海洋科学  2025, Vol. 49 Issue (4): 1-14   PDF    
http://dx.doi.org/10.11759/hykx20240202003

文章信息

王涛, 荣增瑞, 徐新军, 于晓林. 2025.
WANG Tao, RONG Zengrui, XU Xinjun, YU Xiaolin. 2025.
基于高频地波雷达组网数据对环山东半岛沿岸流的变化特征分析
Characterizing the coastal currents around the Shandong Peninsula based on the high-frequency ground wave radar network
海洋科学, 49(4): 1-14
Marine Sciences, 49(4): 1-14.
http://dx.doi.org/10.11759/hykx20240202003

文章历史

收稿日期:2024-02-02
修回日期:2025-05-09
基于高频地波雷达组网数据对环山东半岛沿岸流的变化特征分析
王涛1, 荣增瑞1,2, 徐新军3, 于晓林2     
1. 中国海洋大学 海洋与大气学院, 山东 青岛 266100;
2. 中国海洋大学 深海圈层与地球系统前沿科学中心, 山东 青岛 266100;
3. 武汉海兰瑞海海洋科技有限公司, 湖北 武汉 430205
摘要:山东沿岸流是黄海沿岸流系的重要一支, 是影响渤海和黄海水体和物质交换的重要动力过程, 但长期以来缺乏直接的系统观测。本研究基于2021年全年环山东半岛海域6个测站的3组高频地波雷达组网观测数据, 研究了环山东半岛海域潮流和余流的时空变化特征。结果表明: 山东半岛北部海域以不规则半日潮流为主, 121°30′E至122°E的烟威海域为不规则全日潮流, 山东半岛南部海域则以规则半日潮流为主。就2021年而言, 山东半岛北部鲁北沿岸流冬、夏较强, 表层平均余流约为20~ 30 cm/s, 春、秋较弱, 约5~15 cm/s, 全年基本流向比较稳定。山东半岛南部沿岸流整体弱于鲁北沿岸, 约2~10 cm/s, 冬季时受强风影响, 与鲁北沿岸流联为一体, 整体向西南方向流动, 且流速较强。冬季, 强北风可能是山东半岛北部沿岸流的主要驱动因素, 且风速越大, 流速越强, 流向越趋于一致向东南方向流动; 春夏秋季, 山东半岛北部表层余流仍流向东南且可以逆风流动。山东半岛南部表层余流方向多变, 且具有显著的季节变化, 冬季时受强北风影响流向西南, 其他季节流速较弱且流向趋于和局地风向一致。
关键词山东沿岸流    高频地波雷达    潮流    余流    季节特征    
Characterizing the coastal currents around the Shandong Peninsula based on the high-frequency ground wave radar network
WANG Tao1, RONG Zengrui1,2, XU Xinjun3, YU Xiaolin2     
1. College of Oceanic and Atmospheric Sciences, Ocean University of China, Qingdao 266100, China;
2. Frontier Science Center for Deep Ocean Multispheres and Earth System, Ocean University of China, Qingdao 266100, China;
3. Wuhan Hailan Ruihai Marine Technology Co., Ltd., Wuhan 430205, China
Abstract: The Shandong coastal current is an important branch of the Yellow Sea coastal current system and is one of the main physical processes affecting the water and material exchange between the Bohai Sea and the Yellow Sea. However, only a few observations have been made to characterize its spatial and temporal variations. Based on three sets of high-frequency ground wave radar network observations from six stations surrounding the Shandong Peninsula, we investigated the spatial and temporal characteristics of tidal and residual currents surrounding the Shandong Peninsula. Results showed that most of the northern part of the Shandong Peninsula is dominated by irregular semidiurnal currents, whereas the Yantai–Weihai area between 121°30′E and 122°E is dominated by irregular diurnal currents. The southern part of the Shandong Peninsula is dominated by regular semidiurnal currents. The Lubei coastal current (i.e., the northern branch of the Shandong coastal current) is stronger in winter and summer and weaker in spring and autumn, with a mean surface current velocity of approximately 20–30 and 5–15 cm/s, respectively. The direction of the Lubei coastal current is relatively stable throughout the year and mainly flows southeastward. The coastal current in the southern part of the Shandong Peninsula is weaker than that along the northern coast and is approximately 2–10 cm/s. We determined that the strong north wind in winter may be the main factor driving the Lubei coastal current, which is stronger under high-speed wind conditions. In other seasons, the Lubei coastal current flows southeastward and may flow in the upwind direction, especially in summer. The surface residual current in the southern part of the Shandong Peninsula is distinguished by frequent changes in direction and behaves with remarkable seasonal variation. In winter, the residual current in the southern part connects with the Lubei coastal current and flows southwestward. In other seasons, the velocity of the southern branch is weaker and tends to be in the same direction as the local wind. The results presented in this study deepen our understanding of the characteristics and mechanisms of Shandong coastal currents and their roles in regulating the exchange between the Bohai Sea and the Yellow Sea.
Key words: Shandong Peninsula coastal current    high-frequency surface wave radar    tidal current    residual current    seasonal variability    

