胡羅煜, 翟方國(guó), 劉子洲, 李培良, 顧艷鎮(zhèn), 孫利元, 李 欣, 陳 棟, 姜慶巖

山東半島東北部海洋牧場(chǎng)海域冬季海水流動(dòng)的時(shí)空分布特征

胡羅煜1, 翟方國(guó)1, 劉子洲1, 李培良2, 顧艷鎮(zhèn)1, 孫利元3, 李 欣1, 陳 棟2, 姜慶巖2

(1. 中國(guó)海洋大學(xué) 海洋與大氣學(xué)院, 山東 青島 266100; 2. 浙江大學(xué) 海洋學(xué)院, 浙江 舟山 316021; 3. 山東省水生生物資源養(yǎng)護(hù)管理中心, 山東 煙臺(tái) 264003)

為豐富山東半島近岸海洋牧場(chǎng)海域水動(dòng)力環(huán)境研究, 本文利用2019年12月3日至2020年1月1日在山東半島東北部4個(gè)海洋牧場(chǎng)獲取的海流資料, 應(yīng)用功率譜分析、調(diào)和分析、余流主軸分析和相關(guān)分析, 探討冬季各海洋牧場(chǎng)的潮流、余流特征及其影響機(jī)制。結(jié)果表明: (1) 各海洋牧場(chǎng)潮流由M2分潮潮流主導(dǎo), 受地形邊界限制, 各主要分潮潮流均為往復(fù)流, 且潮流橢圓主軸平行岸線(xiàn)。(2) 不同海洋牧場(chǎng)呈現(xiàn)不同的余流特征和影響機(jī)制。煙臺(tái)安源海洋牧場(chǎng)余流大致垂直于岸線(xiàn)流向近岸, 平均流速約為0.9~1.7 cm/s; 日平均流以經(jīng)向流為主, 與經(jīng)向風(fēng)呈顯著正相關(guān), 海水受北風(fēng)強(qiáng)迫在近岸堆積。威海瑜泰海洋牧場(chǎng)余流大致垂直于岸線(xiàn)流向外海, 平均流速約為1.4~1.7 cm/s; 日平均流亦以經(jīng)向流為主, 與經(jīng)向風(fēng)呈顯著負(fù)相關(guān), 表層海水受北風(fēng)強(qiáng)迫向近岸堆積, 在近岸產(chǎn)生下降流, 海面以下存在北向的離岸流。威海西港海洋牧場(chǎng)余流為東南向, 平均流速約為2.5~3.0 cm/s, 日平均流具有較為顯著的正壓性。榮成楮島海洋牧場(chǎng)余流為東北向, 平均流流速約為5.6~9.9 cm/s, 日平均流表明海水沿桑溝灣南岸流出海灣, 推測(cè)桑溝灣海水在灣內(nèi)逆時(shí)針流動(dòng)。研究成果利于進(jìn)一步研究山東半島鄰近海域動(dòng)力環(huán)境的多尺度時(shí)空變化特征及其影響機(jī)制。

海洋牧場(chǎng); 潮流; 余流; 山東沿岸

隨著海產(chǎn)品市場(chǎng)需求的增長(zhǎng), 傳統(tǒng)的掠奪式的沿岸海水養(yǎng)殖業(yè)過(guò)度膨脹, 產(chǎn)生了漁業(yè)種群?jiǎn)我换?、個(gè)體小型化以及沿海海域水質(zhì)污染等副作用, 這種水產(chǎn)模式無(wú)法保證海洋漁業(yè)的可持續(xù)發(fā)展和人們對(duì)海產(chǎn)品的需求[1]。針對(duì)這些問(wèn)題, 海洋科學(xué)家們提出建設(shè)“海洋牧場(chǎng)”方案。自1980年來(lái), 隨著人工魚(yú)礁、增殖放流、魚(yú)類(lèi)馴化等技術(shù)的實(shí)施, 這種新型海水養(yǎng)殖產(chǎn)業(yè)模式, 已經(jīng)被證實(shí)在集魚(yú), 提高生物多樣性, 改善水質(zhì)、營(yíng)養(yǎng)鹽結(jié)構(gòu)等方面取得成效[2]。海洋牧場(chǎng)的建設(shè)可以提高海域的水產(chǎn)生物養(yǎng)殖容量, 這與海域營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)含量的調(diào)整、碳匯能力的提高有關(guān), 后者的改變?cè)从诤Ｓ蛉~綠素、溶解氧等物質(zhì)分布的變化, 而海域物質(zhì)分布與水動(dòng)力環(huán)境息息相關(guān)。已有大量研究討論海流和不同海域生態(tài)系統(tǒng)的相互調(diào)控作用: 在肯尼亞的加茲灣, 潮汐不對(duì)稱(chēng)性導(dǎo)致的水體交換促進(jìn)河口、海灣與外海營(yíng)養(yǎng)物的交換[3]; 在日本東北部海岸, 諸多海灣與北太平洋進(jìn)行水交換, 此處養(yǎng)殖業(yè)、近海商業(yè)性捕撈業(yè)十分繁榮[4]; 在福建三沙灣, 箱式養(yǎng)殖設(shè)備減少養(yǎng)殖水域的流量并增強(qiáng)養(yǎng)殖水域之間水道的流量, 研究表明一定程度的改變網(wǎng)箱布局可以改善三沙灣水交換能力[5];在山東半島東部桑溝灣, 樊星等運(yùn)用10 d海流資料, 結(jié)合雙阻力模型, 討論了夏季桑溝灣因水產(chǎn)養(yǎng)殖產(chǎn)生的海面邊界層現(xiàn)象, 以及邊界層對(duì)潮流的影響[6]。山東周邊的海洋牧場(chǎng)建設(shè)方興未艾, 因而研究海洋牧場(chǎng)海域的水動(dòng)力環(huán)境能夠?yàn)榱私鈪^(qū)域物質(zhì)分布特征, 進(jìn)而解決海洋牧場(chǎng)建設(shè)中的設(shè)施布放方案、增殖放流的選址與放流數(shù)量等難題[7]提供新思路, 可進(jìn)一步提高海洋牧場(chǎng)之于海上糧倉(cāng)建設(shè)和海洋生態(tài)可持續(xù)發(fā)展的成效。

