南黃海西部初夏潮致－風(fēng)生環(huán)流的數(shù)值模擬＊

于曉杰，婁安剛，張學(xué)慶

（中國海洋大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，山東青島266100）

南黃海西部初夏潮致－風(fēng)生環(huán)流的數(shù)值模擬＊

于曉杰，婁安剛，張學(xué)慶

（中國海洋大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，山東青島266100）

基于有限體積方法的海洋數(shù)值模式FVCOM，計算了南黃海西部六月份潮致余流及風(fēng)生環(huán)流，分析了潮致余流、初夏風(fēng)生環(huán)流各自的環(huán)流結(jié)構(gòu)，得出六月份該區(qū)域風(fēng)生環(huán)流占主導(dǎo)，偏南風(fēng)的作用較為顯著，潮致余流相對較弱。最后將風(fēng)和潮汐進(jìn)行耦合計算，得出該區(qū)域初夏的環(huán)流結(jié)構(gòu)，表層海水大體為由南至北的流動，說明該區(qū)域風(fēng)力為主要驅(qū)動力。計算結(jié)果與流速及環(huán)流實(shí)測資料吻合較好，為進(jìn)一步研究滸苔的漂移軌跡等奠定了動力基礎(chǔ)。

黃海西南部；夏季；FVCOM；潮致余流；風(fēng)生環(huán)流

自2008年起，連續(xù)3a六月份在青島近海海域發(fā)生了大規(guī)模滸苔繁殖，引起了人們對南黃海西部環(huán)流結(jié)構(gòu)的特別關(guān)注。過去對黃海夏季環(huán)流的研究，多集中在黃海中部的黃海冷水團(tuán)的環(huán)流結(jié)構(gòu)，認(rèn)為夏季黃海海表受太陽輻射的影響，海表溫度升高，逐漸形成溫躍層，阻礙了熱量向下傳輸，導(dǎo)致黃海底部形成黃海冷水團(tuán)，進(jìn)而形成了以黃海冷水團(tuán)為中心的氣旋式環(huán)流。然而對南黃海西部近岸的環(huán)流結(jié)構(gòu)沒有做詳細(xì)的研究，而且缺乏實(shí)測資料，一般籠統(tǒng)地認(rèn)為此處的海流與黃海熱鹽環(huán)流的流向一致［1－4］，即南向流。然而Naimie［5］認(rèn)為夏季黃海中、東部以斜壓環(huán)流為主，西部以風(fēng)、潮為主，斜壓效應(yīng)相對較弱。LIU［6］也以Rmke（隨深度變化的平均動能占總平均動能的比率）和Reke（隨深度變化的平均渦動能占總渦動能的比率）為依據(jù)，說明南黃海東部的熱鹽環(huán)流比西部強(qiáng)很多。劉志亮［7］、衣力［8］、李德萍［9］、張?zhí)K平［10］根據(jù)滸苔的漂移方向，認(rèn)為風(fēng)力是滸苔在海洋中移動的主要強(qiáng)迫力。

為了了解南黃海西部近岸的環(huán)流結(jié)構(gòu)，本文采用FVCOM模型研究南黃海西部六月份的潮致余流和風(fēng)生環(huán)流。

1 計算海域及數(shù)值模式

1．1 模型介紹

本文采用國際上先進(jìn)的FVCOM海洋數(shù)值模式，該模式是由美國麻州大學(xué)海洋科技學(xué)院陳長勝教授的科研組建立的，采用有限體積數(shù)值離散方法求解三維水動力原始控制方程組，結(jié)合了有限元方法擬合岸界的靈活性和有限差分方法的較高計算效率和計算速度的優(yōu)點(diǎn)［11］。

模式的水平方向采用不規(guī)則三角形網(wǎng)格，可以對地形較復(fù)雜區(qū)域進(jìn)行局部加密；垂直方向上采用σ坐標(biāo)系，有助于處理變化顯著的底地形；水平方向采用顯式差分格式，垂向采用隱式差分格式，后者保證了模式的垂向高分辨率；采用時間分裂算法，其中，二維的外模方程基于CFL條件和重力外波波速，時間步長較短，而三維的內(nèi)模方程是基于CFL條件和內(nèi)波波速，時間步長較長，可以節(jié)省計算時間；邊界條件采用比較先進(jìn)的干濕網(wǎng)格運(yùn)動邊界條件。模式的控制方程參考［11］。

