基于長期觀測的遼東灣口東部海域水動力特征研究

趙騫，王夢佳，丁德文，陳偉斌

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基于長期觀測的遼東灣口東部海域水動力特征研究

趙騫1，2，王夢佳3，1，丁德文2，陳偉斌1

(1.國家海洋環境監測中心 海洋動力室，遼寧 大連 116023；2.國家海洋局第一海洋研究所 海島海洋帶研究中心，山東 青島 266061；3.上海海洋大學 海洋科學學院，上海 201306)

摘要：遼東灣口東部海域是遼東灣與渤海中部進行物質和能量交換的主要通道之一。本文利用坐底式海床基平臺獲取的近8個月的水動力連續觀測資料，通過譜分析和調和分析方法對該海域的潮汐、潮流特征進行分析，并討論了余流及底層溫度的季節變化規律。研究結果表明：該海域潮汐屬于不規則半日潮，平均潮差為0.95 m，最大可能潮差為2.27 m。潮流屬于不規則半日潮流，M2分潮流為其優勢分潮流。主要分潮流運動形式為往復流，最大流速方向為西南-東北向。余流的季節性特征較為明顯：秋季，余流流速在中層達到最大，流向以西南向為主；冬季，余流流速垂向變化較小，并呈西南偏西向流動；春季，流速隨深度增加而減小，流向從表層至底層呈現逆時針旋轉的特征。受底層潮流、水平溫度梯度及海面溫度日變化的影響，底層溫度表現出短期的高頻變化特征：秋季，短期振蕩以半日周期信號為主；冬季，全日周期信號較為顯著；春季，短期振蕩的現象較弱。

關鍵詞：遼東灣；潮流；余流；底層溫度；譜分析；調和分析

1引言

遼東灣是渤海的三大海灣之一，也是我國緯度最高的海灣，灣內流動受外海流系、季風及徑流的影響。遼東灣承載著來自遼寧省沿岸及遼河流域的入海污染物，受冷空氣的影響，每年深秋至翌年初春有季節性海冰生成。研究遼東灣環流的時空結構，不僅有助于豐富對渤海環流的認識，為渤海及遼東灣海洋環境綜合防治提供科學依據；也對完善海冰模型的動力學機制，開展海冰防災減災具有重要意義[1]。

有關遼東灣環流的研究，最初來自1958-1960年全國海洋綜合調查的結果。趙保仁等[2]通過對觀測資料的再分析認為，調查期間的遼東灣環流除1959年8月表現為逆時針環流外，其他時間均表現為順時針形態，并可從遼東灣底質分布特征中得到進一步驗證。20世紀80年代中后期，隨著遼東灣沿岸海洋開發活動的逐步增多，在遼東灣近岸海域開展了一系列多船海流觀測[3—5]，此外也基于石油平臺對遼東灣中南部和渤海中部的海流開展連續觀測[6—7]，得到了遼東灣局部海域的海流特征。除了上述基于歐拉觀點的測流方法外，江文勝等[8]采用在渤海底層投放人工水母的方法來研究渤海環流，結果表明夏季遼東灣底部存在一逆時針環流。但總的來說，對遼東灣的環流還未形成一致的結論。

近年來，基于聲學多普勒原理的測流技術被逐步引入到近岸海洋環境觀測中[9—10]；研究人員亦設計了一系列防拖網的海床基以保障近岸海流觀測更安全、長期的實施[11]。但迄今為止該項技術在遼東灣還應用較少，僅在金普灣開展了春季為期半個月的應用[12]。本文利用遼東灣口東部海域海床基平臺獲得的近8個月的水動力連續觀測資料，分析了該海域的潮汐、潮流特征，并進一步闡明不同季節的余流特征及底層溫度的變化規律和影響機制，從而為渤海環流及長期物質輸運研究提供參考。

