2019, Vol. 49
2. 山东省潍坊市海洋环境监测中心站，山东 潍坊 261100;
3. 浙江大学海洋学院，浙江 舟山 316021
海洋牧场指在一定的海域内，采用规模化渔业设施和系统化管理，对鱼、虾、藻、贝等海洋生物资源进行有目的、有计划的海上放养。海洋牧场对于推进“蓝色粮仓”建设有重要意义，是提升经济社会效益的重要途径[1]。目前及以后一段时期是我国海洋渔业乃至整个海洋产业转型升级的关键阶段。鲁海丰海洋牧场位于青岛市黄岛区，属南黄海西北海域。探究鲁海丰海洋牧场的流场分布及变化特征，实现对海洋牧场的可测、可控化管理，对提高我国海洋牧场的渔情预测和预报减灾能力具有指导意义。
鲁海丰海洋牧场区域的流场受到邻近海域甚至整个南黄海的动力环境影响，针对该海域流系特征，前人已经做过不少研究：赵保仁[2]根据青岛近海某浮标站的海流观测数据分析了局地风对当地海流的影响，指出余流随风变化的反应敏感。汤毓祥等[3]采用一种二维非线性潮汐模式对南黄海的潮流和潮余流进行模拟，指出该海域M2潮流的运动规律受到旋转潮波系统的控制，在山东半岛南岸近海和胶州湾一带，潮流为左旋。汤毓祥等[4]根据中韩黄海水循环动力学合作调查所获资料指出，初春时节来自山东沿岸的低盐水，自成山头近海区域大致沿50 m等深线向南部延伸，至青岛外海在36°5′N, 122°E形成低温中心，即青岛冷水团。Tang等[5]根据2003年青岛外海的实测海流资料分析指出，在该海域潮流作用显著，其中半日潮流占主，全日潮流次之，潮流垂向均匀且多是逆时针旋转; 余流有3~5 d的波动周期，主要源于对经向风的响应。Pang等[6]利用POM模式得出在青岛以东的山东南部近海存在反气旋式海水运动的结论。张志欣[7]根据2006—2007年青岛近岸水域的海床基测流站数据，指出青岛外海水域余流是风和山东半岛地形共同作用的结果，夏季该水域表层余流呈现西北向，并与南侧相邻海域的余流构成气旋式环流，与夏季青岛外海冷水团环流一致。
前人对于黄海海域的水动力环境做了大量的研究工作并取得了许多重要成果。但是，由于密集的垂钓和拖网捕鱼活动使得南黄海长期观测的海流资料缺乏[8]; 其次，以往的调查多集中在冬、夏两季，导致研究资料具有较大的时、空局限性。本文旨在总结前人研究成果的基础上，利用鲁海丰海洋牧场站点的实测海流资料，对该海域的流场结构进行深入的分析，进一步掌握该海洋牧场的水动力环境特征，为其建设提供指导。
1 数据和方法 1.1 数据本文采用坐底式观测平台在鲁海丰海洋牧场站点连续观测的流矢量资料，站点位置为120°12′51.69″E, 35°55′41.52″N，站点的平均水深为12.4 m，地形特征如图 1所示。流矢量资料由AWAC浪龙采集所得，采样时间范围为2016年3月15日—6月30日，原始采样频率为10和20 min。设置垂直测量单元层数为20层，每层间隔2 m，盲区为0.51 m，传感器具有3个波束，自海底向上发射，根据层数返回相应的流速数据。考虑到观测点的水深及仪器在近表层的观测误差，本文选择以海底为基准向上5层的流矢量数据进行分析。在进行数据分析前，对原始观测数据进行质量控制，剔除奇异值，通过线性插值补齐缺省值并对每层数据进行小时平均，得到观测期间每层2 592个数据。
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(红色五角星为鲁海丰海洋牧场位置。Red star is the location of LHF Marine Ranch. ) 图 1 鲁海丰海洋牧场周围地形图 Fig. 1 Topography around the LHF Marine Ranch |
为了解观测点及邻近海域的地形状况，本文采用美国国家地球物理数据中心(The National Geophysical Data Center)发布的全球海底地形数据etopo1和etopo5(https://www.ngdc.noaa.gov/mgg/global/global.html)，etopo1数据网格精度为1′×1′, etopo5数据网格精度为1/12°×1/12°。
为探究观测点的流矢量与海面风的相关关系，本文采用欧洲中尺度天气预报中心(ERA-Interim)发布的10 m处风矢量数据(http://apps.ecmwf.int/datasets/data/interim-full-daily/levtype=sfc/), 选取时间范围为2016年3月15日—6月30日，水平分辨率为0.125°×0.125°，采样间隔为6 h。将ERA-Interim再分析的海面10 m处风场资料进行双线性插值获得观测点处的风矢量数据，并进行日平均处理。
为探究邻近海域流场对观测点流场的作用，本文采用HYCOM(Hybrid Coordinate Ocean Model)再分析的日平均表层流矢量资料(https://hycom.org/dataserver/gofs-3pt0/analysis), 选取范围为20°N~42°N，115°E~135°E，选取的时间范围为2016年3月15日—6月30日，数据水平分辨率为1/12°×1/12°。
