域地处北半球, 由于地球自转效应, 引潮力水平分量和地转偏向力共同作用致使潮流顺时针旋转。

图5 半日分潮M2、S2 的潮流椭圆及运动形式 a. M2 分潮潮流椭圆; b. M2 分潮旋转率; c. S2 分潮潮流椭圆; d. S2 分潮旋转率。审图号: 琼S(2019)054 Fig. 5 Spatial distributions of tidal current ellipses and rotating rates for the semidiurnal tidal currents M2 and S2

2.3 最大可能潮流流速

最大可能潮流流速可通过M2、S2半日分潮和K1、O1全日分潮的最大潮流流速计算。根据《港口工程技术规范》(中华人民共和国交通部, 1988)的规定, 规则半日潮流区的最大可能潮流流速按照公式(1)计算, 规则全日潮流区的最大可能潮流流速按照公式(2)计算:

3 余流特征分析

余流是指从实测海流中扣除天文引潮力作用引起的周期性潮流后的非周期性海流, 包括风生流、密度流、径流和潮汐余流等。余流对海水中物质的输运、稀释及扩散等起着重要的作用(杨华 等, 2019)。

图6 全日分潮O1、K1 的潮流椭圆及运动形式 a. O1 分潮潮流椭圆; b. O1 分潮旋转率; c. K1 分潮潮流椭圆; d. K1 分潮旋转率。审图号: 琼S(2019)054 Fig. 6 Spatial distributions of tidal current ellipses and rotating rates for the semidiurnal tidal currents O1 and K1

图7 海南中东部近海最大可能潮流流速分布图 审图号: 琼S(2019)054 Fig.7 Spatial distribution of probable maximum current velocity

本文对高频地波雷达测得的表层海流数据剔除潮流因素后, 对剩余部分进行月平均, 获取月平均余流(胡冬 等, 2015), 如图8 所示。为了分析海面风场与月平均余流的关系, 本文收集了遥感系统(Remote Sensing System, RSS)处理发布月平均先进散射计(Advanced Scatterometer, ASCAT)风矢量产品, 空间分辨率为0.25°, 在地波雷达观测海域内进行空间平均, 图9 为观测海域月平均ASCAT 风矢量随时间变化情况。对比图8 和图9 可知, 月平均余流受东亚季风影响较大, 季节变化特征显著。2020 年3月、2019 年4 月—5 月为季风过渡期, 观测海域由东南风向西南风转换, 月平均余流的流速较小, 流向较复杂, 3 月、4 月平均流速为12cm·s–1, 近海岸流向偏北, 远海岸流向西南, 5 月平均流速为16cm·s–1, 近海岸流向西北, 远海岸流向西南。2019 年6 月—8月为西南季风期, 风向为南偏西, 观测海域呈现一致的东北向流, 导致上层海水的离岸输送, 中、深层海水向岸涌升与补偿, 形成上升流, 7 月余流的平均流速最大, 达到42cm·s–1, 海水离岸输送最强, 上升流也是全年最强, 这与已有文献结果是一致的(谢玲玲 等, 2012)。2019 年9 月—2020 年2 月, 在强劲的东北风影响下, 观测海域呈现一致的西南向流, 11 月平均流速最大, 达到52cm·s–1。

图8 2019 年4 月—2020 年3 月月定常余流图 审图号: 琼S(2019)054 Fig. 8 Residual currents from April 2019 to March 2020

图9 2019 年4 月—2020 年3 月观测海域ASCAT 海面风场随时间变化图 Fig. 9 The variation of ASCAT wind vectors in the observation area from April 2019 to March 2020

通过高频地波雷达连续观测表明, 海南中东部海域余流主要呈夏季形态、冬季形态和过渡形态, 与季风的变化过程基本一致。6 月—8 月为夏季形态, 流向东北, 7 月平均流速最大; 9 月夏季形态迅速转变为冬季形态, 持续到次年2 月, 流向西南, 11 月平均流速最大; 3 月和5 月为过渡形态, 是冬季形态向夏季形态的转变期, 流速较小, 流向时空变化特征比较复杂。

4 结论

本文通过对2019 年4 月—2020 年3 月海南中东部近海高频地波雷达表层海流观测资料进行潮流调和分析和余流分析, 得到以下结论:

1) 从潮流调和分析结果, 半日分潮M2、S2和全日分潮O1、K1为最大的4 个分潮, 占比为71%。M2、S2、O1、K1分潮最大潮流流速的比为1 : 0.51 : 0.60 : 0.65, M2为最主要分潮。海南中东部近海海域的潮流类型系数在0.8～2.8 之间, 平均数为1.5, 以不规则半日潮流为主, 在东南方向小范围海域出现不规则全日潮流; 等深线越密集、坡度越大, 全日分潮的影响越大, 潮流类型趋向于全日潮流。

2) 从潮流运动形式和椭圆分布来看, 半日分潮M2和S2的潮流以往复流为主, 近海岸为西南—东北走向, 远海岸为南北走向, M2分潮的椭圆长轴明显大于S2分潮; 随着等深线密度的增大, 半日分潮M2和S2的潮流运动形式趋向于旋转流; 全日分潮O1、K1的椭圆长轴相等, 其值在M2和S2分潮椭圆长轴之间, 运动形式以顺时针旋转流为主; 随着等深线密度增大, O1分潮潮流运动形式趋向于旋转流, K1分潮潮流运动形式趋向于往复流。

3) 最大可能潮流流速分布从西南向东北方向逐步增大, 最大值为35cm·s–1, 出现在观测海域的东北方向。

4) 余流分析结果表明, 该海域的余流受东亚季风影响较大, 季节变化特征显著, 主要呈夏季形态(6 月—8 月)、冬季形态(9 月—次年2 月)和过渡形态(3 月—5 月)。夏季形态持续时间较短、仅为3 个月, 流向东北, 平均流速29cm·s–1; 冬季形态持续时间最长、达到6 个月, 流向西南, 流速大于为夏季形态, 平均流速36cm·s–1; 过渡形态持续3 个月, 为冬季形态向夏季形态的转变期, 风生流影响小, 平均流速13cm·s–1, 明显小于夏季和冬季形态, 流向分布较复杂。从全年来看, 西南向流动的时间最长, 海南中东部表层海水物质输运应自东北向西南。