基于高频地波雷达观测的连云港近岸海表流时空特征分析

张文雅，潘广维，丘仲锋，任 磊,3*，徐 青

(1.中山大学海洋工程与技术学院，广东 珠海 519082；2.南京信息工程大学，江苏 南京 210044；3.南方海洋科学与工程广东省实验室(珠海)，广东 珠海 519082；4.河海大学海洋学院，江苏 南京 210098)

海流是影响近岸动力过程、地形地貌形成与演变及物质输移最为重要的因素之一，且与海上军事活动、海洋能源的开采与保护、海洋渔业、港口经济等人类活动关系密切。位于江苏的连云港是中国长江三角洲的重要区域性港口，也是中国海洋运输与内河运输体系的重要枢纽，因此，对该区域近岸海流时空特征的研究具有重要的意义。

现有研究主要可分为基于实测数据进行分析和数值模拟2种[1-6]。前者多是基于单一站点或局部区域(浮标、潮位站、ADCP等)的实测海流数据进行分析，其对大面积区域海流的观测与分析探讨甚少，后者可以对大面积区域海流进行分析，但多是采用SWAN、FVCOM、WAM Ⅲ等海洋模型进行数值模拟，因模型中的同化与近似处理，导致其模拟结果与实际有一定的差异。若要精确地分析大面积区域的潮流特征不能仅依靠物理模型的模拟，还需要获取该地区的海表流矢量场实测数据进行进一步分析，而高频地波雷达作为一种新型的海洋流场动力观测技术，它不仅能够长时段、连续地、大范围获取风、浪、流场信息，而且具有在异常海面气象继续观测的能力，这是传统观测手段难以实现的[7]。经过半个多世纪的发展，高频地波雷达已成为海洋监测最有效、可靠和经济的工具[8-10]。因此，本文运用岸基高频地波雷达系统获取的长周期数据对连云港近岸区域海表流时空特征进行分析。

1 研究区域介绍

1.1 地理位置

黄海以成山头—白翎岛为界分为南黄海和北黄海，南黄海面积约为30.94万km2，平均水深为46 m，最大水深为144 m，陆缘深槽为界的西部平均坡度为00°00′50″[11]。

连云港近岸海域是一个位于南黄海西部的开敞性海湾，北侧为海州湾，南侧为连云港南部区域，由于处于近海地区，水深较浅，有海岸的阻挡作用，外海逆时针旋转潮波传入后会呈现出强烈的非线性特征，潮差较大[4]。

连云港沿岸区域的OSMAR-S型便携式高频地波雷达观测系统可实时监测到二维海表流矢量场的信息，最大探测探测距离为200 km，其空间覆盖范围为119.64°E～120.63°E，34.38°N～34.98°N(图1)，形成一个34×21的空间网格，监测时间段为2017年6月至2019年12月，其方位角分辨率为3°，测流精度为7 cm/s，其空间分辨率为0.03°×0.03°(3 km×3 km)，时间分辨率为20 min[12]。

图1 连云港海域示意

1.2 地形特征

高频地波雷达分布的区域水深在0～26 m之间，北侧与海州湾相连，南侧与连云港南部水域相接，在南侧与陆地部分的废弃黄河口三角洲相接壤，由于天然优势，该地的淤泥质充分淤积成为水下浅滩，连云港因此成为一个优良的深水港湾。在水深为0～10 m的海域，等深线与岸线平行，坡度较缓，其中水深在5～10 m范围称为陆架谷，在10 m水深处是陆架谷的顶部；在水深为10～20 m的海域，等深线基本与海岸线平行，在120.05°E～120.50°E，34.76°N～34.81°N的海域等深线分布密集，坡度急速下降；中水深大于20 m的海域，坡度再次变缓，但会存在深潭[13]。另外，在高频地波雷达分布区域的南侧水域，广泛分布着十分特殊的辐射沙洲地形，含有明沙暗脊和潮汐水道，形态错综复杂，会对研究区域地形的演变有一定的影响[6]。

