黃河口海域潮汐、潮流、余流、切變鋒數(shù)值模擬

高 佳,陳學(xué)恩＊＊,于華明,Ming Li

(1.中國(guó)海洋大學(xué)物理海洋研究所,山東青島266100;2.Department of Engineering,University of Liverpool,U.K.L69 3BX)

黃河口海域潮汐、潮流、余流、切變鋒數(shù)值模擬

高 佳1,陳學(xué)恩1＊＊,于華明1,Ming Li2

(1.中國(guó)海洋大學(xué)物理海洋研究所,山東青島266100;2.Department of Engineering,University of Liverpool,U.K.L69 3BX)

采用有限體積三維近岸海洋模型,建立無(wú)結(jié)構(gòu)三角形網(wǎng)格,對(duì)當(dāng)今地形下的黃河口海域進(jìn)行高分辨率數(shù)值模擬,在成功模擬渤海潮汐潮流的情況下,重點(diǎn)研究了黃河口海域。當(dāng)前黃河口附近海域潮汐為不規(guī)則半日潮,潮流為往復(fù)流,方向近似平行于岸界,潮致歐拉余流在岬角兩側(cè)存在成對(duì)的渦旋,渦旋的方向?yàn)槟享槺蹦?黃河徑流對(duì)此渦旋有加強(qiáng)的作用。由于地形等復(fù)雜因素的影響,河口海域附近在漲落潮轉(zhuǎn)換過(guò)程中存在內(nèi)漲外落型和內(nèi)落外漲型切變鋒,其首先出現(xiàn)在淺水區(qū)域,然后向深水區(qū)域傳播,1～2 h后消失,它的產(chǎn)生是由于近岸海域潮汐相位領(lǐng)先于外海海域潮汐相位。

黃河口;數(shù)值模擬;潮汐;潮流;余流;切變鋒

目前黃河入?？谖挥谏綎|省東營(yíng)市墾利縣黃河口鎮(zhèn)境內(nèi),地處渤海灣與萊州灣的交匯處,1996年5月黃河現(xiàn)行清水溝流路改道清8汊河入海,河口走向?yàn)闁|北方向(見(jiàn)圖1)。

圖1 當(dāng)今黃河口位置示意圖Fig.1 Map of current Yellow River estuary

黃河泥沙入海后在河口附近大量沉積,2005年1次黃河調(diào)水調(diào)沙就能導(dǎo)致河口沙嘴向海推進(jìn)超過(guò)1.6 km[1]。近50 a來(lái),由于人類活動(dòng)及自然因素的影響,黃河入海水沙量急劇減少,郝琰等[2]研究表明近年來(lái)老黃河口附近M2分潮無(wú)潮點(diǎn)位置變化明顯,這些變化將導(dǎo)致黃河口附近水動(dòng)力分布發(fā)生改變,進(jìn)而引發(fā)一系列問(wèn)題,如現(xiàn)在的黃河口的潮汐類型是什么,潮致余流如何分布,徑流對(duì)潮流余流的影響如何,切變鋒的產(chǎn)生及形態(tài)如何等。

河口數(shù)學(xué)模型是研究河口水動(dòng)力過(guò)程的有效手段,可在一定程度上克服現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)的時(shí)空限制。本文采用三維數(shù)學(xué)模型對(duì)黃河口的水動(dòng)力場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬,試圖從物理海洋學(xué)的角度去分析解釋上述問(wèn)題。

1 數(shù)值模式簡(jiǎn)介

依據(jù)研究海區(qū)的特點(diǎn),本文選擇采用美國(guó)麻省大學(xué)的有限體積三維海洋模式FVCOM(Finite-Volume Coastal Ocean Model)[3]。此模式控制方程組由動(dòng)量方程、連續(xù)方程、溫度方程、鹽度方程和密度方程組成,將有限元方法易于擬合岸界、局部加密網(wǎng)格的優(yōu)點(diǎn)與便于離散、高效求解原始方程組的優(yōu)點(diǎn)結(jié)合起來(lái)。FVCOM模型數(shù)值方法采用有限體積方法,使動(dòng)量、能量和質(zhì)量在模型中具有更好的守恒性,采用干濕判斷法處理潮灘移動(dòng)邊界,應(yīng)用Mellor-Yamada 2.5階湍流閉合子模型使模型方程閉合,垂向坐標(biāo)采用σ坐標(biāo)變換,采用內(nèi)外模分裂的計(jì)算方案以節(jié)省計(jì)算時(shí)間。該模型使用可變?nèi)切尉W(wǎng)格,從而能精確的擬合復(fù)雜不規(guī)則的岸線。Chen等[4]曾將FVCOM應(yīng)用于渤海,得到很好的模擬結(jié)果。