2資料來源

2010年9月至2011年4月期間，在遼東灣口東部海域開展了基于坐底式海床基平臺的長期連續觀測，觀測點距大連西部海岸約14 km，平均水深約為34.7 m(圖1)，觀測儀器包括一臺WHS 600 kHz的聲學多普勒海流剖面儀(ADCP)和一臺溫鹽儀。其中，ADCP用于測量水位、垂向剖面流速和流向，其聲學換能器距海底約為0.5 m，向上發射聲波脈沖，深度單元長度為1 m，采樣時間間隔為30 min；考慮到ADCP換能區高度及觀測底盲區等因素，實測海流最底層距海底約2.61 m；ADCP的壓力傳感器在監測海流時同步測量水位變化，采樣時間間隔為30 min。溫鹽儀用于觀測海底溫度，其放置深度距海底約0.5 m，采樣時間間隔與ADCP一致。儀器回收后，經信號轉化處理和數據質量控制，共獲得近8個月的水位、海流剖面和底層溫度連續觀測資料。

圖1　觀測站位及周邊海域地形Fig.1　Observed station and topography of surrounding sea area

3結果與討論

3.1潮汐

3.1.1潮汐功率譜

從觀測點近8個月的海面高度變化可以看出(圖2a)，海面高度的振動幅度較為平穩，基本在平均海面上下1 m內振動，少數情況下振幅可達1.5 m左右，說明觀測期間遼東灣口海域的潮差較小。潮汐功率譜的分析結果表明(圖2b)，在頻率小于0.1周/h頻段內的能量較大，半日周期(M2、S2)和全日周期(K1、O1)處的峰值明顯。其中，最大峰值對應著周期為12.42 h的M2半日分潮，次峰值對應著周期為23.93 h的K1全日分潮。此外，在1/3 d、1/4 d、1/5 d和1/6 d的潮頻率處也存在著較為明顯的峰值，但其能量相比半日潮和全日潮小的多。

3.1.2潮汐調和分析

利用Pawlowicz等[13]提供的MATLAB程序包T_TIDE V1.3對上述海面高度資料進行調和分析，并選取全日分潮(O1、K1)、半日分潮(M2、S2)和淺水分潮(M4、MS4)的調和常數列于表1?？梢钥闯?，M2分潮的振幅最大，為0.435 m；K1分潮次之，為0.216 m；O1分潮和S2分潮的振幅較小，分別為0.174 m和0.152 m；而淺水分潮M4和MS4的振幅僅為0.018 m和0.014 m。本文調和常數的計算結果與歷史資料[14]相比存在一定差異，其中，M2分潮振幅相差0.085 m，遲角相差12°；K1分潮振幅相差0.021 m，遲角相差4.5°，其原因是該點調和常數的歷史資料來自潮汐模型再分析結果，而本文的計算結果來自長期觀測數據。另外，根據潮汐類型的分類法[15]，計算(HK1+HO1)/HM2值為0.90，表明該海域潮汐屬于不規則半日潮型。

圖2　海面高度變化(a)及功率譜(b)Fig.2　Sea surface height variation (a) and its power spectrum(b)

根據潮汐調和常數，可以近似計算出平均潮差和最大可能潮差。因遼東灣頂部海域屬于不規則半日潮海區，平均潮差和最大可能潮差按公式

(1)

和

(2)

計算[16]，由此可以得出：該海域平均潮差為0.95 m，最大可能潮差為2.27 m。

表1　潮汐調和常數

3.2海流

3.2.1海流矢量旋轉譜

為了研究觀測期間遼東灣口東部海域海流隨頻率的變化特性，計算了各層海流矢量的旋轉譜(圖3)。由圖可見，各層海流矢量旋轉譜中都存在顯著的潮周期譜峰，且半日周期成分對應的峰值大于全日周期成分的峰值。對于半日周期，表層和中層的順時針譜峰高于逆時針譜峰，而底層則相反；對于全日周期，表層的順時針譜峰高于逆時針譜峰，中層兩者譜峰基本相同，而底層表現為逆時針譜峰更高的情況?？梢?，該海域海流的能量主要集中于半日和全日周期處；垂向上，半日分潮流在中上層按順時針方向旋轉，在底層則按逆時針方向旋轉；全日分潮流在表層按順時針方向旋轉，在中層順時針與逆時針旋轉分量大小相當，在底層則按逆時針方向旋轉。此外，由于觀測地點水深相對較淺且離岸較近，對應著局地慣性振動的周期為19.1 h的譜峰并不明顯。