研究海域位于山東半島東北部, 為北黃海西部陸架淺海, 水深淺、岸線(xiàn)寬廣且曲折(圖1)。在研究海域, 潮波運(yùn)動(dòng)是海水運(yùn)動(dòng)的主要形式: 在山東半島東北部, 煙臺(tái)、威海附近海域潮流流速較弱, 此海域位于流場(chǎng)的輻合、輻散區(qū)[8]; 漲潮時(shí), 海水自北黃海向渤海、南黃海流動(dòng), 落潮時(shí)則相反[9]。山東半島東北部不同海域潮流運(yùn)動(dòng)特征不同。例如, 在山東半島北部, 威海灣灣口與灣內(nèi)潮流橢圓有較大差異[10]; 在山東半島東部的成山頭近海, 潮流方向則幾乎與岸線(xiàn)平行[11]; 潮流與地形相互作用則可能產(chǎn)生潮汐岬角鋒等復(fù)雜的潮致流[12]。冬季山東半島東北部存在一支較為穩(wěn)定的流, 即魯北沿岸流。冬季北風(fēng)作用下, 沿岸水在渤南近岸區(qū)域堆積, 因而在山東半島北部海域, 西側(cè)水位相對(duì)較高, 驅(qū)動(dòng)沿岸水向東流動(dòng), 在成山頭外海轉(zhuǎn)向南流[13](圖1a), 魯北沿岸流攜帶懸浮物質(zhì), 對(duì)沿岸地貌有一定影響[14]。山東半島東部海域動(dòng)力環(huán)境受到許多學(xué)者的關(guān)注, 王志勇等運(yùn)用2007年冬季大面積調(diào)查資料討論了山東半島東部余流特征, 余流均為南向, 成山頭以東外海的斷面余流流速接近5 cm/s, 桑溝灣東南處的斷面余流流速小于5 cm/s[15]。前人對(duì)山東周邊海域動(dòng)力機(jī)制同樣開(kāi)展了一定研究, 宋軍等對(duì)北黃海區(qū)域的潮汐過(guò)程進(jìn)行動(dòng)量分析和診斷, 結(jié)果表明在渤海海峽、成山頭海域, 動(dòng)量方程中的壓強(qiáng)梯度力項(xiàng)與局地變化項(xiàng)最顯著[16]。

圖1 研究區(qū)域與站位分布圖

注: a: 研究區(qū)域位于山東半島東北部, 其近海沿岸流為魯北沿岸流; b: 展示4海洋牧場(chǎng)的站位分布, 黑色箭頭指示桑溝灣地理位置; c—f: 海洋牧場(chǎng)海域岸線(xiàn)與10 m等深線(xiàn)分布特征, d中黑色箭頭指示雙島港地理位置, 水深數(shù)據(jù)來(lái)自ETOPO2(https://www.ngdc.noaa. gov/mgg/global/etopo2.html), 岸線(xiàn)數(shù)據(jù)為GSHHG(http: //www.soest.hawaii.edu/pwessel/gshhg/)

