浙江省南田岛附近潮流特征分析

2022-11-04贝京阳俞晓天

海洋湖沼通报 2022年5期

贝京阳，陈杲，俞晓天

(国家海洋局宁波海洋环境监测中心站，浙江宁波 315000)

引言

作为大陆与海洋的结合部，海湾地带常年受到海洋与陆地的相互作用，往往会形成自己独特的自然环境和区域特点[1-3]。然而近几十年来，由于人类活动的影响，不少海湾的水动力条件以及泥沙冲淤发生了不可逆的变化[4-7]。三门湾是浙江省第二大海湾，属于典型的半封闭海湾，湾内岛屿众多，文献梳理发现，不少学者已经对三门湾的岸线变化和水动力变化进行了研究，例如黄潘阳等[8]利用2003和2013年的高分辨率水深地形和岸线资料，采用Delft3D数值模型研究了10年间水动力环境变化对围涂工程的响应；宋泽坤等[9]利用夏季大中小潮的同步水文观测资料，系统分析了三门湾近海的潮动力时空变化特征；宋文杰等[10]利用多期遥感影像，提取了1985—2015年间7个时期的海岸线矢量数据，分析了三门湾海岸线的时空变化特征及其人类干扰的影响程度。南田岛位于三门湾口门处，其海域的海底地形变化比较复杂，各季不同，其潮流特征研究至今少有涉及。因此，本文利用2020年6月(夏季)大潮潮流观测资料，开展该海域潮流特征分析研究，为该海域的海洋工程开发和海洋环境保护提供参考。

1 研究区域与方法

1.1 测点布置

本次研究主要利用2020年夏季大潮的实测数据开展，采用的仪器为声学多普勒流速仪，采样频率为400 Hz，采样间隔1 h。水文测验点见图1，测量时间见表1。

表1 观测站位位置及观测时间

图1 定点水文测验测站位置示意图

1.2 研究方法

准调和分析方法[11]在短期潮汐潮流观测资料处理中应用较为广泛，也是目前最常用的方法。在实际潮流调和分析中，为了便于计算，一般将潮流分解为北分量和东分量，记为u和v，和潮汐类似，潮流也是许多分潮流之和，其模型表示为：

(1)

式中，Ui和ξi为北分量的调和常数；Vi和ηi为东分量的调和常数；U0和V0分别为两个方向的余流；Dui、Dvi和dui、dvi分别为准调和分析的振幅订正和迟角订正，是时间的函数；v0i和σi为各分潮的天文初相角和角速率。由公式(1)可知，每个分潮潮流都有北分量和东分量两组调和常数，对不同水层而言，各层均有独立的北分量和东分量。因此，在利用程序计算时，应该加以区分。

准调和分析的方法简单来讲就是：将实测潮流数据按照(1)式分解为北分量和东分量，一般采用线性化的方程分析求解，以北分量为例，u可以写成：

(2)

利用最小二乘原理对公式(2)进行求解，可得到各分潮调和常数。将调和常数和余流代入(1)式，可以得到北分量和东分量流速，继而得到潮流的流速和流向。

2 研究结果

2.1 流速流向的统计分析

观测期间各测站表中底层海流过程见图2，垂线平均流速统计结果见表2。由图2和表2可知：

表2 各垂线平均最大涨潮流速及其对应流向

图2 观测期间各站位不同水层流速图

(1)研究区域整体上实测平均最大涨、落潮流由东向西逐渐增强，这可能和地形有一定关系，东面水深相对西面较浅，同时西面观测点位于水道中，因此流速较大。夏季各垂线平均最大涨潮流流速，东侧海域(H5～H7)介于0.69～0.74 m/s，南侧海域(H3—H4)介于0.82～0.91 m/s，西侧海域(H1～H2)为0.89～0.97 m/s；实测垂线平均最大落潮流流速，东侧海域介于0.59～0.78 m/s，南侧海域为0.79～0.88 m/s，西侧海域为0.90～0.96 m/s。

(2)夏季测区垂线平均最大涨潮流介于0.69～0.97 m/s，最大涨潮流发生在H2垂线，最小涨潮流发生在H5垂线；垂线平均最大落潮流介于0.59～0.96 m/s，最大落潮流发生在H2和H3垂线，最小落潮流则发生在H6垂线。

(3)可以明显看出，对于H1和H2点，呈现出往复流的特征，流向为NW—SE方向，其余站位为旋转流特征。

(4)从不同水层而言，表层流速最大，中层次之，底层最小，各站位表中底流向基本一致，差别较小。

2.2 涨、落潮流历时比较

根据图2可知，南田岛周边海域H1和H2站位的表中底层均呈现处往复流性质，其余站位为旋转流。通过对不同站位的垂线平均涨落潮时间统计分析，结果显示：观测期间各站位涨、落潮流历时互差介于10 min～2 h 40 min，多数在1 h内。总体上涨潮流历时长于落潮流历时。

2.3 潮流类型

通过潮流调和分析可以给出测区潮流的类型、运动形式，寻求其理论上的基本规律。在获得M2、S2、O1、K1、M4和MS4等主要分潮流调和常数和余流的基础上，又可进一步计算其潮流的椭圆要素和可能最大流速的矢量，从而对实测流况分析所得的主要特征及基本规律给予理论上的解释与印证。

通常，测区潮流的类型以主要全日分潮流K1、O1的椭圆长半轴之和与主要半日分潮流M2椭圆长半轴之比、即(WK1+WO1)/WM2作为判据进行分类。为了考察测区浅海分潮流的大小与作用，往往又将四分之一日主要浅海分潮流M4与主要半日分潮流M2的椭圆长半轴之比作为判据进行分析。各垂线夏季垂线平均潮流类型的判据(WK1+WO1)/WM2和WM4/WM2的结果见表4。

表3 垂线平均涨、落潮流历时统计(小时：分钟)

表4 各站夏季垂线平均潮流类型计算结果

由表4可知：夏季各站(WK1+WO1)/WM2之比都在0.50以内，属正规半日潮流类型。

2.4 潮流的运动形式

潮流运动形式一般可分为旋转流和往复流两种。在半日潮流占主导地位的测区，潮流运动可用M2分潮流的椭圆率K值来表述，一般认为当|K|值大于0.25时，潮流表现出较强的旋转性，潮流运动可定义为旋转流，当|K|值小于0.25时，潮流方向主要集中在涨、落流的两个方向上,潮流运动可定义为往复流。其中，潮流的旋转方向则以K值的正负来表征，正值为逆时针的左旋，负值为顺时针的右旋。表5即为夏季各垂线平均的M2分潮流K值的统计。

表5 夏季各垂线平均的M2分潮流椭圆率(K值)一览表

由上表可知：在夏季研究海域内，南田岛东侧各垂线|K|值介于0.39～0.54，均大于0.25，具有明显的旋转流特征，南田岛南侧、西侧各垂线|K|值多小于0.25，具有往复流特征，这和图2各层的潮流矢量图表现一致。

各站位不同水层的潮流椭圆见图3。由图可以看出不同站位不同水层的潮流特征，对不同水层而言，表层流速最大，底层流速最小，从表至底，长轴和短轴的比值逐渐增大，往复流特性逐渐明显；对不同站位而言，H1长短与轴对比值大于其他各站，椭圆表现更为扁平，底层接近直线，表现出明显的往复流特性，H5表层潮流椭圆最为圆滑，体现出旋转流特性。各层潮流椭圆表现出的特征与图2和表5结果一致。