圖3　海流矢量旋轉譜Fig.3　Rotation spectrum of current vectora.表層，b.中層，c.底層；紅色實線代表逆時針，藍色虛線代表順時針a.Surface layer，b.middle layer，c.bottom layer；the red solid curve represents counter-clockwise，blue dashed curve represents clockwise

3.2.2潮流橢圓及特征值

對遼東灣口東部海域實測海流資料進行潮流調和分析，并根據相關公式[15]計算得到O1、K1、M2、S2四個主要分潮的橢圓要素(表2)。結果表明，M2分潮流是該海域優勢分潮流，其最大流速表層可達53.54 cm/s，中層略小，為52.22 cm/s，底層最小，為37.75 cm/s；其次為K1分潮流，表層、中層和底層的最大流速分別為26.17 cm/s、23.88 cm/s和16.66 cm/s；O1和S2分潮流相對較小，最大流速表層分別為20.68 cm/s和17.03 cm/s，中層分別為17.96 cm/s和16.16 cm/s，底層為11.97 cm/s和11.38 cm/s。垂向上，4個主要分潮流的最大流速整體上表現為從表層至底層遞減的趨勢，且越靠近海底減小的趨勢越明顯，這可能是因為海底的摩擦作用所致。

旋轉率k又稱為橢圓率，是潮流運動形式的反映。當k>0時，潮流呈逆時針方向旋轉；反之呈順時針方向旋轉。習慣上，定義當|k|<0.22時為往復流，|k|>0.22時為旋轉流。從表2和圖4可以看出，表層O1、K1、M2和S2分潮流的旋轉率都為負值，且旋轉率的絕對值小于0.1，說明各分潮流均按順時針方向旋轉且呈現往復流特征；中層M2和S2分潮流的旋轉率為負值，分別為-0.032、-0.019，雖然O1分潮流的旋轉率也為負值，但接近于0，而K1分潮流的旋轉率為正值且幾乎為0，說明各分潮流均呈現往復流特征，且M2、S2和O1分潮流按順時針方向旋轉，而K1分潮流按逆時針方向旋轉；底層各分潮流的旋轉率又都轉為正值，但旋轉率絕對值都小于0.13，因此各分潮流均按逆時針方向旋轉且仍呈現往復流特征?？偟膩碚f，各分潮流的旋轉率絕對值都小于0.22，因此都為往復流型；旋轉率隨深度的增加而增大，表現為在中層以上，各分潮流的潮流橢圓隨深度增加越來越扁，且旋轉方向基本為順時針；而在中層以下，各分潮流的潮流橢圓又越來越圓，且旋轉方向轉為逆時針為主，基本與Fang和Ichiye[17]的研究結果相吻合。

各分潮流的最大流速方向基本為偏東北-西南向，但存在一定的垂向差異。其中，半日分潮流最大流速方向的垂向變化較小，偏轉不超過2°；全日分潮流最大流速方向的垂向變化相對較大，隨著深度增加向左偏，K1和O1的方向改變量分別為7.15°和11.08°。根據相關研究[17]可知，分潮流最大流速方向的垂向變化取決于分潮角頻率σ和科氏參量f，當σf時，變動較小，本文全日分潮流和半日分潮流最大流速方向的垂向變化趨勢也符合這一規律。

根據潮流類型的分類法，計算表層、中層和底層的(WK1+WO1)/WM2值分別為0.88、0.80和0.76，由此可以判斷該海域潮流屬于不規則半日潮流型。根據《海港水文規范》[18]計算得到本海域表層、中層和底層的最大可能流速分別為142.37 cm/s、132.62 cm/s和91.56 cm/s，最大可能流速方向分別為28.72°、28.21°和6.42°，由計算結果可知該海域流速較大，屬于強潮流區。

