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  • ISSN 1007-6336
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辽东湾东部秋季海流特征的同步观测研究

曹慧慧 陈元 赵骞 王晶

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辽东湾东部秋季海流特征的同步观测研究

    作者简介: 曹慧慧(1990-), 女, 江苏盐城人, 硕士研究生, 从事近海水动力过程研究, E-mail:caohuihuidemail@163.com;
    通讯作者: 陈元, ychen@nmemc.org.cn
  • 中图分类号: P731.2

Study on the current characteristics in the eastern area of Liaodong bay in autumn based on synchronous observations

    Corresponding author: Yuan CHEN, ychen@nmemc.org.cn ;
  • CLC number: P731.2

  • 摘要: 基于辽东湾东部秋季7个站点的同步实测海流资料,通过调和分析方法计算了该海域的潮流和余流,并对其进行了分析和比较。结果表明:(1)M2分潮流是辽东湾东部的优势分潮流,其最大流速介于35.8~69.8 cm/s之间,M2和K1分潮流长轴方向基本与岸线走向一致。(2)研究海域北部潮流呈现显著的规则半日潮流性质,中部和南部主要呈现不规则半日潮流特征。研究海域北部和金普湾口南部属于强潮流区,金普湾口北部和中部潮流较弱,各站点最大可能潮流流向大致平行于岸线。(3)辽东湾东部海域余流整体较弱,且呈现沿海岸线向南运移的特征,因此对污染物的长期输运效应不可忽视。
  • 图 1  坐底式ADCP海流观测高度示意

    Figure 1.  Schematic of current observation height via seabed based ADCP

    图 2  M2分潮流长短轴(a)表层(b)中层(c)底层(红色顺时针,蓝色逆时针)

    Figure 2.  Distributions of major and minor axis of M2 tidal current (a) surface layer(b) middle layer(c) bottom layerred represents clockwise rotation, blue represents counter-clockwise rotation

    图 3  K1分潮流长短轴   (a)表层(b)中层(c)底层  (红色顺时针,蓝色逆时针)

    Figure 3.  Distributions of major and minor axis of K1 tidal current (a)surface layer (b)middle layer (c)bottom layer red represents clockwise rotation, blue represents counter-clockwise rotation

    图 4  最大可能潮流分布(a)表层(b)中层(c)底层

    Figure 4.  Distributions of Maximum probable tidal current (a)surface layer (b)middle layer (c)bottom layer

    图 5  辽东湾东部海域余流垂向剖面

    Figure 5.  Vertical profiles of residual current in the east of Liaodong bay

    图 6  余流分布

    Figure 6.  Distribution of residual current

    表 1  辽东湾海域各站点观测信息

    Table 1.  Observed information of all stations in the Liaodong bay

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出版历程
  • 收稿日期:  2018-05-23
  • 录用日期:  2018-12-28
  • 刊出日期:  2019-08-20

辽东湾东部秋季海流特征的同步观测研究

    作者简介:曹慧慧(1990-), 女, 江苏盐城人, 硕士研究生, 从事近海水动力过程研究, E-mail:caohuihuidemail@163.com
    通讯作者: 陈元, ychen@nmemc.org.cn
  • 1. 上海海洋大学 信息学院, 上海 201306
  • 2. 国家海洋环境监测中心, 辽宁 大连 116023
  • 3. 自然资源部第一海洋研究所, 山东 青岛 266061

摘要: 基于辽东湾东部秋季7个站点的同步实测海流资料,通过调和分析方法计算了该海域的潮流和余流,并对其进行了分析和比较。结果表明:(1)M2分潮流是辽东湾东部的优势分潮流,其最大流速介于35.8~69.8 cm/s之间,M2和K1分潮流长轴方向基本与岸线走向一致。(2)研究海域北部潮流呈现显著的规则半日潮流性质,中部和南部主要呈现不规则半日潮流特征。研究海域北部和金普湾口南部属于强潮流区,金普湾口北部和中部潮流较弱,各站点最大可能潮流流向大致平行于岸线。(3)辽东湾东部海域余流整体较弱,且呈现沿海岸线向南运移的特征,因此对污染物的长期输运效应不可忽视。