1.3 水文气象

研究区域水文气象复杂多变，其海流变化主要受潮汐、风应力及波浪等影响。其水文气象要素特征如下。

1.3.1潮汐潮流

连云港近岸海域的潮波动力来源是北部海州湾海域，潮流自北向南流动，且形成较大潮差，平均为3.29 m，最大能达到6.48 m[14]。该区域的潮流类型为典型的规则半日潮流，近岸海域以往复流为主，离岸呈现往复流转变为旋转流的趋势。另外，该区域的潮流特征与其空间分布有密切联系，南北海域差异较大。主要体现在流速大小、流速方向、涨潮历时和往复性强弱：①在涨潮阶段，海州湾区域的流向为西南，连云港南部区域的流向为东南，在落潮阶段，海州湾区域的流向为东北，连云港南部区域的流向为西北，2个区域的流向基本呈现垂直关系；②海州湾区域的流速大于连云港南部区域流速；③海州湾区域的涨潮历时大于连云港南部区域涨潮历时；④海州湾区域的往复性比连云港南部区域更强烈。其中，②、③体现出了海州湾区域的潮动力在涨潮时占主要优势[4]。

1.3.2风

连云港近岸区域位于北半球的中纬度地区，位于太平洋西部，是中国典型的东亚季风区[15]，深受温带季风和季风湿润气候影响；海陆风尤为盛行，风向表现为冬季为偏北风，夏季为偏东南风。由于海陆性质差异，该地的风速大小、风向和持续时间、影响范围都会受到海洋的影响，呈现强烈的海洋性特征。

1.3.3波浪

张存勇[13]认为研究区域波浪的主要驱动因素为风应力，连云港近岸区域的波浪与风具有明显的相关性。因为风具有明显的季节变化特征，所以在风的作用下，波浪在浪向上也存在明显的季节性特征，表现为常浪向在春、夏、秋、冬4个季节分别为东北、东和东北、东北、东北偏北。

2 高频地波雷达观测系统

2.1 工作机理

高频地波雷达系统的工作原理是利用短波(3～30 MHz)在导电海表面传播的过程中衰减率小、绕射性好的特点，采用垂直极化天线辐射电波使电磁波可以在弯曲地表面上远距离传播，即实现超视探测海面动力特征[10]。高频地波雷达通过Bragg散射原理通过反演海面反射的回波获取海况信息，由于海面的变化多端，高频地波雷达的回波不会一直呈现为正弦波特征，因此采用Fourier等变换把真正的海浪分解为多个规则正弦波的叠加。其中，分解出来的正弦波都会对电磁波产生散射，但贡献最大的海浪成分需满足如下条件的波列：

(1)

式中L——波长；φ——海浪的入射角；λ——高频地波雷达电磁波波长，即最强烈的后向散射会在海浪波长等于高频地波雷达发出的电磁波波长的一半时产生。

岸基高频地波雷达测量海流速度的基本原理是海流、海浪会对入射波会产生多普勒效应，一个较大的固定频移会使海水运动产生频偏，这个附加频偏对左、右Bragg峰的影响是一致的，朝负频率方向偏移表示流速分量与雷达的距离增大，朝正频率方向偏移表示流速分量与雷达的距离减小，因此，可以通过测量这个附加频偏得出海表流速。但通常单站地波雷达仅可以观测雷达波辐射方向的径向流信息，若要观测整个海域的海表流流场，需要构建双站或者多站观测系统，然后将不同站点得到的径向流进行矢量合成以获取海洋表层流场[16-18]。

2.2 高频地波雷达系统连接方式

整个雷达系统包括接收机、发射机、接收天线、发射天线、工作电脑和他们之间的连接电缆。发射天线架设在尺度约为20 m的相对平坦的基地上，保障涨潮或台风袭击时海水不会侵蚀天线体。永久站发射天线场制作规范的地网，天线基地上相间120°的3个方向上，距天线底座约5 m处设置3个拉线地锚。接收天线的架设类似于发射天线，对地锚的要求完全相同，但距天线基座距离可为3～4 m。

