长江口海域潮汐和潮流的观测研究

曾定勇，宣基亮，黄大吉，周 锋，张 涛，倪晓波

(1.卫星海洋环境动力学国家重点实验室，浙江 杭州 310012； 2.自然资源部第二海洋研究所，浙江 杭州 310012; 3.自然资源部长三角海洋生态环境野外科学观测研究站，浙江 舟山 316021； 4.自然资源部第四海洋研究所，广西 北海 536000； 5.自然资源部第二海洋研究所，深海极地技术研究院，浙江 杭州 310012)

0 引言

影响长江口海域的潮波从西北太平洋经琉球群岛周边海域分两支进入东海，一支向西进入浙江沿海，一支向西北经东海进入黄海[1]。这使得该海域的潮汐主要受以M2分潮为主的东海前进波作用，也受到黄海旋转潮波的影响。由于黄海潮波具有驻波性质，因此由北往南振幅逐渐增大。

在大量水文调查和数模的基础上，长江口海域具有三维强潮特征已经获得了较为普遍的共识。但由于高密度的渔业活动和高泥沙沉积特征，难以获得长时间序列的水位和剖面海流的观测数据，因此在该海域使用实测数据的潮汐潮流研究尚不多见。早期研究表明该海域的潮汐以半日潮为主，潮流以旋转流为主[2-3]。复杂的地形，加上水深一般小于50 m，使得海底摩擦的影响极为显著，造成了长江口潮流具有显著的垂向结构差异[4]。

曹永芳[5]绘制了长江口及杭州湾全日、半日分潮同潮时线和等潮差线，揭示了长江口南北的高潮时差不大，全日潮从东北向西南推进，半日潮从东南往西北传递等特征。杨陇慧 等[6]应用三维河口海洋动力模式模拟了长江口及邻近海区4个主要分潮，模拟结果显示全日潮从北向南传播，半日分潮从东南方向传入长江口，潮汐潮流是该区域最重要的动力因子，流速在垂直方向存在明显的差异。乔方利 等[7]在黄、东海的数值模拟中加入潮流分量，将潮流混合作用直接包含在湍流闭合模式中，讨论波浪和潮流所造成的混合对温度垂直结构的影响，结果显示潮流混合在30 m左右的近底层起控制作用。赵骞 等[8]利用POM模式模拟了中国近海流场，模拟结果表明长江径流对长江口海域潮汐潮流的影响显著。展鹏 等[9]对2009年8—9月在长江口海域南侧的浙江近岸的两个站位上利用海床基ADCP获取的短期观测资料进行分析，结果显示该海域的旋转潮流为顺时针占优，M2分潮流流速分别为0.31 m/s和0.58 m/s，椭圆率绝对值随深度先增大后减小。

长江口海域的强潮特征以及显著的潮流垂向剪切产生的混合作用对海水层化强弱及深度的时空变化也有显著的影响。赵保仁[10]指出潮混合是东海温跃层的重要控制因子之一，底摩擦作用可把潮流动能转化为湍流动能，当湍流增强到一定程度时，便能完全克服因海面增温所产生的浮力，使海水上下层密度趋于一致，破坏温跃层。袁业立 等[11]将潮流和混合作用参数化，在所建立的浅海非线性热生环流模型的基础上求解动力学-热力学控制方程，结果表明，潮混合作用和风的搅拌作用是形成跃层的主要机制，潮混合的存在使得底层水体混合更充分。李明悝 等[12]用数值模拟揭示了潮混合对底混合层的作用，统计分析了不同水深和潮流振幅下潮流导致的底混合层厚度和垂直涡动粘性系数的分布。

上述研究表明数值模型中考虑三维潮流作用有助于获得合理的水体层化结构，而实测的潮汐潮流观测有助于更准确地描述长江口海域潮流特征的垂向结构和空间变化，可为精准研究跃层的结构和变化机制提供数据支撑，并为数值模拟的垂向混合参数化方案提供可靠依据。本文通过分析实测资料，用调和分析方法计算出潮汐和潮流的调和常数，继而详细地描述了本海域潮汐和潮流的空间差异和垂向三维结构特征。

