随着海产品市场需求的增长, 传统的掠夺式的沿岸海水养殖业过度膨胀, 产生了渔业种群单一化、个体小型化以及沿海海域水质污染等副作用, 这种水产模式无法保证海洋渔业的可持续发展和人们对海产品的需求^[1]。针对这些问题, 海洋科学家们提出建设“海洋牧场”方案。自1980年来, 随着人工鱼礁、增殖放流、鱼类驯化等技术的实施, 这种新型海水养殖产业模式, 已经被证实在集鱼, 提高生物多样性, 改善水质、营养盐结构等方面取得成效^[2]。海洋牧场的建设可以提高海域的水产生物养殖容量, 这与海域营养物质含量的调整、碳汇能力的提高有关, 后者的改变源于海域叶绿素、溶解氧等物质分布的变化, 而海域物质分布与水动力环境息息相关。已有大量研究讨论海流和不同海域生态系统的相互调控作用: 在肯尼亚的加兹湾, 潮汐不对称性导致的水体交换促进河口、海湾与外海营养物的交换^[3]; 在日本东北部海岸, 诸多海湾与北太平洋进行水交换, 此处养殖业、近海商业性捕捞业十分繁荣^[4]; 在福建三沙湾, 箱式养殖设备减少养殖水域的流量并增强养殖水域之间水道的流量, 研究表明一定程度的改变网箱布局可以改善三沙湾水交换能力^[5]; 在山东半岛东部桑沟湾, 樊星等运用10 d海流资料, 结合双阻力模型, 讨论了夏季桑沟湾因水产养殖产生的海面边界层现象, 以及边界层对潮流的影响^[6]。山东周边的海洋牧场建设方兴未艾, 因而研究海洋牧场海域的水动力环境能够为了解区域物质分布特征, 进而解决海洋牧场建设中的设施布放方案、增殖放流的选址与放流数量等难题^[7]提供新思路, 可进一步提高海洋牧场之于海上粮仓建设和海洋生态可持续发展的成效。

研究海域位于山东半岛东北部, 为北黄海西部陆架浅海, 水深浅、岸线宽广且曲折(图 1)。在研究海域, 潮波运动是海水运动的主要形式: 在山东半岛东北部, 烟台、威海附近海域潮流流速较弱, 此海域位于流场的辐合、辐散区^[8]; 涨潮时, 海水自北黄海向渤海、南黄海流动, 落潮时则相反^[9]。山东半岛东北部不同海域潮流运动特征不同。例如, 在山东半岛北部, 威海湾湾口与湾内潮流椭圆有较大差异^[10]; 在山东半岛东部的成山头近海, 潮流方向则几乎与岸线平行^[11]; 潮流与地形相互作用则可能产生潮汐岬角锋等复杂的潮致流^[12]。冬季山东半岛东北部存在一支较为稳定的流, 即鲁北沿岸流。冬季北风作用下, 沿岸水在渤南近岸区域堆积, 因而在山东半岛北部海域, 西侧水位相对较高, 驱动沿岸水向东流动, 在成山头外海转向南流^[13](图 1a), 鲁北沿岸流携带悬浮物质, 对沿岸地貌有一定影响^[14]。山东半岛东部海域动力环境受到许多学者的关注, 王志勇等运用2007年冬季大面积调查资料讨论了山东半岛东部余流特征, 余流均为南向, 成山头以东外海的断面余流流速接近5 cm/s, 桑沟湾东南处的断面余流流速小于5 cm/s^[15]。前人对山东周边海域动力机制同样开展了一定研究, 宋军等对北黄海区域的潮汐过程进行动量分析和诊断, 结果表明在渤海海峡、成山头海域, 动量方程中的压强梯度力项与局地变化项最显著^[16]。

前人针对北黄海流场特征开展了丰富的研究, 但在近岸海域, 因船只航行、水产养殖、港工建筑等海事活动频繁, 中长期流矢量观测资料获取难度大, 流场特征有待进一步研究^[17]。基于此, 本文利用山东半岛东北部4处海洋牧场的声学多普勒流速剖面仪(acoustic Doppler current profiler, ADCP)的观测数据, 对近岸浅海海水流动进行分析, 综合讨论了主要分潮潮流、月平均流、日平均流的特征, 初步讨论风、地形对海水流动特征的影响。

