防城港外海海域夏冬季周日潮流的准调和分析*

张继云，陈 波

(广西科学院，广西近海海洋环境科学重点实验室，广西南宁 530007)

防城港位于中国大陆海岸线的最西南端，湾门口向南敞开，东邻企沙半岛，西邻白龙半岛[1]。防城港湾是我国西南第一大港湾，是中国重要战略物资的中转基地，是中国向东南亚贸易输出的窗口，其特殊的地理位置对广西的经济发展有不可替代的作用[1]。准确地掌握潮汐潮流的运动变化规律对海上工程建设、海洋生物运动、海洋污染物输运、海上贸易输运、水面舰船航行、水下探测器应用及某些测量仪器的潮流响应改正等多方面应用有重要作用[2]。

北部湾的海洋研究始于20世纪60年代的中越联合调查，之后中国也先后进行了两次全面的海洋普查工作，为北部湾海洋环境的基本特征研究奠定了基础，同时也使人们对防城港的潮波系统有了初步了解[3]。防城港湾的潮汐属于正规全日潮流，但是关于潮流的性质仍有不同的观点。孙洪亮等[4]和李树华等[5]根据实测水位和潮流资料，认为防城港的潮流属于不正规全日潮流。周争桥等[6]对2019年秋季实测周日潮流资料进行准调和分析，认为防城港附近海域以不正规全日潮流为主，部分水层为不正规半日潮流。防城港湾中，往复流与旋转流同时存在，但以旋转流为主。潮流以逆时针运动为主，运动方向主要是东北-西南向[6]。而陈波等[7]根据白龙尾站点近一年的海流资料，得出白龙尾附近潮流属于不正规半日潮流。防城港湾内余流受潮致余流、风生流和密度流的影响，但潮致余流较弱[8]。当台风登陆时，余流流速可能超过正常值的3倍以上[9]。防城港湾的潮能主要来源于四大主要天文分潮，外海的潮波传至近岸时，在地形的作用下衰减变形，在底摩擦的作用下，形成浅水分潮。防城港湾中浅水分潮的作用不可忽略[6,10]。

除了实测海流资料的研究外，诸多学者还应用数值模型的方法对防城港近海海域的海洋动力特征进行深入研究。李树华等[11]利用二维潮波基本方程，计算了防城港附近海域的潮汐和潮流，认为防城港受地形影响，潮致余流较为复杂。李谊纯等[12]通过数值模型，得出防城港潮汐不对称主要是由K1、O1、M2分潮组合引起。另外，刘爱菊等[13]、施华斌等[14]、高劲松等[15,16]多位学者利用不同数值模型对北部湾的环流结构进行模拟，揭示了北部湾海域环流的基本特征。Gao等[17]的研究表明，冬季北部湾呈逆时针环流，而夏季北部湾的环流结构较为复杂，整体上，北部湾南部海域呈顺时针环流结构，而北部海域呈逆时针环流。不同的数值模型最终都需要通过近海海域实测水位、海流等资料的验证，但是北部湾北部夏季环流结构比较复杂，如今对于夏季环流的结构及形成机制仍存在争议[18-21]，还需要更多的实测数据进行验证和研究。北部湾沿海海域实测水文要素将是北部湾海洋动力研究的基础和前提。

为了探究防城港附近海域的水文特征，本研究根据防城港外海4个站点夏、冬季2个周日连续潮流实测资料，通过引入差比关系，对防城港外海的潮流进行准调和分析，细致分析和探讨潮流、余流的特征，以便进一步对北部湾环流和物质输运的数值进行研究。

1 材料与方法

1.1 数据来源

采用的野外观测资料为防城港外海4个站点夏、冬季周日实测潮流数据，调查站位如图1所示，其中B02、C03、D01、E02(D02)为观测站点。数据来源于声学多普勒流速剖面仪(Acoustic Doppler Current Profiler，ADCP)所得的观测数据，采样频率为1次/10 min，垂向采样间隔0.5 m，观测时间见表1。数据处理时，首先对所得观测资料进行质量控制，过滤噪音，然后对各站点表、中、底层潮流数据进行准调和分析。由于疫情原因，冬季时E02站点属于防控区而被取消，更改为D02站。由于ADCP固定在船体上，海水运动时，引起船体晃动，对海流的观测结果产生一定的噪音。

