海口湾海域潮流季节性特征分析

陈宜展，曹永港，肖志建，刘长建，李锐祥，董超

(国家海洋局南海调查技术中心∥国家海洋局南海维权技术与应用重点实验室，广东 广州 510300)

海口湾位于琼州海峡中南部，地理位置为110°12′21″E～110°20′40″E, 20°01′12″N～20°05′55″N之间。琼州海峡水动力过程主要受到东口南海北部的半日潮波和西口北部湾的全日潮波这两个独立潮波系统的影响，潮差不大，潮流作用强劲。海口湾也由东、西两个方向传入不同相位和潮时的分潮相互作用，加上海口湾的热带季风气候以及海湾地形特点，潮流特征具有一定的复杂性。海口湾有重要的航道，渔业捕捞活跃，是繁华的旅游景区，因此，研究海口湾的潮流特征有重要的意义。

不同的海湾水动力特征不尽相同，即使是同一海湾，在不同的季风和潮波作用下的水动力特征也不一样。因此，对海湾水动力特征的深入研究要基于大范围长时间的海洋调查资料。迄今为止，有关海口湾海域的水动力特征分析研究成果很少，对海口湾潮流场特征的了解也是基于对琼州海峡潮流场结构的研究。1960年代，“中越北部湾合作海洋综合调查”对琼州海峡进行了两次海流观测，由于琼州海峡海流流速太强，不易抛锚观测，获得的海流观测资料多有中断，数据可信度不强。只是通过风场统计结果认为琼州海峡夏季水体输运由西向东，冬季海水输运由东向西[1-2]。中国海湾志根据1993年12月29～30日大潮期间实测资料，指出海口湾属于不正规全日潮流，潮流表底层流向大体取向一致，余流大体向西运动[3]。陈达森等[4]利用1964～1997年期间7 a的琼州海峡海流实测资料研究了琼州海峡余流场季节性变化特征，指出琼州海峡的余流方向基本是从东向西运动的，并且认为风只是对琼州海峡表层水体输运有影响。现有观点普遍认为控制琼州海峡水体输运的主要因素是粤西沿岸西向流，琼州海峡的水体输运基本是从南海北部进入北部湾的[5-7]。

2016年国家海洋局南海调查技术中心对海口湾及其周边海域进行了12个站位的海流同步观测，观测范围覆盖了海口湾全部海域。本文拟根据实测资料对海口湾的潮流特征进行分析。

1 数据来源与处理方法

2016年5月17 ～26日春季，7月13～22日夏季， 9月23日～10月3日秋季，和12月9～18日冬季共4次获得全潮海流观测资料。实测站点(S1-S12)布设如图1所示。其中S1、S2、S3、S4、S5、S9等6个水深较深站位采用为TRDI ADCP以船载下视方法和悬挂Seaguard RCM型海流计在海表0.5 m水深处进行海流观测，S6、S7、S8、S10、S11、S12等6个较浅站位则用Seaguard RCM型海流计进行分层观测，每个测站点垂向分3层，分别为表层、0.6H及底层，表层为水面以下0.5 m处，0.6H层即是水深H乘以0.6的水深处，底层为海底以上0.5 m处)。其中，表层海流反映了海气之间的作用特征，底层海流反映了海底的摩擦效应，中层海流则反映了表层和底层之间的过渡特征。各季节的全潮观测期间风力为3～5级，海况2～4级，适合外业观测作业。每个潮的海流观测采用同步多站26h连续观测作业方式。

图1 海口湾海域全潮观测站位和水深(标示左边为站位名，右边为水深)Fig.1 The location and their water depths of the observational stations in the Haikou bay

2 潮流性质

潮流性质利用全日、半日分潮流的相对比率来进行划分，通常用潮流性质系数F=(WO1+WK1)/WM2作为判别标准，式中WO1、WK1、WM2分别为主太阴全日分潮O1、太阴太阳赤纬全日分潮K1、主太阴半日分潮M2为主分潮流的椭圆长半轴，由引入差比关系的准调和分析方法计算得到。其中，F<0.5为正规半日潮流；0.5～2.0 为不正规半日潮流；2.0～4.0 为不正规全日潮流；F>4.0为正规全日潮流[8-9]。表1 为各站潮流性质计算结果。