1.2 方法本文通过功率谱分析、调和分析、旋转谱分析、相关分析等方法对观测点的平均流、潮流和余流特征进行分析和研究。
利用T_TIDE MATLAB程序包对实测海流资料进行潮流调和分析[9]，得到各分潮的频率、长轴、短轴、倾角、初相位等要素信息。根据中国《港口工程技术规范》(中华人民共和国交通部，1988)的规定，潮流类型特征值可以按照下式计算得到：
| $ A = \frac{{{U_{{K_1}}} + {U_{{O_1}}}}}{{{U_{{M_2}}}}}。$ | (1) |
其中UK1、UO1、UM2分别为K1, O1, M2的最大分潮流，即潮流椭圆的长半轴。
2 结果 2.1 平均流鉴于当地平均水深为12.4 m, AWAC自海底向上获得流矢量资料，故分别取第1、3、5层作为观测点的底、中、表层。U、V别表示纬向流和经向流，在U、V方向上分别计算各层流的相关系数(见表 1)，结果均大于0.8，说明上下层水体的运动具有良好的一致性。
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表 1 各层流速相关系数 Table 1 Correlation coefficients of flow vectors at different layers |
对1~5层的实测流资料进行垂向平均，然后分别对U分量和V分量做功率谱分析，得到垂向平均流的功率谱(见图 2)。观测点的经向流和纬向流均表现出12.35 h的显著周期，并通过了红噪声置信度检验，说明观测点的流具有显著的半日周期波动特征。另外，U、V分量流速还呈现出几个更高频的周期，但是这种波动周期是否显著，还需进一步验证。
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图 2 垂向平均流功率谱分析 Fig. 2 Power spectral analysis of mean current in vertical |
对实测海流资料进行48 h低通滤波去除潮流的影响，再对得到的余流场进行时间平均并计算标准差，得到整个观测期间的平均流和标准差(见图 3)。结果显示，观测期间U、V方向的平均流速均在10 cm/s以内，U分量表现为西向流，V分量表现为北向流。由表及底，西向流先增大后减小，至底层达到最小; 北向流随深度缓慢增大，至底层趋于稳定且达到最大。U分量的标准差随深度减小，减小的速度先快后慢，说明西向流在表层变化较大，至中层和底层趋于稳定; V分量的标准差在底层以上与U分量的标准差变化一致，但在底层突然增大。总体上，由表及底U分量减弱，V分量增强，且流速逐渐趋于平稳。
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图 3 平均流速和标准差垂向分布图 Fig. 3 The vertical distribution of mean current and standard deviation |
对实测海流资料进行48 h低通滤波去除潮流的影响，再对得到的余流场进行月平均处理并分别计算标准差，得到每月的平均流和标准差的垂向分布图(见图 4)。整体看来，月平均流在垂向上的分布情况与总的平均流相差不大。其中4月的U分量最强，V分量最弱，且V分量在表层出现流速转向; 6月的U分量最弱，V分量最强，U分量随深度逐渐减小，V分量随深度先减小后增大而后减小，变化较大; 3和5月呈现中等强度的U向流和V向流。每月的标准差与上述总的标准差变化基本一致，U分量的标准差在3月最小，在5月最大; V分量的标准差在6月最小，在其它月份量值相差无几，另外，在5月V分量的标准差至底层突然增大，表现出流动的不稳定性。
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(实线表示U分量; 虚线表示V分量。The solid line represents the U component and the dotted line represents the V component. ) 图 4 月平均流速和标准差垂向分布图 Fig. 4 The vertical distribution of the monthly mean current and standard deviation |
对实测海流资料进行潮流调和分析，得到O1、K1、M2、S2四个最显著分潮的潮流椭圆参数(见表 2)。总体看来，观测点处M2分潮具有最大的分潮流速，其次为S2分潮，O1和K1分潮相对较小，表现出半日潮族和全日潮族的特征。潮流类型判别标准表明，A≤0.5为正规半日潮流，计算得表、中、底层的A分别为0.27, 0.21, 0.21，均小于0.5，故观测点的潮流类型为正规半日潮。