山东沿岸流是黄海沿岸流系中的一支。传统观点认为, 它上接渤海沿岸流, 沿山东半岛北岸东流, 在成山角附近转向南或西南流, 绕过成山角后大致沿40~50 m等深线的走向南下, 且与苏北的黄海沿岸流(苏北沿岸流)成为一体并流入长江浅滩[1-2]。基于温盐资料的间接分析认为, 山东沿岸流基本流向比较稳定, 但流速冬强夏弱[3-4]。如鲍献文等[4]通过对2006—2007夏冬春秋季北黄海的大面调查温盐资料分析发现, 山东沿岸流的北支, 即鲁北沿岸流, 冬季最强, 春季减弱, 夏秋季几乎消失。对山东沿岸流的直接观测多集中在渤海海峡附近[5-10]。一般认为秋冬季渤海海峡流场呈现北进南出的特征, 春季则以入流为主, 且南强北弱, 夏季时以出流为主, 渤海海峡南侧的出流继续向东形成了鲁北沿岸流[6, 11]。一般认为季节性转换的风场是影响跨渤海海峡环流的主导机制[12-15], 季节性夏季出流与夏季强降雨和径流有关[6, 16]

近来的研究进一步揭示了山东沿岸流的季节内变化特征, 特别是冬季大风事件对渤海海峡附近环流结构的影响[7, 17-20]。冬季时, 受强北风的影响, 渤海海峡整体以出流为主, 渤海海峡南部表现为垂向一致的正压东向流[7], 但受偶发性的北风逆转的影响, 在海峡南部和北部会出现短暂的西向流, 该现象已被观测和模拟证实[7, 19-20]。冬季的余流形态主要受风场引起的海表面高度变化驱动, 海面高度的变化通常和陆架Kelvin波的传播有关, 风场松弛阶段, Kelvin波逆时针沿岸传播, 强北风事件发生和松弛阶段南北向压强梯度的变化是跨海峡流向快速变化的驱动机制[7, 20-21]。此外, Ding等[7]还进一步指出渤海海峡附近的流场结构还与渤海风场细结构有关, 有显著的年际变化, 渤海区不同的风场结构通过调制海表面高度进一步影响渤海海峡附近的环流结构。目前, 对山东沿岸流的观测研究多集中在渤海海峡附近, 在山东沿岸流路径上的观测仍非常有限。从时间上看, 相关直接观测多集中在冬季, 对山东沿岸流的季节变化特征仍缺乏直接的观测研究。

高频地波雷达是近几十年来发展起来的新兴观测手段, 被用来探测海面流场、波浪场、风场等动力要素[22-32]。与传统观测仪器相比, 具有时空分辨率高、监测范围广、连续观测时间长的优点。本研究基于2021年全年环山东半岛7套共3组地波雷达观测资料(图 1), 系统分析环山东半岛的潮流和余流特征, 阐明山东沿岸流的季节变化特征, 探讨山东沿岸流变化与季节性转换的风场之间的响应关系, 以期对山东沿岸流有更为深入的认识。

