台州湾附近海域潮汐、潮流特性

陆 青,左军成,郭伟其,马 越,曹 兵

(1.河海大学海岸灾害及防护教育部重点实验室,江苏南京 210098;2.河海大学物理海洋研究所,江苏南京 210098;3.上海东海海洋工程勘察设计研究院,上海 200137)

浙江沿海岸线曲折,港湾众多,近岸岛屿星罗棋布.沿海各港湾及河口的潮差都较大,全年潮差平均值大多在3m以上,杭州湾澉浦的潮差最大达8.93m,加上港湾的蓄潮面积也较大,因此,浙江近海潮汐能资源的蕴藏量十分丰富.

浙江近海各海区受地形和径流影响,潮汐、潮流特性复杂.乐清湾为半日潮海区,湾内以10m等深线为界,其东侧涨落潮流向基本在南北方向,其西侧流向较散,有横向余流,故东侧落潮流历时长于涨潮流历时,西侧涨潮流历时长于落潮流历时,从而造成乐清湾横向断面上转流时间不同.一般涨转落东侧较西侧早0.5～1.0h,实测最大流速基本上是落潮流大于涨潮流,而平均流速涨潮流略大于落潮流[1].曹颖等[2]利用调和分析潮汐特征值和统计2种方法,研究认为:杭州湾潮波溯源推进过程中,潮差急剧增大,南北差异显著,主要是M2分潮振幅不同造成的,潮波非线性畸变较小,潮波溯源逐渐接近驻波.伍远康等[3]认为,近年来,钱塘江七堡站的年最低潮位降低,年最高潮位升高,潮差增大,涨潮历时缩短.曹欣中等[4]认为,象山港潮汐属于受浅水分潮影响明显的半日潮,并且越向顶部越明显,潮流也有同样性质,从而出现涨潮历时大于落潮历时、落潮流大于涨潮流,以及顶部憩流时间偏长的特点,一般主港潮流大于支港潮流,余流表层大于底层,其流向具有表出底进的特点.陈德春等[5]认为,椒江河口是山区性强潮河口,洪水暴涨暴落,洪枯流量变幅很大.

由于台州湾潮汐特性的研究相对较少,本文利用临时验潮站横门站2008年10月—2009年9月连续1a的实测潮位观测资料及4个垂线测站的潮流同步观测资料(2008年11月),结合下大陈站长期验潮资料,分析台州湾附近海域的潮汐、潮流特征,以及海平面空间变化的原因.

1 数据来源

本文所用实测数据由海洋公益性行业科研专项观测,各测站的地理位置如图1所示.其中下大陈站为长期验潮站,横门站为临时验潮站,观测时段为2008年10月—2009年9月.T-1,T-2,T-3,T-4为潮流测站,垂向观测层次为5层,即表层(水面下0.5m),0.2H,0.6H,0.8H,底层(底部上0.5m),其中H为测站实测水深.潮流观测时间如下:(a)小潮,2008年11月5日16时—6日18时,连续同步观测27h.(b)中潮,2008年11月16日22时—17日0时,连续同步观测27h,T-2,T-3,T-4站因大风仅连续观测19h,被迫提前结束.原计划中潮于11月9日—10日观测,因大风无法进行,故在大潮后进行了上述补测.(c)大潮,2008年11月14日11时—15日14时,连续同步观测28h.

横门站水尺零点高程为1985国家高程基准之下490 cm,下大陈站水尺零点与理论最低潮面、平均海平面的关系见图2.

图1 各测站站位分布Fig.1 Observation station distribution

图2 下大陈验潮站水尺零点与平均海平面的高程关系(单位:m)Fig.2 Elevation relationship between gauge zero and mean sea levels at Xiadachen Station(units:m)

2 结果与讨论

2.1 平均海平面

平均海平面是潮汐现象中一个重要的参考面.2008年10月—2009年9月横门站潮位特征值见表1.横门站平均海平面变化趋势与下大陈站一致(图3).