2.3 地波雷达资料的应用

由于表层海流的运动具有随机性，且观测的海洋面积往往较大，传统海流观测设备难以对海域进行长时间、大范围、自动的海况观测，具有很大的局限性。而高频地波雷达的优势为全天候观测、观测时段长且连续、观测面积大、观测成本低[8]。国际上现有测流高频地波雷达的主要类型有：美国的SeaSonde HFR系统、加拿大的SWR-503系统、德国的WERA系统、英国的OSCR超视距地波雷达系统与Overseer系统以及俄罗斯的TELETS系统等；中国高频地波雷达的代表是武汉大学开发的OSMAR系统[19]。现今丰富的地波雷达观测资料已在数据同化、模型验证、次中尺度过程和溢油处理等方面得到了广泛应用[20-28]。

3 数据分析

3.1 数据选取

首先，选取高频地波雷达测得的2019年全年观测数据，并确定已有数据均是在没有风暴潮等极端天气干扰下测得的，故可直接用于本文的全年总体趋势研究；其次，选取空间中某一观测点(图1中A点)，绘制其数据的时间分布(图2)。将所有的海流数据进行统计分析可知，每个空间点的数据量差异显著，即在不同观测点上的某些时间节点上，高频地波雷达观测资料存在缺失，可能是由于电离层干扰、恶劣天气或设备故障造成。为保证研究数据的连续性和准确性，选取数据量大于或等于分析年份总数据量85%(15 112个)的观测点作为此次分析的空间点(图1红色标识点)，称为高密度观测点，共有326个(总观测点有714个)。

图2 A点表层海流数据的时间分布

3.2 潮流特征

3.2.1潮流基本特征

由于受地形的影响，连云港近岸潮流基本为往复流和半日潮流[4]。图3为大潮期间各高密度观测点的逐时潮流流矢。本区域潮流靠近海岸一侧基本呈现往复流，其流向为西南—东北向涨潮落潮向比较集中；自近岸到外海，往复流趋势弱化，旋转流趋势加强。

图3 研究区域大潮逐时潮流流矢

3.2.2调和分析

潮流调和分析可以将一个潮流分解成不同天文分潮所引起的线性组成，这些天文分潮是人为规定的，有着固定的频率，例如K1、O1、M2、S2、M3、M4、S4等分潮[29]，本文使用T-tide经典潮流调和分析方法得出各个潮流椭圆要素。

首先，选取连续的7个月(1—7月)实测海流数据进行空间平均处理；然后，对其进行经典调和分析后计算出主要分潮的调和常数及其潮流椭圆要素；接着，选取出信噪比(SNR)大于2的分潮进行分析[30]，可知连云港近岸海域以M2分潮占绝对优势，全日分潮也占有一定比例，M1/4、M1/6浅水分潮的影响也不容忽视。

3.2.3潮流性质

根据JTJ 221—87《港口工程技术规范》规定，潮流类型由潮流类型系数定义：

(2)

WO1、WK1和WM2分别为其对应分潮(表1)的最大潮流流速即潮流椭圆的半长轴，其中，F≤0.5为规则半日潮流；0.54.0为规则全日潮流。另外，由于研究区域属于近海，还需考虑潮流中浅水分潮的比值，浅水分潮可定义为[31-33]：

表1 主要分潮及其椭圆要素

(3)

根据计算公式计算得F、G值的空间分布见图4，F值均小于0.5，平均值为0.231，该区域的主要潮流运动类型为规则半日潮流[4]。G值平均值为0.205，大于0.04，表明该海域浅水分潮的影响较大。图中显示近岸区域有处异常大值，可能是由于地波雷达在此处出现较大误差，或者是该区域的地形比较特殊[13,21]。

a)F值分布

3.2.4半日分潮潮流椭圆

因为连云港近岸区域潮流特征为半日分潮，所以选取M2、S2、MKS2作为代表分潮来表征该区域的潮流特征(图5)。潮流椭圆形状越圆，其旋转性越强；反之，其往复性越强。

