渤黃海潮汐潮流精細(xì)化數(shù)值模擬及可視化預(yù)報系統(tǒng)

馮興如 ，尹寶樹 ，楊德周

（1.中國科學(xué)院 海洋研究所,山東青島266071;2.中國科學(xué)院研究生院，北京100049；3.中國科學(xué)院海洋環(huán)流與波動重點實驗室,山東青島 266071）

渤黃海潮汐潮流精細(xì)化數(shù)值模擬及可視化預(yù)報系統(tǒng)

馮興如1,2,3，尹寶樹1，3，楊德周1，3

（1.中國科學(xué)院 海洋研究所,山東青島266071;2.中國科學(xué)院研究生院，北京100049；3.中國科學(xué)院海洋環(huán)流與波動重點實驗室,山東青島 266071）

利用有限元海洋模式ADCIRC（Advanced Circulation Model）,建立了高分辨率的渤黃海二維潮汐潮流數(shù)值模型，該模型以M2，S2，K1，O1等8個分潮的水位作為驅(qū)動，模擬出了該8個分潮的潮汐潮流調(diào)和常數(shù)；利用該調(diào)和常數(shù)預(yù)報的潮位和二維平均潮流與實測資料相比，符合較好；利用模擬得到的潮汐潮流調(diào)和常數(shù)，以Matlab為平臺，建立了能獨立運行的可視化潮汐潮流預(yù)報系統(tǒng),該系統(tǒng)可以預(yù)報渤黃海任意時刻、任意地點的潮位和平均潮流，并且可以查詢渤黃海任意地點的部分潮汐特征值，該系統(tǒng)運行快捷，使用方便，可為海上作業(yè)提供環(huán)境預(yù)報服務(wù)。

ADCIRC模式；潮汐潮流預(yù)報系統(tǒng)；渤黃海

1 引言

潮汐潮流對人類在近岸的活動有著很大的影響，因此潮汐潮流的預(yù)報是一個海洋研究中重要而久遠(yuǎn)的話題。傳統(tǒng)的方法一般采用潮汐潮流圖表，這種方法只能預(yù)報有限站位，使用不方便，且不適合外海使用，因此開展區(qū)域海洋的微機化潮汐潮流預(yù)報系統(tǒng)就顯得非常有必要。方國洪等[1]在2005—2006年期間通過同化高度計和沿岸站的資料，得到了分辨率為5'×5'的潮汐潮流預(yù)報產(chǎn)品，該預(yù)報產(chǎn)品覆蓋了我國近海各海區(qū)，可預(yù)報任意時刻和地點的潮汐潮流；中國海洋大學(xué)開發(fā)的Chinatide[2]潮汐預(yù)報軟件，可以對中國近海各海區(qū)和日本海的一部分進(jìn)行潮汐預(yù)報，其分辨率也是5'×5'。但是近岸地形和岸線復(fù)雜，5'×5'的分辨率有時不能滿足要求，因此在近岸開展更高分辨率的潮汐潮流數(shù)值模擬及預(yù)報系統(tǒng)的開發(fā)就非常有意義。

非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格的海洋模式能夠?qū)Π毒€復(fù)雜，地形變化劇烈的海域進(jìn)行高分辨率的模擬，因此其越來越多地被用來進(jìn)行近岸和河口的數(shù)值研究。例如，王培濤等[3]利用基于三角形網(wǎng)格的ELCIRC(3D Eulerian-Lagrangian Circulation)海洋模型，對黃渤海的溫帶風(fēng)暴潮進(jìn)行了高分辨率的數(shù)值模擬；馮興如等[4]利用有限體積海洋模式FVCOM（Finite Volume Coast and Ocean Model）對龍口海域的潮汐潮流進(jìn)行了精細(xì)的數(shù)值研究。本文首先利用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格的有限元海洋模式ADCIRC（Advanced Circulation Model）[5]模擬得到渤黃海近岸高分辨率的潮汐潮流調(diào)和常數(shù)，然后基于這些調(diào)和常數(shù)，以matlab為平臺開發(fā)了一套可視化的潮汐潮流預(yù)報系統(tǒng)。

2 ADCIRC模式簡介及設(shè)置

ADCIRC是美國北卡羅來納州大學(xué)開發(fā)的有限元海洋模式，該模式可以采用笛卡爾坐標(biāo)，也可以采用球坐標(biāo)，有二維和三維兩種運行方式。該模式采用三角形網(wǎng)格，易于擬合邊界，可以對岸線復(fù)雜的海域進(jìn)行高分辨率的數(shù)值模擬。二維ADCIRC模型采用沿水深積分的時均連續(xù)方程和運動方程,其表達(dá)式為:

其中,t為時間,x和y分別為x軸和y軸方向，ζ為從平均海平面起算的水位高度，U和V分別表示x和y方向垂向平均流速，H為總水深，f為科氏力系數(shù)，Ps為表面大氣壓力，ρ0為水密度，g為重力加速度，(η+γ)表示牛頓潮勢和固體潮作用，τsx和τsy表示表面風(fēng)應(yīng)力和波浪輻射應(yīng)力的x和y向分量，τbx和τby、Dx和 Dy、Bx和 By分別代表底部切應(yīng)力、擴散項以及斜壓梯度的x和y向分量。