图 1 研究区域及高频地波雷达覆盖监测范围, 水深数据来自电子海图 Fig. 1 Study area and the high-frequency ground wave radar network sites, colors are bathymetry from electronic navigational charts 注: 基于审图号为GS(2023)336号的标准地图制作
1 数据与方法 1.1 高频地波雷达资料

本研究使用的高频地波雷达是武汉大学研发的中程便携式地波雷达OSMAR-S100, 该雷达采用调频中断连续波体制和单极子交叉环紧凑型天线阵[33-34], 频率为13 MHz, 扫距为100 km, 时间分辨率为20 min, 方位角分辨率为3°, 距离分辨率为2.5 km。基于该雷达, 环山东半岛共部署了6个测站, 从北向南分别是东董村站(DDCU)、小石岛站(SDAO)、王家村站(WJCU)、河口村站(HKCU)、沙岛子站(SDZI)和黄龙甲站(HLJA), 初步形成了环山东半岛的组网观测(图 1)。在该雷达组网中, 各雷达波束覆盖扇角不完全相同, 其中沙岛子站最大为183°, 小石岛站最小为153°。基于上述6套雷达测站, 共形成了3组合成矢量流场, 分别是东董村站(DDCU)和小石岛站(SDAO)、王家村站(WJCU)和河口村站(HKCU)、沙岛子站(SDZI)和黄龙甲站(HLJA), 覆盖范围为120°42′E~123°42′E, 35°42′N~38°36′N(图 1)。本文获取了2021年全年的雷达组网观测资料, 并将极坐标下的观测资料处理到0.05° × 0.05°的规则网格点, 后续分析针对网格化的数据开展。

1.2 质量控制

受天气状况、仪器状况以及人类活动的影响, 地波雷达观测可能存在数据缺失、异常以及覆盖率不稳定等问题。图 2给出了2021年全年3组地波雷达系统的观测样本情况。考虑到雷达的采样频率是20 min, 理论上每天的最大有效样本数为72。由图 2可以看出, 3组地波雷达系统2021年的年数据覆盖率均高于70%。除10月由于仪器维护完全停机外, 仅有少量月份数据缺失率高于50%, 如: 山东半岛北部西侧雷达组合在7月、9月数据缺失严重, 山东半岛北部东侧雷达组合在2月、6月缺测较多, 山东半岛南部的雷达组合在3月缺测严重。

图 2 2021年全年质量控制前3组地波雷达系统每天合成矢量流场数 Fig. 2 Number of observations for each day of 2021 before quality control

需要指出的是, 图 2仅反映了地波雷达系统在不同时间的观测情况, 即该时刻有无数据, 而在不同时刻, 雷达的有效空间测点仍可能有较大差异。此外, 流矢量是通过两个或多个雷达观测的径向流合成而来, 在两束径线方向夹角接近90°时, 数据质量最优, 接近180°或0°时, 合成结果则可能存在较大误差。因此, 一般需要对观测合成的矢量流进行合理有效的质量控制。具体步骤如下。

(1) 在空间上剔除异常值, 对任一观测时刻, 空间上剔除流速与空间平均流速的差大于2倍标准差的测点[30, 35], 表示为

$ \left| {V\left( {x, y, t} \right) - \bar V\left( t \right)} \right| \geqslant 2\delta ;\delta = \sqrt {\mathop \sum \limits_{\left( {x, y} \right)}^N {{\left[ {V\left( {x, y, t} \right) - \bar V\left( t \right)} \right]}^2}/\left( {N - 1} \right)}, $ (1)

式中, V(x, y, t)为t时刻空间任一点(x, y)的流速, $ \bar{V}(t)$t时刻空间上速度的平均值, δt时刻空间样本的标准差, Nt时刻样本容量。

(2) 在时间上剔除异常值, 即对每个测点的速度矢量(u, v), 在时间序列上剔除观测值与年平均值绝对偏差超过2倍标准差的数据[30]:

$ \left| {u\left( {x, y, t} \right) - \bar u\left( {x, y} \right)} \right| \geqslant 2\delta ;\delta = \sqrt {\mathop \sum \limits_{t = 1}^N {{\left[ {u\left( {x, y, t} \right) - \bar u\left( {x, y} \right)} \right]}^2}/\left( {N - 1} \right)} , $ (2)

式中, u(x, y, t)为t时刻空间任一点(x, y)的流速东(或北)分量, $\bar{u}(x, y) $为(x, y)测点流速东(或北)分量的时间平均值, δ为(x, y)测点的标准差, N为(x, y)测点的时间样本容量。

(3) 在时间上剔除跳跃值, 任一时间前后两次连续观测绝对偏差大于该测点所有时间3倍标准差的数据, 此处使用3倍而非2倍标准差是因为我们发现使用2倍标准差会剔除一些流速转换较快的时刻:

$ \left| {u\left( {x, y, t} \right) - u\left( {x, y, t \pm 1} \right)} \right| \geqslant 3\delta ;\delta = \sqrt {\mathop \sum \limits_{t = 1}^N {{\left[ {u\left( {x, y, t} \right) - \bar u\left( {x, y} \right)} \right]}^2}/\left( {N - 1} \right)} , $ (3)

式中, $u(x, y, t)$t时刻空间任一点$\left( {x, y} \right) $的流速东(或北)分量, $\bar{u}(x, y) $为在$\left( {x, y} \right)$测点流速分量的样本平均值, $u(x, y, t \pm 1)$$\left( {x, y} \right)$点位$(t \pm 1)$时刻流速东(或北)分量, $\delta$为标准差, N$\left( {x, y} \right)$测点的时间样本容量。

图 3以2021年1月为例, 给出了质量控制前后表层流数据丰度的变化情况, 其中数据丰度定义为分析时段内该点所有数据样本与应有样本的比值。由图 3可以看出, 就2021年1月而言, 山东半岛南部雷达组合的数据丰度最优, 山东半岛北部西侧次之, 山东半岛北部东侧最低, 与图 2的合成流场样本一致。此外, 可以看出, 质量控制后数据的整体丰度有所下降, 且主要集中在观测区域向岸一侧边缘, 与该位置处合成角度较小有关。观测中心区域中心位置一般数据丰度较好, 基本维持在60%以上。图 4进一步给出了经过质量控制后, 2021年全年不同月份的数据丰度情况。受天气、断电及仪器维护等影响, 每个月的数据丰度略有不同, 但核心区基本可以维持在60%以上, 部分月份可以达到90%以上。由于仪器维护, 部分时段数据完全缺失, 如2021年10月。本文选取各个月数据获取率大于50%的表层海流数据研究潮流、余流分布特征及变化规律。

图 3 2021年1月(a)质量控制前和(b)质量控制后数据丰度对比 Fig. 3 Available data (a) before and (b) after quality control for January 2021

图 4 2021年全年不同月份经过质量控制后的数据丰度对比, 仅显示数据丰度超50%的观测点 Fig. 4 Monthly available data after quality control for the year 2021, only data with higher coverage (> 50%) are shown
1.3 风场资料

本文使用的风场资料为欧洲中期天气预报中心(ECMWF, European Centre for Medium-Range Weather Forecasts)提供的ERA5(ECMWF Reanalysis 5)再分析产品, 选用的是距海面10 m高度处风场数据, 空间分辨率为0.25°×0.25°, 时间分辨率为1 h, 时间为2021年1月1日—12月31日, 本研究选用了山东沿岸流及周边区域(118°30′E~123°42′E, 35°30′N~38°42′N)的风场资料。

