doi: 10.13209/j.0479-8023.2022.055

广东省重点领域研发计划(2020B1111020003)、国家自然科学基金(51909290, 41976007, 91958101)、广东省科技计划( 2020A1414010264)和广州市科技创新项目(201904010430)资助

北京大学学报(自然科学版) 第58卷 第5期 2022年9月

Acta Scientiarum Naturalium Universitatis Pekinensis, Vol. 58, No. 5 (Sept. 2022)

收稿日期: 2021–07–02;

修回日期: 2021–09–30

基于高频地波雷达观测的粤港澳大湾区春季海表流特征研究

任磊1,2 杨凡3,† 杨凌娜1 陈晓帆1 潘广维1 韦骏2,4,†

1.中山大学海洋工程与技术学院, 珠海 519082; 2.南方海洋科学与工程广东省实验室(珠海), 珠海 519082; 3.国家海洋局珠海海洋环境监测中心站, 珠海 519015; 4.中山大学大气科学学院, 珠海 519082; †通信作者, E-mail: yangf@scs.mnr.gov.cn (杨凡), weijun5@mail.sysu.edu.cn (韦骏)

摘要 基于高频地波雷达系统监测得到的海表流资料, 选取 907 个高密度空间点, 运用调和分析等方法, 探究粤港澳大湾区 2020年 3月的潮流特征。结果表明, 该海域潮流以不规则半日潮 M2 分潮为主, 且浅水分潮影响显著。主要全日分潮和半日分潮的倾角都在 120°~160°之间, 即最大流速都为西北‒东南流向, 表现为向岸‒离岸流动的趋势。随着与海岸线距离的增加, 潮型系数和浅水系数逐渐增大, 区域南部离岸区表现出不规则全日潮的特征。可能最大流速和实测最大流速的范围分别为 0.33~71.01cm/s 和 58.63~149.99cm/s, 其大值都分布于研究区的西北部和南部。

关键词 高频地波雷达; 海流; 潮流; 粤港澳大湾区; 调和分析; 最大流速

随着海洋空间和资源的开发利用, 海上观光平台、海上施工平台以及岛礁建设等海洋工程日益增多。近海地区的经济活动和资源开发利用在很大程度上依赖于对海洋环境要素信息的获取能力。作为海洋运动的重要形式之一, 海流具有复杂多变的特点。海流的变化特征及其驱动机制是研究海洋动力过程的重要科学问题, 也是研究海洋物质输运的有效靶点[1]

粤港澳大湾区位于我国华南沿海地区, 由香港和澳门两个特别行政区与属于广东省的 9 个珠三角城市组成, 总面积为 56453km2, 总人口达 7276 万, 是世界级的创新中心和经济中心。研究区属于南海北部海区的一部分, 其北部与伶仃洋相连。伶仃洋是一个喇叭型的河口湾, 湾内为“三滩两槽”的格局, 水下地形自北向南、自西向东向下倾斜; 湾口内外, 岛屿星罗棋布, 海底地形复杂[2]。伶仃洋的入海径流量大, 径流从伶仃洋的横门、洪奇门、蕉门和虎门四大口门流入湾内, 其中虎门的潮流作用较强, 径流作用较弱[3‒4]。大湾区所在的华南沿海地区经历过多次构造运动, 使得大湾区海岸具有岬湾众多、海岸线曲折以及河口海湾发育的特点[5]。潮、风、径流、海底地形和海岸线等多因素的综合作用, 加上近年来沿海城市经济的高速发展及其导致的滩涂围垦和航道疏浚等人类活动, 使得粤港澳大湾区流场更趋复杂化。因此, 探究粤港澳大湾区近海的流场分布及变化特征, 对提高航道通行预报能力和防灾减灾具有指导作用。研究该地区海流的空间分布特征对潮汐能和海流能等清洁能源的开发具有重要科学意义, 有助于我国早日实现“碳达峰”与“碳中和”目标。