English Abstract

  • 辽东湾是渤海的三大海湾之一,为我国北方典型的半封闭海域,湾内海流受潮余流、季风及入海径流的影响,流动形态较为复杂。针对辽东湾海流的观测,早期主要基于船舶定点[1-2]、石油平台[3]和投放漂流浮标[4]观测的方式进行,并认为辽东湾环流除在1959年海洋普查期间表现为逆时针流动特征外,其它时间均表现为顺时针流动的特征[5]。在观测的基础上,学者们也利用数值模拟方法对辽东湾海流的时空特征和影响机制进行了研究,发现风场和地形的变化对海流时空特征具有重要影响[6-8]。近年来,研究人员基于海床基观测平台获得的数据研究了辽东湾局部海域的水动力特征[9-11]。上述研究使我们对辽东湾的潮流和余流特征有了一定的认识,但由于观测资料的时空不同步以及数值模拟技术缺乏标准化,使得我们对辽东湾海流精细化时空结构特征的认识还不够全面和深入。

    辽东湾东部海域为黄海水进入渤海的主要通道之一,对维系渤海和黄海以及渤海中部和辽东湾的水交换过程起着重要作用[12]。随着辽宁沿海经济带社会经济的快速发展和海洋开发活动的不断深入,辽东湾近岸海域承受的环境压力日益受到人们的关注。因此,亟需掌握该海域的海流特征,尤其是影响污染物长期输运的余流特征,从而为该海域的水交换状况评估和污染物总量控制提供技术支持。本文基于秋季辽东湾东部海域7个海床基站位的同步海流观测资料,对该海域潮流和余流特征进行深入分析,并评估其对污染物输运的影响。研究结果不仅有助于加深对半封闭海湾水动力及物质输运过程的认识,而且对近岸海域的污染防范与治理,以及生态环境灾害预测都具有重要意义。

    • 于2010年秋季在辽东湾东部海域开展基于海床基平台的同步观测,所用海流观测仪器为声学多普勒流速剖面仪(ADCP),观测时间不少于1个半月(表 1),观测的时间分辨率不小于10 min,因此资料具有较高的时空代表性。各站ADCP换能器的高度均为0.5 m,且最底层海流观测高度= ADCP换能器高度+ADCP观测盲区+ADCP观测层间隔的二分之一(图 1)。获得观测数据后,首先对原始数据进行质量控制,剔除不合理数值并对个别缺测值进行差值补缺。

      表 1  辽东湾海域各站点观测信息

      Table 1.  Observed information of all stations in the Liaodong bay

      图  1  坐底式ADCP海流观测高度示意

      Figure 1.  Schematic of current observation height via seabed based ADCP

      实测海流通常可分成三部分:

      式中:VTotal为实测海流;VTidal为潮流部分;V′为随机高频信号;VR为余流,是从实测海流中滤除周期性变化的潮流以及随机信号后的低频流。潮流可以表征海水的短期(主要潮周期内)输运能力。本文利用Pawlowicz等[13]提供的T-tide程序包将实测海流东分量和北分量进行调和分析,获得两个分量的潮流调和常数,然后根据潮流调和常数计算各分潮流的潮流椭圆要素,再进一步计算出潮流类型和最大可能潮流。余流部分首先采用2阶Butterworth低通滤波器从海流信号中滤除周期小于1.5 d的高频信号,从而获得低频流的时间序列,再将其在观测期间取平均得到季节性余流。

    • 辽东湾东部海域北部B1站M2分潮流最大流速范围为43.0~54.0 cm/s,中部B2~B4站最大流速范围分别为48.4~69.8 cm/s、43.0~55.0 cm/s和47.2~58.5cm/s,而金普湾口B5~B7站最大流速范围分别为35.8~45.9 cm/s、36.9~41.6 cm/s和36.3~44.6 cm/s(图 2)。由此可知,研究海域北部和中部M2分潮流最大流速值大于金普湾口,其值与刘恒魁研究中相近站点(01~05点)的分析结果差异不大[1]。靠近海底部分的最大流速基本呈指数变化,这是由于海底摩擦作用导致越靠近海底潮流流速越小。各站K1分潮流最大流速垂直变化趋势与M2分潮流相似。B1~B4站K1分潮流最大流速范围分别为8.5~9.8 cm/s、8.1~11.1 cm/s、11.5~16.3 cm/s和14.2~17.9 cm/s,而金普湾口B5~B7站K1分潮流的最大流速值由北向南呈逐渐减小趋势,其值分别为10.2~14.1 cm/s、11.2~13.0 cm/s和5.9~9.4 cm/s(图 3)。研究海域中部的B2、B3站和金普湾口北部B5站的最大值出现在中层,其余站点最大值出现在表层。从流向上来看,M2和K1分潮流长轴方向基本与岸线平行,且表、中、底三层变化幅度较小。庄园等利用锚定浮标上ADCP测得的近半年海流剖面资料,计算得到北黄海中部海域M2和K1分潮流最大流速的深度平均值分别为27.9 cm/s和9.2 cm/s[14]。通过对比可知,整体上辽东湾东部海域M2分潮流强于黄海中部,这主要是因为受辽东湾东部海域边界和较浅地形影响,潮能辐聚并局部加强所致。