1 数据和方法

本文采用自山东省海洋牧场观测网获取的2019年12月的海流资料。海洋牧场分布如图 1所示。观测站位均位于山东半岛东北部离岸3 km以内海域, 烟台安源海洋牧场位于渤海海峡东部, 威海瑜泰海洋牧场位于威海市双岛港外海, 威海西港海洋牧场位于威海瑜泰海洋牧场东部、小石岛西南, 荣成楮岛海洋牧场位于桑沟湾南岸。海流观测仪器为岸基有缆在线观测系统搭载的坐底式ADCP, 仪器每小时观测5个流速剖面, 水层采样厚度为1 m。传感器波束自海底向上发射, 底层流矢量数据距离海底1 m。本文根据观测系统搭载的温盐深剖面仪(conductivity- temperature-depth, CTD)的同时期水深数据, 选取海表面以下的流矢量数据进行功率谱分析、调和分析和余流主轴分析, 探讨海洋牧场海域海水流动特征(表 1)。

本文还采用了两种辅助数据: (1) 欧洲中期天气预报中心(European centre for medium-range weather forecast, ECMWF)发布的10 m风矢量数据(ERA5), 用于探究逐日风矢量和日平均流的相关关系^[18]。风矢量资料时间范围为2019年12月3日至2020年1月1日, 时间分辨率为1 h, 空间分辨率为0.25°×0.25°, 经双线性插值得到海洋牧场10 m风矢量资料。(2) HYCOM (hybrid coordinate ocean model)再分析流场资料(https://www.hycom.org/dataserver/gofs-3pt1/reanalysis), 用于讨论鲁北沿岸流对海洋牧场余流的影响机制, 时间范围为2019年12月3日至2020年1月1日, 时间分辨率为3 h, 空间分辨率为1/12°×1/12°。

2 结果与分析 2.1 功率谱分析

对所选水层的流矢量资料进行垂向平均, 并分别对经向流、纬向流分量进行功率谱分析, 得到4处海洋牧场的流矢量经纬分量的功率谱, 如图 2所示。同一海洋牧场的经向流、纬向流具有较为一致的显著周期, 所有海洋牧场均在半日周期和全日周期对应频段处谱峰最大, 在1/3、1/4、1/5、1/6 d周期对应的高频频段出现峰值, 主要为倍潮波和复合潮波。在烟台安源海洋牧场、威海瑜泰海洋牧场、威海西港海洋牧场, 高频处的谱峰远小于半日周期、全日周期谱峰, 在荣成楮岛海洋牧场高频处谱峰峰值较高。

2.2 潮流特征

采用MATLAB的T_TIDE程序包对实测海流资料进行潮流调和分析^[19], 得到M₂、S₂、O₁、K₁主要分潮的潮流椭圆参数(表 2), 图 3展示了4个海洋牧场表层原始流矢量和潮流调和分析重构表层流矢量时间序列。

根据公式$F = \left( {{W_{{\text{O}_1}}} + {W_{{\text{K}_1}}}} \right)/{W_{{\text{M}_2}}}$判断潮流类型, 式中${W_{{\text{O}_1}}}$、${W_{{\text{K}_1}}}$、${W_{{\text{M}_2}}}$分别为O₁、K₁、M₂潮流椭圆的长半轴。烟台安源海洋牧场F值为0.40~0.55, 潮流类型介于正规半日潮与不正规半日潮之间, 表层潮流类型为正规半日潮, 底层为不正规半日潮。威海瑜泰海洋牧场、威海西港海洋牧场站位相近, F值为1.21~1.31, 为不正规半日潮。荣成楮岛海洋牧场F值为0.45~0.65, 潮流类型介于正规半日潮与不正规半日潮之间, 表层潮流类型为不正规半日潮, 中、底层为正规半日潮。