1.1 計(jì)算區(qū)域及地形資料

本文建立了渤海數(shù)值模型,對(duì)黃河口附近海域進(jìn)行網(wǎng)格加密,計(jì)算區(qū)域和水深地形如圖所示。圖2所示模型采用無(wú)結(jié)構(gòu)三角形網(wǎng)格,9 030個(gè)結(jié)點(diǎn)將整個(gè)區(qū)域分成16 989個(gè)三角形單元,黃河口附近海域分辨率約200 m,開(kāi)邊界處分辨率約12 km。垂直方向分為11個(gè)σ層。水深使用方國(guó)洪的2(′)×2(′)的水深,黃河口附近采用衛(wèi)星圖片與出海調(diào)查實(shí)測(cè)水深替換結(jié)合,如圖3。

圖2 計(jì)算區(qū)域三角形網(wǎng)格示意圖Fig.2 Triangular grid of calculation

根據(jù)CFL條件限制,模型中外模時(shí)間步長(zhǎng)取為2 s,內(nèi)模為10 s。計(jì)算時(shí)間為2009年7月25日到9月2日共40 d。

圖3 渤海水深地形圖Fig.3 Topographic map of Bohai

1.2 邊界條件及初始條件

模式開(kāi)邊界有2部分:黃河徑流斷面和外海局部水域邊界。

黃河徑流邊界條件 本文采用的是黃河利津站2007年汛期(7～10月)平均徑流量,數(shù)據(jù)來(lái)源于《黃河泥沙公報(bào)》[5],取流量為1 260 m3/s。模式的外海開(kāi)邊界在渤海海峽西側(cè),采用潮位驅(qū)動(dòng),由呂咸青老師利用驗(yàn)潮站資料數(shù)據(jù)同化后模式結(jié)果調(diào)和分析得到的調(diào)和常數(shù)插值得到開(kāi)邊界21個(gè)點(diǎn)的M2,S2,K1,O1等4大分潮的調(diào)和常數(shù),然后進(jìn)行潮位預(yù)報(bào)得到,這4個(gè)分潮已能夠反應(yīng)實(shí)際的潮汐過(guò)程。

運(yùn)動(dòng)學(xué)邊界條件 在海底及海面有垂向速度為0,岸邊界滿足法向流速為0。另外,不考慮海表面風(fēng)場(chǎng)、熱輻射通量等氣象因素。初始水位、流矢:計(jì)算中將9 030個(gè)結(jié)點(diǎn)的初始水位設(shè)為零,16 989個(gè)三角形單元中心的表層到底層共11層的初始流速矢量設(shè)為0。初始溫度和鹽度:初始溫度設(shè)為20℃,初始鹽度設(shè)為32 psu。

2 模型驗(yàn)證

對(duì)模式輸出的每結(jié)點(diǎn)40 d的水位進(jìn)行調(diào)和分析,得到4個(gè)主要分潮(K1,O1,M2,S2)的振幅和遲角,繪制等值線(見(jiàn)圖4),與渤海31個(gè)驗(yàn)潮站的調(diào)和常數(shù)對(duì)比得到表1。

圖4 4大分潮的等振幅線和等遲角線(紅線:遲角;藍(lán)線:振幅)Fig.4 Cotidal chart and iso-amplitude line(red:phase;blue:amplitude)

表1 模式輸出結(jié)果與驗(yàn)潮站調(diào)和常數(shù)對(duì)比差值Table 1 Comparison between model result and data from tide station