表1 海口湾不同季节各层潮流性质系数F值Table 1 The character coefficient F of tide currents in various seasons in the Haikou bay

由表1可以看出，春、夏、秋季，海口湾海域除S7和S10潮流性质系数F值在0.5～2.0之间，为不正规半日潮流。其余各站F值基本上在2.0～4.0之间，为不正规全日潮流。从理论上，海口湾东部接近南海北部不正规半日潮区，西部接近北部湾全日潮区。然而，S7和S10位于西部近岸岬角处却表现为不正规半日潮流。由于观测站位靠近岬角受岬角地形影响，海流在岬角两边将产生两个涡旋：若站在岬角上面海而立,左手一侧是反时针涡旋，右手一侧是顺时针涡旋[10]。S7和S10位于岬角的右侧，为顺时针涡旋，故WO1和WK1变弱而WM2变强，F值相对变小。由下文的余流分析可以看出海口湾海域的余流方向主要为向西，因此西部近岸岬角站位S7和S10比东部近岸岬角站位S4和S6具有更明显的不正规半日潮流特征。

从垂向分布上看，同一个站位的各层F值具有一定的差异。总体上，表层的F值大于底层的F值，但是表底层相差不大，随水深增加逐渐变小。海口湾海域的日潮流最大流速的垂向变化幅度不大，因此F值在垂向空间分布规律性上较为一致。总体而言，湾内站位的潮流性质系数F值小于湾口站位的F值，即湾内站位的全日潮特征不如湾口站位明显。

从季节上看，春、夏、秋季潮流类型F值相差不大并且普遍大于冬季潮流类型F值。冬季各站位各层潮流性质F值普遍在0.5～2.0之间，为不正规半日潮流。明显冬季潮流形成机制与春、夏、秋季并不相同，春、秋季流速流向特征与夏季相似。由图2流速流向图可以看到，夏季海口湾各层流速、流向也较为相近，最大流速出现在落潮时段；冬季海口湾表层流速明显大于底层流速，最大流速出现在涨潮时段。说明冬季东北季风对海口湾海流有重要的影响，西向涨潮流加强，东向落潮流减弱，因此呈现出半日潮流特征。

图2 海口湾S2站夏季和冬季大潮流速流向和潮位图Fig.2 S2 station current velocity and direction for a diurnal cycle

3 海流概况

位于海口湾外部湾口处的S1、S2、S3、S5和S9站表层海流表现出涨潮流的主流向为偏西，落潮流主流向基本上偏东的往复流特征(图3)，且表现为不正规全日潮流特征。湾内各站位涨落潮方向并不统一，近岸S4、S6、S8、S10、S11、S12站仍然表现出明显的往复流特征，并且可以看出涨潮时海流从东边湾口流入湾内，从西部湾口流出，落潮时海流从西边湾口流入湾内，从东边湾口流出。春季和夏季S7站的流速较小，表现出旋转流形态。调查海域的海流不但受外海潮波和风场的影响，局地地形对海流流向的制约同样不容忽视，再加上琼州海峡潮流作用的影响，从而造成调查海域的海流较为复杂。

在观测期间，海口湾不同季节大、中、小潮流态变化不明显，以下采用每个季节大潮期表层海流进行特征分析。如图3所示，由海口湾各个季节大潮期表层海流平面分布图可以看出以下特征：

图3 海口湾各季节大潮期表层海流平面分布图Fig.3 The distribution of the surface current in spring tide in various seasons in the Haikou bay