前人針對(duì)北黃海流場(chǎng)特征開(kāi)展了豐富的研究, 但在近岸海域, 因船只航行、水產(chǎn)養(yǎng)殖、港工建筑等海事活動(dòng)頻繁, 中長(zhǎng)期流矢量觀測(cè)資料獲取難度大, 流場(chǎng)特征有待進(jìn)一步研究[17]?；诖? 本文利用山東半島東北部4處海洋牧場(chǎng)的聲學(xué)多普勒流速剖面儀(acoustic Doppler current profiler, ADCP)的觀測(cè)數(shù)據(jù), 對(duì)近岸淺海海水流動(dòng)進(jìn)行分析, 綜合討論了主要分潮潮流、月平均流、日平均流的特征, 初步討論風(fēng)、地形對(duì)海水流動(dòng)特征的影響。

1 數(shù)據(jù)和方法

本文采用自山東省海洋牧場(chǎng)觀測(cè)網(wǎng)獲取的2019年12月的海流資料。海洋牧場(chǎng)分布如圖1所示。觀測(cè)站位均位于山東半島東北部離岸3 km以?xún)?nèi)海域, 煙臺(tái)安源海洋牧場(chǎng)位于渤海海峽東部, 威海瑜泰海洋牧場(chǎng)位于威海市雙島港外海, 威海西港海洋牧場(chǎng)位于威海瑜泰海洋牧場(chǎng)東部、小石島西南, 榮成楮島海洋牧場(chǎng)位于桑溝灣南岸。海流觀測(cè)儀器為岸基有纜在線(xiàn)觀測(cè)系統(tǒng)搭載的坐底式ADCP, 儀器每小時(shí)觀測(cè)5個(gè)流速剖面, 水層采樣厚度為1 m。傳感器波束自海底向上發(fā)射, 底層流矢量數(shù)據(jù)距離海底1 m。本文根據(jù)觀測(cè)系統(tǒng)搭載的溫鹽深剖面儀(conductivity- temperature-depth, CTD)的同時(shí)期水深數(shù)據(jù), 選取海表面以下的流矢量數(shù)據(jù)進(jìn)行功率譜分析、調(diào)和分析和余流主軸分析, 探討海洋牧場(chǎng)海域海水流動(dòng)特征(表1)。

表1 海洋牧場(chǎng)數(shù)據(jù)信息

本文還采用了兩種輔助數(shù)據(jù): (1) 歐洲中期天氣預(yù)報(bào)中心(European centre for medium-range weather forecast, ECMWF)發(fā)布的10 m風(fēng)矢量數(shù)據(jù)(ERA5), 用于探究逐日風(fēng)矢量和日平均流的相關(guān)關(guān)系[18]。風(fēng)矢量資料時(shí)間范圍為2019年12月3日至2020年1月1日, 時(shí)間分辨率為1 h, 空間分辨率為0.25°×0.25°, 經(jīng)雙線(xiàn)性插值得到海洋牧場(chǎng)10 m風(fēng)矢量資料。(2) HYCOM (hybrid coordinate ocean model)再分析流場(chǎng)資料(https:// www.hycom.org/dataserver/gofs-3pt1/reanalysis), 用于討論魯北沿岸流對(duì)海洋牧場(chǎng)余流的影響機(jī)制, 時(shí)間范圍為2019年12月3日至2020年1月1日, 時(shí)間分辨率為3 h, 空間分辨率為1/12°×1/12°。

2 結(jié)果與分析

2.1 功率譜分析

對(duì)所選水層的流矢量資料進(jìn)行垂向平均, 并分別對(duì)經(jīng)向流、緯向流分量進(jìn)行功率譜分析, 得到4處海洋牧場(chǎng)的流矢量經(jīng)緯分量的功率譜, 如圖2所示。同一海洋牧場(chǎng)的經(jīng)向流、緯向流具有較為一致的顯著周期, 所有海洋牧場(chǎng)均在半日周期和全日周期對(duì)應(yīng)頻段處譜峰最大, 在1/3、1/4、1/5、1/6 d周期對(duì)應(yīng)的高頻頻段出現(xiàn)峰值, 主要為倍潮波和復(fù)合潮波。在煙臺(tái)安源海洋牧場(chǎng)、威海瑜泰海洋牧場(chǎng)、威海西港海洋牧場(chǎng), 高頻處的譜峰遠(yuǎn)小于半日周期、全日周期譜峰, 在榮成楮島海洋牧場(chǎng)高頻處譜峰峰值較高。

2.2 潮流特征

采用MATLAB的T_TIDE程序包對(duì)實(shí)測(cè)海流資料進(jìn)行潮流調(diào)和分析[19], 得到M2、S2、O1、K1主要分潮的潮流橢圓參數(shù)(表2), 圖3展示了4個(gè)海洋牧場(chǎng)表層原始流矢量和潮流調(diào)和分析重構(gòu)表層流矢量時(shí)間序列。

