海南万宁近岸余流特征分析

卢 燕,李泽文,李淑江*,范 斌,张凤烨,徐晓庆

(1.国家海洋局第一海洋研究所,山东青岛266061;2.青岛海洋科学与技术国家实验室区域海洋动力学与数值模拟功能实验室,山东青岛266200;3.华能新能源股份有限公司,北京100097)

海南万宁近岸余流特征分析

卢 燕1,2,李泽文3,李淑江1,2*,范 斌1,2,张凤烨1,徐晓庆1,2

(1.国家海洋局第一海洋研究所,山东青岛266061;2.青岛海洋科学与技术国家实验室区域海洋动力学与数值模拟功能实验室,山东青岛266200;3.华能新能源股份有限公司,北京100097)

根据2012-04在海南岛万宁近海海域获取的3次周日定点海流连续观测资料,我们计算分析了春季这一海域的欧拉余流特征。结果表明,研究海域的水体主要沿等深线方向流动,并在观测期间发生了转向,由04-10的西南向流转为04-14和04-17的东北向流。观测期间04-10的余流流速最小,04-14和04-17的余流流速较大,其中04-14余流流速最大,可达44 cm/s。2004—2011年秋冬季流经研究海域的漂流浮标观测结果,进一步验证了万宁近海海水沿等深线方向流动的这一特征。在东北季风期,海水由东北向西南方向流动;在西南季风期流向则完全转向,自西南向东北方向运动;万宁近岸海流的主轴在20～100 m等深线梯度最大的陆坡处,等深线最密集的海域流速最大。

万宁近岸;周日观测;漂流浮标;余流

海南岛东南部的万宁近海海域位于南海西北部陆坡处,受热带季风、南海环流、河流径流以及复杂地形和岸线等因素影响,其环流结构特征复杂。早期研究表明[1],南海海面上的季风比较强且稳定,海表面至200 m深的表层环流受东亚季风影响显著,具有明显的季风流的特征,并存在西向强化现象。数值模拟研究也表明[1-3],季风是南海表层环流的驱动力,南海环流具有显著的季节变化和西向强化的主要特征。在南海的西部存在着一支强流,流向随季风转换而变换方向,且冬季流速大于夏季,这一强流被称之为南海西边界流[4-5]。受南海西边界流的影响,海南岛东南近岸海域具有冬夏季流向明显不同的主要环流特征,冬季在东北季风驱动下呈现西南向流动,而夏季在西南季风驱动下呈现东北向流动。但是受数值模拟的限制,目前只能给出该海域总体的海流流动特征和规律。

万宁近海地处琼东上升流海域[6-7],是海南岛的主要渔场之一,受渔业捕捞的影响在附近海域的海流观测相对困难和稀少。管秉贤[8]根据温盐剖面观测资料研究表明,海南岛东岸夏季6月份受西南季风的影响,存在一支东北向的海流;并认为这与南海暖流的气旋式弯曲相关。1997年胡辉等[9]的观测结果表明,海南岛东南沿岸普遍为弱潮流区,潮流流速小,流态不稳定,其流速量级与由季风产生的风海流相当。徐佳佳[10]利用OFES数据在研究南海西边界流过程中指出,海南岛东南近岸的沿岸流也是南海西边界流的一部分,存在显著的季节变化,春季和夏季向北流,秋季和冬季向南流,且冬季强于夏季。许金电等[11]研究琼东上升流时指出,2006年夏季海南岛北部近岸在季风的作用下,观测海域不仅存在沿海岸线东北向的流动,还存在18 m以深向岸和18 m以浅离岸的流动,并表明流动的大小与局地风速有密切关系。2012年秋季在海南岛东北部的走航ADCP观测结果也表明[12],秋季海南岛近岸的流动为沿等深线向西南方向,并在近岸存在表层向岸的流动,这抑制了琼东上升流的发展。但是全面认识海南岛近岸的海流特征,还需要从观测角度开展深入的研究。

(王 燕 编辑)

本文根据2012年春季海南岛东南侧万宁近海6个站位3次周日海流观测资料,分析了春季该海域的余流特征和海水运动特征。并根据研究海域近年来的漂流浮标观测结果,定性分析了研究海域的环流空间特征。