所有牧场表层的M₂分潮潮流椭圆主轴方向基本与岸线平行(图 4)。对比相同海洋牧场、相同水层的不同分潮潮流主轴倾角, 发现除威海西港海洋牧场表层O₁、K₁分潮和荣成楮岛海洋牧场底层O₁分潮外, S₂、O₁、K₁与M₂潮流椭圆主轴倾角差均不超过20°, 分潮潮流最大流速方向基本与岸线平行。相同海洋牧场、相同分潮的潮流椭圆主轴垂向分布显示, 烟台安源海洋牧场分潮潮流最大流速方向随深度增加顺时针旋转, 威海瑜泰海洋牧场分潮潮流最大流速方向随深度增加逆时针旋转; 威海西港海洋牧场、荣成楮岛海洋牧场分潮潮流最大流速方向随深度的变化较为复杂, 分潮角频率不同, 最大流速方向随深度的变化不同。

潮流调和分析表明, 4处海洋牧场海域均属于半日分潮潮流主导的海区, 且M₂分潮潮流最显著, M₂分潮潮流流速最大。对比4处海洋牧场海域, M₂、S₂分潮潮流在荣成楮岛海洋牧场流速最大, 其中M₂分潮流速约为7~12 cm/s; 威海瑜泰海洋牧场次之, M₂分潮流速约为4~8 cm/s; 烟台安源海洋牧场、威海西港海洋牧场M₂分潮流速小于2 cm/s。O₁、K₁分潮潮流在威海瑜泰海洋牧场流速最大, 其中K₁分潮流速约为3~6 cm/s; 荣成楮岛海洋牧场次之, K₁分潮潮流速约为2~4 cm/s; 烟台安源海洋牧场、威海西港海洋牧场K₁分潮流速不超过1.1 cm/s。各海洋牧场主要分潮潮流流速均随深度增加减小。烟台安源海洋牧场、威海西港海洋牧场M₂分潮潮流表底层流速相近。威海瑜泰海洋牧场、荣成楮岛海洋牧场M₂分潮潮流流速中层较表层约减少10%, 底层较表层减少40%~50%, 潮流流速垂向分布表明海底与岸基的摩擦效应使底层潮流流速显著减小。

潮流椭圆旋转性如图 4所示, 烟台安源海洋牧场潮流椭圆基本顺时针旋转, 威海瑜泰海洋牧场潮流椭圆基本逆时针旋转, 威海西港海洋牧场、荣成楮岛海洋牧场M₂、S₂半日分潮潮流基本顺时针旋转, O₁、K₁全日分潮潮流椭圆基本逆时针旋转。海洋牧场潮流椭圆椭率均小于0.4, 潮流以往复运动形式为主。在烟台安源海洋牧场、威海西港海洋牧场表层, M₂分潮潮流椭圆椭率分别为–0.32、–0.27, M₂分潮潮流旋转性相对较强。潮流椭圆主轴平行于岸线, 主要分潮最大流速随深度增加减小, 往复运动的潮流特征表明4处海洋牧场海域潮流运动受地形边界影响显著。

2.3 平均流特征

原始流矢量剔除调和重构流矢量后, 首先进行48 h低通滤波, 然后进行观测时段平均, 得到4处海洋牧场海域观测时段内平均流(图 5)。烟台安源海洋牧场平均流流速约为0.9~1.7 cm/s, 威海瑜泰海洋牧场平均流流速约为1.4~1.7 cm/s, 威海西港海洋牧场平均流流速约为2.5~3.0 cm/s, 荣成楮岛海洋牧场平均流流速约为5.6~9.9 cm/s。自烟台安源海洋牧场至荣成楮岛海洋牧场平均流流速增大, 即在山东半岛东北部海域, 位于东部的海洋牧场平均流流速较大。烟台安源海洋牧场平均流流矢量表层为南向, 底层为西南向, 底层平均流与岸线几乎垂直, 表层较底层稍向左偏, 且底层流速大于表层, 烟台安源海洋牧场平均流流速与前人在相邻海域观测结果较为一致^[20]。威海瑜泰海洋牧场平均流表层为东北向, 中层为北向, 底层为西北向, 平均流呈现海水辐散的离岸流特征, 且流速底层最大, 中层最小。在威海西港海洋牧场, 平均流流矢量表底层几乎一致, 为东南向, 体现整层水体向东南岸堆积的特征。荣成楮岛海洋牧场表中底层平均流几乎同为东北向, 平均流方向随深度增加稍向湾口中心洼地偏转, 表中层流速大小相当, 底层流速约为表层60%。