图1 观测站站位

表1 周日海流的观测时间

1.2 准调分析方法

海洋的潮波系统是由不同周期的分潮波叠加而来。当观测数据时间较长时，可以采用调和分析原理对潮流进行调和分析，并分离出不同频率的众多分潮，但当实测数据时间较短或者显著小于分潮之间的会合周期时，只有几个主要分潮可以被辨别出来，其余相似频率的分潮族都被归纳于主要分潮中而无法被分离。对1个月的数据进行调和分析时，需要引入P1、K1、S2和K2分潮的差比关系;而对1个周日的潮流资料，则需要引入K1、O1、M2、S2分潮之间的差比关系，将频率相近的分潮进行分离，这便是引入差比关系的准调和分析方法。目前，沿海海域潮汐的调和常数已十分准确，由于长时间观测的潮流数据较为缺乏，因此一般采用潮汐调和常数的差比关系来近似代替[22]。对于短期的周日潮流资料的处理，准调和分析方法已经被逐渐应用。诸多学者应用潮流准调和分析的方法对不同海域的短期海流资料进行了分析，研究了各海域的潮流基本特征[23-27]。

根据北部湾数值模型中的计算结果[28]，计算各站位的差比关系，各站点计算的差比关系数值一致，差异可忽略不计。故，HO1/HK1=1.15，gO1-gK1=-57，HS2/HM2=0.25，gS2-gM2=38 (其中，H表示分潮流振幅，g表示分潮流迟角)。通过引入上述差比关系利用T_TIDE调和分析程序包[29,30]，对防城港夏、冬季周日潮流资料进行准调和分析，获得每一站点表、中、底层分潮流的调和常数和潮流椭圆要素以及观测期间的余流数据。由于防城港潮波能量主要来源于O1、K1、M2分潮[12]，因此重点列举和分析O1、K1、M2分潮流。

2 结果与分析

2.1 潮流调和常数

夏季各站点潮流的调和常数如表2所示。总体来看，该海域各站点的全日潮流明显占优。K1和O1分潮流的振幅明显高于M2振幅，其余分潮流的振幅更小，对海域潮流的性质影响可忽略。在空间上，C03站和E02站的北分量明显大于东分量；而B02站仅表层的北分量明显大于东分量，中、底层的北分量和东分量的流速量值相差较小。相反地，D01站潮流的北分量小于东分量。总而言之，在外海北分量流速大于东分量流速。当潮波从外海向陆地传播时，受陆地边界的影响，北分量流速明显减弱，因而北分量流速小于东分量流速,如D01站潮流运动方向与陆地边界平行，流向防城港湾。

表2 夏季4个站点潮流的调和常数

冬季4个站点潮流的调和常数如表3所示。在空间上，各站点中半日分潮流占优，且东分量明显大于北分量；而全日分潮流的北分量和东分量差距较小。整体来看，东侧B02和C03站全日分潮流的北分量略大于东分量，而西侧D01和D02站全日分潮流的北分量略小于东分量。以半日分潮M2分潮为例，越靠近陆地，潮流振幅衰减越显著，如D01站。在垂直方向上，表层振幅最大，底层振幅最小。表层容易受外界冬季风等影响，导致调和分析后的结果中东分量显著大于北分量，如D02站。

表3 冬季4个站点潮流的调和常数

2.2 潮流性质

根据《港口工程技术规范》潮流类型公式可知，判别系数F=(WK1+WO1)/WM2，其中，W为分潮流的椭圆长轴。F>4，为正规全日潮流；2

表4 夏、冬季潮流椭圆要素

综上可知，防城港属于混合潮，夏季以全日潮流占优，冬季以半日潮流占优，这与周争桥等[6]得出的9月份防城港属于不正规全日潮流的结果基本一致。但周争桥等[6]认为O1分潮流小于K1分潮流，与本文结果不一致，这是由于用于计算差比关系的原始数据的长度和位置不同。陈波等[7]分析白龙尾附近近一年的海流数据，得出D01附近海域属于不正规半日潮流，与本研究结果也略有差异，这与短期资料的不确定性有关。周日潮流的观测时间较短，受天气、海况等多种环境因素影响，导致准调和分析的结果略有差异。

2.3 潮流椭圆要素

各站点主要分潮流的椭圆要素如表4所示。潮流的运动形式可以由潮流旋转率κ来表征，正号表示逆时针旋转，负号表示顺时针旋转。当|κ|>0.25，潮流表现为较强的旋转流；当|κ|<0.25，潮流表现为较强的往复流。根据夏季的潮流结果可知，B02站表、中、底层潮流均一致表现为往复流；C03站表层潮流为往复流，而中、底层表现为旋转流。在C03站，全日分潮与半日分潮呈相反的旋转性，全日分潮为顺时针，而半日分潮则表现为逆时针。D01站表、中层全日分潮表现为往复流，而半日分潮则表现为逆时针旋转流，同时底层表现为顺时针旋转流。E02站表、中层为往复流，底层全日潮流表现为旋转流，而半日潮流表现为往复流。由此可见，防城港外海海域往复流与旋转流同时存在，表层多为往复流，而底层多为旋转流。