许多学者使用数值模型、直接观测和遥感观测等方法, 对粤港澳大湾区近岸动力过程及机制进行了研究。曹德明等[6]用二维有限差分方法研究南海北部的潮汐潮流, 结果表明广东沿岸潮汐振幅的增大和潮汐性质的变化主要受地形变化影响。杨万康等[7]基于非结构三角形网格数值模型的研究表明, 南海北部各个分潮潮流均呈逆时针方向旋转趋势, 随着水深变浅, 从南海北部向广东沿岸, 振幅逐渐增大, 4 个分潮的振幅排序为 M2>K1>O1>S2, 且南海北部大部分陆架区域潮型系数值在 1~2 之间, 属于不规则半日潮流, 其在广东沿岸的最大流速为 25~30cm/s。何琦等[8]基于南海北部大陆架和大陆坡 3 个站点声学多普勒剖面仪海流连续观测资料, 采用功率谱分析和潮流调和分析方法, 分析陆架陆坡区 100, 200 和 1200m 水深海域海流的垂向结构, 探讨环流的季节变化和空间分布特征。Li 等[9]对中国南海北部大陆架 8 个系泊点 2006—2007年冬季和 2009—2010年冬季的观测资料进行综合分析, 结果表明该区域以斜压全日潮为主, 相位在垂直和水平方向都有变化。

现有研究主要基于数值模拟方法和传统观测资料来分析研究区的海流特征。由于模型固有的局限性, 运用数值模拟方法时, 通常需要将复杂的海洋情况进行简化, 导致无法反映真实的海洋动力过程。虽然现场定点观测资料的精度高, 但其数据来源一般只有几个站点。与定点观测相比, 走航观测实现由点向线, 甚至由点向面的转变, 但无法在一个时刻获得线上或者面上所有点的数据, 其中的时间差可能导致误差。如果要实现与高频雷达同样长时间的观测, 走航观测所需的成本也是一大难题。

电磁波以雷达站为中心向海域辐射, 沿海表层传播,高频地雷据此获取海表参数, 可同时获得数百个甚至上千个观测点的数据, 实现海洋要素观测由点向面的突破, 能够展现研究区海表流空间场的特征, 更适于分析区域海表流时空特征的变化。作为观测海洋要素的新型遥感设备, 高频地波雷达克服了传统观测方法受天气影响大、设备维护成本高等缺点, 能进行大区域风、浪、流的同步监测, 满足实际应用中对中小尺度精确测量的需求[10‒11]。基于电磁学理论的发展, 高频雷达观测系统已广泛应用于海洋环境动力要素的观测[12]

Shen 等[13]通过对两个高频地波雷达系统获得的海流数据进行准谐波分析, 研究台湾海峡西南部表层潮流的空间分布特征, 结果表明该区域以半日潮流为主, 受浅水成分的影响很大。Shen 等[14]通过对两台高频雷达连续 11 天的矢量海流监测数据进行准调和分析, 研究浙江省舟山群岛以东公海海域表层潮流的空间分布特征。张文雅等[15]利用连云港近岸高频地波雷达系统 2019年的观测资料, 分析该区域海表流的时空特征。

粤港澳大湾区正在建设由 10 套高频地波雷达组成的密集观测网, 本文利用两个先期建成的雷达站获取的粤港澳大湾区连续一个月的海表流观测资料, 分析该海域海表流特征, 以期为后续多站点雷达组网提供参考。

1 监测系统和数据筛选

1.1 高频地波雷达监测系统

高频雷达观测系统的工作原理基于运动方向朝向或背离雷达测站(径向方向)的波浪波长等于电磁波波长的 1/2 时发生的 Bragg 散射现象[16]。高频雷达接收 Bragg 散射现象产生的强回波信号后, 合成站通过以海洋表面对电磁波的一阶和二阶散射截面方程为理论依据的反演算法, 获取研究区流速、风速和波高等海洋表面实时状态参数[17]。单个雷达站只能提供径向流信息, 通常设置两个及以上雷达站同时观测同一片海域, 并对其分别获得的径向数据进行矢量合成, 获取海面矢量流场[18]

本研究采用湖北中南鹏力海洋探测系统工程有限公司研发的阵列式 OSMAR 高频雷达监测系统。两个雷达站分别位于上川岛东(21°40′24″N, 112°48′23″E)和万山岛南(21°55′35″N, 113°43′5″E)。上川岛站雷达探测覆盖的扇形张角为 90°, 法向为正东; 万山岛站雷达探测覆盖的扇形张角为 130°, 法向为正南。两站相距 98km, 雷达最远量程为 200km, 共同覆盖面积约为 40000km2。两个雷达 30°张角交集区为核心观测区, 总面积为 666km²; 60°张角交集区为高精度观测区, 总面积为 4137km²; 万山岛站 120°张角和上川岛站 87°张角交集区为边缘观测区, 总面积为11655km²。雷达工作参数见表 1。