圖2 海流資料功率譜分析

表2 潮流調(diào)和常數(shù)表

所有牧場(chǎng)表層的M2分潮潮流橢圓主軸方向基本與岸線(xiàn)平行(圖4)。對(duì)比相同海洋牧場(chǎng)、相同水層的不同分潮潮流主軸傾角, 發(fā)現(xiàn)除威海西港海洋牧場(chǎng)表層O1、K1分潮和榮成楮島海洋牧場(chǎng)底層O1分潮外, S2、O1、K1與M2潮流橢圓主軸傾角差均不超過(guò)20°, 分潮潮流最大流速方向基本與岸線(xiàn)平行。相同海洋牧場(chǎng)、相同分潮的潮流橢圓主軸垂向分布顯示, 煙臺(tái)安源海洋牧場(chǎng)分潮潮流最大流速方向隨深度增加順時(shí)針旋轉(zhuǎn), 威海瑜泰海洋牧場(chǎng)分潮潮流最大流速方向隨深度增加逆時(shí)針旋轉(zhuǎn); 威海西港海洋牧場(chǎng)、榮成楮島海洋牧場(chǎng)分潮潮流最大流速方向隨深度的變化較為復(fù)雜, 分潮角頻率不同, 最大流速方向隨深度的變化不同。

圖3 海洋牧場(chǎng)表層流矢量時(shí)間序列

注: 黑色: 原始流矢量; 紅色: 潮流調(diào)和分析重構(gòu)流矢量

圖4 潮流橢圓分布圖

潮流調(diào)和分析表明, 4處海洋牧場(chǎng)海域均屬于半日分潮潮流主導(dǎo)的海區(qū), 且M2分潮潮流最顯著, M2分潮潮流流速最大。對(duì)比4處海洋牧場(chǎng)海域, M2、S2分潮潮流在榮成楮島海洋牧場(chǎng)流速最大, 其中M2分潮流速約為7~12 cm/s; 威海瑜泰海洋牧場(chǎng)次之, M2分潮流速約為4~8 cm/s; 煙臺(tái)安源海洋牧場(chǎng)、威海西港海洋牧場(chǎng)M2分潮流速小于2 cm/s。O1、K1分潮潮流在威海瑜泰海洋牧場(chǎng)流速最大, 其中K1分潮流速約為3~6 cm/s; 榮成楮島海洋牧場(chǎng)次之, K1分潮潮流速約為2~4 cm/s; 煙臺(tái)安源海洋牧場(chǎng)、威海西港海洋牧場(chǎng)K1分潮流速不超過(guò)1.1 cm/s。各海洋牧場(chǎng)主要分潮潮流流速均隨深度增加減小。煙臺(tái)安源海洋牧場(chǎng)、威海西港海洋牧場(chǎng)M2分潮潮流表底層流速相近。威海瑜泰海洋牧場(chǎng)、榮成楮島海洋牧場(chǎng)M2分潮潮流流速中層較表層約減少10%, 底層較表層減少40%~50%, 潮流流速垂向分布表明海底與岸基的摩擦效應(yīng)使底層潮流流速顯著減小。

潮流橢圓旋轉(zhuǎn)性如圖4所示, 煙臺(tái)安源海洋牧場(chǎng)潮流橢圓基本順時(shí)針旋轉(zhuǎn), 威海瑜泰海洋牧場(chǎng)潮流橢圓基本逆時(shí)針旋轉(zhuǎn), 威海西港海洋牧場(chǎng)、榮成楮島海洋牧場(chǎng)M2、S2半日分潮潮流基本順時(shí)針旋轉(zhuǎn), O1、K1全日分潮潮流橢圓基本逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)。海洋牧場(chǎng)潮流橢圓橢率均小于0.4, 潮流以往復(fù)運(yùn)動(dòng)形式為主。在煙臺(tái)安源海洋牧場(chǎng)、威海西港海洋牧場(chǎng)表層, M2分潮潮流橢圓橢率分別為–0.32、–0.27, M2分潮潮流旋轉(zhuǎn)性相對(duì)較強(qiáng)。潮流橢圓主軸平行于岸線(xiàn), 主要分潮最大流速隨深度增加減小, 往復(fù)運(yùn)動(dòng)的潮流特征表明4處海洋牧場(chǎng)海域潮流運(yùn)動(dòng)受地形邊界影響顯著。