1 数据与方法

本研究观测的海域位于29°45′—31°40′N，122°00′—124°20′E，其西接长江入海口，南濒舟山群岛，海底地形多变，海洋动力过程的三维结构和多尺度变化特征较为复杂。2006至2007年，自然资源部第二海洋研究所(原国家海洋局第二海洋研究所)在“908”专项支持下于长江口海域以海床基的形式布放了11套锚系(图1)。海床基上安装的多普勒剖面海流计从海底向上观测海流剖面，各站连续观测的时间普遍为1～2 个月，T1、T2站的观测时间为20多天。垂向的空间采样间隔为 0.5～2 m，时间采样间隔为10 min～1 h不等。使用的海流计分别是挪威AANDRAA公司的RDCP600K、美国RDI公司的 ADCP WHS300K、美国SonTek公司的ADP S5，部分仪器自带压力计记录了水位变化(表1)。

图1 长江口海域水深和锚系站位分布Fig.1 Bathymetry and locations of the mooring stations in adjacent area of the Changjiang Estuary

表1 站位数据信息表Tab.1 Station data information sheet

本文选取了各站连续观测时间较长的数据进行分析。潮汐和潮流的调和分析均采用PAWLOWICZ et al[13]提供的T_TIDE程序，该程序用调和分析方法来计算标量或矢量时间序列数据中包含的周期成分。该方法具有一些突出优点：可根据观测时间对交点因子进行订正；对受资料长度限制而无法分离的次要分潮，可通过它们和主要分潮的差比数，将其分离出来；可对计算所得的分潮作显著性检验；可计算出各分潮流的椭圆要素(如长轴、短轴、迟角、倾角和旋转方向等)。

潮汐类型的分析采用主要分潮振幅的比值，即F=(HO1+HK1)/HM2和G=HM4/HM2的大小来判断[14]。F≤0.5为正规半日潮，0.54.0为正规日潮。当G>0.04时，视为浅水分潮显著。

潮流的类型用全日、半日分潮流振幅的相对比率作为判别指标，即F=(WO1+WK1)/WM2[14]。当F≤0.5 为正规半日潮流，0.54.0为正规全日潮流。用G=(WM4+WMS4)/WM2的大小衡量浅水分潮流的影响，当G>0.04时认为浅水分潮流比较显著。

2 潮汐

2.1 潮汐的类型

用T_TIDE程序对水位资料作调和分析，得到了各分潮的调和常数，并获得了各站潮汐性质的F值和G值(图2)。在所有水位观测站，F<0.5，即该海域潮汐类型属于正规半日潮。T1、T7、T8、T9四站G≥0.04，即这些站的浅水分潮显著，其中T7、T8、T9三站水深仅10 m左右，T1站水深约为30 m，而T1站的G值比T8站还大，与T9站相当，说明浅水分潮的显著与否不仅与水深有关，还与地理位置和地形有关。

图2 长江口潮汐类型判据Fig.2 Tide type criterion in the Changjiang Estuary(蓝色数值为F值,红色数值为G值。)(Blue values are F, red values are G.)

2.2 分潮的振幅和位相

水位调和分析结果表明，各站振幅最大的半日分潮是M2分潮，振幅最大的全日分潮是K1分潮，各站M2、K1分潮振幅大小如图3所示。

图3 M2(蓝色)和K1(红色)分潮的振幅分布(单位：m)Fig.3 Tidal amplitude distribution of M2 (blue) and K1 (red) (unit: m)

M2分潮的振幅均大于1.10 m。在水深最浅的T7和T9站，M2分潮的振幅大于其它站，M2分潮振幅最大的T9站比最小的T4站大20%。M2分潮振幅的变化趋势是从东面开阔海域向西面杭州湾口浅水海域或群岛海域增加。K1分潮的振幅介于0.22～0.34 m之间，K1分潮振幅最大的T9站比最小的T1站大55%，K1分潮振幅的空间差异比M2分潮显著，其变化趋势是从东北开阔海域向西南群岛海域逐渐增加。

结合分潮振幅大小的分布可知，M2和K1分潮的振幅在长江口海域都随着潮波向岸的传播而增加。图4中M2分潮的位相迟角从东南往西北增加，K1分潮的位相迟角则从东北往西南增加。观测结果与陈倩 等[15]数值模拟的结果吻合，即浙江近海M2分潮在舟山群岛东部海域从东南往西北传播，绕过群岛北端后向西传；K1分潮在长江口从北往南传播，绕过舟山群岛后转向西南。