表2　潮流橢圓要素

圖4　 潮流橢圓垂向分布Fig.4　Vertical distributions of tidal current ellipse從上行到下行分別為表層、中層和底層的潮流橢圓；虛線代表順時針旋轉，實線代表逆時針旋轉Ellipses of tidal currents in surface layer，middle layer and bottom layer，respectively，from top to bottom；dashed line represents clockwise rotation，solid line represents counter-clockwise rotation

3.2.3余流

實測海流可分成三部分：

(3)

其中，VTotal代表實測海流；VTidal代表潮致海流部分(SNR>1，包括正壓和斜壓部分)；V′代表各種隨機高頻信號；VR代表余流，是實測海流中剔除周期性變化的潮流及隨機信號后得到的海水低頻流動，它對物質的長期輸運和擴散具有重要作用。對于不含潮部分VR+V′，我們通過低通濾波或時段平均的方式獲得各種意義下的余流。

將海流的不含潮部分進行25 h的滑動平均，得到各層日平均余流的時間序列(圖5)?？梢钥闯?，表、中、底三層余流的u和v分量均表現出一定的隨機性，即在0值附近上下擺動；其合成流速也表現出一定的波動性，秋冬季較大(最大流速大于13 cm/s)，春季較小(最大流速約為9 cm/s)，且表層和中層值大于底層。將海流的不含潮部分按秋季(9-11月)、冬季(12-2月)和春季(3-4月)進行平均，得到海面以下5 m處至近海底(海面以下約32 m)季節平均意義下的余流(圖6)。結果表明，2010年秋季，余流方向基本為偏西南向，表現出離岸流的特征，且從表層至中層呈順時針旋轉，中層至底層呈逆時針旋轉；流速從表層至中層明顯增大，最大流速達到4.1 cm/s，從中層到底層的過程中，由于海底摩擦作用的加大，流速在近底層減小至1.5 cm/s以下。2010年冬季，余流方向主要集中在西南偏西向，并且在5～10 m水層之間呈明顯的逆時針旋轉，而在10 m層以下表現為一定的順時針流動，最后在近底層趨于正西向；余流流速從表層至底層的變化幅度較小，范圍介于2.5～3.5 cm/s之間。數值模擬的結果表明，冬季金州灣存在一順時針渦旋[19]，本文的觀測點位于該渦旋南部，余流向西指向渤海中部海域，這與模擬結果較為吻合。2011年春季，表層余流受偏南風的影響，呈西北偏西向流動，隨著深度增加，余流方向發生顯著改變，至水深11 m處開始轉向西偏南向，隨后在水深24 m處轉為南向，最后至近底層海流呈偏東南向流動；流速從表層至近底層表現為減小的趨勢，最大流速為3.4 cm/s，最小流速為2.4 cm/s。

總體而言，該海域季節平均的余流流速較小，其量值僅為M2優勢分潮流最大流速的1/10左右，這與鄰近金普灣海域的余流觀測結果一致[12]。余流方向和垂向結構的季節性差異十分明顯，其中冬季由于海水垂向混合均勻，正壓效應明顯，余流流速和流向的垂向差異較??；而春秋季海水的斜壓效應明顯，余流的垂向變化較大。從本文的研究結果可以推測：遼東灣的順時針環流系統[2]在秋冬季是存在的，但其流速較??；而春季只存在于中層。

圖5　余流時間序列Fig.5　Time series of residual currenta.表層，b.中層，c.底層；黑線、紅線和藍線分別代表余流流速、流速東分量和流速北分量a.Surface layer，b.middle layer，c.bottom layer；the black，red and blue line denote velocity，east component of velocity and north component of velocity of the residual current respectively