2.3 平均流特征

原始流矢量剔除調(diào)和重構(gòu)流矢量后, 首先進(jìn)行48 h低通濾波, 然后進(jìn)行觀測(cè)時(shí)段平均, 得到4處海洋牧場(chǎng)海域觀測(cè)時(shí)段內(nèi)平均流(圖5)。煙臺(tái)安源海洋牧場(chǎng)平均流流速約為0.9~1.7 cm/s, 威海瑜泰海洋牧場(chǎng)平均流流速約為1.4~1.7 cm/s, 威海西港海洋牧場(chǎng)平均流流速約為2.5~3.0 cm/s, 榮成楮島海洋牧場(chǎng)平均流流速約為5.6~9.9 cm/s。自煙臺(tái)安源海洋牧場(chǎng)至榮成楮島海洋牧場(chǎng)平均流流速增大, 即在山東半島東北部海域, 位于東部的海洋牧場(chǎng)平均流流速較大。煙臺(tái)安源海洋牧場(chǎng)平均流流矢量表層為南向, 底層為西南向, 底層平均流與岸線(xiàn)幾乎垂直, 表層較底層稍向左偏, 且底層流速大于表層, 煙臺(tái)安源海洋牧場(chǎng)平均流流速與前人在相鄰海域觀測(cè)結(jié)果較為一致[20]。威海瑜泰海洋牧場(chǎng)平均流表層為東北向, 中層為北向, 底層為西北向, 平均流呈現(xiàn)海水輻散的離岸流特征, 且流速底層最大, 中層最小。在威海西港海洋牧場(chǎng), 平均流流矢量表底層幾乎一致, 為東南向, 體現(xiàn)整層水體向東南岸堆積的特征。榮成楮島海洋牧場(chǎng)表中底層平均流幾乎同為東北向, 平均流方向隨深度增加稍向?yàn)晨谥行耐莸仄D(zhuǎn), 表中層流速大小相當(dāng), 底層流速約為表層60%。

圖5 月平均流矢量圖

2.4 日平均流特征

剔除實(shí)測(cè)海流中的調(diào)和重構(gòu)分潮流并進(jìn)行24 h平均, 得到日平均流特征(圖6a)。煙臺(tái)安源海洋牧場(chǎng)日平均流東南、西南向流矢量交替出現(xiàn); 表層流矢量主要為西南向, 但東南向流速較大; 底層流矢量主要為西南向, 且底層日平均流流速?gòu)?qiáng)于表層。威海瑜泰海洋牧場(chǎng)日平均流表層主要為東北向, 中層?xùn)|北、西北流矢量交替出現(xiàn), 底層主要為西北向。威海西港海洋牧場(chǎng)表底層日平均流流矢量基本一致, 主要為東南向; 榮成楮島海洋牧場(chǎng)日平均流表中底層呈東北向流動(dòng), 隨深度增加流矢量逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)且流速減小。

原始流矢量剔除調(diào)和重構(gòu)流矢量后, 進(jìn)行48 h低通濾波得到逐時(shí)余流[21], 對(duì)逐時(shí)余流經(jīng)向、緯向分量進(jìn)行二維主成分分析得到余流主成分分量, 余流主成分方向是余流偏差量方差最大的方向, 定義為余流主軸方向[22-23], 垂直于主軸的方向定義為次軸方向][。經(jīng)統(tǒng)計(jì)余流主成分之于逐時(shí)余流的貢獻(xiàn)率超過(guò)75%, 且逐時(shí)余流在余流主軸方向的變化最劇烈。如圖6所示, 除煙臺(tái)安源海洋牧場(chǎng)底層余流主軸與岸線(xiàn)存在較大夾角外, 各海洋牧場(chǎng)余流主軸與岸線(xiàn)方向大致相似, 煙臺(tái)安源海洋牧場(chǎng)表層、威海西港海洋牧場(chǎng)余流主軸為東南-西北方向(圖6b, d), 威海瑜泰海洋牧場(chǎng)、榮成楮島海洋牧場(chǎng)余流主軸為東北—西南方向(圖6c, e), 說(shuō)明在4處海洋牧場(chǎng)海域, 地形是制約余流變化的一個(gè)重要因素。

圖6中, 橢圓長(zhǎng)軸為主軸方向上逐時(shí)余流分量的標(biāo)準(zhǔn)差, 橢圓短軸則為逐時(shí)余流次軸分量的標(biāo)準(zhǔn)差, 余流標(biāo)準(zhǔn)差體現(xiàn)觀測(cè)時(shí)段內(nèi)余流變化的劇烈程度。煙臺(tái)安源海洋牧場(chǎng)、威海西港海洋牧場(chǎng)標(biāo)準(zhǔn)差較小, 余流變化較小; 威海瑜泰海洋牧場(chǎng)、榮成楮島海洋牧場(chǎng)標(biāo)準(zhǔn)差較大, 余流變化較劇烈。余流標(biāo)準(zhǔn)差垂向分布則說(shuō)明煙臺(tái)安源海洋牧場(chǎng)底層余流變化較表層劇烈; 威海瑜泰海洋牧場(chǎng)、榮成楮島海洋牧場(chǎng)底層余流變化較表、中層顯著減小; 威海西港海洋牧場(chǎng)表底層余流變化劇烈程度基本一致。