图4 M2(蓝色)和K1(红色)分潮的位相迟角分布(单位：°)。Fig.4 Tidal phase distribution of M2(blue) and K1 (red) (unit: °)

3 潮流

3.1 潮流类型

为分析潮流类型的空间差异，本文对海流资料作了垂向平均，然后用T_TIDE对平均后的流速作调和分析，得到各分潮流的调和常数，以此来分析潮流的整体特征。计算获得的各站潮流性质的F值和G值的分布见图5。本海域各站的F值均介于0.22～0.41 之间，因此潮流为正规半日潮流。各站的G值都远大于0.04，由此可知各站的潮流中浅水分潮流均较为显著，特别是在长江口水深小于10 m的T7站，G值达0.38，浅水分潮流特别强。

图5 潮流类型判据F值(蓝色)和浅水分潮判据G值(红色)的分布Fig.5 Distribution of tidal current type criterion F (blue) and shallow water tidal current type criterion G (red)

3.2 潮流椭圆

假设在观测的垂直水柱里的斜压海流分量的积分为零，那么垂向平均的海流可以代表正压的海流，对垂向平均的海流作调和分析可以得到正压潮流[15]。根据调和分析得到的分潮流的潮流椭圆要素，绘制了M2分潮流的潮流椭圆分布图(图6)。

如图6所示，长江口海域的M2分潮流以旋转潮流为主，大多数站位的M2潮流椭圆接近于圆。除长江口近岸的T7、T9两个站可能受大陆岸线反射的影响变为逆时针旋转外，口门以东的所有站均为顺时针旋转。长轴方向多为西北—东南向，但长轴大小空间分布不均匀，在舟山群岛附近海域离岛越近长轴越大，而开阔海域长轴随水深的增加而减小。鲍献文[16]通过数值模拟认为地形是影响东海潮波系统变异的重要因子。本文观测结果表明，群岛水域的岸形对M2分潮流也有重要的影响。譬如，在舟山的南北两个群岛链之间以东海域的T10站位，M2分潮流接近往复流特征(图6)。

图6 M2分潮流椭圆分布Fig.6 Ellipses distribution of M2 tidal current(椭圆上的红色箭头表示潮流旋转的方向,箭头尾部与站点的连线表示分潮流的位相迟角,椭圆长轴的长短表示分潮流最大流速的大小。)(The red arrow on the ellipse indicates the direction of tidal rotation, the line between the tail of the arrow and the station indicates the phase delay angle of the tidal current, and the length of the long axis of the ellipse indicates the magnitude of the maximum velocity of the tidal current.)

3.3 潮流的垂直结构

潮流的垂直结构主要指分潮流的最大流速、椭圆率、最大流速方向和转流时刻等的垂向变化。选择在该海域的不同方位，即北部、中部、南部和东北部的T1、T4、T11和T2四个站位为代表来研究长江口海域潮流的垂直结构特征(T1、T4、T11大致在同一个经度上)。图7～图10分别给出了4个代表站位M2分潮流的最大流速、椭圆率、最大流速方向和位相迟角(对应转流时刻)的垂向分布。

图7 M2分潮流椭圆率垂直分布Fig.7 The ellipticity vertical distribution of M2 tidal current

图7显示，M2分潮流的椭圆率在T1、T2站的垂向分布很相似，值介于-0.58～-0.53之间；在T4、T11站的M2分潮流的椭圆率则小得多，除近底层外都小于-0.70。在T1、T2、T4站离底20 m高度左右，椭圆率随深度的增加而增大(越靠近海底，椭圆率越大)；而20 m高度以上均有一变化趋势相反的水层，在该水层内椭圆率随深度增大而减小，T4站近底层具有该特征的水层厚度较T1、T2站大得多，在该水层以上直到海表又呈现出与底层同样的特征；而T11站的垂向变化则不显著，也没有分层的特征。

李身铎[4]认为受海底摩擦的影响，椭圆率随水深增加而增大。T11站近底层椭圆率变化不大，表明引起椭圆率变化的原因不仅仅是海底的摩擦作用。对在T1、T2、T4站存在垂向变化趋势相反的中间层的机制尚不清楚。

