朱家尖岛邻近海域潮流时空变化及其影响因素

何海丰，杨世伦，张朝阳，张文祥

（华东师范大学河口海岸学国家重点实验室，上海 200062）

朱家尖岛位于杭州湾口东南的舟山群岛中部，是舟山岛东部的天然屏障。岛屿附近海域受长江南向沿岸流影响显著，东部是开阔海域。东岸受到波浪的强烈作用，岸线以基岩、砾石、砂质海岸为主，由南至北分布有乌石塘、南沙、大青山等旅游景区；西岸水动力条件较东岸弱，发育有泥滩及潮间带。西岸沉积物主要由长江南向沿岸流携带的泥沙组成，这些泥滩已被围垦作晒盐场等之用。该岛东岸是海底管线重要的登入点。

该区域流场受潮流、风、长江沿岸流、台湾暖流及地形等因素影响，潮流特征的研究，不仅对该区域长江沿岸流作用、悬沙输移趋势、沉积物起动等科学问题至关重要，同时也对该海域航运、尤其是东海海底观测系统的数据传输线路选择与登陆点确定有现实意义。

1 观测方法与数据处理

1.1 研究区域及现场观测

2011年10月20至28日期间，对朱家尖岛东部附近海域进行潮流、风向观测。观测区域（图1：122˚ 25' ～122˚ 35' E，29˚ 50' ～29˚ 55' N）位于朱家尖岛东部海域5～10海里处，水深在10～30m之间。自西向东设置内(NC)、中(ZC)、外(WC)三个观测点(平均水深分别为18.66、19.14和26.3m)进行大、小潮同步观测：NC点用ADCP waves-600K进行坐底自容观测，每隔20分钟进行流速剖面观测， OBS-3A的深度探头每隔2分钟记录水深；ZC、WC点用ADCP-600K向下(入水深度0.8～1.2m)观测流速剖面及瞬时水深，采集频率2～10秒并实时记录，整点时刻用手持风速仪在船头记录距离甲板2m处的风速。

图1 研究区与观测点位置Fig.1 Location of study area and monitoring stations

1.2 数据处理方法

NC点潮位过程线由OBS记录的平均水深插值，ZC、WC点的潮位过程线由ADCP记录的瞬时水深的10分钟滑动平均获得。按时隔30分钟(NC点时隔20分钟)，深度间隔0.5m选取ADCP流速剖面的数据，绘制流速矢量图。风速资料按16分向进行统计，并计算各分向平均风速。余流及余风按下式计算：

式中V是余流(余风)值，θ是余流(余风)方向，Vx是流速(风)矢量的东分量，Vy是流速(风)矢量的北分量。

2 结果与分析

2.1 潮汐特征

（1）潮汐类型

本区潮汐运动的基本能量来自西北太平洋，潮波由M2、S2分潮为主的东海前进波控制[1～3]，本区潮振动主要为太平洋潮波的协振动[4]。受长江沿岸流和海域地形的影响，致使观测区域的潮流独具特点。数据显示，调查海域为不正规半日潮（图2），潮汐日不等现象显著[5]，涨、落潮流呈NNW-SSE方向（图3）。朱家尖岛将由杭州湾向东海SSE向的退潮流和NNW向推进的涨潮流分为两支[6]。

图2 朱家尖岛海域潮位过程线Fig.2 Time series of tidal level in the sea adjacent to Zhujiajian island

（2）潮差

最小潮差0.75m(NC点20日20:48至21日02:12)，最大潮差4.32m(NC点28日03:00至09:14)；日均潮差在1.38～4.01m之间(表1)，大、小潮平均潮差为2.64m，属于中等潮差海岸[7]，为浙江近岸最小潮差分布区域[1]。这与多年统计的朱家尖海域平均潮差2.61m[8]相近，而略大于长江口门外的佘山站(平均潮差2.49m)[9]。大、小潮期间ZC、WC点潮差相对接近，NC点的潮差比ZC、WC点小，潮位过程线显示潮致余流的存在。