表1 横门站潮位特征值Table1 Characteristic tidal levels at Hengmen Station

图3 2008年10月—2009年9月各月平均海平面变化(1985国家高程基准)Fig.3 Variation of monthly mean sea level from October 2008 to September 2009(1985 National Height Datum)

2008年10月—2009年6月横门站和下大陈站的月均海平面吻合较好,横门站海平面略低;但2009年7月—2009年9月,横门站月均海平面明显高于下大陈站的同步月均海平面.其主要原因是由于受梅雨和台风降雨的影响,椒江流域径流量的年内分配极不均匀,主要集中于汛期(4—9月),占全年总量的75%;枯季(10月至翌年3月)径流量占全年的25%[5-6].横门站相对下大陈站离椒江口更近,使得汛期横门站比下大陈站海平面平均高出7cm.

2.2 潮汐特征

2.2.1 潮汐类型

对横门站2008年10月—2009年9月的实测潮位进行调和分析[7],其主要分潮调和常数见表2.

横门站及下大陈站分潮平均振幅及其比值见表3.由表3可见,横门站及下大陈站潮汐类型属于正规半日潮类型,这与陈倩等[8-9]的结论一致.

2.2.2 潮差

潮差的大小直接反映了潮汐的强弱程度.浙江近海是我国的强潮海区之一.横门站年平均潮差和各月平均潮差见表4.

月平均潮差具有显著的季节变化特征(图4).横门站、下大陈站的月平均潮差在1年中呈两高、两低的变化,两高出现在10月和3月,两低出现在11月和5月.3月和10月期间太阳在赤道附近,月球也在赤道附近,这时的大潮正好是分点潮,故半日潮海区潮差在1年中最大.

表2 横门站主要分潮调和常数Table 2 Harmonic constants of major tidal constituents at Hengmen Station

表3 分潮平均振幅及其比值Table3 Mean amplitude of tidal constituents and ratios of them

表4 横门站潮汐特征值Table4 Characteristic tidal ranges at Hengmen Station

图4 月平均潮差变化Fig.4 Variation of monthly mean tidal range

与下大陈站潮流同步观测资料进行对比,横门站有如下特征:

a.横门站同步年平均潮差大于下大陈站4cm,说明地形效应对相距很近的2个站点的潮差仍有很大影响,越往岸边,潮能辐聚越大;

b.月平均潮差的变化趋势有着良好一致性;

c.年最大潮差横门站为557cm,出现在12月13日,下大陈站为554 cm,出现在1月12日,2站的最大潮差出现时间的不一致可能与当地的地形、气候及径流等因素有关.年最小潮差横门站为91 cm,下大陈站为84cm,皆出现在3月20日(阴历二月二十四日,春分),此时为下弦小潮,2站最小潮差出现的时间有着较好的同步性.

2.2.3 涨、落潮历时

近海潮汐的涨、落潮历时不等现象受浅水分潮M4的影响.下大陈站、横门站附近海域的涨、落潮历时相当,涨潮历时略长于落潮历时,符合台州湾东南部涨、落潮历时规律[8].横门站平均涨、落潮历时见表5.下大陈站同步平均涨潮历时6h16min,平均落潮历时6h 09min,历时差为7min.

2.2.4 最高、最低潮位

观测时段内横门站极端高潮316cm,出现在2009年9月19日;第2极端高潮位312cm,出现在2009年8月21日;第3极端高潮位302cm,出现在2009年7月24日.下大陈站同步期极端高潮位311cm(1985国家高程基准,下同),出现在2009年9月19日;第2极端高潮位304cm,出现在2009年8月23日;第3极端高潮位303cm,出现在2008年10月17日.

横门站极端低潮位-278 cm,出现在2009年2月11日;第2极端低潮位-273cm,出现在2009年1月12日;第3极端低潮位-267cm,出现在2008年12月15日.下大陈站同步极端低潮位-276 cm,出现在2009年2月11日;第2极端低潮位-267cm,出现在2009年1月12日;第3极端低潮位-264cm,出现在2009年7月13日.