1．2 模型配置

計算域包括南黃海西部山東半島右側(cè)的海域（119．19°E～123°E，32．9°N～37°N），利用SMS軟件生成具有可變分辨率的三角形網(wǎng)格，包括38 420個網(wǎng)格，19 674個節(jié)點(diǎn)，其中最小網(wǎng)格間距為0．2km，最大為6．5km；垂向采用σ坐標(biāo)，共分7個不均勻?qū)樱韺幼畋?，△σ值?．055，以使各物理量更接近海表的物理場。

由于該區(qū)域為半日潮海區(qū)，故選取M2分潮作為開邊界的潮強(qiáng)迫條件，采用TPXO7．2（Tide Model Driver）預(yù)測的2009年6月1整月的水位做開邊界的驅(qū)動條件。對底摩擦系數(shù)［12］進(jìn)行內(nèi)插，插值到計算域內(nèi)所有網(wǎng)格上，并通過多次比較模擬分潮的振幅與實(shí)測振幅的數(shù)值試驗，得到適合該模型的底摩擦。為了保證計算的穩(wěn)定，邊界水位從0開始逐漸增加，4個潮周期后達(dá)到正常變化。計算域網(wǎng)格及水深分布如圖1與圖2。

圖1 計算域網(wǎng)格設(shè)置Fig．1 Meshes in the computed area

圖2 計算域水深分布與驗證點(diǎn)（★）Fig．2 Depth distribution and validated points in the computed area

圖3 南黃海西部2009年6月份風(fēng)應(yīng)力分布Fig．3 Wind stress distribution in the western part of south Yellow Sea in June，2009

計算風(fēng)生環(huán)流采用QuikSCAT的2009年6月份的月平均風(fēng)應(yīng)力資料，將東分量和北分量分別插值到計算網(wǎng)格上，得到整個計算域網(wǎng)格的風(fēng)場數(shù)據(jù)。計算域風(fēng)應(yīng)力分布如圖3，風(fēng)應(yīng)力大小在0．02～0．07N／m2之間，且以偏南風(fēng)為主。

本文未考慮溫鹽的變化，全場溫鹽值統(tǒng)一，分別是18．0（°）和35．0。

2 黃海西南夏季環(huán)流各成分分析

為了分析潮汐、風(fēng)在南黃海西部夏季環(huán)流中各自所起的作用，分別計算了潮致余流和風(fēng)生環(huán)流，計算時間分別為30d。結(jié)果表明，南黃海西部夏季六月份主要以風(fēng)生環(huán)流為主，潮致余流相對較弱。

2．1 潮致余流

計算所得M2分潮等振幅線與同潮時線如圖4所示。M2分潮在該區(qū)域有1個無潮點(diǎn)（121．5°E，34．5°N），在江蘇外海。受科氏力的影響，同潮時線繞該無潮點(diǎn)作逆時針方向旋轉(zhuǎn)；振幅在連云港附近達(dá)到最大，約為160cm。這些均與［13－15］的結(jié)果較一致。

圖4 計算域M2同潮圖Fig．4 Co－tidal chart of M2in computed area

圖5 南黃海西部表層潮致余流Fig．5 Surface tidal residual current in the domain

圖5與圖6為南黃海夏季M2分潮的表層與底層的潮致余流，從圖中可以看出，表層與底層的余流結(jié)構(gòu)基本一致。江蘇東部為東北向流，表層流速約為1．5cm／s，底層流速在0．4cm／s左右；在江蘇省北岸表層有一氣旋式渦旋，流速在1．0～1．5cm／s左右，底層轉(zhuǎn)為向東的沿岸流，流速＜0．7cm／s；山東半島東北角有一股西南向流流入計算域，表層流速在1．6cm／s左右，底層在0．6cm／s左右；其他區(qū)域的流速較小，表層在0．2cm／s左右，底層小于0．1 cm／s，主要為由近岸流向深海的東向流。