2.4 日平均流特征

剔除实测海流中的调和重构分潮流并进行24 h平均, 得到日平均流特征(图 6a)。烟台安源海洋牧场日平均流东南、西南向流矢量交替出现; 表层流矢量主要为西南向, 但东南向流速较大; 底层流矢量主要为西南向, 且底层日平均流流速强于表层。威海瑜泰海洋牧场日平均流表层主要为东北向, 中层东北、西北流矢量交替出现, 底层主要为西北向。威海西港海洋牧场表底层日平均流流矢量基本一致, 主要为东南向; 荣成楮岛海洋牧场日平均流表中底层呈东北向流动, 随深度增加流矢量逆时针旋转且流速减小。

原始流矢量剔除调和重构流矢量后, 进行48 h低通滤波得到逐时余流^[21], 对逐时余流经向、纬向分量进行二维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, 定义为余流主轴方向^[22-23], 垂直于主轴的方向定义为次轴方向^][。经统计余流主成分之于逐时余流的贡献率超过75%, 且逐时余流在余流主轴方向的变化最剧烈。如图 6所示, 除烟台安源海洋牧场底层余流主轴与岸线存在较大夹角外, 各海洋牧场余流主轴与岸线方向大致相似, 烟台安源海洋牧场表层、威海西港海洋牧场余流主轴为东南-西北方向(图 6b, d), 威海瑜泰海洋牧场、荣成楮岛海洋牧场余流主轴为东北—西南方向(图 6c, e), 说明在4处海洋牧场海域, 地形是制约余流变化的一个重要因素。

图 6中, 椭圆长轴为主轴方向上逐时余流分量的标准差, 椭圆短轴则为逐时余流次轴分量的标准差, 余流标准差体现观测时段内余流变化的剧烈程度。烟台安源海洋牧场、威海西港海洋牧场标准差较小, 余流变化较小; 威海瑜泰海洋牧场、荣成楮岛海洋牧场标准差较大, 余流变化较剧烈。余流标准差垂向分布则说明烟台安源海洋牧场底层余流变化较表层剧烈; 威海瑜泰海洋牧场、荣成楮岛海洋牧场底层余流变化较表、中层显著减小; 威海西港海洋牧场表底层余流变化剧烈程度基本一致。

2.5 影响机制

为进一步探究4处海洋牧场的余流结构, 绘制了观测期间平均的HYCOM 0 m水深流场与ERA5 10 m高度风场。如图 7a所示, 在西北风背景下, 山东半岛北部海域近岸存在一条自西向东流幅逐渐变窄的流动, 在成山头转为南向, 为鲁北沿岸流^{[13, 17]}。观测期间, 威海西港海洋牧场平均流与此流动特征较为一致, 烟台安源海洋牧场、威海瑜泰海洋牧场、荣成楮岛海洋牧场平均流与此流动存在显著差异。烟台安源海洋牧场平均流指向相邻海域风场、流场的右侧(图 7a), 推测其平均流与风场有关, 在后文讨论了日平均风与日平均流的特征。威海瑜泰海洋牧场平均流为北向、离岸方向, 相近的威海西港海洋牧场则为东向。前者与威海外海东向的HYCOM表层流场存在差异, 后者则相近, 推测威海瑜泰海洋牧场流矢量变化除受鲁北沿岸流影响外, 存在其他影响机制, 在后文讨论日平均风与日平均流的特征。威海西港海洋牧场表、底层余流特征基本一致, 说明表底层余流具有较为显著的正压性, 平均流与临近海域HYCOM表层流矢量方向基本一致, 为东—东南向, 推测此海域余流与鲁北沿岸流密切相关。荣成楮岛海洋牧场位于桑沟湾南岸湾口处(图 1f), 桑沟湾外流矢量为南向^[15], 但荣成楮岛海洋牧场平均流由表至底均为东北向, 与湾外流场对流, 说明海水自湾南流出, 仅考虑湾口的水交换, 则海水自湾北流入, 在湾内逆时针旋转。推论与以往数值模拟研究结果较为一致^[24]。