与下大陈站潮流同步观测资料进行对比,横门站有如下特征:

a.横门站没有发生异常的特高、特低潮位.在下大陈站1980—2006年实测资料序列中,只有3a的年最高潮位小于横门站同步极端高潮位.下大陈站第1极端高潮位364cm,出现在2001年10月;第2极端高潮位361cm,出现在1997年9月.下大陈站同步最高潮位低于该站历史极高潮位53cm.

b.观测时段,横门站与下大陈站第1极端、第2极端的高低潮位发生的时间一致.

2.3 潮流特征

2.3.1 潮流类型

表5 横门站涨、落潮历时Table5 Duration of flood and ebb tides at Hengmen Station

潮流类型主要是根据全日、半日分潮流的比值来划分.根据《港口工程技术规范》[10]的规定,采用 F=(WO1+WK1)/WM2的值作为判别指标,其中 WO1,WK1和WM2分别为O1,K1,M2分潮流的椭圆长轴.由于浅海浅水分潮作用较大,因此,在确定分潮流性质时还须考虑浅水分潮流的影响.通常采用G=(W M4+W MS4)/W M2的大小作为衡量标准,其中WM4,WMS4分别为M4,MS4浅水分潮流的椭圆长轴.各站点F＜0.5且G＞0.04.T-1,T-2,T-3,T-4站计算出的潮流F,G特征值见表6.由表6可见,台州湾附近海域属于非正规半日浅海潮流区,这与陈倩等[11-12]的结论一致.

2.3.2 潮流的运动形式

潮流的运动形式可由潮流的椭圆旋转率(K)来描述,K值为潮流椭圆的短轴与长轴之比.当＞0.25时,潮流表现出较强的旋转性;而当＜0.25时,潮流主要集中在涨、落2个方向,表现为往复流.K值的正、负表示潮流的旋转方向,正号表示潮流为左旋,负号表示潮流为右旋.鉴于台州湾附近海域半日潮流具有支配地位,因此,用M2分潮流的K值来表征潮流的旋转特征.

表6 潮流性质F,G特征值Table6 Values of tidal current characteristics F and G

2.3.3 潮流与潮位的位相关系

浙江外海的潮波属前进波[14].近岸水域,特别是港湾、河口区,潮波由于碰到岸壁、河床等发生反射,逐渐丧失了前进波的性质而具有前进驻波或者驻波的性质,这一特点在三门湾以南的近岸水域尤其明显[8].台州湾附近海域潮波属于驻波性质,涨、落潮最大流速发生在中潮位附近;涨憩、落憩和转流发生在高、低潮位附近,这与蒋国俊等[13]的分析结果一致.

2.3.4 余流

余流是指从实测海流中剔除周期性流以后的水体流动.浙江近海余流主要受制于河川径流,特别是长江径流入海后的运动路径、风的季节变化和外海流系的消长[14].台州湾最大余流发生在T-3站,流速为44 cm/s;余流的量值总体为大潮最大、小潮最小;余流的方向为S—SW 向,与该季节闽浙沿岸流方向一致.

表7 M 2分潮流椭圆率 K值Table 7 Values of elliptic rotation rate K of tidal constituent M 2

3 结 论

a.横门站月平均海平面与下大陈站同步月平均海平面变化基本一致,但2009年7—9月横门站月均海平面明显高于下大陈站同步月均海平面,椒江径流可能是导致此时2站平均海平面明显差异的原因.

b.横门站与下大陈站的分潮调和常数基本一致,潮汐类型均属于正规半日潮.横门站同步年平均潮差大于下大陈站4cm;2站月均潮差变化有着良好的一致性,呈现两高、两低的变化,两高出现在10月和3月,两低出现在11月和5月.2站同步平均涨、落潮历时相当,涨潮历时略长于落潮历时.对比下大陈站观测资料,横门站在观测时段内没有发生异常的特高、特低潮位.2站第1极端、第2极端的高低潮位发生的时间一致.

c.台州湾附近海域属于非正规半日浅海潮流区.除T-1站受地形约束,潮流运动形式为往复流外,其他3站的潮流均为旋转流形态,且变为顺时针旋转.台州湾附近海域潮波属于驻波性质,涨落潮最大流速发生在中潮位附近;涨憩、落憩和转流发生在高、低潮位附近.

d.台州湾11月的余流方向为S—SW向,与该季节闽浙沿岸流方向一致.

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