圖6　季節平均余流的垂向分布Fig.6　Vertical distribution of seasonal mean residual current

3.3底層溫度

在海流分析的基礎上，本文進一步分析了遼東灣口東部海域底層溫度的變化特征?？梢钥闯觯撼嬖陲@著的季節性變化趨勢外，底層溫度還表現出明顯的日變化特征，但其變化規律與海面溫度的日變化并不一致(圖7)。底層溫度功率譜(圖8)的分析結果表明，冬季功率譜的平均能量最大，秋季次之，春季最小，對應著底層溫度的季節性變化趨勢及強度。底層溫度的變化表現出明顯的半日和全日周期振動信號，明顯的譜峰均出現在頻率0.081 cph、0.039 cph和0.042 cph附近，對應著M2半日分潮、O1和K1全日分潮。從各季節來看，秋季M2半日分潮的峰值明顯大于全日分潮，此時底層溫度主要表現出半日周期振蕩的特征；冬季，K1全日分潮的峰值稍大于M2半日分潮的峰值，底層溫度兼具半日和全日周期振蕩的特征，且全日周期振蕩更為明顯；春季，譜峰特征相對較弱，但仍可以看出底層溫度具備半日周期振蕩的特征。

出現上述現象的原因是：秋季(特別是9月)，該海域海底溫度仍保留著夏季的分布特征，溫度水平梯度較大且南北向梯度大于東西向[14]，潮流南北運移所引起的熱量輸運對局地溫度的影響較大。由前文分析可知底層潮流以M2分潮為主(最大流速為37.75 cm/s)，因此秋季海底溫度的日變化表現出半日周期為主的信號。冬季，海底溫度水平梯度較小，潮流南北運移對局地溫度的影響有所減弱，因此冬季半日周期信號的譜峰略小于秋季結果；另一方面，冬季海水垂向混合均勻，海底溫度受海面氣溫周日變化的影響程度增大，所以表現出較強的全日周期信號。春季，隨著氣溫逐步升高表層海水亦開始升溫，海水的垂向混合作用減弱，從而導致海底溫度受海面氣溫周日變化的影響有所減??；此時海底溫度保留著冬季的分布特征，水平梯度亦較小，導致全日與半日周期振動信號均有所減弱。

圖7　底層溫度季節變化與對應季節平均的日變化Fig.7　Seasonal variation of bottom temperature and average diurnal variation for different seasonsa，b，c分別代表秋季、冬季和春季實測底層溫度的變化；d，e，f分別代表秋季、冬季和春季經季節平均后的底層溫度日變化a，b，c represents the variation of observed bottom temperature in autumn，winter and spring，respectively；d，e and f represents seasonal-averaged diurnal variation of bottom temperature in autumn，winter and spring，respectively

圖8　底層溫度功率譜Fig.8　Power spectrum of bottom temperature

4結論

通過對遼東灣口東部海域近8個月的連續水位、海流和底層溫度觀測資料進行分析，得到如下結論：

(1)潮汐屬于不規則半日潮，具有顯著的半日周期和全日周期振動，潮差較小，平均潮差為0.95 m，最大可能潮差為2.27 m。

(2)垂向各層潮流均為不規則半日潮流，且M2分潮流最為顯著，K1分潮流次之。各分潮流最大流速方向基本為西南-東北向，潮流呈現往復流特征，與遼東灣口東部沿岸平行，旋轉率隨深度的增加而增大，半日分潮流在中上層以上為順時針旋轉，靠近底層時呈現逆時針旋轉，全日分潮流在表層至中層過程中逐漸由順時針旋轉轉為往復運動，靠近底層時又轉為逆時針旋轉。半日分潮流的最大流速方向的垂直變化較小，底層比表層略為偏右；而全日分潮流的最大流速方向的垂直變化較大，其中，O1分潮流底層的最大流速方向比表層向左偏轉了11.08°。最大可能流速介于91～143 cm/s，流速較大，屬于強潮流區。

(3)垂向各層余流分布存在顯著的季節變化特征。2010年秋季，余流以西南向流動為主，流速值隨深度的增加先增大后減小，在中層達到最大值；2010年冬季，余流流速垂向變化很小，呈西南偏西向流動。

2011年春季，流速隨深度增加表現為減小的趨勢，流向從表層至底層表現逆時針旋轉的特征。研究結果表明遼東灣的順時針環流系統在秋冬季是存在的，但其流速較??；而春季只在中層存在。