1) 各个季节作业区内站各层海流形态较为相似，湾口站位流向基本与海峡岸线平行，基本为涨潮流由东向西，落潮流由西向东。

2) 潮流运动可粗略分为往复流和旋转流，它可由潮流的椭圆旋转率k值来描述，k值为潮流椭圆的短半轴与长半轴之比，其值介于-1～1之间。k的绝对值越小越接近往复流，越大越接近于旋转流。k值的正、负号表示潮流旋转的方向，正号表示逆时针方向旋转，负号表示顺时针方向旋转。海口湾全年潮流都主要以M2、K1和O1分潮流为主，三个分潮量值总体相差不大，不同站位并不一致。各站的S2分潮流以及1/4日分潮流M4和MS4的量值均很小。各站各层M2，K1和O1分潮流的k值基本很小。海口湾M2、K1和O1分潮流k值绝对值大部分小于0.2，说明该海口湾的潮流运动以往复流为主。

3) 强流区处于湾口靠琼州海峡海域，湾内流速逐渐减小。受地形影响，湾内海流流向基本与岸线平行。

4 余流特征

余流通常指实测海流资料中扣除周期性(天文潮)之外，剩余的那部分流动。其中包括潮汐余流、风海流和密度流等非周期性流动。余流结果通过对实测海流进行分解和合成得到。

海口湾各个季节大潮期余流分布图如图4所示，可以看出以下特征：

1)在春、夏、秋、冬季，海口湾海区的余流基本都为自东向西，即南海海水通过海口湾海区输送到北部湾。只是在夏季由于西南季风影响，表层余流强度相对较弱，但中、底层仍为西向流。在全年中，冬季从东向西水体输运最强烈。

2)春季和夏季，表层余流流速普遍大于中层余流和底层余流。春季余流方向基本上是表层余流为近似向西，中底层余流范围为东南向和西北向。夏季余流方向基本上是表层余流为近似向北，中底层为南向到西向。主要是因为季风和潮流影响海口湾表层余流流向，海口湾属于半封闭港湾，为了保持质量守恒，中底层余流对表层流出海水进行补偿。

3)相对于春季、夏季和冬季，海口湾秋季余流较小。而且各站点各层余流方向基本一致。即是在海口湾秋季调查期间并没有如同春季和夏季，出现中底层余流对表层流出的海水进行补偿现象。这是由于海口湾秋季季风作用没有春季和夏季明显，余流主要受到潮流作用影响。

图4 海口湾各季节大潮期余流分布图Fig.4 The distribution of the residual current in spring tide in various seasons in the Haikou bay

4)冬季，海口湾表层余流方向基本上近似向西，中底层余流方向也基本上近似向西。海面风观测站位站观测到冬季大潮观测期间风向为东～东北，余流方向与风向基本一致。说明海口湾冬季大潮观测期间余流流向主要受东北季风作用影响。

5 结 论

1) 海口湾潮流特征比较复杂，春、夏、秋季为不正规全日潮流，冬季为不正规半日潮流。春、夏、秋季海口湾各层流速、流向较为相近，最大流速出现在落潮时段；冬季海口湾表层流速明显大于底层流速，最大流速出现在涨潮时段。说明冬季东北季风对海口湾海流有重要的影响，西向涨潮流加强，东向落潮流减弱，因此呈现出半日潮流特征。

2) 靠近岬角位置的海域，由于涡旋作用更容易表现出半日潮流特征。

3) 海口湾潮流主要以M2、K1和O1分潮流为主，三个分潮量值接近，不同站位分潮量值存在差异。S2分潮流以及1/4日分潮流M4和MS4的量值均很小。

4) 在全年中，该海域余流方向都是从东向西的，其中冬季从东向西水体输运最强烈。在春季和夏季，季风和潮流影响海口湾表层余流流向，海口湾属于半封闭港湾，为了保持质量守恒，中底层余流对表层流出海水进行补偿。而秋季季风作用没有春季和夏季强烈，余流主要受到潮流作用影响，没有出现明显的补偿流。冬季大潮观测期间余流流向基本近似向西，主要受东北季风作用影响。