圖6 日平均流矢量和逐時(shí)余流標(biāo)準(zhǔn)差分布圖

注: 子圖a: 日平均流矢量; b—e: 橢圓長(zhǎng)軸方向: 余流主軸方向; 橢圓長(zhǎng)軸: 逐時(shí)余流主成分分量標(biāo)準(zhǔn)差; 橢圓短軸方向: 余流次軸方向; 橢圓短軸: 逐時(shí)余流次軸分量標(biāo)準(zhǔn)差

2.5 影響機(jī)制

為進(jìn)一步探究4處海洋牧場(chǎng)的余流結(jié)構(gòu), 繪制了觀測(cè)期間平均的HYCOM 0 m水深流場(chǎng)與ERA5 10 m高度風(fēng)場(chǎng)。如圖7a所示, 在西北風(fēng)背景下, 山東半島北部海域近岸存在一條自西向東流幅逐漸變窄的流動(dòng), 在成山頭轉(zhuǎn)為南向, 為魯北沿岸流[13, 17]。觀測(cè)期間, 威海西港海洋牧場(chǎng)平均流與此流動(dòng)特征較為一致, 煙臺(tái)安源海洋牧場(chǎng)、威海瑜泰海洋牧場(chǎng)、榮成楮島海洋牧場(chǎng)平均流與此流動(dòng)存在顯著差異。煙臺(tái)安源海洋牧場(chǎng)平均流指向相鄰海域風(fēng)場(chǎng)、流場(chǎng)的右側(cè)(圖7a), 推測(cè)其平均流與風(fēng)場(chǎng)有關(guān), 在后文討論了日平均風(fēng)與日平均流的特征。威海瑜泰海洋牧場(chǎng)平均流為北向、離岸方向, 相近的威海西港海洋牧場(chǎng)則為東向。前者與威海外海東向的HYCOM表層流場(chǎng)存在差異, 后者則相近, 推測(cè)威海瑜泰海洋牧場(chǎng)流矢量變化除受魯北沿岸流影響外, 存在其他影響機(jī)制, 在后文討論日平均風(fēng)與日平均流的特征。威海西港海洋牧場(chǎng)表、底層余流特征基本一致, 說(shuō)明表底層余流具有較為顯著的正壓性, 平均流與臨近海域HYCOM表層流矢量方向基本一致, 為東—東南向, 推測(cè)此海域余流與魯北沿岸流密切相關(guān)。榮成楮島海洋牧場(chǎng)位于桑溝灣南岸灣口處(圖1f), 桑溝灣外流矢量為南向[15], 但榮成楮島海洋牧場(chǎng)平均流由表至底均為東北向, 與灣外流場(chǎng)對(duì)流, 說(shuō)明海水自灣南流出, 僅考慮灣口的水交換, 則海水自灣北流入, 在灣內(nèi)逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)。推論與以往數(shù)值模擬研究結(jié)果較為一致[24]。

逐日風(fēng)矢量如圖7b所示。所有牧場(chǎng)逐日風(fēng)矢量分布基本一致, 西北風(fēng)與西南風(fēng)交替出現(xiàn)。對(duì)比圖7b與圖6, 發(fā)現(xiàn)北風(fēng)增強(qiáng)時(shí)煙臺(tái)安源海洋牧場(chǎng)日平均流流速明顯增大。為進(jìn)一步討論風(fēng)速對(duì)日平均流的影響, 將同一站位風(fēng)速和不同水層余流做相關(guān)分析。結(jié)果顯示, 在煙臺(tái)安源海洋牧場(chǎng), 表底層經(jīng)向余流流速與同站經(jīng)向風(fēng)速相關(guān)系數(shù)大于0.6, 表層緯向余流流速與同站經(jīng)向風(fēng)速相關(guān)系數(shù)小于–0.4, 在威海瑜泰海洋牧場(chǎng), 整層水體經(jīng)向余流流速與同站經(jīng)向風(fēng)速相關(guān)系數(shù)小于–0.6。圖8展示了煙臺(tái)安源海洋牧場(chǎng)表層日平均經(jīng)向流異常、緯向流異常與10 m日平均經(jīng)向風(fēng)異常, 以及威海瑜泰海洋牧場(chǎng)表層日平均經(jīng)向流異常與10 m日平均經(jīng)向風(fēng)異常的時(shí)間序列。煙臺(tái)安源海洋牧場(chǎng)經(jīng)向流與經(jīng)向風(fēng)正相關(guān), 緯向流與經(jīng)向風(fēng)負(fù)相關(guān), 在12月6日至12月9日、12月15日、12月27日日平均經(jīng)向風(fēng)正異常時(shí), 日平均經(jīng)向流正異常, 日平均緯向流負(fù)異常, 12月5日、12月11日、12月17日、12月26日、12月30日經(jīng)向風(fēng)異常為極小值時(shí), 日平均經(jīng)向流異常為極小值, 日平均緯向流異常為極大值, 即北風(fēng)增強(qiáng)時(shí), 煙臺(tái)安源海洋牧場(chǎng)南向流、東向流增強(qiáng)。威海瑜泰海洋牧場(chǎng)經(jīng)向余流與經(jīng)向風(fēng)速負(fù)相關(guān), 如圖8c所示, 12月5日、12月11日、12月17日、12月26日、12月30日經(jīng)向風(fēng)異常為極小值時(shí), 日平均經(jīng)向流異常為極大值, 經(jīng)向風(fēng)異常為極大值時(shí), 日平均經(jīng)向流異常為極小值, 即北風(fēng)增強(qiáng)時(shí), 威海瑜泰海洋牧場(chǎng)北向流增強(qiáng)。