图8所示为4个站的M2分潮流最大流速的垂直分布。水深相当的T1、T2站的垂向分布很相似，值介于0.48～0.72 m/s之间，最大值出现在次表层，表层略小，从次表层往下随着靠近海底迅速减小。T4站M2分潮流最大流速值介于0.37～0.50 m/s之间，有类似于T1、T2站的垂向结构，但垂向的变化率要小得多；在T11站M2分潮流最大流速值介于0.31～0.35 m/s 之间，从海表到海底只有略微的减小。总的来说M2分潮流的最大流速值随站位水深的增加而减小，垂向的变化率也显著减小。上述垂向分布特征印证了FANG et al[17]对潮流垂直分布进行数值计算的结果:潮流主分量的振幅在整个水柱中几乎是对数分布的，水深较深时，则仅在近底层显示出这一性质，显然这还与水深有密切关系。

图8 M2分潮流最大流速的垂直分布Fig.8 The semi-major axes vertical distribution of M2 tidal current

如图9所示，长江口北面的3个站位，M2分潮流的最大流速方向的垂向结构非常相似，靠近海底时M2分潮流最大流速的方向角度变小，最大流速方向随深度的增加向左偏转，在靠近海底的十几米水层内则几乎不变。与之相比，位于长江口南面的T11站的潮流最大流速方向垂向变化则很小。方国洪[18]认为最大流速方向的垂向变化取决于分潮频率σ和柯氏参数f的相对大小：当σ>f时，垂向变化较小；σf的条件，但长江口北面3个站的M2分潮流的最大流速方向的垂向变化显著，并不符合上述规律，而位于南面的T11站最大流速方向的垂向变化很小。在该海域与M2分潮流最大流速方向的垂向分布相关的临界地理纬度应该介于T4站和T11站之间，即位于30°N左右。

图9 M2分潮流最大流速方向的垂直分布Fig.9 The semi-major axes direction vertical distribution of M2 tidal current

如图10所示，T1、T2、T4三站M2分潮流的位相迟角垂向分布趋势相似，迟角随着靠近海底而减小；底层比中上层约小15°，底层的最大流速到达时刻比表层提前约30 min。T11站的迟角垂向变化很小，底层的位相迟角只比表层略小几度，水深越大其垂向的变化率越小。方国洪[18]认为最大流速发生时间的垂向变化也取决于σ和f的相对大小，当σ>f时随着接近海底发生时间提前，即迟角随着接近海底减小，当σf的条件，各站M2分潮流的位相迟角垂向分布趋势也都符合上述推断。

图10 M2分潮流位相迟角的垂直分布Fig.10 The phase vertical distribution of M2 tidal current

4 小结

本文利用在长江口海域开展的较大规模的锚系观测，获得了丰富的长时间序列的水位和海流资料，从而可以对分潮进行合理可靠的区分。通过对水位和海流资料的调和分析，本文获得了长江口海域潮流的空间分布和垂向结构特征。研究表明本海域潮汐类型均属于正规的半日潮，在40 m以浅的海域浅水分潮显著，水深相当的情况下纬度越高浅水分潮越显著。M2分潮最显著，振幅大于1.10 m，从东面开阔海域向西面杭州湾口浅水海域或群岛海域增加。潮流类型均属于正规半日潮流，在水深小于 50 m 的海域浅水分潮流显著。M2分潮流最显著，以顺时针的旋转潮流为主，除长江口近岸南侧的两个站为逆时针旋转外，口门以东的所有站均为顺时针旋转。

潮流垂直分布具有明显的三维特征，且空间差异较大。M2分潮流的椭圆率大多为负值，在水浅的测站越靠近海底越大，潮流椭圆越扁；在水深较深的测站则表现出更为复杂的垂直结构。M2分潮流的最大流速随深度增加而减小，最大值出现在次表层，表层略小，从次表层往下随着靠近海底迅速减小；水深越浅，垂向的变化率越大。最大流速方向越接近海底越往左偏，在近底层垂向变化很小，与潮流最大流速方向的垂向变化相关的临界地理纬度在30°N附近，在30°N以北垂向变化显著，在30°N以南垂向变化很小。最大流速到达时间随着靠近海底不断超前，底层较表层超前约30 min。

位于长江口水下河谷中的T4站，M2分潮流的椭圆率垂向变化比其它站位要显著得多，且出现上下相反的变化特征。究竟是地形导致的，还是上下水团(长江冲淡水和台湾暖流水)差异导致的，需要通过数值模型做进一步的研究分析。