（3）涨落潮历时

从本次观测可以发现（表1）：从时间过程来看，朱家尖岛东部海域大、小潮期间均存在明显的涨、落潮历时不等现象，表现为涨潮历时较落潮历时短1小时左右，这个时差未随大、小潮发生明显变化；从空间分布看，各测点间无明显的涨、落潮历时不等现象，表现为小潮时ZC点滞后WC点10分钟左右，大潮时ZC、WC点几乎同步。

图3 朱家尖岛海域流速矢量剖面（时间间隔：NC点20min，ZC、WC点30min；小潮NC、ZC、WC三点同步，大潮ZC、WC点同步）Fig.3 Velocity vector prof i les in the sea adjacent to Zhujiajian island

表1 朱家尖岛海域潮汐特征Table 1 Tide characteristic in the sea adjacent to Zhujiajian island

2.2 潮流特征

观测期间涨、落潮流分别以NNW、SSE方向为主，最大流速出现在WC点小潮落潮阶段表层，流速为2.32m/s、流向174°(风速7.4m/s、风向60°)；最小流速0.01m/s(小潮近底层、表层2m左右的次极低值，大潮涨潮时表层均有出现)。

就整个潮周期而言，WC点的最大涨潮流速(小潮0.77m/s，大潮1.29m/s)均小于ZC点(小潮0.89m/s，大潮1.45m/s)（表2）。

表层平均流速(全潮平均0.8～1.1m/s，大小潮差别不显著)大于底层平均流速(小潮平均0.2～0.3m/s、大潮平均0.5～0.6m/s)。垂线平均流速(30多层流速之平均值，层间距0.5m)最小0.17m/s，最大1.51m/s(出现在大潮)，小潮平均值0.5m/s，大潮平均值0.8m/s。小潮涨潮阶段近底层存在“流速核”现象(图3:a,b,c)，大潮涨潮流在涨急阶段可主控表层流(图3:d,e)。

表2 朱家尖岛海域潮流流速观测统计(单位:m/s)Table 2 Current velocity of tide in the sea adjacent to Zhujiajian island

（1）小潮

小潮NC、ZC、WC测点实测流速分别在0.03～1.86m/s、0.01～1.78m/s、0.01～1.88m/s之间，对应流向为189°和186°、55°和199°、112°和169°。最大流速均为落潮阶段表层流速，NC、ZC点最小流速出现在“流速核”顶端和近底层，WC点出现在近底层。最大流速自西向东呈减小趋势。

从小潮时期观测点的流速剖面矢量图(图3)可以发现：NC点潮流以旋转流为主，涨急流为N向，落急流为S-SSE向，落潮阶段底层流先于表层流1小时左右转向，涨急时“流速核”顶端(表层以下2m左右)有憩流现象(图3:a)；ZC点潮流特征与NC点基本一致，涨落潮“流速核”现象不如NC点明显，落潮阶段底层流转向滞后表层流半小时左右(图3:b)；WC点潮流特征基本同NC、ZC点一致，落潮阶段表、底层流转向滞后性不明显(图3:c)；三测点落潮后期流向改为SE-SSE向，涨潮流无法涨至表层。这体现了长江沿岸流的作用。

（2）大潮

大潮NC、WC测点实测流速分别在0.01～1.98m/s、0.04～2.32m/s之间，对应流向252°和171°、205°和174°。最大流速均出现在落潮表层。与小潮不同的是：NC、WC点的最小流速出现在涨落潮过渡阶段底部、涨急时刻的表层，WC点最大流速要大于ZC点。

从大潮流速剖面矢量图(图3:d)显示：ZC点大潮潮流形态同小潮基本一致，涨潮流方向呈SSW-SSE过渡，“流速核”顶端现象消失，涨潮流可涨至表层流速，涨潮流速整体较小潮时大(图3:d)；WC点基本形态同ZC点一致，最大落潮流速大于ZC点，相对小潮时，流速较大，表层流在涨急时刻由涨潮流控(图3:e)。