1.2 数据筛选

由于我们在本研究区首次运用高频雷达遥感数据进行海流空间场的分析, 考虑数据质量、数据连续性和稳定性等多方面因素, 基于保密要求, 本文选取 2020年 3月的数据进行分析。雷达测站布设点及观测覆盖区如图 1 所示。

观测时段为 2020年 3月 1日 0 时 0 分至 3月 31日 23 时 30 分, 时间分辨率为 10 分钟, 空间分辨率为0.05°×0.05°。总观测次数理论值为 4462, 受环境和海况等因素影响, 实际总观测次数为 4169[19]。探测区域内共有 1196 个观测点(图 1 中黑色和红色圆点)。为保证分析的可靠性和有效性, 选取有效观测次数超过实际总观测次数 80%的空间点位作为高密度观测点, 即至少在 3335 个时刻有观测值(如图1 中红色圆点所示), 覆盖范围为 112.40°—114.70°E, 20.20°—22.00°N, 共 907 个观测点, 平均观测率为95.90%。以下分析都基于这些高密度观测点的海表流观测数据。

2 研究方法

本研究基于高频雷达反演获得的海流流速数据, 采用潮流调和分析法绘制空间海流场图, 并分析可能最大流速(probable maximum current velocity, PMCV)和实测最大流速(measured maximum current velocity, MMCV), 探寻粤港澳大湾区近海海域的海流特征。高频雷达高密度实测点的海流流速数据存在缺失值, 本文采用线性插值法进行插补, 以上提到的各项分析均使用插补后的数据集。

运用调和分析方法可获取代表性天文分潮的潮流椭圆要素[20], 本文采用 MATLAB 中 t-tide 分析包进行潮流调和分析。根据潮流类型系数 F 判定潮流类型, 根据浅水系数 G 判定浅水分潮效应。计算公式[2]分别为

F = (WO1+WK1)/WM2, (1)

G = (WM4+WMS4)/WM2, (2)

其中, WO1, WK1WM2分别为O1, K1 和 M2 分潮的潮流最大流速。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。G>0.04 说明该区域浅水分潮效应显著。

按照运动形态, 可将潮流分为旋转流和往复流。潮流椭圆短轴与长轴的比值 K 为椭圆率, |K|< 0.3 说明往复流较显著, 0.3<|K|<1 说明旋转流较显著; K 为正值说明其旋转方向为逆时针方向, K为负值说明其旋转方向为顺时针方向。潮流椭圆长轴和短轴的大小由潮流调和常数确定, 长轴指向该分潮最大流速方向[21]

对于规则半日潮流海域和规则全日潮流海域, PMCV 的计算公式[22]分别为

表1 高频雷达工作参数

Table 1 Working parameters of the high-frequency radar

发射天线发射天线间距发射天线高度接收天线接收天线间距接收天线高度工作频率 三元八木(0.15~0.25)×波长0.25×波长八元标准阵(上川站前二后六, 万山站前六后二)0.5×波长2.5 m9 MHz

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图1 观测点分布

Fig. 1 Distribution map of observation points

V = 1.295WM2+1.245WS2+WK1+WO1+WM4+WMS4, (3)

Vmax = WM2+WS2+1.600WK1+1.450WO1, (4)

其中, V 为规则半日潮的PMCV, Vmax为规则全日潮的 PMCV, W 代表主要分潮流的椭圆半长轴矢量, 其下角标为分潮代号。对于不规则全日潮流海域和不规则半日潮流海域, PMCV 可取式(3)和(4)计算得出的最大值。

3 流场特征

3.1 分潮的潮流特征

对预处理后的海流矢量数据进行潮流调和分析, 得到研究区整体主要全日分潮 O1 和 K1、主要半日分潮 M2 和 S2 以及浅水分潮 M4, MS4 和 M6 的潮流椭圆要素(表 2)。M2 分潮的半长轴为 8.77cm/s, 远大于其他分潮; K1分潮次之, 为5.83cm/s; S2 分潮和 O1 分潮的半长轴较小, 分别为 4.49 和 3.23cm/s。这 4 个分潮的最大潮流流速比值为 100:66:51:37, 表明该海域以M2 分潮潮流为主。主要全日分潮和半日分潮的倾角都在 120°~160°之间, 即最大流速都在西北‒东南流向, 表现为向岸‒离岸流动的趋势。