圖4是4大分潮的同潮圖,與海圖和前人模擬結(jié)果[6-8]相比對(duì)應(yīng)較好,半日分潮在渤海有2個(gè)無(wú)潮點(diǎn),分別位于秦皇島附近和老黃河口附近,老黃河口附近的M2分潮無(wú)潮點(diǎn)已經(jīng)退化,受科氏力的作用,同潮時(shí)線繞其無(wú)潮點(diǎn)作逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)。全日分潮在渤海有1個(gè)無(wú)潮點(diǎn),位于渤海海峽中部左右。將4大分潮的調(diào)和分析結(jié)果和渤海31個(gè)驗(yàn)潮站的調(diào)和常數(shù)相比得到表1,遲角和振幅的絕對(duì)平均誤差均較小,振幅平均誤差為3.9 cm,遲角平均誤差為9.6(°),總的來(lái)說(shuō)該模型的模擬精度滿足要求,可以用于渤海海域水動(dòng)力特性的研究。

4 模式結(jié)果分析

4.1 潮汐類型

本文模擬得潮型數(shù)分布如圖5所示。秦皇島和老黃河口附近海域半日分潮無(wú)潮點(diǎn)中心附近潮型數(shù)>4,屬于正規(guī)全日潮,往外圍海域方向潮型數(shù)減小,屬于不正規(guī)全日潮;渤海海峽以西小部分和遼東灣頂部小部分為正規(guī)半日潮,其余海域均為不正規(guī)半日潮。

圖5 渤海潮汐類型分布Fig.5 Distribution map of tide type in Bohai

對(duì)于黃河口海域,沙嘴入?？谝晕骺拷澈骋粋?cè)潮型數(shù)>2,屬不正規(guī)全日潮;沙嘴入?？谝詵|以南靠近萊州灣屬于不正規(guī)半日潮。

圖6 黃河口海域潮流橢圓分布Fig.6 Current ellipse distribution near Yellow River estuary

4.2 潮流橢圓

對(duì)每個(gè)結(jié)點(diǎn)的潮流時(shí)間序列做潮流調(diào)和分析,得到4個(gè)主要分潮K1,O1,M2,S2對(duì)應(yīng)的潮流橢圓分布圖(見(jiàn)圖6)。對(duì)4個(gè)分潮都有,靠近岸界的地方潮流橢圓很“扁”,說(shuō)明潮流為往復(fù)型,離岸界越遠(yuǎn)潮流橢圓越“圓”,為旋轉(zhuǎn)潮流。在黃河口海域?qū)Π肴辗殖倍酁轫槙r(shí)針旋轉(zhuǎn),值得注意的是在河口沙嘴西北存在1個(gè)藍(lán)色的逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)的潮流區(qū)域。而全日分潮多為逆時(shí)針旋轉(zhuǎn),在河口沙嘴南部存在1個(gè)紅色順時(shí)針旋轉(zhuǎn)的潮流區(qū)域。

4.3 黃河口海域潮流分布

選定模式時(shí)間205,210,212,215 4個(gè)時(shí)刻為低潮時(shí)、漲潮、高潮時(shí)、落潮的代表時(shí)刻。在這個(gè)潮周期里,漲潮用時(shí)7 h,落潮用時(shí)6 h。計(jì)算的垂向平均潮流場(chǎng)(見(jiàn)圖7)。

圖7 黃河口海域潮流分布Fig.7 Tidal current distribution near Yellow River estuary

漲潮時(shí)(圖7b)海流從北向南從渤海灣、渤海中部先后繞過(guò)河口沙嘴與岬角進(jìn)入萊州灣,落潮時(shí)潮流由南向北?？梢?jiàn)黃河口海域潮流基本為往復(fù)流,這驗(yàn)證了上節(jié)潮流橢圓中得到的結(jié)論,潮流流速不大,無(wú)論漲潮流還是落潮流,流速多不超過(guò)50 cm/s。

漲潮流在先后經(jīng)過(guò)河口沙嘴和尾閭河故道岬角時(shí)都會(huì)發(fā)生右旋,有順時(shí)針旋轉(zhuǎn)的趨勢(shì),故潮流橢圓(見(jiàn)圖6)中2個(gè)岬角南部都有紅色的橢圓,即順時(shí)針旋轉(zhuǎn)的潮流。

而當(dāng)達(dá)到高潮時(shí)這一時(shí)刻,潮流很小,殘余的一些潮流便擺脫了潮流的控制,在河口東南部附近以及尾閭故道岬角的南部附近形成2個(gè)順時(shí)針的環(huán)流,類似于下節(jié)中的潮致余流。