2 环山东半岛潮流特征分析

本节基于潮流调和分析, 得到环山东半岛海域主要分潮的空间分布特征, 使用的数据是雷达观测2021年全年的数据。使用的工具是T-tide经典潮流调和分析方法, 该方法基于最小二乘法潮流进行调和分析[36]。谱分析结果显示M2、S2、K1、O1是该区域4个最主要的分潮, 浅水分潮能量较弱(图略)。图 5给出了4个主要分潮: M2、S2、K1、O1的表层潮流椭圆。总体而言, 4个主要分潮中, M2分潮所占比重最大, S2分潮次之, 振幅约为M2分潮1/2。二者潮流椭圆分布较为一致, 在山东半岛北部西侧, 椭圆长轴基本沿西北–东南走向, 以顺时针旋转潮流为主; 在山东半岛北部东侧, 潮流椭圆仍主要沿西北-东南走向, 但表现为逆时针旋转潮流, 且旋转率较小, 呈往复流特性[图 5(a)(b)], 这表明山东半岛北部半日分潮M2和S2的大小和旋转特性在122°E附近发生了明显的转变。山东半岛南部海域M2和S2分潮的旋转特性较弱, 呈现往复流为主的特征, 最大流速方向从东向西存在一定程度的向岸偏转。K1和O1分潮在观测区域内基本呈往复流特征, 山东半岛北部椭圆长轴基本呈与岸线平行的西北–东南走向。此外, K1和O1分潮环山东半岛顺时针方向明显的递减趋势, 北部较大, 南部较小[图 5(c)(d)]。

图 5 4个主要分潮的表层潮流椭圆 Fig. 5 Surface tidal current ellipses of the four major tidal constituents

通常以潮流类型系数F(F=Ho1+HK1/HM2)来定义潮流类型, 其中Ho1$ H_{\mathrm{K}_{1}} $HM2分别为O1、K1和M2分潮潮流椭圆的长轴。F≤0.5为规则半日潮流, 0.5 < F≤2.0为不规则半日潮流, 2.0 < F≤4.0为不规则全日潮流, F > 4.0为规则全日潮流。图 5(a)给出了该区域的潮流类型系数, 可知山东半岛北部以不规则半日潮流为主(0.5 < F≤2.0), 121°30′E至122°E的烟威海域表现为不规则全日潮流(2.0 < F≤4.0), 南部则以规则半日潮流为主(F≤0.5)。山东半岛南北两侧的潮流椭圆分布和潮流类型分析与前人观测或模拟基本一致[37-40], 但系首次从大面积观测出发给出了表层潮流的细结构。

3 环山东半岛余流特征分析 3.1 山东半岛北侧沿岸流的季节变化特征

山东沿岸流的变化对于渤-黄海物质交换具有重要意义, 前人对山东沿岸流的观测主要集中在渤海海峡附近[41-42], 缺乏对山东沿岸流的系统认识。本文采用Lanczos滤波器对高频地波雷达逐小时海流资料进行48 h低通滤波, 去除短周期分潮等高频信号, 得到每个时刻的余流, 然后对经过滤波处理的余流进行月平均, 得到月平均余流, 并分析环山东半岛余流的季节变化特征。需要指出的是, 该部分余流包括了风生流、密度流和潮汐余流等的影响[43]

图 6给出了2021年1—12月月均的表层余流分布。山东半岛北部表层余流全年基本都呈西北-东南走向, 且流速冬(11月—1月)、夏(6月—8月)较强, 春、秋较弱。冬季时, 鲁北沿岸流在40 m以浅的近岸较大, 可达20~30 cm/s, 随着离岸距离的增大有一定的减弱趋势, 但仍可达约8 cm/s[图 6(a)图 6(k)(l)]。对山东半岛北部西侧远岸海域(水深 > 40 m), 冬季(12月和1月)表层余流表现为西向和西南向流, 这可能与冬季时黄海暖流的向西入侵有关[44-46]。冬季山东半岛北部近岸的强沿岸流可能与强劲的西北风有关。2021年11月—1月, 该地区受西北风影响, 风速超过6 m/s的占比超过60%, 平均风速可达7 m/s, 受此影响, 渤海水体易在鲁北沿岸堆积, 产生北向的压强梯度力, 根据地转平衡, 山东半岛北部近岸表现为向东的沿岸流。