a)M2分潮潮流椭圆

a)M2分潮西侧的潮流椭圆以顺时针为主，东侧的潮汐椭圆以逆时针为主，在两者交界处的潮流椭圆长轴较小且较为扁平，往两侧呈现长轴增加、潮流椭圆的旋转率增大。靠近海岸的潮流椭圆极其扁平，为往复流的趋势，远离海岸东侧的椭圆旋转率大一些，表明由岸向海往复流趋势减弱。M2分潮的潮流椭圆的长轴平均值为44.34 cm/s。

b)S2分潮的潮流椭圆以逆时针方向为主，少数为顺时针方向。潮流椭圆基本为扁平的椭圆，长轴较长；少数位于东侧的潮流椭圆旋转率较大，但长轴较短。S2分潮的潮流椭圆的长轴平均值为11.71 cm/s。

c)MKS2分潮的潮汐椭圆以逆时针为主，整体表现为扁平状。东侧的潮流椭圆比西侧的更为圆润，长轴更长。MKS2分潮的潮流椭圆的长轴平均值为12.85 cm/s。MKS2分潮与S2分潮潮流椭圆特征相近，但其往复流的趋势会比S2分潮弱一些。

3.2.5潮流运动形式

为探究潮流运动形态及空间特征，分别计算M2、S2、MKS2分潮的旋转率K，其计算公式为：

(4)

一般来说，|K|>0.25时表示潮流有很强的旋转性，为旋转流；|K|<0.25时，潮流主要集中在涨潮、落潮的方向上，为往复流；K>0其流向为顺时针，K<0其流向为逆时针[32]。

M2分潮的K值在-0.6～0.4，东侧K值最高达0.4，呈现较强的往复性(图6)。西北区域和正南区域K为负值，潮流椭圆为逆时针旋转，其余区域为正值，为顺时针旋转。

a)M2分潮旋转率

S2分潮的K值较低，主要在-0.1～0.2，有很强的往复性。大部分区域的K值大于零，为逆时针旋转。

MKS2分潮的西侧区域K值较低，在0左右，有较强的往复性，在东侧区域K值逐渐变大到2，往复性逐渐减弱，旋转性逐渐增强。大部分区域的K值大于零，其流向为逆时针旋转。

综上可知，在近岸区域潮流属于往复流，随着离岸距离的增加，K值增加，有从往复流向旋转流转变的趋势。

3.3 空间最大流速

为给近岸或海上工程设施安全提供参考，对326个高密度观测点分别求全年实测流速的最大值，分布见图7。可知，实测最大流速介于100 ～199 cm/s之间，且主要在秋冬季节，占比为287/326；空间上有一定差异但不明显，在最东侧、最西侧以及近岸区域的流速会相对大一些；根据流向可将区域划分为四大区域，离岸较远的西北区域指向东—东北，离岸远的东北区域流向基本指向西北，东南区域指向东南，近岸区域的流向垂直于海岸线。

图7 研究区域冬季实测最大流速矢量

离岸较远的区域可能是由于海底地形的影响，最大流速的指向与地形等高线近似平行，北部区域地形为水下浅滩，较为平坦，潮流流速较平稳[11]，而近岸的海流由于近岸的折射效应，潮流基本垂直于海岸线方向。

3.4 海表流场季节性特征

本文将海流数据划分为春夏秋冬，春季为3—5月，夏季为6—8月，秋季为9—11月，冬季为1—2月，分别探讨4个季节的海流流速大小及其分布特点。

首先，选取属于3、4、5三个月份的海流数据，计算空间各点的海表流平均值；然后，比较并选取空间上海表流最大值，并找出最大值所在位置；夏季、秋季、冬季按相同方法选取并计算。为保持分析数据的连续性，冬季选取的月份为1、2月，结果见表2、图8。

表2 4个季节海流流速的特征值

a)春季

由于对海表流在四个季节的平均处理近似于计算欧拉余流，因此，四个季节的平均海表流流速值较小。春季空间平均海流流速最大值为6.49 cm/s，其空间点位于119.73° E、34.59° N，平均值为3.11 cm/s。其流速大小的空间差异不大，高密度点区域的平均流向基本为北向流动。在120.15° E西侧基本向西偏转，在120.15° E东侧主要向东偏转，流速矢量场具有逆时针旋转的趋势，在四个季节当中春季的平均海表流流速最小。