逐日风矢量如图 7b所示。所有牧场逐日风矢量分布基本一致, 西北风与西南风交替出现。对比图 7b与图 6, 发现北风增强时烟台安源海洋牧场日平均流流速明显增大。为进一步讨论风速对日平均流的影响, 将同一站位风速和不同水层余流做相关分析。结果显示, 在烟台安源海洋牧场, 表底层经向余流流速与同站经向风速相关系数大于0.6, 表层纬向余流流速与同站经向风速相关系数小于–0.4, 在威海瑜泰海洋牧场, 整层水体经向余流流速与同站经向风速相关系数小于–0.6。图 8展示了烟台安源海洋牧场表层日平均经向流异常、纬向流异常与10 m日平均经向风异常, 以及威海瑜泰海洋牧场表层日平均经向流异常与10 m日平均经向风异常的时间序列。烟台安源海洋牧场经向流与经向风正相关, 纬向流与经向风负相关, 在12月6日至12月9日、12月15日、12月27日日平均经向风正异常时, 日平均经向流正异常, 日平均纬向流负异常, 12月5日、12月11日、12月17日、12月26日、12月30日经向风异常为极小值时, 日平均经向流异常为极小值, 日平均纬向流异常为极大值, 即北风增强时, 烟台安源海洋牧场南向流、东向流增强。威海瑜泰海洋牧场经向余流与经向风速负相关, 如图 8c所示, 12月5日、12月11日、12月17日、12月26日、12月30日经向风异常为极小值时, 日平均经向流异常为极大值, 经向风异常为极大值时, 日平均经向流异常为极小值, 即北风增强时, 威海瑜泰海洋牧场北向流增强。

烟台安源海洋牧场平均水深5.4 m, 水深浅, 经向风推动表底层海水向岸流动, 因而烟台安源海洋牧场经向余流与经向风正相关; 经向风与岸线有夹角, 北风推动表层海水沿岸向东流动, 因而在表层, 烟台安源海洋牧场纬向余流与经向风负相关(图 9a)。威海瑜泰海洋牧场平均水深10.1 m, 水深较烟台安源海洋牧场深, 地形相对陡峭。推测北风时, 海面有南向流, 因经向风几乎与岸线垂直, 海水向岸堆积并在岸边产生下降流, 在海面以下产生离岸流, 即北向流; 南风时, 海面为离岸流, 海面以下则产生上升流, 威海瑜泰海洋牧场表面以下为南向的补偿流, 因而威海瑜泰海洋牧场经向流与经向风负相关(图 9b)。

3 结论

通过对山东半岛东北部4处海洋牧场2019年12月观测的海流数据进行分析, 得到以下结论:

1) 威海瑜泰海洋牧场、威海西港海洋牧场海域潮流类型为不正规半日潮, 烟台安源海洋牧场、荣成楮岛海洋牧场海域潮流类型介于正规半日潮和不正规半日潮之间。M₂、S₂半日分潮潮流在荣成楮岛海洋牧场流速最大, M₂分潮流速约为7~12 cm/s; O₁、K₁全日分潮潮流在威海瑜泰海洋牧场流速最大, K₁分潮流速约为3~6 cm/s。各海洋牧场海域的主要分潮潮流具有最大流速平行岸线, 最大流速的大小随深度减小的往复运动特征, 表明各海洋牧场海域潮流运动受地形边界影响显著。

2) 烟台安源海洋牧场平均流大致垂直于岸线流向近岸, 流速约为0.9~1.7 cm/s, 威海瑜泰海洋牧场平均流大致垂直于岸线流向外海, 流速约为1.4~ 1.7 cm/s, 威海西港海洋牧场平均流为东南方向, 流速约为2.5~3.0 cm/s, 荣成楮岛海洋牧场平均流为东北方向, 流速约为5.6~9.9 cm/s。

3) 烟台安源海洋牧场表底层日平均流经向流与当地经向风正相关, 海水受北风强迫在近岸堆积。威海瑜泰海洋牧场日平均流以经向分量为主, 经向分量主要为北向, 经向分量与当地经向风负相关, 北风强迫下, 威海瑜泰海洋牧场海面为南向流, 海水向岸堆积并在近岸产生下降流, 在海面下为北向的离岸流。威海西港海洋牧场表底层日平均流为东南向, 余流变化较为一致, 具有较为显著的正压性。荣成楮岛海洋牧场日平均流为东北向, 表明海水沿桑沟湾南岸流出海湾, 在桑沟湾内逆时针流动。