图 6 2021年月平均风场与地波雷达观测的月平均表层余流的时空分布 Fig. 6 Monthly mean surface residual current observed by high-frequency radars and the associated winds for 2021

春季季风转换, 风向多变, 偏北风和偏南风占比较大, 2月西北风开始减弱, 4月时风速达到最小。山东半岛北部沿岸仍以东向的沿岸流为主, 但整体减弱到10 cm/s以下, 且北部西侧沿岸流有向岸退缩的趋势, 远岸区表现为南向流[图 6(b)(c)]。

夏季以东南风占主, 风速整体较春季有所增强, 且风向从5月的西南风逐渐转变到7月的东南风, 8月以南风为主但整体风速较小约为4.25 m/s。夏季山东半岛北部表层余流的强度相比春季明显增强, 但总体弱于冬季, 约为5~20 cm/s, 且保持沿岸向东流动的态势[图 6(f)(h)]。与冬季不同, 强的表层余流离岸发展到更深的远岸海域, 以8月份为例, 山东半岛北部东侧40 m以深的远岸区流速大于近岸区, 这可能与夏季沿岸锋面离岸发展有关[图 6(h)]。对2021年夏季风场和气候平均态夏季风场的对比显示(图略), 2021年夏季风与气候平均态风场无显著差异, 风可能不是影响夏季山东半岛北部沿岸流的主要因素。此外, 与冬季风向和流向趋于一致不同, 鲁北沿岸流与风向存在一定角度, 或逆风发展[图 6(f)(g)], 这表明夏季鲁北沿岸流的形成机制与冬季不同, 是需要进一步研究的问题。

秋季是季风的转换季, 风场开始向冬季风过渡, 9月时以东风为主, 10月时以北风为主。9月时鲁北沿岸流整体较弱, 表层余流强度弱于夏季和冬季, 与春季相当, 约5~15 cm/s, 但流向仍较为稳定, 整体表现为东南向流动, 与夏季的形态较为一致[图 6(i)]。

图 7进一步给出了山东半岛北部通过121°30′E和122°30′E的表层余流东西向速度分量的变化。可以看出, 山东半岛北部2021年全年以东向流为主, 冬季时, 在远岸区存在短暂的向西转向, 与图 6(a)图 6(l)中山东半岛北部远岸区的向西南方向的流型一致。此外, 可以看出, 通过122°30′E断面的东向流速整体要强于121°30′E断面, 且冬、夏季均较强。冬季时, 鲁北沿岸流在近岸处较强, 夏季时在远岸区较强, 显示了冬夏季不同的驱动机制[3, 47-48]

图 7 通过断面的余流东向分量随时间的变化, 断面位置如图 1所示 Fig. 7 Time evolution of the west–east component of the residual currents across the section. The section location is shown in Fig. 1
3.2 山东半岛南侧沿岸流的季节变化特征

山东半岛南侧表层余流整体弱于北侧海域, 基本在5~10 cm/s, 余流方向表现出更显著的季节变化。冬季时(2021年11—1月), 山东半岛南侧近岸区(水深 < 20 m)和远岸区(水深20~40 m)具有不同的流向, 近岸一侧以东向或东北向流动为主, 远岸一侧则以南向和西南向流动为主[图 6(a)图 6(k)(l)]。传统观点认为, 山东沿岸流可以绕过成山角, 并大致沿40~50 m等深线的走向南下[1-2]。冬季地波雷达的观测证实了这一观点, 且观测发现, 南下的山东沿岸流可以向西影响到约20 m等深线附近的山东半岛南部海域[图 6(a)(b)], 表明冬季时鲁北沿岸流是下游山东半岛南侧海域沿岸流的源。

春季的4—5月, 山东半岛南侧表层余流发生转向, 整体表现为东北向流动, 一直持续到初夏的6月, 该时段局地风总体偏北, 春季山东半岛南侧表层余流总体与局地风向较为一致[图 6(d)(f)]。

