ADCIRC模式在渤海M2分潮模擬中的應(yīng)用研究

陳海軍，姜紹材，王飛

（1.遼寧省海洋環(huán)境預(yù)報(bào)總站,遼寧沈陽(yáng)110001；2.國(guó)家海洋局北海海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)中心站，廣西北海536000；3.遼寧省海洋與漁業(yè)廳信息中心,遼寧沈陽(yáng) 110001）

ADCIRC模式在渤海M2分潮模擬中的應(yīng)用研究

陳海軍1，姜紹材2，王飛3

（1.遼寧省海洋環(huán)境預(yù)報(bào)總站,遼寧沈陽(yáng)110001；2.國(guó)家海洋局北海海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)中心站，廣西北海536000；3.遼寧省海洋與漁業(yè)廳信息中心,遼寧沈陽(yáng) 110001）

利用有限元方法的ADCIRC（Advanced Circulation Model）海洋模式，建立了渤海高分辨率的二維潮汐潮流模型，模式結(jié)果與實(shí)測(cè)資料吻合良好。模式成功模擬出了M2分潮在渤海的2個(gè)無(wú)潮點(diǎn)和3個(gè)圓流點(diǎn)，位置與前人的研究結(jié)果基本一致。M2分潮流在渤海中央為順時(shí)針旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)流，在遼東灣、渤海灣和萊州灣基本為往復(fù)流。M2分潮的潮汐和潮流的振幅都表現(xiàn)為遼東灣最大，萊州灣最小。M2分潮的潮致余流主要表現(xiàn)在近岸和島嶼附近，最大可達(dá)10 cm/s。

ADCIRC；渤海；M2分潮

1 引言

隨著計(jì)算機(jī)的發(fā)展，數(shù)值模擬在海洋科學(xué)的研究中發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用。有結(jié)構(gòu)網(wǎng)格的數(shù)值模式在模擬岸線復(fù)雜的區(qū)域時(shí)會(huì)有很大限制，非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格的海洋模式由于其能很好的擬合岸線，并且能夠在關(guān)心的區(qū)域靈活加密而越來(lái)越多的被用于近海和河口的數(shù)值模擬，因此，本文采用計(jì)算網(wǎng)格為三角形的ADCIRC[1]（Advanced Circulation Model）海洋模式來(lái)研究渤海M2分潮的傳播特征。

ADCIRC（Advanced Circulation Model）是美國(guó)北卡羅來(lái)納州大學(xué)開(kāi)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(yùn)行方式。該模式采用三角形網(wǎng)格，易于擬合邊界，可以對(duì)岸線復(fù)雜的海域進(jìn)行高分辨率的數(shù)值模擬。目前國(guó)內(nèi)利用ADCIRC模式進(jìn)行的研究工作還不是很多，比較有代表的是夏波[2]利用ADCIRC在渤海進(jìn)行了風(fēng)暴潮的數(shù)值模擬，曹永華等[3]利用該模式研究了黃驊港的二維流場(chǎng)。

專門針對(duì)渤海的潮汐潮流數(shù)值模擬，前人已經(jīng)做了很多工作，如黃祖珂[4]利用根據(jù)二維非線性潮波微分方程模擬了渤海幾個(gè)主要分潮的潮汐余流；呂咸青等[5]利用伴隨模式模擬了渤海的M2分潮。本文利用ADCIRC模式，對(duì)渤海的M2潮波進(jìn)行高分辨率的模擬，并且比較系統(tǒng)地研究了M2潮波在渤海的各種傳播特征，對(duì)于進(jìn)一步認(rèn)識(shí)M2潮波在渤海的傳播情況具有重要意義。

2 模式設(shè)置

本文的計(jì)算區(qū)域?yàn)椴澈：Ｓ?，該區(qū)域的水深場(chǎng)見(jiàn)圖1，由圖1可以看出，地形變化劇烈的地方都集中在近岸和島嶼附近，因此本文在形成計(jì)算網(wǎng)格時(shí)對(duì)近岸和島嶼附近進(jìn)行了加密，模式的分辨率由渤海中央的5'逐漸過(guò)渡到近岸的1'。最后采用的計(jì)算網(wǎng)格見(jiàn)圖2，本計(jì)算網(wǎng)格一共包含了三角形網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)10100個(gè)，三角形單元18742個(gè)。本文采用的是二維球坐標(biāo)系，邊界上采用M2分潮的調(diào)和常數(shù)預(yù)報(bào)的水位來(lái)作為驅(qū)動(dòng)，邊界上M2分潮的調(diào)和常數(shù)來(lái)自NAO99潮汐模型[6]，該模型將5年的T/P衛(wèi)星海面高度計(jì)資料和219個(gè)沿岸的潮汐觀測(cè)資料同化到水動(dòng)力模型中，其模型區(qū)域分為全球和日本周邊兩部分，我們采用的是NAO99日本周邊區(qū)域的潮汐模型結(jié)果。全場(chǎng)底摩擦系數(shù)均取為0.0014，模式時(shí)間步長(zhǎng)為60 s，一共運(yùn)行7天，采用后4天的數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)和分析，得到了全場(chǎng)M2分潮的潮汐潮流調(diào)和常數(shù)。