（3）流速的垂向变化

从流速垂向分布来看，全潮平均流速自表层向下呈显著下降趋势，但在表层以下2m左右出现一个次极低值(图4)，反映表层风生漂流和主体水层的潮致流在方向相反时的边界剪切作用的影响。这一现象大小潮都有，但小潮更显著(图3)。在落潮阶段，垂向各层流速均向南，流速自表层向底层减小最显著。反之，在涨潮阶段，潮流向北，而表层流在北风吹刮下向南或显著减弱，往往导致近底层流速大于表层流速的反向结构或中层流速大于表、底流速的结构(图3)。

2.3 风场特征

根据ZC测点在观测期间连续25小时整点的风场资料（表3）分析：现场实测风速4.4～8.8m/s，盛行NNWNNE风向；小潮期间主导风向为NNW方向，NNW向平均风速最大，为7.43m/s；大潮期间NNE为主导风向，NEE向平均风速最大，达7.00m/s。

图4 全潮平均流速剖面(小潮NC点：图中水平线代表流速标准差)Fig.4 The vertical distribution of average velocity of tide

将测点大、小潮风场矢量化后，可以发现：大、小潮合成平均风速4.73m/s、风向11˚，其中小潮平均风速5.05m/s、风向345˚，大潮平均风速5.41m/s、风向36˚。观测结果与多年实测资料统计得出秋季盛行N、NNW、NNE风的结论相符[8]。

表3 观测期间风速、风向记录统计(风速:m/s)Table 3 Record statistics of wind speed and wind direction

2.4 余流

通过计算发现，观测区域的垂线平均余流(Vvr)、表层平均余流(Vsr)、底层平均余流(Vbr)分别在0.12～0.32m/s、0.48～0.73m/s和0.04～0.10m/s之间（表4），呈SSW、SSW、NW-NNW方向。整个潮周期，Vvr值在Vsr和Vbr之间，Vbr最小；从余流方向看，Vvr、Vsr与风向较为一致，Vbr同风向反向呈一定角度。从大小潮合成平均余流来看，自东向西Vsr、Vbr均呈减小趋势，而ZC、WC点Vvr的量值、方向比较一致。观测结果符合余流速冬强夏弱，余流方向冬季向南的基本趋势[4]。

表4 余流计算结果Table 4 The computation results of residual currents

（1）时间变化特征

由ZC测点看，小潮Vvr、Vsr值大于大潮，Vbr大潮时值较大。WC测点，Vvr、Vsr值大潮略大于小潮(同风速大小潮变化一致)，Vbr大潮小于小潮，Vvr、Vsr、Vbr的流向大小潮变化较ZC点大，其中Vbr流向改变达40°。Vbr比Vvr、Vsr小一个量级；不同测点的Vvr、Vsr、Vbr随大小潮周期变化不均。

（2）空间变化特征

从平面上看，Vvr的变化趋势由小潮时的自东向西逐渐增大，变为大潮时的WC点大于ZC点，流向变化各测点也不尽相同；大小潮周期Vsr的变化趋势呈自东向西逐渐减小，且大潮时WC点的余流较ZC点大近一倍，而流向大潮时较为一致，小潮时WC点流向偏离ZC、NC点较多；三测点的Vbr差值较小，但流向变化不稳定。Vsr的平面分布特征主要由风导致，整个潮周期内盛行偏北风，NC点由于受到岛屿避风作用表层余流较小，ZC、WC点相对开阔则值较大，ZC、WC点余流差值大潮时较大，这与大、小潮风速改变、大潮时涨潮流涨至表层而小潮不能有关；Vvr的变化趋势主要因素是大潮时涨潮流可涨至表层，故WC点余流相对较小，小潮时涨潮流无法涨至表层。Vbr的变化趋势揭示了该海区底部余流控制因素动力较为稳定。