夏季在时间上的平均海流流速最大值为10.39 cm/s，其空间点位于120.39° E、34.74° N，平均值为3.33 cm/s，流向角主要在0～90°之间。在120.13° E可将区域划分为东西2个区域，西侧区域的流速较小，有的空间点的流速甚至趋近于0，流向以东北和南向为主；东侧的流速较大，流向以东北向为主，可能与夏季径流量较大和复杂地形相关[34]。

秋季在时间上的平均海流流速最大值为9.47 cm/s，位于119.97° E、34.83° N，平均值为3.72 cm/s。在34.67° N可将区域划分为南北2个区域，北侧区域的流速较大，流向偏向西—西南；南侧区域的整体流速较小，其中近岸的流速相对较大，流向主要垂直于海岸线方向。

冬季在时间上的平均海流流速的最大值为6.65 cm/s，位于119.82° E，34.59° N，平均值为4.15 cm/s。西侧平均流速大小大于东侧，但流速大小在空间上的差异不显著，流向角的范围主要为270～360°，流速矢量场具有逆时针旋转的趋势，可能与冬季强劲的偏北风有关[35]。

3.5 最大可能流速

在以潮动力和风应力为海流主要驱动因素的近岸区域，海表流的实际流速主要受到潮流和风的影响，计算时需将两者进行叠加。求得潮流最大可能流速对港口工程实际应用十分重要。根据《港口工程技术规范》的规定，规则半日潮流区的最大可能潮流流速、规则全日潮流区的最大可能潮流流速分别按照式(5)、(6)计算：

(5)

(6)

连云港近岸区域属于规则半日潮流区域，采用式(5)进行计算，计算结果见图9。最大可能流速大小在44～158 cm/s之间，平均值为89 cm/s，近岸区域的流速值大于离岸区域，流速大小由东南向西北减弱，流速方向为垂直于海岸线指向外海。由图可知最大可能流速的分布与M2分潮的潮流运动形式有一定相关性，旋转流区域的流速值大于往复流区域。另外，近岸区域出现的高于周围区域的最大可能流速可能与离岸距离或是海域特殊地形有关系，该地的水深小于5 m，等深线密集分布，水深变化梯度大，产生更大的流速。

图9 最大可能潮流流速分布

4 结语

本文通过对2019年1—12月连云港近岸区域的高频地波雷达海表流观测资料进行时空特征分析，得到结论如下。

a)准调和分析结果表明潮流运动类型为规则半日潮流，浅水分潮影响较大。其潮流运动形式有一定的差异，靠近海岸一侧基本呈现往复流，流向为西南—东北向，涨潮落潮流向比较集中；潮流从近岸往外海的变化趋势是旋转流趋势增强，往复流趋势减弱，在研究区域西部，M2分潮潮流椭圆流向主要为顺时针，S2和MKS2分潮潮流椭圆的主要流向为逆时针；M2分潮潮流椭圆长轴平均矢量为44.34 cm/s，S2分潮为11.71 cm/s，MKS2分潮为12.85 cm/s。

b)海表流实测最大流速大小介于100～199 cm/s之间，主要在秋冬季节，空间上差异不明显；近岸区域流向垂直于海岸线，离岸远的区域以西北、东南向为主。

c)四季平均的海表流流场时空变化特征差异显著，4个季节的流速矢量场分布各异，整体上具有逆时针旋转的趋势；春、夏、秋、冬季节的平均流速大小分别为3.11、3.33、3.72、4.15 cm/s。

d)该海域最大可能流速大小在44～158 cm/s之间，平均值为89 cm/s。在空间分布上近岸区域的流速大小大于离岸区域，其方向为垂直于海岸线方向。流速大小由东南向西北减弱，流速方向为垂直于海岸线指向外海。