烟墩角海域二测站周日水温及潮流变化特征

郝佳佳,林鹏飞,温小虎,王 德

(1.中国科学院 海洋研究所 海洋环流与波动重点实验室,山东 青岛 266071;2.中国科学院 大气科学和地球流体力学数值模拟国家重点实验室,北京 100029;3.中国科学院 烟台海岸带研究所,山东 烟台 264003)

烟墩角位于山东半岛东部荣成市内,属小港湾,总面积约 0.25 km2,呈“布袋”形式,北与养鱼池毗邻,南与俚岛湾毗邻,东南开口朝向黄海,湾口介于大黑石与崮山头之间,宽1 800 m。烟墩角是我国北方重要的渔业养殖基地,渔港位于临洛湾北部,港内水深4～7 m,2 m等深线距岸300 m,底质大部为泥沙及沙,间有石底,可供锚泊水域0.52 km2,能同时提供200余条渔船锚泊[1]。港湾东岸是一海拔约200 m的山丘,可以屏蔽冬季我国北部外海的西北季风,水面安静,是大天鹅最理想的生存环境之一[2]。因此,该海域的海岸带生态发展问题受到多方面的关注[3-4]。

2010年7月,中国科学院烟台海岸带研究所在烟墩角进行海洋综合调查时,在海湾内部A 站(37°17′32.3″N,122°33′57.2″E)和外部 B 站(37°17′9.8″N,122°35′7.5″E)分别进行了 25 h 的定点连续水温、流速、流向观测,所使用仪器为ALEC ELECTRONICS公司的INFINITY-EM海流计。本文利用二测站的周日水温和海流观测资料,对该海区的潮流进行调和分析,以便进一步得出该海区水温垂向变化以及潮流的一些特征。

1 观测资料及处理方法

分别在 A测站表层和底层进行连续观测,观测时间自2010年7月3日13:30至7月4日14:30,持续两个潮周期;分别在 B测站表层和底层进行连续观测,自2010年7月3日13:00至7月4日14:00,也进行了两个潮周期的观测。观测程序严格按照《海洋调查规范》[5],测站信息见表1。

表1 海流观测信息一览表Tab.1 List of current observation information

由于原始记录带有扰动信息,需对原始海流观测资料进行质量控制,滤去不合理的值。参考王凯和叶冬[6]的具体做法:分别计算东分量和北分量在1 min观测时段内的均值和标准差,剔除偏离3倍标准差的数据,再对这些1 h内的观测数据进行平均构成常规 1次/h的海流观测结果。每个站点在每层进行的25 h观测可得25个数据,所得1次/h的观测数据见图1,其中U为流速北分量,V为流速南分量。水温资料的处理同海流资料(图1)。由于是周日观测,资料时间序列比较短,通过引入差比关系,可对上述海流观测资料进行潮流的准调和分析[6-8],获得每一测点每层的O1,K1,M2,S2,M4,MS4等6个主要分潮流的调和常数和观测期间的余流值。获得的潮流调和常数列于表2中,相应的潮流椭圆要素列于表3中。

2 二测站的水温及流况特征

2.1 水温及海流过程曲线

从图1水温变化过程来看,该海域内海水具有明显的层化特征,其中湾外 B站点在一天内,海温呈现两个波动,底层水温在14:00和2:00时最低,此时海水层化最强,在18:00和5:00时最高,此时海水层化最弱。可以看到它们分别近似对应于南向流速最大和北向流速最大的时刻。南向流将北部海域具有较低温度的海水带到这一海域,引起海温的降低,层化变强,而北向流时情况刚好相反。湾外 B站点水温变化过程的另一个显著特征是,底层水温变化大于表层水温变化,这可能主要是由该处水温的水平梯度变化引起的。夏季,表层海温在外海(相对而言)和近海相差不大,但在底层,由于近岸混合强烈,而外海层化较强,引起底层海水的水平变化一般会强于表层。因此,在较强的底层平流作用下,底层水温变化要大于表层。

图1 A站和B站每小时平均观测海流与海温数据Fig.1 Averaged current and temperature per hour at stations A and B

由图1流速变化曲线可以看出,湾内与湾外明显呈现不同的变化过程。湾外 B站点在一天的变化过程中,流速、流向呈现两个波动结构,在20:00和9:00处于北(东)向最大值,14:00和 4:00处于南(西)向最大值,即说明这一海域是以半日潮流为主。而湾内 A站点表层海流无明显周日波动,底层流呈现两个波动,在13:30和3:30处于北(东)向最大值,21:30和 9:30处于南(西)向最大值,与湾外海流波动过程正好相反。这可能主要是由于湾内岸线复杂,水深较浅,容易受到各种障碍物的影响,与湾外呈现不同的变化过程。总体上说,该海域内(特别是 B站点)北分量基本上大于东分量,其中北分量的变化幅度明显大于东分量的变化幅度。湾外 B站点表、底潮流有明显差异,底层流明显大于表层流,且方向有一定差异。