夏末秋初的8—9月, 山东半岛南侧表层余流基本呈西北向或西向[图 6(h)(i)]。山东半岛南侧的青岛、威海近岸受黄海浒苔影响显著。黄海浒苔每年于5月初在苏北浅滩发展, 随时间向北移动并暴发性增长, 7、8月份在青岛、威海大量聚集。本研究地波雷达的观测证实, 2021年5、6月山东半岛南岸东北向的表层余流有利于浒苔向山东近岸扩展, 而8、9月的西北向表层余流则进一步加剧了浒苔的向岸聚集。总体而言, 环山东半岛表层余流在南北两岸表现出完全不同的特征。就2021年而言, 鲁北沿岸流冬、夏较强, 春、秋较弱, 全年基本流向比较稳定。冬季时, 鲁北沿岸流核心离岸较近, 且可以绕过成山角影响到山东半岛东南侧20 m等深线附近海域; 夏季时, 鲁北沿岸流可以发展到离岸较远的海域。山东半岛南侧表层余流整体流弱于北侧鲁北沿岸流, 但流向表现出显著的季节性变化, 流向与风向较接近。

4 环山东半岛沿岸流与风场季节变化的响应关系

上文分析显示, 环山东半岛表层余流和风场之前有一定的关系, 特别是冬季时, 鲁北沿岸流和风向趋于一致。前人研究指出, 冬季风是渤黄海跨海峡流动的主导机制[18, 42], 冬季大风松弛阶段还会发生跨海峡流的短期转向[7, 19-20]。但上述研究均是针对跨渤海海峡的流场观测和分析, 对环山东半岛不同区域沿岸流的统计特征仍缺乏认识。不同季节沿岸流的流向变化与风场的季节性转换是否一致, 仍不清楚。

针对环山东半岛沿岸流的不同区域, 我们首先给出了2021年不同季节10 m高度风场和表层余流的统计变化变特征(图 8)。由图 8可以看出, 冬季时[图 8(a)], 山东半岛区域以西北风占主, 风向落在N和W之间的概率约为42%。春季是季风的转换季, 风向多变, 偏北风和偏南风占比相对较大, 约为15%和30%[图 8(b)]; 夏季, 以东南风占主, 风速整体较春季有所增强[图 8(c)]; 秋季, 风场开始向冬季风形态过渡, 风向以东风和西北风为主, 强风主要为西北风[图 8(d)]。

图 8 (a—d)风矢量玫瑰图与(e—p)山东半岛观测区域内流矢量的大小–方向玫瑰图 Fig. 8 Direction frequency of wind (a–d) and surface residual current (e–p) in the observation area of the Shandong Peninsula

山东半岛北部东西两侧区域的表层余流在不同季节具有相似的方向特征, 但与风矢量方向并不一致。冬季时, 山东半岛北部表层余流以东南向流为主[图 8(e)图 8(i)], 占比约50%, 仅有约15%的时刻流向偏向西或西南, 且主要发生在山东半岛北部西侧远岸海域[图 6(a)图 6(b)]。春季, 山东半岛北部仍以东南向流占主, 但超过20 cm/s的余流占比显著减小, 仅有约6%[图 8(f)图 8(j)]。夏季, 山东半岛北部西侧[图 8(g)]和东侧[图 8(k)]表层余流较其他季节略有变化, 西侧向南偏转, 而东侧向东偏转, 且东侧强流速(> 20 cm/s)明显强于西侧, 显示两个区域受不同的动力机制控制。秋季, 山东半岛北部表层余流恢复以东南向流占主, 余流偏向南的概率降低[图 8(h)图 8(l)]。总体而言, 虽然山东半岛区域风场具有显著的季节变化, 但山东半岛北部沿岸流全年均保持了东南向流动为主的特征, 且东侧较西侧更易向东偏转, 这与东西两侧的岸线走向趋于一致。