(4)底層溫度除存在顯著的季節性變化趨勢外，還表現出短期的高頻變化特征。底層溫度的短期振蕩受潮流、水平溫度梯度及海面溫度變化三重因素的影響：秋季，以半日周期為主；冬季，全日周期較為顯著；春季，短期振蕩現象較弱。

由于本次海床基觀測持續至2011年4月底結束，因此我們無法對該海域5-8月的水動力特征進行分析。今后應在該海域重點開展夏半年的長期連續觀測，以完善對遼東灣口水動力季節變化特征的認識。

致謝：在論文寫作過程中香港科技大學劉志強博士給予了啟發性的建議；審稿專家對本文初稿提出了建設性的意見。謹致謝忱！

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收稿日期：2015-02-04；

修訂日期：2015-06-20。

基金項目：海洋公益性行業科研專項(201005008，201305043)；國家海洋局近岸海域生態環境重點實驗室開放研究基金(201207)。

作者簡介：趙騫(1978—)，男，江蘇省蘇州市人，副研究員，主要從事近海環境動力學研究。E-mail:qzhao@nmemc.org.cn

中圖分類號:P736.2

文獻標志碼：A

文章編號：0253-4193(2016)01-0020-11

Study on hydrodynamic characteristics in the eastern part of Liaodong Bay Mouth based on long-term observation

Zhao Qian1，2，Wang Mengjia3，1，Ding Dewen2，Chen Weibin1

(1.DivisionofMarineDynamics，NationalMarineEnvironmentalMonitoringCenter，Dalian116023，China; 2.ResearchCenterforIslandandCoastZone，TheFirstInstituteofOceanography，StateOceanicAdministration，Qingdao266061，China; 3.CollegeofMarineSciences，ShanghaiOceanUniversity，Shanghai201306，China)

Abstract:The sea area in the eastern part of Liaodong Bay Mouth is a key passage through which the mass and energy are exchanged between the Liaodong Bay and the central Bohai Sea. In this paper，based on the eight-month continuous observed data obtained from the seabed based platform，we firstly analyzed the characteristics of tide and tidal current，and then discussed the seasonal variation regularities of residual current and sea bottom temperature in the sea area by means of spectral and harmonic analysis. The results were shown as follows: the tide in the sea area was an irregular semi-diurnal one with the mean tidal range 0.95 m and the maximum possible tidal range 2.27 m，respectively. The tidal current was an irregular semi-diurnal one，and the M2 tidal current constituent was dominant. The motion type of the principle tidal current constituents was rectilinear，with the maximum tidal velocity in the direction of southwest-northeast. The residual current showed remarkable seasonal features. In autumn，the residual current flowed southwestward and showed a parabolic-shaped profile，with the maximum velocity observed in the mid-layer. In winter，the residual current flowed in the direction of west-southwest with little variability of velocity in vertical. In spring，the residual current，showing a cyclonic spiral，was weakened from the surface to the bottom layers. Affected by tidal current，horizontal temperature gradient in the sea bottom and diurnal variation of SST，the high-frequency variation of bottom temperature was observed in the bottom layer. In autumn，the signal of semi-diurnal period was dominant，whereas in winter the signal of diurnal period was notable. These pulses of short-term variability were considerably suppressed in spring．

Key words:Liaodong Bay; tidal current; residual current; bottom temperature; spectral analysis; harmonic analysis

趙騫，王夢佳，丁德文，等. 基于長期觀測的遼東灣口東部海域水動力特征研究[J]. 海洋學報，2016，38(1): 20-30，doi:10.3969/j.issn.0253-4193.2016.01.003

Zhao Qian，Wang Mengjia，Ding Dewen，et al. Study on hydrodynamic characteristics in the eastern part of Liaodong Bay Mouth based on long-term observation[J]. Haiyang Xuebao，2016，38(1): 20-30，doi:10.3969/j.issn.0253-4193.2016.01.003