落潮時(shí),海流由南向北從萊州灣涌出,繞過(guò)岬角和河口沙嘴呈輻射狀進(jìn)入渤海灣和渤海中部。在低潮時(shí)時(shí)刻,殘余海流在河口沙嘴北部形成一個(gè)逆時(shí)針環(huán)流。

對(duì)于黃河徑流,由漲落潮時(shí)流場(chǎng)(圖7b和圖7d)對(duì)比可見(jiàn)其影響范圍很小,僅限于河口附近,由于慣性入海流的方向?yàn)闁|北,漲潮時(shí)受漲潮流的頂托,被迫轉(zhuǎn)向南,徑流入海受阻;落潮時(shí)徑流方向與潮流一致,徑流向北入海通暢。

4.4 潮致歐拉余流

潮致歐拉余流是指海域內(nèi)某一確定點(diǎn)在1個(gè)潮周期內(nèi)潮流速度的時(shí)間平均值,是潮波非線性耦合和由外?；蚝涌趶搅髁抗餐饔玫慕Y(jié)果,在越靠近海岸的淺水區(qū)域,非線性作用越強(qiáng)[10]。由于是在歐拉意義下研究流體的運(yùn)動(dòng),因此定義為歐拉余流,它表示在確定位置上流體周期平均的遷移趨勢(shì)。圖8為潮流進(jìn)行調(diào)和分析后得到的余流結(jié)構(gòu)場(chǎng)。為了對(duì)比研究黃河徑流對(duì)歐拉余流的影響,設(shè)計(jì)了對(duì)比實(shí)驗(yàn):實(shí)驗(yàn)一和實(shí)驗(yàn)二,2個(gè)實(shí)驗(yàn)除了黃河徑流條件外,其他參數(shù)均相同。圖8a為實(shí)驗(yàn)一加入黃河徑流實(shí)驗(yàn)的余流場(chǎng),圖8b為實(shí)驗(yàn)二不加黃河徑流實(shí)驗(yàn)的余流場(chǎng),圖8c為2個(gè)實(shí)驗(yàn)的余流場(chǎng)之差。

圖8 余流結(jié)構(gòu)場(chǎng)Fig.8 Fesidual current field

由圖8a和圖8b可見(jiàn),由于岬角產(chǎn)生的非線性作用,在2個(gè)岬角周圍都有1對(duì)渦旋存在,岬角左側(cè)為逆時(shí)針?lè)较蛴喹h(huán)流,量級(jí)約為岬角右側(cè)為順時(shí)針余環(huán)流,稱之為岬角余流[11]。渦旋的流速量級(jí)不大,約為5 cm/s,但在靠近岸界的地方流速迅速增大,可達(dá)20 cm/s。

4.5 黃河徑流余流

圖8c可認(rèn)為是黃河徑流性余流,在入?？诟浇Ｓ蛴捎趹T性徑流性余流很大,然后流速迅速減小,而在河口兩側(cè)也分別對(duì)應(yīng)存在岬角余流渦,說(shuō)明徑流對(duì)岬角余流有貢獻(xiàn),但不是決定性因素,因?yàn)椴还苣Ｊ街屑硬患狱S河徑流,在河口沙嘴和岬角處都會(huì)由于岬角效應(yīng)產(chǎn)生1對(duì)渦旋,黃河徑流只是對(duì)岬角余流渦有加強(qiáng)的作用。

4.6 黃河口潮流切變鋒

切變鋒是由于鋒面兩側(cè)水動(dòng)力特征差異顯著而導(dǎo)致的水流剪切界面,是1種瞬時(shí)的且與河口地形和局地動(dòng)力環(huán)境密切關(guān)聯(lián)的動(dòng)力現(xiàn)象。1991年李廣雪等[12]首次在黃河三角洲前緣區(qū)發(fā)現(xiàn)1個(gè)流場(chǎng)切變帶, Li等[13]定義此流速大小或者流向有明顯切變的流場(chǎng)過(guò)渡帶為黃河口切變鋒,并猜測(cè)其是徑流與海水相互作用的結(jié)果。觀測(cè)資料顯示此切變鋒具有周期性,每天出現(xiàn)4次,每次存在2～3 h,并且認(rèn)為其傳播方向?yàn)樽院Ｏ蜿?。而王厚杰等[14]、Wang等[15]于1995年9月在黃河口周邊附近海域?qū)嵤┏绷饔^測(cè),并輔以數(shù)值模擬,所得結(jié)果與Li[13]的結(jié)論恰恰相反,認(rèn)為黃河口切變鋒自河口向深水傳播,歷時(shí)2 h。