圖7 觀測(cè)期間0 m平均流場(chǎng)與10 m平均風(fēng)場(chǎng)

注: 子圖a: 藍(lán)色箭頭: HYCOM再分析資料0 m流場(chǎng); 紅色箭頭: ERA5 10 m風(fēng)場(chǎng)

圖8 煙臺(tái)安源海洋牧場(chǎng)、威海瑜泰海洋牧場(chǎng)表層日平均流異常與10 m高度經(jīng)向風(fēng)速異常時(shí)間序列圖

煙臺(tái)安源海洋牧場(chǎng)平均水深5.4 m, 水深淺, 經(jīng)向風(fēng)推動(dòng)表底層海水向岸流動(dòng), 因而煙臺(tái)安源海洋牧場(chǎng)經(jīng)向余流與經(jīng)向風(fēng)正相關(guān); 經(jīng)向風(fēng)與岸線(xiàn)有夾角, 北風(fēng)推動(dòng)表層海水沿岸向東流動(dòng), 因而在表層, 煙臺(tái)安源海洋牧場(chǎng)緯向余流與經(jīng)向風(fēng)負(fù)相關(guān)(圖9a)。威海瑜泰海洋牧場(chǎng)平均水深10.1 m, 水深較煙臺(tái)安源海洋牧場(chǎng)深, 地形相對(duì)陡峭。推測(cè)北風(fēng)時(shí), 海面有南向流, 因經(jīng)向風(fēng)幾乎與岸線(xiàn)垂直, 海水向岸堆積并在岸邊產(chǎn)生下降流, 在海面以下產(chǎn)生離岸流, 即北向流; 南風(fēng)時(shí), 海面為離岸流, 海面以下則產(chǎn)生上升流, 威海瑜泰海洋牧場(chǎng)表面以下為南向的補(bǔ)償流, 因而威海瑜泰海洋牧場(chǎng)經(jīng)向流與經(jīng)向風(fēng)負(fù)相關(guān)(圖9b)。

3 結(jié)論

通過(guò)對(duì)山東半島東北部4處海洋牧場(chǎng)2019年12月觀測(cè)的海流數(shù)據(jù)進(jìn)行分析, 得到以下結(jié)論:

1) 威海瑜泰海洋牧場(chǎng)、威海西港海洋牧場(chǎng)海域潮流類(lèi)型為不正規(guī)半日潮, 煙臺(tái)安源海洋牧場(chǎng)、榮成楮島海洋牧場(chǎng)海域潮流類(lèi)型介于正規(guī)半日潮和不正規(guī)半日潮之間。M2、S2半日分潮潮流在榮成楮島海洋牧場(chǎng)流速最大, M2分潮流速約為7~12 cm/s; O1、K1全日分潮潮流在威海瑜泰海洋牧場(chǎng)流速最大, K1分潮流速約為3~6 cm/s。各海洋牧場(chǎng)海域的主要分潮潮流具有最大流速平行岸線(xiàn), 最大流速的大小隨深度減小的往復(fù)運(yùn)動(dòng)特征, 表明各海洋牧場(chǎng)海域潮流運(yùn)動(dòng)受地形邊界影響顯著。

圖9 煙臺(tái)安源海洋牧場(chǎng)、威海瑜泰海洋牧場(chǎng)流場(chǎng)與經(jīng)向風(fēng)場(chǎng)相關(guān)關(guān)系

注: 綠色箭頭: 風(fēng)場(chǎng); 藍(lán)色箭頭: 流場(chǎng)

2) 煙臺(tái)安源海洋牧場(chǎng)平均流大致垂直于岸線(xiàn)流向近岸, 流速約為0.9~1.7 cm/s, 威海瑜泰海洋牧場(chǎng)平均流大致垂直于岸線(xiàn)流向外海, 流速約為1.4~ 1.7 cm/s, 威海西港海洋牧場(chǎng)平均流為東南方向, 流速約為2.5~3.0 cm/s, 榮成楮島海洋牧場(chǎng)平均流為東北方向, 流速約為5.6~9.9 cm/s。