从垂向上看，整个潮周期，三个观测点的表层余流均远大于底层余流，Vvr、Vsr流向随潮期基本幅度较底层余流小。大小潮合成平均来看，ZC、WC点的Vvr、Vsr、Vbr的流向较为一致，除Vsr外，值也相对接近；Vsr主要受偏北风控制；Vbr流向同涨潮流有一定的夹角，是台湾暖流、底部摩擦、波浪等因素共同作用的体现；Vvr的流向位于Vsr和Vbr之间，且更接近于Vsr流向，说明该海域Vvr主要受风场、潮致余流和径流的作用。

3 讨论与结论

风场资料结合流速与余流分析可以发现：大、小潮流主要受潮汐控制，风场及地形也有一定影响[10]；Vvr、Vsr方向同余风向较为一致，余流值同风力成正比，且Vbr比Vvr、Vsr小一个量级，可见该海域的余流主要由风生流控制[11]。表层余流与表层平均流速对比可以发现：两量值在小潮时相近，大潮相差较大，原因是大潮涨潮流可以涨至表层，体现了长江沿岸流作用和潮致余流的存在。除此之外，海域峡道开口也会影响余流[12]；最大流输运态势和余流输运态势基本一致[13]，这有利于悬沙、污染物质等的南向输运。该区域的潮流是控制泥沙运移的主要动力因子[14,15]，而近底层0～1.0m/s的流速变化，解释了舟山海域细颗粒物质憩流时沉降、流速增大后再悬浮起来[16]反复的现象。

可见，朱家尖岛东部近岸海域的流速流向的时空变化显著，这些变化除了受到天文因素引起的潮汐控制外，还与风场的变化有关。潮周期内近底层趋于0的最小流速和0.5～1.0m/s的最大流速，表明研究区淤泥质海床处于频繁的交替变化之中。偏北风条件下出现的量级较大(垂向平均＞0.2m/s)的向南余流，为长江入海泥沙在冬半年北风盛行背景下向南输运提供了动力条件，这从动力机制上佐证了长江入海泥沙进入浙闽沿岸并塑造浙闽沿岸泥质沉积体的理论假说。

References)

[1]陈倩,黄大吉,章本照,等. 浙江近海潮汐的特征[J]. 东海海洋,2003,21(2):1-12.

Chen Q, Huang D J, Zhang B Z, et al. The research of the tidal features in the coastal zone of Zhejiang Province[J]. Donghai Marine Science,2003,21(2):1-12.

[2]吴俊彦,肖京国,成俊,等. 中国沿海潮汐类型分布特点[A]. 第十届中国科协年会论文集(1)[C]. 天津:海军出版社,2008:471-475.

Wu J Y, Xiao J G, Chen J, et al. Analysis of tide types distributing in China coastal areas[A]. Proceedings of 10th annual symposium of China Association for Science and Technology (Vol.1)[C].Tianjin: Navy Press, 2008: 471-475.

[3]朱学明,刘桂梅. 渤海、黄海、东海潮流、潮能通量与耗散的数值模拟研究[J]. 海洋与湖沼,2012,43(3):669-677.

Zhu X M, Liu G M. Numerical study on the tidal currents, tidal energy fl uxes and dissipation in the China seas[J]. Oceanologia et Limnologia Sinica,2012,43(3):669-677.

[4]陈倩,黄大吉,章本照,等. 浙江近海潮流和余流的特征[J]. 东海海洋,2003,21(4):1-14.

Chen Q, Huang D J, Zhang B Z, et al. Characteristics of the tidal current and residual current in the seas adjacent to Zhejiang[J].Donghai Marine Science,2003,21(4):1-14.

[5]熊伟,刘必劲,孙昭晨,等. 宁波舟山近海三维潮汐潮流数值模拟[J]. 水道港口,2011,32(6):399-407.