本文模擬結(jié)果與王厚杰等[14]、Wang等[15]大體一致。圖9為黃河口切變鋒在1個(gè)潮周期內(nèi)存在的2種不同形態(tài),即圖內(nèi)落外漲型和內(nèi)漲外落型,呈弧帶分布,與海岸近似平行。其首先出現(xiàn)在淺水區(qū)域,然后向深海區(qū)域移動(dòng),每次出現(xiàn)歷時(shí)不同,大約為1～2 h。黃河徑流對(duì)切變鋒的形成沒(méi)有決定性影響,只是增加了切變鋒的強(qiáng)度,因?yàn)樵谖醇尤朦S河徑流的模擬中也存在切變鋒。

漲落潮轉(zhuǎn)換時(shí),由于徑流、地形、底摩擦等復(fù)雜因素的影響,外海海域最大潮流相位滯后于近岸海域,近岸海域率先轉(zhuǎn)流,出現(xiàn)近岸海域與外海海域流速相反或流速大小顯著差異的切變帶,從而形成切變鋒。

在由漲潮向落潮轉(zhuǎn)變的過(guò)程中,近岸區(qū)域率先落潮,形成內(nèi)落外漲型切變鋒(見(jiàn)圖9a);在由落潮向漲潮轉(zhuǎn)變的過(guò)程中,近岸區(qū)域率先漲潮,形成內(nèi)漲外落型切變鋒(見(jiàn)圖9b)。

圖9 a 內(nèi)落外漲型切變鋒Fig.9a Inner-ebb-outer-flood shear front

圖9 b 內(nèi)漲外落型切變鋒Fig.9b Inner-flood-outer-ebb shear front

5 結(jié)論

綜上所述,本文主要對(duì)黃河口海域潮汐、潮流、余流、潮汐切變鋒進(jìn)行了系統(tǒng)的數(shù)值模擬研究,對(duì)當(dāng)今黃河口海域的水動(dòng)力分布情況有了更深入細(xì)致的了解。

主要結(jié)論如下:

(1)黃河口海域?yàn)椴徽?guī)半日潮。潮流基本上是平行于海岸的往復(fù)流,漲潮流從北到南,落潮流從南到北,

流速大小多不超過(guò)50 cm/s。

(2)潮致歐拉余流為岬角余流,即在岬角兩側(cè)存在旋轉(zhuǎn)方向相反的1對(duì)渦旋,方向?yàn)槟享槺蹦?且越靠近岸界流速越大,最大可達(dá)20 cm/s。

(3)黃河徑流僅對(duì)黃河口附近海域的流場(chǎng)有顯著的影響,經(jīng)流性余流對(duì)潮致歐拉余流有加強(qiáng)的作用。

(4)黃河口切變鋒形成于漲落潮轉(zhuǎn)換的過(guò)程中,有內(nèi)漲外落和內(nèi)落外漲2種類型,其首先出現(xiàn)在淺水區(qū)域,然后向深水區(qū)域傳播,歷時(shí)約1～2 h,其形成原因是近岸海域潮汐相位領(lǐng)先于外海海域潮汐相位。

致謝:在本文研究過(guò)程中還得到中國(guó)海洋大學(xué)海洋環(huán)境學(xué)院林霄沛副教授及丁揚(yáng)、陳金瑞、趙健等的幫助,在此一并表示感謝。

[1] 張星秀.黃河入?？诮衲暝傧蚝Ｑ笸七M(jìn)1.6公里[N].山西日?qǐng)?bào), 2005-9-23.

[2] 郝琰,樂(lè)肯堂,劉興泉.黃河三角洲海區(qū)2010年潮波分布特征的數(shù)值預(yù)測(cè)[J].海洋科學(xué),2000,24(6):43-46.

[3] Chen Changsheng,Beardsley Robert C,Cowles Geoffrey.An unstructured grid,finite-volume coastal ocean modle FVCOM user manual[M].[s.l.]:SMAST/UMASSD,2006,02:16-17.