3) 煙臺(tái)安源海洋牧場(chǎng)表底層日平均流經(jīng)向流與當(dāng)?shù)亟?jīng)向風(fēng)正相關(guān), 海水受北風(fēng)強(qiáng)迫在近岸堆積。威海瑜泰海洋牧場(chǎng)日平均流以經(jīng)向分量為主, 經(jīng)向分量主要為北向, 經(jīng)向分量與當(dāng)?shù)亟?jīng)向風(fēng)負(fù)相關(guān), 北風(fēng)強(qiáng)迫下, 威海瑜泰海洋牧場(chǎng)海面為南向流, 海水向岸堆積并在近岸產(chǎn)生下降流, 在海面下為北向的離岸流。威海西港海洋牧場(chǎng)表底層日平均流為東南向, 余流變化較為一致, 具有較為顯著的正壓性。榮成楮島海洋牧場(chǎng)日平均流為東北向, 表明海水沿桑溝灣南岸流出海灣, 在桑溝灣內(nèi)逆時(shí)針流動(dòng)。

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Spatial and temporal characteristics of sea current within the marine ranches in the northeast of Shandong Peninsula

HU Luo-yu1, ZHAI Fang-guo1, LIU Zi-zhou1, LI Pei-liang2, GU Yan-zhen1, SUN Li-yuan3, LI Xin1, CHEN Dong2, JIANG Qing-yan2

(1. College of Ocean and Atmosphere Science, Ocean University of China, Qingdao 266100, China; 2. Ocean College, Zhejiang University, Zhoushan 316021, China; 3. Shandong Hydrobios Resources Conservation and Management Center, Yantai 264003, China)

To enrich the study of the hydrodynamic environment around the near-shore area of the Shandong Peninsula in winter, the structure of currents, such as the tidal and residual components, is investigated based on current observations within four marine ranches from December 3, 2019 to January 1, 2020, employing the methods of harmonic analysis, power spectra analysis, principal component analysis, and correlation analysis. Within four marine ranches, with the M2constituent that was significant and reciprocating, the directions of the maximum velocity vector of the main tidal constituents were basically parallel to the shoreline. The characteristics and influence mechanisms of the residual current varied with the area of marine ranches. The average current within the Anyuan Marine Ranch was southeastward and shoreward, with a velocity range of 0.9–1.7 cm/s.The main component of the daily mean current was the meridional current, which had a significant positive correlation with the wind in the same direction. While the northerly wind was driving, the residual current accumulated towards the southwest bank of the Anyuan Marine Ranch synchronously. The average current within the Yutai Marine Ranch was northward and offshore, with a velocity of 1.4–1.7 cm/s. The main component of the daily mean current was the meridional current, which had a significant negative correlation with the meridional wind. The daily average current showed that the northerly wind forced the seawater to accumulate to the south bank of the Yutai Marine Ranch and produced downflow near the coast. In addition, the offshore current flowed northward below the sea surface. The average current within the Xigang Marine Ranch was southeastward, with a velocity of 2.5–3.0 cm/s. The daily average current was barotropic at both the surface and bottom layers. The average current within the Chudao Marine Ranch was northeast, with a velocity of 5.6–9.9 cm/s. The daily average current was also northeast along the south bank of Sanggou Bay, indicating that the seawater flowed counterclockwise in the bay. The research results provided a basis for the further study of multi-scale temporal and spatial characteristics and influence mechanism of the dynamic environment in the near-shore area of the Shandong Peninsula.

marine ranch; tidal currents; residual currents; coastal area of Shandong Province

Aug. 11, 2020

P717

A

1000-3096(2021)04-0001-12

10.11759/hykx20200811003

2020-08-11;

2020-09-25

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41776012); 國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃 (2019YFD0901305); 浙江省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃(2020C03012); 三亞崖州灣科技城管理局重大科技項(xiàng)目(SKJC-KJ-2019KY03)

[National Science Foundation of China, No. 41776012; National Key Research & Development Program of China, No. 2019YFD0901305; Key Research & Development Project of Zhejiang Province, No. 2020C03012; Major Science and Technology Project of Sanya YZBSTC, No. SKJC-KJ-2019KY03]

胡羅煜(1998—), 男, 湖北武漢人, 碩士研究生, 研究方向: 物理海洋學(xué), E-mail: huluoyu@stu.ouc.edu.cn; 劉子洲(1987—),通信作者, 實(shí)驗(yàn)師, 主要從事海洋調(diào)查及近海海洋環(huán)境問(wèn)題的教學(xué)與研究, 電話(huà): 13708954171, E-mail:lzz2013@ouc.edu.cn

(本文編輯: 叢培秀)