就山东半岛南部而言, 冬季, 强盛的鲁北沿岸流可以跨过成山头影响到鲁南海域, 因此冬季时有显著的东南向流, 且流速较大的流主要沿此方向[图 8(m)]。春季, 山东半岛南部区域以东北向和北向流占主, 且流速极少超过20 cm/s[图 8(n)]。夏季, 南风占主, 山东半岛南部区域的表层余流主要呈北偏西或北偏东方向, 向西北方向的流动较春季明显增强, 与夏季的东南风较为一致[图 8(o)]。秋季, 山东半岛南部的沿岸流方向多变, 且以东向和西向占主, 与秋季多变的风场有关[图 8(p)]。总体而言, 除了冬季受强的鲁北沿岸流的影响, 山东半岛南部会出现显著的西南向流外, 其他季节山东半岛南部表层余流方向多变, 春夏季以东北向流占主, 流向与风向的演变较为一致, 不利于近岸物质的向外扩散, 同时可能造成浒苔的向岸聚集。

上述分析表明, 表层余流在山东半岛北部较强、南部较弱, 山东半岛北部鲁北沿岸流在冬季和风向较为一致。前人研究指出冬季山东沿岸流是渤海向黄海输送物质的重要通道[19-20], 因此本研究进一步分析了2021年冬季不同风速条件下山东沿岸流的统计特征。图 9显示了冬季山东半岛北部和南部沿岸流与北风分量之间的统计关系, 其中北部包括了东西两侧的观测。可以看出, 风速较低时(< 6 m/s), 山东半岛北部以东南向流为主, 占比约46%, 但仍有约25%的时刻流向偏向西或西南[图 9(a)]; 风速增强(6~12 m/s), 山东半岛北部表层余流向东南方向的比例进一步增加, 可达约53%[图 9(b)]; 风速进一步增强到12 m/s以上, 山东半岛北部则基本表现为东南向的沿岸流。与此相对应, 低风速下, 山东半岛南部海域的表层余流较小, 没有明显的方向性[图 9(d)]; 随着风速增强, 山东半岛南部海域向西南方向的流动显著增强, 平均流速增大为15 cm/s, 表明强盛的鲁北沿岸流可以跨过成山头影响到山东半岛南部海域[图 9(e)图 9(f)]。需要指出的是, 不同季节环山东半岛不同区域的观测数据丰度并不相同(图 4图 6), 上述结论反映了环山东半岛表层余流与风场之间的统计相关性, 典型事件的演变过程及其中的驱动机制是需要进一步研究的问题。

图 9 冬季山东半岛不同风速条件下表层余流方向频率 Fig. 9 Direction frequency of the surface residual current under different wind speed ranges in Shandong Peninsula in winter 注: 其中0°表示向南流动, 90°表示向东流动
5 结论

本研究基于2021年全年的环山东半岛的高频地波雷达组网观测资料, 分析了环山东半岛海域的潮流和季节性余流变化特征, 并重点探讨了山东沿岸流季节变化与风场季节变化的响应关系。研究发现, 山东半岛北部以不规则半日潮流为主, 半日分潮(M2和S2)在西侧为顺时针旋转潮流为主, 东侧以逆时针往复潮流占主, K1和O1分潮主要呈往复流特性; 山东半岛南侧以规则半日潮为主, 全日分潮较小。山东半岛北部的鲁北沿岸流冬、夏较强, 平均可达20~30 cm/s, 春、秋较弱, 约5~15 cm/s, 全年较稳定地向东南方向流动。山东半岛南部表层余流整体弱于鲁北沿岸, 且表现出更显著的季节性变化, 冬季时受强的鲁北沿岸流影响, 以西南向流为主。冬季, 山东半岛北部沿岸流与风向较为一致, 表明强北风可能是冬季鲁北沿岸流的主要驱动因素, 且风速越大, 流速越强, 流向越趋于一致向东南方向流动; 春夏秋季, 山东半岛北部表层余流与风向有较大差异, 表层余流仍流向东南且可以逆风流动。山东半岛南部表层余流季节变化显著, 余流方向多变, 冬季时受强北风影响流向西南, 其他季节流速较弱且流向趋于和局地风向一致。

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