从表 3 可知, 研究区的代表性分潮椭圆率 K 介于−0.21~0.21 之间, |K|均小于 0.3, 表明运动形态为往复流。在四大主要分潮中, O1分潮的|K|最小, 往复流趋势最明显; K1 分潮的|K|最大, 为 0.21。主要全日分潮的 K 值均为负数, 旋转方向为顺时针方向; 半日分潮中 M2 分潮为顺时针旋转, S2 分潮为逆时针; 浅水分潮中 M4 和 MS4 分潮为逆时针旋转, 振幅最小的 M6 分潮为顺时针旋转。

表2 潮流椭圆要素

Table 2 Tidal ellipse elements

分潮半长轴/ (cm·s−1)半短轴/ (cm·s−1)倾角/(°)相位/(°)振幅 O13.23−0.18125.16164.04323.55 K15.83−1.25156.36256.59596.13 M28.77−0.85130.67190.11881.30 S24.49 0.76126.86241.86455.73 M40.87 0.13171.67354.05 88.05 MS41.10 0.23163.18 68.94112.00 M60.39−0.02 12.43 39.14 39.04

表3 分潮椭圆率

Table 3 Tidal ellipticity

分潮K|K|运动形态旋转方向 O1−0.06<0.3往复流顺时针 K1−0.21<0.3往复流顺时针 M2−0.10<0.3往复流顺时针 S2 0.17<0.3往复流逆时针 M4 0.15<0.3往复流逆时针 MS4 0.21<0.3往复流逆时针 M6−0.05<0.3往复流顺时针

为探究潮流的空间分布特征, 在每个高密度观测点绘制 M2, S2, O1 和 K1 的潮流椭圆图(图 2)。

从图 2(a)可以看出, 半日分潮 M2 分潮在北部趋于往复流, 潮流椭圆长轴与短轴的比值较大。自北向南, 转变为旋转流的趋势逐渐增强。潮流旋转以顺时针方向为主, 仅在近岸区城和研究区东部少数观测点呈现逆时针旋转趋势。近岸区域大部分观测点潮流的流向为西北‒东南, 基本上与海岸线垂直, 中心区域观测点潮流椭圆的倾角更小, 更接近南‒北走向。

从图 2(b)可知, 半日分潮 S2 在近岸区域以逆时针旋转流为主, 在黄茅海和磨刀门河口区尤为明显。在离岸一段距离处转化为顺时针往复流, 变化趋势和旋转方向都与 M2 分潮相似。但是, 在离岸较远区域, S2 分潮更多地表现为逆时针往复流, 在研究区东部向旋转流转变。在研究区南端, 与 M2分潮的顺时针旋转流不同, S2 分潮表现为东‒西向的往复流。

从图 2(c)可知, 相对于半日分潮, 全日分潮 O1在近岸区趋于旋转流。椭圆长轴指向西北‒东南方向(与海岸线垂直)。随着与海岸线距离加大, 具有更显著的往复流特征, 椭圆长轴指向趋近西北‒东南方向。在研究区南端, O1 分潮表现为类似 S2 分潮的东西向往复流, 但旋转方向更加多变。

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图2 4个分潮的潮流椭圆图

Fig. 2 Tidal ellipses of the four tidal components

从图 2(d)可知, 全日分潮 K1 的旋转流趋势在所有主要分潮中最大(潮流椭圆的椭圆率平均值为−0.21), 呈现往复流与旋转流共存的形式, 大部分观测点的潮流旋转以顺时针方向为主, 仅在研究区南北两端有少量逆时针方向旋转的潮流分布, 西北部和南部旋转趋势最强。与其他分潮走向类似, 潮流的主要走向为西北‒东南, 说明虽然 O1 和 K1 分潮都为全日分潮, 但 K1 分潮的旋转性更强, O1 分潮的运动形式更趋于往复流; 由于 K1 分潮的椭圆长轴大于 O1 分潮, K1 分潮对总潮流的影响更大。