1 观测和资料

2012-04-10—18,我们在海南万宁大花角外侧水域,沿水深30～40 m等深线方向,自东北至西南方向共布设了6个观测站点,进行了3个周日的海流连续同步观测。观测站点自北向南分别为A3,A4,A2,A5,A1和A6(图1,其中水深和岸线数据来自ETOPO1[13]),其中A3站水深最深为51.0 m,A1站水深最浅为31.7 m。水深观测结果(图1和表1)也表明,ETOPO1水深数据与观测水深在观测海域北部等深线相对密集海域差别较大,在观测海域南部等深线相对稀疏海域二者数值相接近。3次观测日期分别为2012-04-10—11 (以下简称04-10),04-14—15(以下简称04-14),04-17—18(以下简称04-17),观测时间均为11时至次日11时,每次历时25 h。在海流周日观测过程中,A1和A2站使用了2台Nortek公司AquaPro 600K声学多普勒流速剖面仪(ADCP);A3,A4,A5和A6站使用了4台TRDI公司的300K ADCP(表1)。除了A1站采用座底ADCP上视的观测方式,A2～A6站均采用了船载ADCP下视的观测方式。所有观测站的层厚均为2 m,采样间隔为10 min。

图1 观测站位及水深分布Fig.1 Locations of observational sites and bottom topography

表1 观测站位及其观测相关信息Table 1 Information of observational sites

本文采用的风场数据来自在观测海域近岸乌场码头(图1中“+”处)的R.M.Young气象站,采样时间间隔为10 min,这里选取了整点时刻的数据。本文采用的漂流浮标资料来源于美国NOAA大西洋海洋大气实验室(AOML)发布的2004年至今经过研究海域的漂流浮标的观测资料[14]。2004—2011年期间,共有12个Argos漂流浮标流经研究海域,有38次海流的观测结果,同一漂流浮标的观测时间间隔为6 h。这38次观测结果全部出现在秋冬季,其中10月4次,11月19次,12月和1月各2次,2月1次。

2 观测海域的欧拉余流特征

余流一般分为欧拉余流和拉格朗日余流,2012年春季万宁近岸6个站点的观测是定点连续1周日的闭合观测,因此可以采用欧拉余流进行分析。欧拉余流为一个时间周期t0内的时间平均值,公式为

式中,t0=25 h,积分时间间隔为1 h,从前一日的11:00到下一日的11:00的一个闭合时间周期连续数据,由此可以计算出每一剖面余流值。

2.1 观测海域余流统计特征

表2给出了3次周日观测期间的6个观测站点的垂向平均流速和流向,以及最大流速、流向和所在深度。结果表明,由于观测海域的观测站点相邻近,其流场具有空间一致性。通过计算垂向平均余流,可以发现04-10所有观测站点的正压流流向为西南向,04-14和04-17所有观测站点的正压流流向为东北向(图2)。观测期间,04-14流速最大,6个观测站点的平均正压流为31 cm/s,流向为27°;04-10与04-17流速较小,6个观测站点的平均正压流均为16 cm/s,流向为192°和34°。观测期间,虽然观测海域的正压流流向发生了转向,但是3次观测到的余流方向大致沿着观测海域等深线方向运动。

表2 各站位3次观测余流的平均、最大流速和流向及所在深度Table 2 Mean,maximum velocity and direction,and corresponding depth of subtidal currents at all the sites during the three observations

统计结果也表明(表2),虽然余流场总体上具有空间一致性,但也表现出一定的空间分布特征:沿等深线自东北向西南方向,余流流速逐渐减弱。这可能与观测海域东北部等深线相对于西南部更密集、地形对海流的约束作用有关。A3,A4,A2和A5位于研究海域北部的等深线密集,04-10,04-14和04-17三次观测的余流平均值分别为18,35和19 cm/s;A1和A6站位于等深线相对稀疏的最南端,3次观测的余流平均值分别为12,23和10 cm/s,远小于北部4站的平均值。6个观测站点3次观测的最大流速统计结果也具有北大南小的上述特征:04-10,04-14和04-17北部4站位3次观测的最大流速分别为27,44和41 cm/s,南部2站3次观测的最大流速分别为24,35和27 cm/s。在西南向流期间,最大流速出现在11～14 m的中层,表层和底层流速相对较低;在东北向流期间,最大流速主要出现在3～5 m的表层,并自表至底逐渐降低。这表明东北向流与西南向流的驱动力的来源有很大差别。

图2 2012-04-10,04-14和04-17的垂向平均余流Fig.2 Vertically averaged subtidal current on 10th,14th and 17th April,2012

2.2 各站余流的三维结构和时间变化特征

A1～A6站于04-10,04-14和04-17观测期间的余流垂直结构剖面见图3。由图可知,余流在垂直方向上存在一致性,以正压流为主。04-10,所有观测站点的流速和流向在垂向上变化不大,正压流特征显著;04-14,流速在垂向上变化较小,而流向存在较显著的差异,海流的斜压特征逐渐显现;04-17,观测海域的海流无论流速还是流向都存在显著差异,斜压性更显著。这表明,观测期间观测海域的海流逐渐由正压流向斜压流转换。