      图  2  M2分潮流长短轴(a)表层(b)中层(c)底层(红色顺时针,蓝色逆时针)

      Figure 2.  Distributions of major and minor axis of M2 tidal current (a) surface layer(b) middle layer(c) bottom layerred represents clockwise rotation, blue represents counter-clockwise rotation

      图  3  K1分潮流长短轴   (a)表层(b)中层(c)底层  (红色顺时针,蓝色逆时针)

      Figure 3.  Distributions of major and minor axis of K1 tidal current (a)surface layer (b)middle layer (c)bottom layer red represents clockwise rotation, blue represents counter-clockwise rotation

      潮流的运动形式用旋转率k来反映,当k>0时,潮流呈逆时针方向旋转,反之则呈顺时针方向旋转。各站M2分潮流旋转率介于-0.09~0.2之间。表层,研究海域北部B1站、中部B2站和金普湾口B7站呈顺时针方向旋转,其余站点呈逆时针方向旋转;中层各站旋转方向与表层一致;底层除B1站变为逆时针方向外,其余站点旋转方向不变(图 2)。各站K1分潮流旋转率介于-0.001~0.09之间。表层B7站、中层B5站和底层B4、B5站呈逆时针方向旋转,其余均呈顺时针方向旋转(图 3)。Qiao等[15]基于8天海流计连续观测数据的分析结果表明,辽东湾顶A1站表层和底层的M2分潮流均呈逆时针方向旋转,K1分潮流表层为顺时针方向旋转,而底层相反。这与本文B1站M2分潮流表层以及K1分潮流底层旋转率的观测结果有所不同,其原因是观测站点位置、观测方式和数据长度均有差异。方国洪[16]研究表明,若上层潮流是顺时针方向旋转,下层的潮流椭圆将变扁,甚至可能变成逆时针旋转;若上层潮流是逆时针方向旋转的,随着深度增加旋转率将变大,即椭圆将越来越圆。由上述分析可知,文中各站点旋转率随水深的变化趋势符合该结论。

      潮流的最大流速、流向和运动形式对近岸海域污染物的短期输运具有重要意义。污染物入海后被潮流携带大体沿最大流速方向做往复运动,通过与相邻水体进行水交换使局部海域污染有所降低。但如果相邻水体也已被污染,则需要通过余流的长期运动与海域中部或外海的清洁水体进行水交换,才能使局部污染物浓度降低。

    • 潮流类型可用全日分潮流和半日分潮流振幅的相对比率来判别,当F≤0.5时为规则半日潮流,0.5 < F≤2.0时为不规则半日潮流,2.0 < F≤4.0时为不规则全日潮流,F>4.0时为规则全日潮流。观测结果表明,研究海域北部B1站和中部B2站各层F值介于0.27~0.48之间,潮流类型属于规则半日潮流;中部B3和B4站各层F值介于0.52~0.60之间,潮流类型转变为不规则半日潮流。上述计算结果与Qiao等[15]在相近站位处的研究结果一致。金普湾湾口北部B5站表层和中部B6站各层F值在0.64~0.69之间,潮流类型属于不规则半日潮流,其余各层潮流类型属于规则半日潮流。金普湾湾口南部B7站各层F值均小于0.5,潮流类型属于规则半日潮流。金普湾口计算结果与胡展铭等在金普湾口2号站和3号站的观测结果基本一致[11]。综上所述,研究海域北部规则半日潮流性质明显,而中部和南部不规则半日潮流性质明显。