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表 2 潮流椭圆参数 Table 2 Parameters of tidal ellipse |
短轴的正负表示潮流椭圆的旋转方向，正值表示潮流椭圆左向旋转(逆时针)，负值表示潮流椭圆右向旋转(顺时针)[10]。画出各层的潮流椭圆(见图 5)，可以看出，当地潮流表现为以东北向和西南向流为主导的往复流，与当地东北-西南向的岸线一致。其中，M2(分潮)为第一大主要分潮，在各层占有绝对优势，由表到底几乎不发生偏转，只是强度略有变化; S2分潮为第二大分潮，由表及底倾角变化不大，强度相对来说有明显减小; O1和K1分潮在各层都很小，由表及底强度明显变小且旋转明显，在表层时均为右旋的椭圆，而到中、底层变为左旋，这与Tang等[5]的结论基本一致。
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图 5 表、中、底层潮流椭圆 Fig. 5 Tidal ellipses at surface, middle and bottom layers |
流速数据是在地球惯性坐标系中测量的，流速矢量具有旋转性，随时间做顺时针或逆时针方向旋转，单纯地把流速矢量分解成东、北两个正交分量并分别进行功率谱分析和调和分析的做法是存在缺陷的[11]。为了更好地反映驱动力的作用和地球自转对海水的影响，本文对流速矢量进行旋转谱分析，结果如图 6所示。
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(实线代表逆时针旋转谱，虚线表示顺时针旋转谱。The solid line represents the counterclockwise rotary spectra and the dotted line represents the clockwise rotary spectra.) 图 6 观测流矢量的旋转谱 Fig. 6 Rotary spectra of observed current vectors |
通过图 6可以看出观测点处半日周期潮流占主，全日潮流次之。半日周期(12.4 h)潮流的逆时针部分在整个水体厚度上均略大于顺时针的部分，说明当地的半日潮流表现为一种逆时针旋转的近乎直线的往复运动。全日周期潮流的顺时针部分在表层略大于逆时针部分，而在中层和底层相反，说明表层全日潮流(24 h)为顺时针旋转，随着深度增加改变旋转方向，且全日潮流也表现出往复流的特点，这与调和分析的结果完全一致。
另外，观测点处的惯性流为顺时针方向，由惯性运动的周期公式T=2π/f，其中f为观测点所在纬度的科氏参数，计算知当地惯性流周期约为20.5 h，与全日潮流周期接近。分段选取流矢量资料做旋转谱分析，得到各层顺时针旋转的全日潮流的周期均为24 h左右，即未表现出显著的惯性周期特征，说明总体上观测点表现出的日周期波动只由全日潮流引起，不受惯性流影响。
2.3 余流分析 2.3.1 观测点余流余流是指从实测海流中剔除周期性流动之后剩余的水体流动[12]。为了探究当地余流的结构特征及其对海面风的响应，从原始的观测海流中减去经调和分析得到的周期性潮流成分，然后再进行24 h平均即得到观测点处的日平均的余流时间序列，海面10 m处风速和观测点处各层余流的时间序列如下图 7所示。
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图 7 海面风矢量与余流矢量图 Fig. 7 Vector diagrams of surface wind speed and residual current velocities at different depth |
通过余流的时间序列可以看出观测点的余流主要呈现西北向，且由表及底余流减小。其中，表层余流最强，方向变化剧烈，在观测期间表现出顺时针旋转的特征，中层和底层余流较弱且流向平稳，以西北向和北向流为主。结合风速的时间序列可以看出，在观测期间当地以南风为主，表层余流对风的响应敏感，余流随时间的变化与风基本一致，风较强时余流加强，风较弱时余流较弱，风转向时余流也随之转向，计算风场与表层余流的相关系数，得到纬向风与纬向流的相关系数为0.68，经向风与经向流的相关系数为0.64(置信水平超过95%)，而对比中层和底层余流与海面风的时间序列发现中层和底层余流对海面风的响应差。因此鲁海丰海洋牧场的表层余流主要受风场驱动，而中层和表层余流受风影响较小。