图3 2012-04-10,04-14和04-17 A1～A6站的余流垂直结构Fig.3 Vertical structure of subtidal current at stations A1～A6 on 10th,14th and 17th April,2012

为了更加清晰地分析余流的垂向特征,将6个站点3次观测的各层余流值分别减去各个观测站点每次观测垂向平均的正压流后,可以计算得到6站点3次观测的斜压流结果(图4)。结果表明,04-10,西南向流期间,观测海域的斜压流最弱;04-17,东北向流期间,斜压流最强。04-14和04-17东北向流期间,斜压流存在上下层反向的明显特征:15 m以浅的上层水存在一支离岸流动,15 m以深的下层水体存在向岸的流动。这一上下层流体反向流动的结构与琼东上升流区的环流特征相一致[7,11]。下层水体向岸流动,到达近岸后抬升为上层水体,然后在表层形成离岸流。

今年台风对农作物破坏程度大、面积广，虽然当地政府都采取了补救措施，积极排除田间积水、鼓励百姓迅速施肥防治病虫害等。但是百姓面对大片受损的“心血”，在加上复合肥一直价处高位，大多舍不得在农业方面有所投入，抱有破罐子破摔的心态。综上来看，台风对农作物破坏面积较大，对肥市的影响也是较大的。

斜压流的三维结构也表明,在10～15 m以浅的斜压流自上至下,流速逐渐减小,流向基本为顺时针方向旋转,这是典型的表面风驱动的表层Ekman螺旋结构特征。而在底层,尤其是04-14和04-17的观测,20 m以深的斜压流速逐渐增大,流向基本为逆时针方向旋转,这是典型的底摩擦驱动的底层Ekman螺旋结构特征。

图4 2012-04-10,04-14和04-17 A1～A6站的余流斜压垂直结构Fig.4 Vertical structure of baroclinic subtidal current at stations A1～A6 on 10th,14th and 17th April,2012

2.3 局地风对观测海流的影响

由于南海盛行季风,特别在夏、冬季节分别以偏南风和偏北风为主[15],风场很稳定,持续时间长。海表面至100 m水层,海流受风影响很大。由于观测期间为春季,处于冬季风向夏季风转换的季节,风场不是太稳定。同期在观测海域近岸乌场码头观测的10 m高风速和风向(图5,时间间隔为1 h)数据表明,04-07—10,观测海域风向不稳定,在偏南风和偏北风之间变动,风速大部分时间在2 m/s以下,平均风速1.3 m/s。结合前节分析发现的04-10观测海域流速最大值在中层而非表层,这表明其受风场影响较小,其受外来环流的影响更显著。04-10研究海域的局地风逐渐转为稳定的北向风,平均风速也提高到3.3 m/s。这与04-14与04-17观测海域的东北向流密切相关,且流速最大值出现在表层,自表至底流速逐渐下降。

图5 2012-04-06—20观测期间沿岸观测站风向和风速随时间的变化Fig.5 Time series of wind velocity and direction measured at a coastal station during observation from 6th to 20th April,2012

3 观测海域拉格朗日余流特征

本文收集整理了历年来流经研究海域的Argos漂流浮标的观测资料[14],共有12个Argos漂流浮标于2004—2011年期间流经海域,38次海流的观测(图6,同一漂流浮标的时间间隔为6 h)。所有观测数据均发生在秋季或冬季的东北季风期。其中11月最多有19次观测,2月有11次观测。图6为根据这些漂流浮标观测资料计算出的每间隔6 h的拉格朗日余流结果。图6表明,秋、冬季海南岛东南近海表层海水沿等深线由东北向西南向流动。漂流浮标在等深线梯度较大的海域聚集,这表明万宁近岸海流的主轴在20～100 m等深线梯度最大的陆坡处。观测期间最大流速为109 cm/s,出现在2004-02;最小流速为18 cm/s,出现在2005-11;所有观测值的平均流速为52 cm/s,这远大于2012年春季的余流观测值。

图6 2004—2011年经过该海域的Argos漂流浮标观测结果Fig.6 Currents derived from Argos in the study area from 2004 to 2011

此外,我们分别于2011-12和2012-04在该海域进行了2次漂流浮标观测(图7,数据间隔为1h),根据漂流浮标的位置和时间,同样可以计算出拉格朗日余数,数据间隔为1 h。图7中红色箭头为2011-12观测结果,漂流浮标沿30～50 m等深线自东北向西南流动,这与图5中给出这一海域在秋冬季海流流向一致。观测期间的平均流速为48 cm/s,最大流速66 cm/s出现在大洲岛外侧的等深线密集区。蓝色箭头为2012年春季4月的观测结果,流向完全转向,自西南向西北方向运动。这与04-14,04-17固定观测点的欧拉实测余流方向一致,表明该海域海流在04-14转向后,一直流向东北。这次观测期间的流速平均值为57 cm/s,明显高于之前欧拉定点余流观测的结果。