综上所述, 半日分潮 M2 和 S2 以及全日分潮O1 以往复流为主, 全日分潮 K1 则旋转流和往复流并存, 所有主要分潮的潮流指向均为西北‒东南方向, 除 S2 分潮外, 其他分潮均以顺时针旋转为主。

由式(1)计算得到本研究中海域的潮流类型系数 F = 1.0327, 表明整体上为不规则半日潮流。由式(2)计算得到该海域的浅水系数 G = 0.2242, 表明浅水分潮效应显著。根据各高密度观测点单点的调和分析结果, 得到该海域的潮流类型判别系数分布图(图 3(a))和浅水系数分布图(图 3(b))。

研究区内所有高密度观测点的 F>0.5, 表明该海域不存在规则半日潮流。随着与海岸线距离加大, 研究区中部大片区域的 F 值介于 0.5~2 之间, 潮流类型为不规则半日潮流。研究区南端的 F 值增大到 2~4 之间, 潮流类型为不规则全日潮流。西北部近岸区域的 F 值出现异常大值(最大超过 7), 黄茅海和磨刀门区域的径流作用较强, 潮流因克服径流和底摩擦作用而损耗能量, 由于传统的调和分析方法不考虑径流对潮汐的影响, 因此分析河口处潮流类型和特征时误差大[23‒24]

研究区内所有高密度观测点的G>0.04, 原因可能是研究区位于南海大陆架, 水深较小。G 值的分布与 F 值相似, 西北部近岸区域显著增大(最大超过 1), 随着与海岸线距离加大, 研究区中部大片区域的 G 值介于 0.1~0.4 之间。研究区南端的 G 值快速增大(最大超过 1), 该处属于高频雷达观测的边缘区, 信噪比较低, 加上反演算法的边缘效应, 导致通过反演获得的海流信息误差较大[25‒26]

3.2 大小潮的潮流特征

海表流受到风、潮动力、波浪、海底摩擦、海底地形及海岸线分布等多种因素的影响, 在粤港澳大湾区的浅海区域, 潮动力、径流作用及径潮的相互作用明显[27]

由各观测点的海表流流速和流向序列可知, 该海域涨落潮历时约 6 小时, 且在观测时段经历一次小潮‒大潮‒小潮过程。根据中国海事服务网(https: //www.cnss.com.cn/)发布的 2020年 3月万山站潮位资料图计算潮差, 可知 3月 9日潮差最大, 3月 17日潮差最小。因此分别选取 3月 9日和 17日作为大、小潮的代表日, 其日均流场如图 4 所示。可以看到, 在大潮代表日, 西北部观测点的流向与海岸线垂直, 表现为向岸流动, 由于海岸线和岛屿的阻挡, 西部观测点的流动方向为西南, 高密度观测点区域的其他观测点都呈现不同程度的北向流动趋势; 近岸海流的流速远大于离岸较远海域的流速。在小潮代表日, 西北部观测点与西部观测点的流动方向与大潮代表日相同, 高密度观测点区域的流动方向整体上呈现自东向西的趋势; 近岸区的流速特征与小潮代表日相似, 流速比高密度观测点区域的中心区大, 不同的是高密度观测点区域的南部流速也远大于中心区, 达到与近岸区近似的水平。这也导致研究区小潮代表日的日平均流速大于大潮代表日, 但二者最大流速相近, 最大流速出现的位置都在研究区的西北部近岸区(表 4)。

3月 9日大潮期逐时流场图(图 5)显示, 观测区域的北部具有明显的半日潮特征, 08:00 和 18:00 左右流速都比前后时间点大。观测区域的南部具有明显的全日潮特征, 00:00—03:00 海流明显向西流动, 03:00—04:00 开始转向, 04:00—21:00 向东流动, 此后转回西向。00:00—02:00 流速较大, 流动方向总体上为东西向, 南侧区域流速最大。02:00—04:00, 西北部各高密度观测点呈现围绕中心点(经纬度约为 21.6°N, 113.3°E)逆时针流动的特点, 与00:00相比, 流速明显下降, 并且北侧点位的流速大于南侧点位。04:00—08:00, 西北近岸区流速持续增大, 并稳定地垂直于海岸线流动。09:00—14:00, 近岸区出现自东北向西南的流向, 平行于海岸线流动, 北部和南部观测点的流速远大于其他点位。15:00—19:00, 除南部全日潮区域, 其余观测区域均表现为西北向流动, 且流速持续增加。19:00 以后, 近岸区流速持续减小, 流动方向整体上变为东西向。