圖6 南黃海西部底層潮致余流Fig．6 Bottom tidal residual current in the domain

圖7 南黃海6月份表層風(fēng)生環(huán)流Fig．7 Surface wind induced current in domain in June

圖8 南黃海6月份底層風(fēng)生環(huán)流Fig．8 Bottom wind induced current in domain in June

2．2 風(fēng)生環(huán)流

在風(fēng)應(yīng)力作用下，南黃海西部表層和底層的風(fēng)生環(huán)流結(jié)構(gòu)如圖7、圖8所示，由圖可以看出，表層風(fēng)生流較強(qiáng)，流速大約為8～12cm／s，沿岸處基本為沿岸流動，深水區(qū)域為北－東北向流動，與風(fēng)向有大概45°的偏角，與Ekman風(fēng)生流理論基本一致。底層流的結(jié)構(gòu)相對表層較為復(fù)雜，江蘇東岸基本為西北向流；中間區(qū)域有一股從東向西流向青島膠州灣的西北向流，該流在到達(dá)膠州灣后轉(zhuǎn)為東北向沿岸流，并在山東省東北角流出計算域，在這股西北向流的右側(cè)有幾個不明顯的氣旋和反氣旋的小漩渦，整個底層的流速較小，在1～2cm／s。

相對于潮致余流來說，風(fēng)生環(huán)流較強(qiáng)，這說明了風(fēng)生流在南黃海夏季（6月份）環(huán)流中占主要成分，對南黃海西部夏季環(huán)流形態(tài)的結(jié)構(gòu)分布起重要作用。

3 潮致－風(fēng)生環(huán)流

將潮汐和風(fēng)進(jìn)行耦合計算30d，取最后20d的結(jié)果進(jìn)行分析，得到的表層、底層以及深度平均的環(huán)流結(jié)構(gòu)如圖9～11所示。

圖9 南黃海6月份表層風(fēng)生－潮致環(huán)流Fig．9 Surface wind－tidal induced current in the domain in June

圖10 南黃海6月份底層風(fēng)生－潮致環(huán)流Fig．10 Bottom wind－tidal induced current in the domain in June

由圖可以看出，表層海水由南至北基本為北－東北向流動，近岸流速在5～7cm／s之間，深海區(qū)域為10 cm／s左右。底層環(huán)流結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，江蘇東岸為北向流，流速在1．5cm／s左右，該流與青島以南的一股流速約為0．4cm／s的南向流在120°E，34．6°N附近形成一氣旋式的渦旋；在計算域中間區(qū)域有一股從東向西流向膠州灣的流，流速約為0．7cm／s，其與山東半島東北側(cè)的南向流在121．2°E，35．8°N附近形成一反氣旋渦旋。深度平均環(huán)流主要為自南向北的北向流，流速在1．5～4．5cm／s之間，在36°N附近轉(zhuǎn)為東向流流出計算域。

圖11 南黃海6月份深度平均風(fēng)生－潮致環(huán)流Fig．11 Depth average wind－tidal induced current in the domain in June

收集了沿岸幾處測流點(diǎn)的實(shí)測流資料，分別位于A21、B9、L5站，具體位置與測流時間如圖2（★）及下表1所示，通過對比表層的潮流、風(fēng)與潮流耦合計算的流速流向和實(shí)測流速流向（圖12～14）可以看出，當(dāng)流向接近風(fēng)向右側(cè)45°左右時，耦合流速比單純潮流速大；當(dāng)流向與風(fēng)向右側(cè)45（°）相反時，風(fēng)對潮流有減小作用?？傮w上潮與風(fēng)耦合的流與實(shí)測流資料更加吻合。但因為本文采用的風(fēng)應(yīng)力資料屬于月平均資料，只代表氣候尺度的概念，對天氣尺度的觀測資料還有差別，故有一定的誤差。

文獻(xiàn)［7］中有一站點(diǎn)C（120．85°E，34．99°N），具體位置見圖2（★），該站點(diǎn)的實(shí)測的夏季26d（2003年166～192d）的ADP海流觀測資料顯示，這里幾乎全部深度上都存在著北向流，最大流速8cm／s。圖15為該點(diǎn)模擬的環(huán)流流速、流向隨深度變化的曲線。由圖可以看出，表層流速最大，接近8cm／s，隨水深增加逐漸減?。涣飨驈谋韺拥?0（°）（與北向夾角）至底層的40（°）左右，隨水深先右偏后稍微左偏。與文獻(xiàn)［7］中結(jié)果比較接近，再次驗證了本文模擬的環(huán)流結(jié)構(gòu)的準(zhǔn)確性。

表1 測流點(diǎn)位置及測流時間Table 1 Current observation position and time

圖12 A21點(diǎn)潮流、風(fēng)與潮流耦合模擬的流速、流向值與實(shí)測值比較Fig．12 Comparison of tidal、tidal－wind and observation in current speed and direction in A21