2.3.2 观测点邻近海域余流为了进一步探究观测点的余流结构，结合观测期间平均的HYCOM表层流场资料(HYCOM再分析的流资料已剔除潮流)，得到观测点与邻近海域的平均余流场对比图(见图 8)。基于HYCOM资料得到的余流场，发现在青岛近岸海域呈现东北向流，与青岛近岸西南-东北向的地形基本一致，与Tang等[5]对站点C的观测结果一致。同时，在观测点的东南部存在一个反气旋式环流，该环流的中心大约位于121°30′E, 35°30′N，与青岛冷水团位置相近，该结果与Pang等[6]用POM模式得出的在青岛以东的山东南部近海存在反气旋式的海水运动的结论相符，证明了结合HYCOM再分析资料来探究观测点的流场特征是可行的。
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(黑色箭头表示HYCOM表层流场; 绿色箭头表示邻近海域10 m处平均风场; 红色五角星表示鲁海丰海洋牧场的位置; 蓝色箭头表示表层平均流; 红色表示中层流; 黄色表示底层流。The black arrows represent the surface current field of HYCOM data; The green arrows represent the mean wind field at the adjacent sea area; The red star represents the location of LHFMarine Ranch; The blue arrow represents the surface mean flow; The red arrow represents the middle mean flow; The yellow arrow represents the bottom mean flow.) 图 8 HYCOM表层流场邻近海域10 m处平均风场与观测点平均流 Fig. 8 Surface current field of HYCOM data, the mean wind field atadjacent sea area and mean flow of observed data |
观测期间平均海面10 m处风场(见图 8)表明，在整个研究区域盛行东南风和南风，其中观测点附近为较强的东南风。观测点离岸较近，其平均流在各层均表现为西北向，呈现出向岸流的特点，且由表及底，西向流减弱，北向流增强，方向右旋。为探究实测流表现出的右旋特征，利用有限深海Ekman理论的解析解进行验证计算，发现计算得到的Ekman流方向为东北向，由表及底右旋，这与实测流方向并不一致，且量值远小于实测流的量值。因此观测点处的平均流表现出的右旋特征受到多种因素的影响，不能简单描述该流动为有限深海Ekman流。
将观测的表层海流做天平均，然后与邻近海域相同时间长度的HYCOM表层流场资料做相关性分析，得到通过95%置信水平的观测点的日平均流与邻近海域日平均流的相关系数等值线图(见图 9)。在观测期间内，观测点表层平均流的U分量与渤海莱州湾，黄海西部近岸海域和黄海中部海域相关性较高，表层平均流的V分量与渤海的渤海湾、莱州湾以及山东半岛南部近岸海域相关性较好，表明观测点海流具有的低频时间变化特征与上述海域较一致, 因此观测点的余流也受到山东半岛沿岸流的影响。
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(a.U分量; b.V分量。a. U component; b.V component.) 图 9 观测点与邻近海域日平均流的相关系数图 Fig. 9 The correlation coefficient of diurnal mean current between observation station and adjacent sea area |
通过对鲁海丰海洋牧场观测的3个半月的流矢量资料进行分析并结合邻近海域的海流资料进行研究，得出如下结论：
(1) 观测点各层的水体运动具有良好的一致性，时间平均的垂向流显示，在整个水体厚度上，西北向流占优，呈现出向岸流的特点，且西向流随深度减小，北向流随深度增大。
(2) 月平均流在垂向上的分布情况与总的平均流相差不大，其中4月份的U分量最强，V分量最弱，且V分量在表层出现流速转向; 6月份的U分量最弱，V分量最强，且U分量随深度逐渐减小，V分量随深度先减小后增大而后减小，变化较大; 3和5月份呈现中等强度的U向流和V向流。
(3) 功率谱分析表明，观测点的流具有显著的半日周期特征; 潮流调和分析表明，观测点的潮流类型为正规半日潮，M2为主要分潮流，在各层占有绝对优势，各层潮流均显示出旋转流性质，旋转方向以逆时针为主; 旋转谱的分析结果与调和分析结果一致，总体上观测点的日周期波动只由全日潮流引起，不受当地惯性流影响。
(4) 观测点表层余流对风的响应敏感，纬向风与表层纬向余流的相关系数为0.68，经向风与表层经向余流的相关系数为0.64;结合HYCOM再分析的表层流场资料发现观测点的日平均流与邻近的渤黄海近岸海域变化较一致，说明观测点的平均余流受到海面风的驱动和山东半岛沿岸流的影响。
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