最大流速大部分时段都出现在西北部近岸区, 只有 00:00, 01:00 和20:00 出现在南部的全日潮区。逐时平均流场最大流速的最大值为 148.78cm/s, 于06:00 出现在 113.15°E, 21.85°N 位置; 逐时平均流场最大流速的最小值为 70.29cm/s, 于 13:00 出现在113.00°E, 21.90°N处。

3月 17日小潮期逐时流场图(图 6)显示, 12 时与 13 时之间流速有一个明显的峰值(33.56cm/s), 此时西北近岸区半日潮流与南部离岸区全日潮流的流速都较大, 由此产生的叠加效应导致流速整体上较大。西北近岸区在黄茅海附近表现为向岸流(即西北向流动), 但在上川岛附近转变为沿岸流(即西南向流动), 南部离岸区为西向流。03:00 和 22:00, 流速整体上到达谷值, 西北近岸区与南部离岸区的流速都较小, 流场整体上表现为东西向。

表4 3月9日和3月17日的流速统计值

Table 4 Statistics of current velocity on March 9 and 17

日期平均纬向流速/(cm·s−1)平均经向流速/(cm·s−1)最大流速/(cm·s−1)流速最大处经纬度 3月9日 0.15 6.6775.01113.10°E, 21.90°N 3月17日−16.35−0.9279.96113.10°E, 21.90°N

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图3 F值和 G 值分布

Fig. 3 Distribution of F and G

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图4 3月 9日和3月 17日的日均流场

Fig. 4 Daily averaged flow fields on March 9 and 17

3月 17日, 大部分时段的最大流速仍然出现在西北部近岸区, 只有 1/3 的时段出现在南部的全日潮区(比 3月 9日有所增加)。最大流速基本上不超过 100cm/s, 但是最大值小于大潮时期, 最大流速的变化幅度相对较小。逐时平均流场的最大流速的最大值为 144.57cm/s, 于 12:00 出现在全日潮地区113.75°E, 20.30°N 处; 最大流速的最小值为 85.58cm/s, 于 07:00 出现在 113.10°E, 21.90°N 处, 与 3月9日最大流速的最小值出现位置基本上相同。

3.3 可能最大流速和实测最大流速

最大流速对海上生产活动和海洋工程建设等具有制约作用。为了给海洋工程施工和运维提供有用信息, 本文计算并分析研究区域的可能最大流速(PMCV)和实测最大流速(MMCV)。

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图5 3月9日(大潮)的逐时流场

Fig. 5 Hourly flow fields on March 9 (spring tide)

研究区的潮型系数在 0.5~4 之间, 潮流类型为不规则半日潮流和不规则全日潮流, 因此 PMCV 可由式(3)和(4)的最大值得出。

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图6 3月17日(小潮)的逐时流场

Fig. 6 Hourly flow fields on March 17 (neap tide)

如图 7(a)所示, 研究区西北部和南部 PMCV 较大, 随着与这两处的距离增大, PMCV 逐渐变小, 基本上小于 30cm/s。最大值为 71.01cm/s, 位于西北部的 113.30°E, 21.95°N处; 最小值为 0.33cm/s, 位于中部偏东的 114.20°E, 21.30°N处。

高频雷达实测期间的流速统计结果如图 7(b)所示。可以看出, 研究区外围的 MMCV 较大, 特别是西北部近岸区、东部离岸区和南部, 以全日潮为主导, MMCV 都超过 100cm/s。随着向研究区域的中心靠近, MMCV 迅速变小, 并且最终稳定在 60~80cm/s 之间。实测最大流速的最大值为 149.99cm/s, 位于西北部的 113.30°E, 21.95°N 位置; 实测最大流速的最小值为 58.63cm/s, 位于中部的 113.50°E, 21.20°N处。

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图7 可能最大流速(PMCV)和实测最大流速(MMCV)

Fig. 7 Probable maximum current velocity (PMCV) and measured maximum current velocity (MMCV)