由于O1分潮流的流速最大，因此以O1分潮流为代表绘制潮流椭圆(图2)。B02站的潮流椭圆长轴中层最大，其次是表层，底层最小，其余各站点的潮流椭圆长轴均由表层至底层逐渐减小。该海域潮流椭圆长轴方向为东北-西南向，其中E02站潮流椭圆长轴方向更偏南北，而D01站的潮流椭圆长轴与岸线平行，这是外海传入的潮波与近岸地形相互作用的结果。

冬季该海域往复流和旋转流同时存在，总体上以旋转流为主(表4)。C03站表、中层表现为往复流，其余站点整体上均表现为旋转流。冬季O1分潮流的潮流椭圆如图3所示，可知潮流椭圆长轴方向为东北-西南向，各站点由表层至底层潮流椭圆长轴逐渐减小。综上可知，冬季潮流的旋转性强于夏季，而潮流大小明显小于夏季。

Circles from top to bottom represent the surface layer,medium layer and bottom layer respectively

Circles from top to bottom represent the surface layer,medium layer and bottom layer respectively

根据最大可能流速的计算公式Wh=1.29×WM2+1.23×WS2+WO1+WK1可知，夏季该海域C03站的最大可能流速最大，表层流速达120 cm/s；其次是B02站，最大可能流速为67-99 cm/s；D01站的最大可能流速最小，流速为23-45 cm/s。冬季该海域D02站表层的最大可能流速最大，流速为69 cm/s；其次是C03站的表层，最大可能流速是57 cm/s；D01站的最大可能流速最小，流速为11-17 cm/s。整体上，冬季的最大可能流速明显小于夏季。

2.4 夏、冬季余流

夏、冬季4个站点余流观测结果如表5所示。从整体上看，夏季余流流速由表层至底层逐渐减小，但是靠近岸边的海域，如D01站中层余流流速明显小于底层。冬季该海域余流流速显著大于夏季，最大值为48 cm/s，位于D02站表层。整体上来看，冬季余流的变化趋势与夏季较为一致，均为由表层至底层余流流速逐渐减小。

表5 夏、冬季各站点余流

不同站点不同层次的余流方向差异较大。由图4可知，B02站余流在表、中层均为东南向，底层为西北向；C03站余流由表层至底层均为东北向；D01站余流在表层为西北向，底层为东北向；E02站余流由表层至底层均表现为统一的西南向。从垂向平均余流来看，E02站平均余流流速最大，为7 cm/s；D01站平均余流流速最小，为3 cm/s。在防城港湾东侧的站点，平均余流为东北向；而西侧的两站点，平均余流分别为西北向和西南向。夏季，北部湾北部海域的环流结构比较复杂，整体上呈现气旋式环流，同时局部又存在多个反气旋式涡旋结构，因此导致防城港外海的余流结构比较复杂。夏季，西南季风增强，外海水由西南向东北堆积，外海水在C03站进入防城港湾，导致湾内海平面升高[31]，在海面压力梯度和入海径流的作用下，湾内海水从西侧流出，从而在防城港湾西侧形成西南向流动。

图4 夏季余流分布

从图5可以看出，冬季余流方向由表层的东北向逐渐向右旋转，转至东北偏东向或东南向；平均余流为东北向；从外海到沿岸越靠近陆地余流越小。东北季风在冬季比较强劲，导致整个北部湾的水体由北向南堆积，北部湾南部水面高于北部，在北部沿岸海域形成向北的补偿流[16]。然而，有一个表现异常特殊的站点，即C03站，该站点的余流方向为西南向，与其他站点截然相反。当外海水均呈东北向流动时，外海水将流入湾内，如D01站，外海水从西侧进入海湾，导致防城港湾内涨水、水位升高。根据压力梯度的原理，湾内将形成向外的流动，沿东侧(C03站)流出海湾，从而保证海湾内海水平衡。

图5 冬季余流分布

3 结论

通过引入差比关系，对防城港外海海域4个站点的夏、冬季2个周日潮流的短期资料进行准调和分析，得到以下结论：(1)防城港外海海域属于混合潮海域，其潮流基本属于不正规全日潮流或者不正规半日潮流，部分海域属于正规全日潮流。夏季以全日潮流占优，冬季以半日潮流占优。(2)该海域的潮流中旋转流和往复流同时存在，但以旋转流为主。潮流椭圆长轴以东北-西南方向为主。(3)整体上，余流流速由表层至底层逐渐减小。夏季,防城港西侧D01和E02站余流方向为西北向或西南向；而东部B02和C03站余流方向为东北向。冬季,余流方向较为一致，除防城港湾口为西南向外，其余海域均为东北向。

由于周日海流数据长度较短，同时受天气、海况、观测时间、船只等因素影响，准调和分析的结果可能略有不同，但整体上呈现了防城港外海潮流的基本特征，有助于加深对该海域潮流特性的认知，并为后续的潮汐潮流及物质输运的数值模型研究提供验证资料，为防城港海域的海洋工程建设、海洋生态保护、海洋经济发展等提供研究基础。