圖1 渤海水深和觀測(cè)站點(diǎn)分布

圖2 模式計(jì)算網(wǎng)格

3 模式驗(yàn)證

為了驗(yàn)證模式的計(jì)算結(jié)果，我們搜集了渤海沿岸16個(gè)驗(yàn)潮站（見(jiàn)圖1）的調(diào)和常數(shù)，與我們的模式結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，對(duì)比結(jié)果見(jiàn)表1。

從表1可以看出，模式結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果吻合良好，可以用來(lái)進(jìn)一步分析M2分潮在渤海的傳播情況。誤差的主要來(lái)源可能有以下幾種情況：第一，岸線以及地形的精度不夠高，尤其是在近岸區(qū)域，可能會(huì)引起比較大的誤差；第二，邊界條件上采用的M2分潮的調(diào)和常數(shù)的誤差，也會(huì)影響計(jì)算結(jié)果；第三，全場(chǎng)采用一致的底摩擦系數(shù)，不是很合理，也會(huì)造成計(jì)算結(jié)果的誤差。以后的工作會(huì)從以上三方面入手，同時(shí)搜集更多海上觀測(cè)數(shù)據(jù)，與模型進(jìn)行對(duì)比，將結(jié)果模擬的更準(zhǔn)確。

表1 調(diào)和常數(shù)的計(jì)算值與實(shí)測(cè)值的比較

4 模式結(jié)果分析

4.1 M2分潮潮汐結(jié)果分析

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，進(jìn)行調(diào)和分析，得到了渤海的M2分潮的同潮圖（見(jiàn)圖3），由圖3可以看出，模式成功模擬出了M2分潮在渤海的兩個(gè)無(wú)潮點(diǎn)，一個(gè)位于秦皇島外海，一個(gè)位于老黃河口附近，M2分潮波繞著這兩個(gè)無(wú)潮點(diǎn)逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)。本文模擬出的無(wú)潮點(diǎn)位置與前人的計(jì)算結(jié)果對(duì)比見(jiàn)表2：

表2 渤海M2分潮無(wú)潮點(diǎn)位置

由表2可以看出，本文得出的M2分潮在渤海的無(wú)潮點(diǎn)位置與方國(guó)洪的結(jié)果最為接近。同時(shí)由圖3可以看出，M2分潮的等振幅線分別由渤海灣、遼東灣和萊州灣的灣口向?yàn)稠斨饾u增加。相比較而言，遼東灣的振幅最大，渤海灣次之，萊州灣最小。

圖3 M2分潮同潮圖

4.2 M2分潮潮流結(jié)果分析

在本節(jié)，文章將分別從M2分潮的潮流橢圓要素、圓流點(diǎn)及潮致余流等方面來(lái)討論M2分潮在渤海的潮流特征。

4.2.1 M2分潮在渤海的潮流橢圓要素

M2分潮在渤海的潮流橢圓及潮流的旋轉(zhuǎn)率分布分別見(jiàn)圖4和圖5。由圖5可知，M2分潮潮流的旋轉(zhuǎn)率在渤海中央最大，可達(dá)-0.8，同樣，在圖4中渤海中央的潮流橢圓已經(jīng)很接近一個(gè)圓，因此，M2分潮流在渤海中央為順時(shí)針旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)流。圖5中，遼東灣和渤海灣的灣口各有一條旋轉(zhuǎn)率為0的等值線，除了遼東灣和渤海灣的灣頂，整個(gè)遼東灣和渤海灣的旋轉(zhuǎn)率幾乎為0，同樣，圖4中遼東灣和渤海灣的潮流橢圓圖也幾乎為直線，因此在遼東灣和渤海灣，M2分潮流主要為往復(fù)流，方向大體為：渤海灣為東-西向，遼東灣為西南-東北向。萊州灣內(nèi)龍口市西側(cè)有一旋轉(zhuǎn)率極大值大約在-0.8附近，潮流方向按順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，萊州灣的其他區(qū)域旋轉(zhuǎn)率比較小，大體在-0.2—0.2之間，基本為往復(fù)流。M2分潮的最大可能潮流等振幅線見(jiàn)圖6，最大可能潮流等振幅線的變化趨勢(shì)與潮汐的等振幅線變化趨勢(shì)相反，表現(xiàn)為由遼東灣、渤海灣和萊州灣的灣口向?yàn)稠斨饾u減小。相比較而言，遼東灣的M2分潮流最大，渤海灣次之，萊州灣最小。