Xiong W, Liu B J, Sun Z C, et al. 3D numerical simulation of tide and tidal currents in sea adjacent to Ningbo and Zhoushan[J].Journal of Waterway and Harbor, 2011,32(6):399-407.

[6]陈洪德,严钦尚,项立嵩. 舟山朱家尖岛现代海岸沉积[J]. 华东师范大学学报(自然科学版),1982,(2):77-91.

Chen H D, Yan Q S, Xiang L S. Recent coastal sediments of Zhujiajian island, Zhoushan archipelago[J]. Journal of East China Normal University(Natural Science), 1982,(2):77-91.

[7]Davies J L. A morphogenic approach to world shorelines[J].Zeitschrift für Geomorphologie, 1964,8:127-142.

[8]中国海湾志编撰委员会. 中国海湾志第五分册(上海市和浙江省北部海湾)[M]. 北京:海洋出版社,1992:88-126.

China Gulf Annals Compile Committee. The gulf annals in China(Vol.5)[M]. Beijing: Ocean Press, 1992:88-126.

[9]上海市海岛资源综合调查报告编写组. 上海市海岛资源综合调查报告[M]. 上海:上海科学技术出版社,1996:1-249.

Compile Committee of the Shanghai Ιsland Resources Survey Report. The Shanghai island resources survey report[M]. Shanghai:Shanghai Science and Technology Press,1996: 1-249.

[10]李鹏,秦渭华. 南黄海辐射沙洲海域夏季潮流特征[J]. 上海国土资源,2012,33(4):34-38,47.

Li P, Qin W H. Aestival tidal current conditions in the radial sandbank area, southern Yellow Sea, China[J]. Shanghai Land& Resources, 2012,33(4):34-38,47. doi:10.3969/j.issn. 2095-1329.2012.04.009.

[11]朱建荣. 海洋数值计算方法和数值模式[M]. 北京:海洋出版社,2003:167-193.

Zhu J R. The ocean numerical methods and numerical simulation[M]. Beijing: Ocean Press, 2003:167-193.

[12]寿玮玮. 舟山群岛附近海域水动力特征及其对物质输运的影响分析[D]. 中国海洋大学硕士学位论文,2009.

Shou W W. Hydrodynamic characteristics and its impact on mass transport in the Zhoushan archipelago sea area[D]. Master’s thesis,Ocean University of China, 2009.

[13]曹欣中,唐龙妹,张月秀. 宁波—舟山内海域实测海流分析及潮流场的数值模拟[J]. 东海海洋,1996,14(2):1-9.

Cao X Z, Tang L M, Zhang Y X. The analysis of the observed sea current and the numerical model of the tidal current fi eld for the inner sea area of Ningbo and Zhoushan[J]. Donghai Marine Science, 1996,14(2):1-9.

[14]胡日军,吴建政,朱龙海,等. 东海舟山群岛海域表层沉积物运移特性[J]. 中国海洋大学学报(自然科学版),2009,39(3):495-500.

Hu R J, Wu J Z, Zhu L H, et al. Characteristic of surface sediment transport in Zhoushan archipelago sea area, East China Sea[J].Periodical of Ocean University of China, 2009,39(3):495-500.

[15]张朝阳,杨世伦,罗向欣,等. 舟山群岛朱家尖岛以东近岸海域沉积物粒度特征[J]. 上海国土资源,2012,33(4):39-43.

Zhang Z Y, Yang S L, Luo X X, et al. Surficial sediment characteristics of the inshore area of east Zhujiajian island,Zhoushan archipelago[J]. Shanghai Land & Resources,2012,33(4):39-43. doi:10.3969/j.issn.2095-1329.2012.04.010.

[16]胡日军. 舟山群岛泥沙运移及动力机制分析[D]. 中国海洋大学博士学位论文,2009.

Hu R J. Sediment transport and dynamic mechanism in the Zhoushan archipelago sea area[D]. PhD thesis, Ocean University of China, 2009.