[4] Chen Changsheng,Liu Hedong,Beardsley Robert C.An unstructured grid,finite-volume,three-dimensional,primitive equations ocean model:application to coastal ocean and estuaries[J].Journal of Atmospheric and Oceanic Technology,2003,20:159-186.

[5] 水利部黃河水利委員會(huì).黃河泥沙公報(bào)[R].北京:水利部黃河水利委員會(huì),2007.

[6] 方國(guó)洪,楊景飛.渤海潮運(yùn)動(dòng)的一個(gè)二維數(shù)值模型[J].海洋與湖沼,1985,16(5):340-342.

[7] 張占海,吳輝碇.渤海潮汐和潮流數(shù)值計(jì)算[J].海洋預(yù)報(bào),1994, 11(1):48-54.

[8] 王永剛,方國(guó)洪,曹德明,等.渤、黃、東海潮汐的一種驗(yàn)潮站資料同化數(shù)值模式[J].海洋科學(xué)進(jìn)展,2004,22(3):253-274.

[9] 左軍成.海洋水文環(huán)境要素的分析方法和預(yù)報(bào)[M].青島:海洋大學(xué)出版社,2007:56-58.

[10] 鄭連遠(yuǎn).三維潮致拉格朗日余流的數(shù)值計(jì)算及其在渤海中的應(yīng)用[J].青島海洋大學(xué)學(xué)報(bào),1992,22(1):39-49.

[11] 趙亮,魏皓,趙建中.膠州灣水交換的數(shù)值研究[J].海洋與湖沼,2002,33(1):23-29.

[12] 李廣雪,成國(guó)棟,魏合龍.現(xiàn)代黃河口區(qū)流場(chǎng)切變帶[J].科學(xué)通報(bào),1994,39(10):928-932.

[13] Li G X,Tang Z S,Yue S H,et al.Sediment in the shear front off the Yellow River mouth.Continental Shelf Research[J]. 2001,21:607-625.

[14] 王厚杰,楊作升,畢乃雙.黃河口泥沙輸運(yùn)三維數(shù)值模擬Ⅰ-黃河口切變鋒[J].泥沙研究,2006,2:1-9.

[15] Wang H J,Yang Z S,Li Y H,et al.Dispersal pattern of suspended sediment in the shear frontal zone off the Huanghe mouth [J].Continental Shelf Research,2007,27:845-871.

Abstract: A 3-D Finite-Volume Coastal Ocean Model was applied in the Bohai Sea,especially near the estuary,to simulate the tides,tidal currents,residual currents and shear front,using unstructured trian gular grids.On condition of an accurate simulation of the tides and tidal currents in the Bohai Sea,this article focused on the Yellow River mouth.The type of tides is of irregular semi-diurnal and the type of tidal currents is of reciprocating flow,mostly parallel to the coastline.The tide induced eulerian residual current is a couple of eddies on each side of the estuary,with the anticlockwise on the left side and clockwise on the other,both of the eddies are enhanced by the Yellow River runoff.Two patterns of the shear front were identified at the conversion between flood and ebb tide phase.The results suggested that the shear front be generated in the shallow area because of the tidal phase of the coastal area is ahead of the seaward area,then moved seaward and finally disappeared 1～2 hours later.

Key words:Yellow River estuary;numerical simulation;tides;tidal currents;shear front;residual currents

責(zé)任編輯 龐 旻

Numerical Simulation of Tides,Tidal Currents, Residual Currents and Shear front in Estuary

GAO Jia1,CHEN Xue-En1,YU Hua-Ming1,MIN G Li2
(1.Institute of Physical Oceanography,Ocean University of China,Qingdao 266100,China;2.Department of Engineering, University of Liverpool,U.K.L69 3BX)

P731.21

A

1672-5174(2010)-09Ⅱ-041-08

科技部對(duì)歐盟科技合作專項(xiàng)(0816);“教育部留學(xué)回國(guó)人員科研啟動(dòng)基金”資助

2009-09-12;

2010-07-19

高 佳(1984-),男,碩士生,主要從事力學(xué)研究。E-mail:gaojia109@163.com

E-mail:xchen@ouc.edu.cn