本文采用的是二維球坐標(biāo)系，模式的分辨率由渤黃海海中央的5'逐漸過渡到近岸的1'（見圖1），一共61357個節(jié)點，117265個三角形網(wǎng)格。邊界上采用M2,S2,K1,O1,N2,S2,P1，Q1共8個分潮的調(diào)和常數(shù)預(yù)報的水位作為驅(qū)動，邊界上的調(diào)和常數(shù)來自NAO99潮汐模型[6]。 模式時間步長為10 s。

3 模式結(jié)果與驗證

模式一共運行50天，采用后40天的數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)和分析。得到了和邊界驅(qū)動對應(yīng)的8個分潮的潮汐潮流調(diào)和常數(shù)。由于篇幅限制，本文只給出其中M2和K1分潮的同潮圖（見圖2），從圖2可以看出，該模式成功模擬出了半日分潮M2在渤黃海的4個無潮點和全日分潮K1在渤黃海的2個無潮點，模式模擬的M2和K1的同潮圖，同《渤海黃海東海海洋圖集》[7]（水文）里相應(yīng)的同潮圖基本一致。

圖1 模式計算網(wǎng)格

圖2 M2，K1分潮同潮圖，虛線為等振幅線，實線為等遲角線（格林威治遲角）

圖3 觀測點位置示意圖

圖4 水位模擬結(jié)果與實測結(jié)果對比圖

圖5 流速模擬結(jié)果與實測結(jié)果對比圖

為了進(jìn)一步驗證模式結(jié)果，我們搜集了渤黃海四個觀測點的一些實測的水位和流速資料，將這四個觀測點分別標(biāo)記為A，B，C，D，其位置見圖3。這四個觀測點的資料情況是：A，D兩點僅有水位資料，B點僅有流速資料，C點既有流速又有水位資料。利用模擬的調(diào)和常數(shù)預(yù)報的潮位和平均潮流與實測資料的對比情況分別見圖4和圖5。

四個觀測點的對比結(jié)果顯示，調(diào)和常數(shù)預(yù)報的水位和流速與實測值的位相基本重合，水位絕對誤差的平均值為15 cm，而利用NAO99資料預(yù)報的水位與上述實測水位的絕對誤差平均值為17.8 cm，因此本文得到的調(diào)和常數(shù)在中國的近岸能更好一些；流速東分量絕對誤差的平均值8.95 cm/s,流速北分量絕對誤差的平均值為9.22 cm/s。我們認(rèn)為，這些誤差都在可以接受的范圍內(nèi)。模擬結(jié)果與實測結(jié)果的誤差可能來源于開邊界的的驅(qū)動、地形精度和模式參數(shù)的設(shè)置等。

4 可視化潮汐潮流預(yù)報系統(tǒng)的實現(xiàn)

為了快速方便地將模擬得到的潮汐潮流調(diào)和常數(shù)用來預(yù)報潮位和潮流，我們以Matlab為平臺，開發(fā)了能獨立運行，可視化的潮汐潮流預(yù)報系統(tǒng)，其界面見圖6。該系統(tǒng)分為輸入?yún)^(qū)、查詢功能區(qū)和預(yù)報功能區(qū)。

4.1 系統(tǒng)工作原理

圖6 渤黃海潮汐潮流預(yù)報系統(tǒng)界面

預(yù)報功能區(qū)工作原理為：系統(tǒng)根據(jù)用戶在輸入?yún)^(qū)輸入的經(jīng)緯度和時間信息，自動尋找和輸入地點最近的網(wǎng)格點，得到該地點的潮汐潮流調(diào)和常數(shù)，然后自動調(diào)用t_tide[9]函數(shù)，預(yù)報所要求時刻的潮汐和平均潮流值，并顯示在界面的相應(yīng)位置。

4.2 系統(tǒng)使用方法

輸入?yún)^(qū)的使用：在輸入?yún)^(qū)，用戶可以手動輸入要預(yù)報的時間，經(jīng)緯度。如果想自動輸入當(dāng)前時間，可以點“現(xiàn)在時間”按鈕。

查詢功能的使用：點擊“查詢”按鈕，系統(tǒng)便會根據(jù)用戶輸入的經(jīng)緯度查詢該位置的潮汐類型、潮流類型、平均大的潮差或者平均大潮差。當(dāng)潮汐類型為“正規(guī)半日潮”時只顯示“平均大潮差”的結(jié)果，“平均大的潮差”顯示為“無”，當(dāng)潮汐類型為“正規(guī)半日潮”以外的類型時，只顯示“平均大的潮差”的結(jié)果，“平均大潮差”顯示為“無”。