圖4 潮流橢圓分布圖

圖5 M2分潮旋轉(zhuǎn)率分布圖 圖6 M2分潮最大可能潮流振幅分布

圖7 M2分潮最大潮流同潮時(shí)線圖 圖8 潮汐余流場(chǎng)分布

4.2.2 M2分潮在渤海的圓流點(diǎn)

圖7是M2分潮的最大潮流同潮時(shí)圖，由圖7可以看出，模式成功模擬出了M2分潮在渤海的三個(gè)圓流點(diǎn)。同潮流時(shí)線繞圓流點(diǎn)旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)方向?yàn)槟鏁r(shí)針。本文模擬出的無(wú)潮點(diǎn)位置與前人的計(jì)算結(jié)果對(duì)比見(jiàn)表3。

由表3可以看出，在秦皇島附近的圓流點(diǎn)位置，本文計(jì)算結(jié)果同F(xiàn)ANG、趙保仁等和萬(wàn)振文等的結(jié)果比較一致，在萊州灣口的圓流點(diǎn)位置，本文更接近FANG的結(jié)果。在山東半島北部，對(duì)于圓流點(diǎn)的個(gè)數(shù)，不同的學(xué)者得出的結(jié)論不一樣，本文可能是受計(jì)算區(qū)域的限制，只算出了一個(gè)圓流點(diǎn)，該位置與趙保仁等的計(jì)算結(jié)果中的一個(gè)比較接近。此外，通過(guò)對(duì)比圖7與圖5可以發(fā)現(xiàn)，圓流點(diǎn)的位置，都基本對(duì)應(yīng)著旋轉(zhuǎn)率的極大值。

4.2.3 M2分潮在渤海的潮致余流

潮致余流通常是由于潮流的非線性項(xiàng)受到側(cè)向岸線和底摩擦的作用，一部分周期性能量變成了非周期的能量。本文對(duì)模式輸出的一個(gè)M2周期的潮流數(shù)據(jù)進(jìn)行平均，剔除周期性信號(hào)，得到了渤海的M2分潮的潮致余流分布，如圖8所示。由圖8可以看出，M2分潮的余流在渤海普遍比較小，余流主要在近岸和島嶼附近比較明顯，最大值大約在10 cm/s左右。渤海中央有一個(gè)順時(shí)針旋轉(zhuǎn)的余流，但是量級(jí)比較小，大約在2 cm/s，這與趙保仁[4]的結(jié)果比較一致。

表3 渤海M2分潮圓流點(diǎn)位置

5 結(jié)論

ADCIRC的模擬和實(shí)測(cè)結(jié)果的對(duì)比表明，該模式可以很好地刻畫渤海的潮汐潮流現(xiàn)象。模式成功地模擬出了M2分潮在渤海的兩個(gè)無(wú)潮點(diǎn)和3個(gè)圓流點(diǎn)，位置與前人的結(jié)果基本一致。對(duì)模式結(jié)果分析發(fā)現(xiàn)：M2分潮的振幅在遼東灣最大，渤海灣次之，萊州灣最小，分布規(guī)律都是由灣口向?yàn)稠斨饾u增大；渤海的中央為順時(shí)針旋轉(zhuǎn)流，旋轉(zhuǎn)率可達(dá)-0.8，遼東灣、渤海灣和萊州灣內(nèi)主要為往復(fù)流，旋轉(zhuǎn)率在0附近；最大可能潮流等振幅線的變化趨勢(shì)與潮汐的等振幅線變化趨勢(shì)相反，表現(xiàn)為由遼東灣、渤海灣和萊州灣的灣口向?yàn)稠斨饾u減小，潮流的強(qiáng)弱同樣是遼東灣最強(qiáng)，萊州灣最弱。M2分潮的潮致余流主要在近岸比較明顯，最大可達(dá)10 cm/s。

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Application ofADCIRC in M2 tide modeling in the Bohai Sea

CHEN Hai-jun1，JIANG Shao-cai2，WANG Fei3
(1.Marine Environmental Forecasting Central Station of Liaoning Province,Shenyang 110001,China;2.Beihai Environmental Monitoring Station of State Oceanic Administration,Beihai 536000,China;3.Ocean and Fishery Department of Liaoning Province Information Center,Shenyang 110001,China)

With the application of ADCIRC,a high resolution of two-dimensional tidal model in the Bohai Sea was built up,and the model results are conformable to the field observations.Two amphidromic points and three tidal current non-phase points for M2 tide were successfully modeled,whose positions were basically conformable to the previous studies.The style of the M2 tidal current is rotary current in the middle of the Bohai Sea,while rectilinear current in the Liaodong,Bohai and Laizhou Bay.The amplitude of the M2 tide and tidal current are largest in the Liaodong Bay,while smallest in the Laizhou Bay.The M2 tidal reduced residual current is only evident along the coastal region and at the area near the islands,which can reach as much as 10 cm/s.

ADCIRC;Bohai Sea;M2 tide

P731

A

1003-0239（2011）04-0070-06

2010-12-07

陳海軍（1982-），男，助理工程師，從事海洋環(huán)境預(yù)警報(bào)和海洋防災(zāi)減災(zāi)工作。E-mail:gh476007@163.com