计算 PMCV 时仅考虑潮流因素的影响, 而计算MMCV 时还要考虑风和其他因素的影响, 因此二者变化范围不同, PMCV 的范围为 0.33~71.01cm/s, MMCV 的范围为 58.63~149.99cm/s。二者的大值都分布于研究区的西北部和南部, 且最大值都出现于研究区西北部 113.30°E, 21.95°N 处, 但 MMCV 大值的覆盖区域更大。

4 结论与展望

本研究利用岸基高频地波雷达, 对粤港澳大湾区近岸海域连续 31 天的观测数据进行调和分析、逐时流场图分析以及可能最大流速和实测最大流速分析, 得到如下结论。

1)研究海域以 M2 分潮为主, 主要全日分潮和半日分潮的倾角都在 120°~160°之间, 即最大流速的海流都为西北‒东南流向, 表现为向岸‒离岸流动的趋势。

2)潮型系数和浅水系数指示该区域为不规则半日潮流, 浅水分潮效应显著, 并且随着与海岸线距离变大, 潮型系数和浅水系数逐渐增大, 南部离岸区呈现不规则全日潮特征。这一结论与俞慕耕[28] 1984年通过 320 个观测站资料计算的南海潮汐性质一致, 表明近四十年来, 自然因素和人为因素未使该区域的潮汐特征发生显著的改变。

3)最大流速值大部分时段出现在研究区的西北部近岸区, 大潮时的最大流速变化幅度较大。大潮时最大流速最大值(148.78cm/s)出现在西北部近岸区, 小潮时最大流速最大值(144.57cm/s)出现在南部离岸区。

4)可能最大流速和实测最大流速的大值都分布在研究区西北部和南部, 且二者的最大值都出现于研究区西北部113.30°E, 21.95°N处, 但实测最大流速大值区域的范围更大。

相对于数值模拟, 高频雷达监测数据分析结果更加全面和真实, 因此本文研究结果可为粤港澳大湾区海洋工程建设与生态保护提供重要支撑。鉴于高频雷达具有成本低、全天候和大范围等特点, 连续监测的海流数据含有丰富的多尺度信息, 后续研究中将考虑基于高频雷达观测数据, 结合机器学习的方法开展海流预测研究。

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Characteristics of Surface Currents in Guangdong-Hong Kong-Macao Greater Bay Area in Spring Based on High Frequency Radar Observations

REN Lei1,2, YANG Fan3,†, YANG Lingna1, CHEN Xiaofan1, PAN Guangwei1, WEI Jun2,4,†

1. School of Ocean Engineering and Technology, Sun Yat-sen University, Zhuhai 519082; 2. Southern Marine Science and Engineering Guangdong Laboratory (Zhuhai), Zhuhai 519082; 3. Zhuhai Marine Environmental Monitoring Central Station of the State Oceanic Administration, Zhuhai 519015; 4. School of Atmospheric Sciences, Sun Yat-sen University, Zhuhai 519082; † Corresponding authors, E-mail: yangf@scs.mnr.gov.cn (YANG Fan), weijun5@mail.sysu.edu.cn (WEI Jun)

Abstract Based on the sea surface currents data of Guangdong-Hong Kong-Macao Greater Bay Area (GBA) in March 2020 obtained from high frequency radar (HFR), the surface currents data from 907 densely distributed points were selected to analyze the characteristics of spatial-temporal variation. Harmonic analysis and some other methods were used to explore the characteristics of tidal currents. The results show that the irregular semidiurnal tide M2 is dominant in the sea area, and the shallow-water effect is significant. The dip angles of the main diurnal and semidiurnal tides are between 120° to 160°. The direction of maximum flow rate is WN-ES, which shows the trend of shore offshore flow. As the distance to the shoreline increases, the tidal current pattern coefficient and the effect of shallow water constituents coefficient gradually increase, and the offshore area in the south of the research area shows the characteristics of irregular diurnal tide. The ranges of probable maximum current velocity and measured maximum current velocity were 0.33 cm/s to 71.01 cm/s and 58.63 cm/s to 149.99 cm/s, respectively, with the upper-end values distributed in the northwest and south of the study area.

Key words high frequency radar; currents; tidal currents; Guangdong-Hong Kong-Macao Greater Bay Area; harmonic analysis; maximum current velocity