      浅水分潮在总潮流中的影响可用G=的大小来判别,当G>0.04时认为浅水分潮比较显著。B2站表层和中层,以及B3站各层G值均小于0.04,浅水分潮不显著。辽东湾东部海域北部和中部其余各站各层G值在0.05~0.1之间,浅水分潮显著。金普湾口B5站和B6站的G值在0.04~0.06之间,浅水分潮较为显著;B7站各层G值均小于0.04,浅水分潮不显著。整体而言,研究海域北部和金普湾口北部浅水分潮显著,而中部和金普湾口南部浅水分潮不显著。

    • 最大可能潮流由以下公式给出:

      针对规则半日潮流海区,采用式(1)计算;对规则全日潮流海区,采用式(2)计算;对不规则半日潮流海区和不规则全日潮流海区,则取式(1)和(2)中的较大值[17]

      研究海域北部B1站表层和底层的最大可能潮流流速分别为111.6 cm/s和91.8 cm/s。中部B2站最大可能潮流流速在65.6~96.8 cm/s之间。B3站中层最大可能潮流流速最大,为124.2 cm/s;底层最小,为97.3 cm/s。南部B4站最大可能潮流流速值为78.4~89.9 cm/s。各站最大可能潮流流向变化幅度不大,表、中、底三层基本保持一致(图 4)。由计算结果可知,辽东湾东部海域大部分站点最大可能流速均大于90 cm/s,属于强潮流区;流向呈现与岸线近乎平行的特征,与赵骞等[9-10]研究结果一致。

      图  4  最大可能潮流分布(a)表层(b)中层(c)底层

      Figure 4.  Distributions of Maximum probable tidal current (a)surface layer (b)middle layer (c)bottom layer

      金普湾口最大可能潮流流速最大值出现在湾口南部B7站的中层,可达91.3 cm/s;湾口中部B6站表层最大可能潮流流速达到最小值,为47.9 cm/s。北部B5站表层最大可能潮流流速较大,为68.0 cm/s。由计算结果可知金普湾口南部潮流较强,这与M2和K1分潮的最大流速特征一致。

    • 研究海域北部和中部B1~B4站的余流流速范围分别为3.0~5.0 cm/s、4.7~8.1 cm/s、2.0~3.0 cm/s和3.0~7.2 cm/s。金普湾口北部和中部B5和B6站的余流流速相近,其值为5.2~7.8 cm/s;南部B7站余流值略大,为7.5~11.7 cm/s(图 5)。B1站余流表层和中层均为西南向,而底层为东南向;B2~B3站各层余流均为西南向,且流向变化不大;B4站表层流向为东北向,而底层则转为西北向。金普湾口北部B5站各层余流流向均为东南向;中部B6和南部B7站各层余流流向均为西南向,且B7站各层流速较B6站更向右偏。表明秋季海水由湾口北部流入湾内,再经湾口南部流出湾外,在金普湾内形成一个顺时针流动形态(图 6)。胡展铭等[11]指出,春季湾内北侧水体存在较明显的顺时针旋转特征,而湾内南侧表现出较弱的逆时针旋转特征,与本文研究结果略有差异,主要是春季和秋季海水受到的动力驱动不一致所致。

      图  5  辽东湾东部海域余流垂向剖面

      Figure 5.  Vertical profiles of residual current in the east of Liaodong bay

      图  6  余流分布

      Figure 6.  Distribution of residual current

      秋季,受海面偏北风的影响,辽东湾东部海域余流具有沿海岸线向南运移的特征,其流速较小,大多均在10 cm/s以下,但对污染物的长期输运效应却不可忽视。按特征余流流速5 cm/s计,1个月内余流可将污染物向南输运约130 km,一个季节内可将辽东湾北部河口区的污染物质(特别是微塑料等不溶于水且性质稳定的颗粒物)输运至渤海海峡和渤海中部,从而使湾内水体得到更新,这将在一定程度上有利于缓解海湾内部污染。

    • (1) M2分潮流是辽东湾东部海域的优势分潮流,研究海域北部和中部M2和K1分潮流最大流速值大于金普湾口,整体上M2和K1分潮流长轴方向与岸线走向一致。

      (2) 辽东湾东部海域的潮流类型在北部表现为规则半日潮流,中部和南部以不规则半日潮流为主。最大可能潮流流速范围介于47.9~124.2 cm/s之间,流向大致平行于岸线。

      (3) 秋季,辽东湾东部海域余流具有沿海岸线向南运移的特征,流速较小,大多在10 cm/s以下。对污染物的长期输运效应不可忽视。

参考文献 (17)

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