預(yù)報功能的使用：點擊“預(yù)報”按鈕，系統(tǒng)會根據(jù)用戶輸入的經(jīng)緯度和時間來預(yù)報該地點輸入時刻的水位和潮流、流向，并把結(jié)果顯示在相應(yīng)的文本框里，其中流速方向的規(guī)定為：流向北為0°，東為90°，南為180°，西為270°。同時在界面的左下方，會顯示輸入時刻之后12小時的潮位變化曲線，在該曲線圖里，會自動標(biāo)出輸入時刻之后的12小時里，出現(xiàn)最大和最小潮位的時刻以及對應(yīng)的水位值。

5 總結(jié)與未來工作展望

本文開發(fā)的潮汐潮流預(yù)報系統(tǒng)具有近岸高分辨率，運行快捷方便等特點，可以為海上作業(yè)提供海洋環(huán)境預(yù)報和查詢服務(wù)，未來的工作主要集中在：（1）搜集更多的實測數(shù)據(jù)，不斷改善模式模擬的結(jié)果；（2） 重點區(qū)域再加密，在一些重要的港口和城市進(jìn)行分辨率更高的模擬；（3） 將模式從二維發(fā)展到三維，使系統(tǒng)可以預(yù)報任意時刻和深度的潮流；（4） 外拓模式的開邊界，以保證邊界上調(diào)和常數(shù)的準(zhǔn)確性。

致謝：感謝美國北卡羅來納州大學(xué)提供ADCIRC模式源代碼。

[1]方國洪,魏澤勛,王永剛.我國潮汐潮流區(qū)域預(yù)報的發(fā)展[J].地球科學(xué)進(jìn)展,2008,23(4):331-336.

[2]李孟國,鄭敬云.中國海域潮汐預(yù)報軟件Chinatide的應(yīng)用[J].水道港口,2007,28(1):65-68.

[3]王培濤,董劍希,趙聯(lián)大等.黃渤海精細(xì)化溫帶風(fēng)暴潮數(shù)值預(yù)報模式研究及應(yīng)用[J].海洋預(yù)報,2010,27(4):1-8.

[4] 馮興如,楊德周,尹寶樹.FVCOM在龍口海域潮汐潮流模擬中的應(yīng)用研究[J].海洋科學(xué),2010,34(6):94-99.

[5]Luettich R A,Hu J S,Westerrink J J.The development of the direct stress solution technique for three-dimensional hydrodynamic models using finite elements[J].International Journal for Numerical Methods in Fluids,1994,(19):295-319.

[6]Matsumoto K,Takanezawa T,Ooe M.Ocean tide Models Developed by Assimilating TOPEX/POSEIDON Altimeter Data into Hydrodynamical Model:A Global Model and a Regional Model around Janpan[J].Journal of Oceanography,2000,56:567-581.

[7]海洋圖集編委會.渤海黃海東海海洋圖集(水文)[M].北京:海洋出版社,1993.429-432.

[8]方國洪,鄭文振,陳宗鏞等.潮汐和潮流的分析和預(yù)報[M].北京:海洋出版社,1986.216-233.

[9]Pawlowicz R,Beardsley B,Lentz S.Classical tidal harmonic analysis including error estimates in MATLAB using T_TIDE[J].Computers and Geosciences,2002,28:929-937.

Refined simulation and establishment of a tide and tidal current forecasting system in the Bohai Sea and the Yellow Sea

FENG Xin-gru1,2,3,YIN Bao-shu1,3,YANG De-zhou1,3

(1.Institute of Oceanology,the Chinese Academy of Sciences,Qingdao 266071 China;2.Graduate School,the Chinese Academy of Sciences,Beijing 100049 China;3.Key Laboratory of Ocean Circulation and Wave,the Chinese Academy of Sciences,Qingdao 266071 China)

A refined two-dimensional tide and tidal current model is built based on the finite element ocean model ADCIRC(Advanced Circulation Model).The model is forced by 8 tide constituents of M2,S2,K1,O1,etc,and the corresponding 8 tide harmonic constituents are calculated using the model result.The tide and tidal current forecasted by the calculated harmonic constituents agrees well with the observation.A visual tide and tidal current forecasting system which can be operated independently is established based on Matlab.The system can forecast the tide and depth-integrated tidal current in the Bohai Sea and the Yellow Sea.Some of the tide characteristics also can be shown through the system.The tide and tidal current forecasting system can be operated fast and conveniently and provide forecasting service for the offshore operation.

ADCIRC model;tide and tidal current forecasting system;Bohai Sea and Yellow Sea

P731

A

1003-0239（2011）04-0065-05

2010-11-01

中科院創(chuàng)新項目（KZCX2-YW-BR-215-3）；中科院創(chuàng)新項目群（KZCX2-YWQ07-01）；國家“908”補充調(diào)查項目（908-01-BC12）；“908”“風(fēng)暴潮災(zāi)害對沿海地區(qū)社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展綜合評價”（908-02-03-02）

馮興如（1984-），男，博士研究生，主要從事浪流相互作用研究，E-mail:fengxingru07@qdio.ac.cn