图7 2011-12与2012-04漂流浮标观测结果Fig.7 Currents derived from drifting buoy in the study area during December 2011 and April 2012

4 结 论

已有的研究结果表明[6],海南岛东南海域受南海大尺度表层环流的影响,海流在夏季和冬季分别以东北向和西南向流为主。春秋为冬季季风与夏季季风的过渡季节,风场不太稳定;此外,观测海域还受到南海暖流的影响,因此研究海域的春季海流运动特征比较复杂。2012-04海南岛万宁近海海域的3次周日定点海流连续观测结果表明,研究海域的正压海流基本沿等深线方向流动,并在观测期间发生了转向,由04-10的西南向流转为04-14和04-17的东北向流。由于观测海域的观测站点相邻近,其流场具有空间一致性,研究海域3次观测的平均余流分别为16,31和16 cm/s。受地形的约束作用,等深线密集的东北部海域余流流速高于其西南部。观测海域的海流也存在显著的垂直结构特征,尤其是在东北向流期间,存在一个垂直于岸的次级斜压环流结构,即底层流存在向岸的流动,表层存在离岸的流动,这进一步验证了琼东上升流的垂向结构特征。

历史Argos漂流浮标的观测结果表明,在秋季和冬季的东北季风期,海南岛东南近海表层海水沿等深线由东北向西南方向流动,且万宁近岸海流的主轴在20～100 m等深线梯度最大的陆坡处。该海域所有观测的平均流速为52 cm/s,最大观测流速为109 cm/s,出现在2月。而2011-12和2012-04在该海域的2次漂流浮标观测结果也验证了万宁近海海水沿等深线方向流动的这一特征,同时也表明等深线最密集的海域流速最大。而春季流向完全转向,自西南向东北方向运动。这与04-14和04-17固定观测点的欧拉实测余流方向一致。

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Subtidal Current in the Southeast Offshore Area of Hainan

LU Yan1,2,LI Ze-wen3,LI Shu-jiang1,2,FAN Bin1,2,ZHANG Feng-ye1,XU Xiao-qing1,2
(1.The First Institute of Oceanography,SOA,Qingdao 266061,China; 2.Laboratory for Regional Oceanography and Numerical Modeling,Qingdao National Laboratory for Marine Science and Technology,Qingdao 266200,China; 3.Huaneng Renewables Corporation Limited,Beijing 100097,China)

Based on three one-day continuous current observations at the offshore of Wanning,Hainan in April 2012,we calculate the Euler subtidal current and study its characteristics in spring.The results show that the subtidal current mainly flows along the isobaths,but reverses from a southwestward current on 10th April to a northeastward current on 14th and 17th April.The subtidal velocity reaches its maximum, 44 cm/s,on 14th April,but it is weakest on 10th April.Data from drifting buoy confirm that the subtidal current flows along the iso baths at the offshore of Wanning.In northeast monsoon season,the offshore water flows from the northeast to the southwest along isobaths,while in southwest monsoon season,the offshore water flows from the southwest to the northeast along isobaths.The flow core of Wanning coastal current locates at the slope where isobaths are between 20～100 m,and the velocity is strongest in the region where isobaths are most intensive.

offshore of Wanning;25 hours observation;drifting buoy;subtidal current

P731.22

:A

1671-6647(2017)01-0053-09

10.3969/j.issn.1671-6647.2017.01.006

2016-07-14

国家高技术研究发展计划项目——南海及周边海域风浪流耦合同化精细化数值预报与信息服务系统(2013AA09A506);国家自然科学青年基金项目——太平洋-印度洋贯穿流南海分支与印尼贯穿流的相互作用及气候效用(41306031);中央级公益性科研院所基本科研业务费专项资金资助项目——卡里马塔贯穿流与印尼贯穿流的相互作用(2013G35);国家海洋局海洋可再生能源专项——华能海南波浪能并网发电示范(GHME2010GC04)

卢 燕(1962-),女,山东青岛人,高级工程师,主要从事海洋数据分析方面研究.E-mail:luy@fio.org.cn

*通讯作者:李淑江(1979-),男,山东日照人,副研究员,博士,主要从事物理海洋学方面研究.E-mail:lisj@fio.org.cn

Received:July 14,2016