圖13 B9點(diǎn)潮流、風(fēng)與潮流耦合模擬的流速、流向值與實(shí)測值比較Fig．13 Comparison of tidal、tidal－wind and observation in current speed and direction in B9

圖14 L5點(diǎn)潮流、風(fēng)與潮流耦合模擬的流速、流向值與實(shí)測值比較Fig．14 Comparison of tidal、tidal－wind and observation in current speed and direction in L5

圖15 C點(diǎn)6月潮致—風(fēng)生環(huán)流流速與流向隨水深變化圖Fig．15 Wind－tidal circulation current speed and direction variance with the depth in point C in June

4 結(jié)論

本文采用FVCOM模型模擬南黃海西部6月份的潮致余流、風(fēng)生環(huán)流，通過分析各因子對環(huán)流的作用，得到如下結(jié)論：

（1）表層與底層的潮致余流結(jié)構(gòu)基本一致。江蘇東部流為東北向流；在江蘇省北岸表層有一氣旋式渦旋，底層轉(zhuǎn)為向東的沿岸流；山東半島東北角有一股西南向流流入計算域；其他區(qū)域的流速較小，主要為由近岸流向深海的東向流。

（2）表層風(fēng)生流較強(qiáng)，沿岸處基本為沿岸流動，深水區(qū)域為北－東北向流動，與風(fēng)向有大概45（°）的偏角，與Ekman風(fēng)生流理論基本一致。底層流的結(jié)構(gòu)相對表層較為復(fù)雜，江蘇東岸基本為西北向流；中間區(qū)域有一股從東向西流向膠州灣的西北向流，該流在到達(dá)膠州灣后轉(zhuǎn)為東北向沿岸流，并在山東省東北角流出計算域，在這股西北向流的右側(cè)有幾個不明顯的氣旋和反氣旋的小漩渦。

相對于潮致余流來說，風(fēng)生環(huán)流較強(qiáng)，這說明了風(fēng)生流在南黃海夏季（6月份）環(huán)流中占主要成分。

最后將風(fēng)與潮結(jié)合計算該區(qū)域的環(huán)流結(jié)構(gòu)，有以下特點(diǎn)：

表層海水由南至北基本為北－東北向流動。底層環(huán)流結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，江蘇東岸為北向流，該流與青島以南的一股南向流在120°E，34．6°N附近形成一氣旋式的渦旋；在計算域中間區(qū)域有一股從東向西流向膠州灣的流，與山東半島東北側(cè)的南向流在121．2°E，35．8°N附近形成一反氣旋渦旋。深度平均環(huán)流主要為自南向北的北向流，在36°N附近轉(zhuǎn)為東向流流出計算域。

通過比較計算域內(nèi)3點(diǎn)的實(shí)測流速以及一點(diǎn)的實(shí)測環(huán)流結(jié)構(gòu)得知，本文模擬的環(huán)流比較接近實(shí)際情況，為以后進(jìn)一步研究滸苔的漂移軌跡等奠定基礎(chǔ)。

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Numerical Simulation of Tidal－Wind Induced Circulation in the Western Part of South Yellow Sea in Early Summer

YU Xiao－Jie，LOU An－Aang，ZHANG Xue－Qing
（College of Environmental Science and Engineering，Ocean University of China，Qingdao 266100，China）

Based on the finite－volume ocean numerical model－FVCOM，the tidal residual current and wind－induced current in the southwest of the Yellow Sea in June are simulated．Each of the two current structure is analyzed．The result shows that the wind－induced current is the dominant part，and the impact of the south wind is predominant．The tidal residual current is relatively weaker．Then the tide and wind are co－computed，and the circulation is basically south－north structure，which indicates that wind is the main force in the sea．The simulated results agree well with the observational data in current and circulation structure．All of these establish a dynamic foundation for the further study in the track of Hutai，etc．

southwest of the Yellow Sea；summer；FVCOM；tidal residual current；wind－induced current

P722．5

A

1672－5174（2011）05Ⅱ－403－06

渤海海域溢油污染預(yù)測預(yù)警技術(shù)項目（2008－311－200－055）；國家海洋局公益性專項（200805011）資助

2010－11－30；

2011－01－12

于曉杰（1986－），女，碩士生，主要從事海洋環(huán)境動力學(xué)方向研究。E－mail：yxj2005678＠163．com

責(zé)任編輯 龐 旻