2.2 潮流调和常数

由表2,比较二测站的潮流调和常数,除湾内A点表层外,总起来说是以半日潮流为主,该海域北、东分量的半日潮流振幅均大于全日潮流的北、东分量,说明这一海域半日潮流占据主要地位,呈现半日潮流的性质。对半日分潮流(M2,S2)各测站各层的结果均体现北分量大于东分量。对于全日潮流(K1,O1)湾内A站点呈现北分量大于东分量,而湾外呈现东分量大于北分量的结果。浅水分潮M4和MS4湾内A测站深层上东分量大于北分量,其他站点层次上处于北分量大于东分量的状态。所以虽然有些测站某些水层上东分量大于北分量,但由于此海域半日潮流占主导地位,因而无法改变北分量海流大于东分量海流的结果。

对比各层余流的结果,一般表层的余流较大。湾外 B站的余流是 2个测站中最大的一个,其表层余流达4.3cm/s,底层只有1.5cm/s。表层余流的北分量大于东分量,而底层的北分量余流小于东分量。湾内A站表层余流0.6cm/s,底层为0.5cm/s。表层余流的北分量大于东分量,而底层的北分量余流小于东分量。总体上看。该海域内余流较小,表层余流表现为南偏西或偏东,而底层余流表现为北偏西。

表2 A,B连续站潮流调和常数Tab.2 Harmonic constants of tidal current at Stations A and B

2.3 潮流椭圆要素

为进一步分析潮流的一些特征,分别计算出二测站在表、底层上O1,K1,M2,S2,M4,MS46个主要分潮的潮流椭圆要素,列于表3中,潮流椭圆示意图见图2。下面对计算所得各层的潮流椭圆要素结果进行进一步的比较和分析。

对于湾内 A站点,计算潮流性质可以得到表、底两层F值分别为2.8和0.6,说明该海域表层属于全日潮流,底层属于不正规半日潮流区。表层以 K1,O1潮流为主,底层以 M2潮流占优,最大流速均为1.6cm/s,最大流速方向以南向(S)为主,湾内底层流速达到最大值的时刻要比表层早1.6 h左右。通过计算得出该海域表、底层最大可能流速分别为5.2cm/s和4.1cm/s。计算所得表层全日潮和半日潮椭圆率较小,为典型的往复流。底层半日潮椭圆率较小,全日潮为正值,说明底层潮流以往复流为主,以旋转流为副。计算得G值在表、底层分别为0.7和0.3,说明底层浅水分潮在总海流所占份额要比表层相应浅水分潮占有的份额为小,意味着浅水分潮在底层衰减的要比半日分潮来得大。同时A站点G值明显大于B站点,说明A站浅水分潮的份额比B测站在总海流中占有稍大一些的份额。

表3 A,B连续站潮流椭圆要素Tab.3 Tidal current ellipse elements at stations A and B

图2 潮流椭圆示意图Fig.2 Tidal current ellipses

3 结论

本文利用便携式INFINITY-EM海流计在烟墩角海域二测站的周日水温和海流观测资料,对该海区的潮流进行调和分析,得出了该海区水温垂向变化以及潮流的一些特征,将有助于加深对该海域的流场特征的认识,并为潮流数值模拟提供了校验的实测数据,进一步与同期获得的营养盐和生物量数据的比对,将有助于研究海流、海温变化与该地区生态特征分布之间的关系。

该海域内海水具有明显的层化特征,在一天内,海温呈现两个波动,主要受N-S向半日潮流的影响。底层水温变化大于表层水温变化,这可能主要是由于该处水温的水平梯度变化以及底层流大于表层流引起的。由流速变化曲线可以看出,湾内与湾外明显呈现不同的变化过程。湾外 B站点在一天的变化过程中,流速、流向呈现两个波动结构。总体上说,该海域内观测海流的北分量大于东分量,其中北分量的变化幅度明显大于东分量的变化幅度。湾外 B站点表、底潮流有明显差异,底层流明显大于表层流,且方向有一定差异。

由二测站的潮流调和分析可以发现,该海域北、东分量的半日潮流振幅均大于全日潮流的北、东分量,说明该海域以半日潮流为主,同时半日分潮流各测站各层的结果均体现北分量大于东分量。对比各层余流的结果,一般表层的余流较大。湾外B站的余流最大,其表层余流达4.3cm/s,底层为1.5cm/s。湾内A站表层余流0.6cm/s,底层为0.5cm/s。总体上看,该海域内余流较小,表层余流表现为南偏西或偏东,而底层余流表现为北偏西。

通过比较分析各测站各分层的潮流椭圆要素结果,表明该海域除湾内 A站点表层外,均属于半日潮流性质,湾外最大可能流速为34.4cm/s和41cm/s,明显大于湾内最大可能流速。湾内A站点以往复流为主,流向为北偏东为主,而湾外 B站点以往复流为主,旋转流为辅,流向以南向为主。通过计算浅水分潮指标,反映出浅水分潮在底层衰减的要比半日分潮大,浅水分潮在表层的总海流中所占份额高于底层的浅水分潮。

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