基于FVCOM的象山港海域潮汐潮流與溫鹽結(jié)構(gòu)特征數(shù)值模擬

韓松林，梁書秀，孫昭晨

（大連理工大學(xué)海岸及近海工程國家重點實驗室，大連116024）

基于FVCOM的象山港海域潮汐潮流與溫鹽結(jié)構(gòu)特征數(shù)值模擬

韓松林，梁書秀，孫昭晨

（大連理工大學(xué)海岸及近海工程國家重點實驗室，大連116024）

摘要：基于有限體積法的FVCOM模型，建立了象山港海域的三維潮汐潮流和溫鹽數(shù)值模型，計算中考慮了潮流、風(fēng)、太陽輻射和徑流因素的影響。模擬結(jié)果與2009年的監(jiān)測資料進行了對比驗證，結(jié)果表明建立的模型可以模擬該海域的水流運動和溫鹽分布特征。通過對數(shù)值結(jié)果分析得到了該海域的同潮圖、潮流橢圓圖、潮流性質(zhì)和溫鹽分布等。結(jié)果表明，象山港的潮汐屬于非正規(guī)半日淺海潮；M2分潮流橢圓長軸從口門到灣頂逐漸減小，其走向與岸線的方向基本一致；狹灣內(nèi)呈現(xiàn)往復(fù)流特征而口門外開闊海域呈旋轉(zhuǎn)流特征。灣口和灣頂部有著顯著的溫度差和鹽度差，海水溫度由灣口向灣頂部逐漸增大，鹽度分布則正好相反。狹灣內(nèi)距離灣口不同位置的橫向溫度、鹽度垂向分布結(jié)構(gòu)特征各不相同。

關(guān)鍵詞：FVCOM；潮流；溫鹽；數(shù)值模擬；象山港

象山港處于浙江北部沿海，北面緊靠杭州灣，南臨三門灣，東側(cè)為舟山群島，縱深60 km，口門寬約20 km，港內(nèi)寬3～8 km，是一個典型的狹長形半封閉海灣［1］。港內(nèi)自然環(huán)境優(yōu)越，水產(chǎn)資源豐富，具有良好的港口資源、濕地資源和海洋生物等資源，是寧波市發(fā)展海洋經(jīng)濟的重要區(qū)域。近20 a來，港內(nèi)臨港工農(nóng)業(yè)、水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)以及旅游業(yè)等發(fā)展迅速，極大地提升了區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展水平。但是隨著海洋經(jīng)濟的迅猛發(fā)展，導(dǎo)致沿岸的工農(nóng)業(yè)開發(fā)加劇、污水的過度排放和養(yǎng)殖業(yè)的不合理發(fā)展等，使象山港的海洋環(huán)境和生態(tài)系統(tǒng)受到了嚴重的威脅。灣內(nèi)水質(zhì)富營養(yǎng)化嚴重，赤潮時有發(fā)生。潮汐潮流運動是象山港的主要動力過程，是污染物、營養(yǎng)鹽等輸運的主要動力因素；溫鹽分布是海洋生態(tài)系統(tǒng)中重要的環(huán)境因子，是影響浮游動物、浮游植物生長生存的重要影響因素。因此建立象山港海域的潮汐潮流和溫鹽模型，研究其分布特征，對海洋資源的開發(fā)和生態(tài)系統(tǒng)的保護以及進一步對生態(tài)系統(tǒng)的研究等具有重要的意義。

FVCOM模型是由UMASSD?WHOI聯(lián)合開發(fā)的一個基于非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格的、有限體積的、三維原始方程的海洋模型［2］。模型水平方向上采用非結(jié)構(gòu)化的三角形網(wǎng)格，可對地形復(fù)雜的區(qū)域局部加密，以更好的模擬復(fù)雜的岸線以及島嶼；垂向采用σ坐標，有助于處理不規(guī)則的海底地形。在潮間帶，模型采用干濕網(wǎng)格技術(shù)考慮了潮灘對潮流的影響。因此，利用FVCOM模型非常有利于模擬具有復(fù)雜岸線和地形的象山港海域。對于象山港的潮流潮汐和溫鹽特征已有學(xué)者進行了一些研究，董禮先等［3］建立了潮波運動數(shù)值模型，研究了象山港內(nèi)影響M4分潮的控制因子和機理；曹穎等［4］基于FVCOM模擬了溫排水的擴散輸運過程，朱軍政等［5］應(yīng)用該模型模擬了潮流鹽度的時空分布；關(guān)于象山港海域水動力和溫鹽結(jié)構(gòu)觀測資料分析的研究較少，董禮先等［6］利用1981～1990年的實測水文資料象山港內(nèi)的鹽度分布和環(huán)流結(jié)構(gòu)。這些研究使我們對象山港的水動力及溫鹽特征有一定的了解，但是對于象山港海域考慮多種驅(qū)動因素下的水動力特征和溫鹽結(jié)構(gòu)分布展開的分析研究還相對較少，而水動力和溫鹽的模擬是建立生態(tài)系統(tǒng)模型的基礎(chǔ)，因此有必要對其進行進一步研究。

本文采用非結(jié)構(gòu)化的三角形網(wǎng)格，建立了象山港海域的三維潮流和溫鹽模型，綜合考慮潮流、風(fēng)、太陽輻射和徑流等因素作用的影響，對象山港海域潮汐、潮流和溫鹽分布進行了數(shù)值模擬。通過對數(shù)值結(jié)果分析給出了主要分潮的同潮圖和潮流橢圓圖，溫度、鹽度的表、底層分布及狹灣內(nèi)橫向、縱向的溫鹽垂向分布，并結(jié)合近期現(xiàn)場實測潮位、流速和溫鹽數(shù)據(jù)資料討論了它們的分布特征，為進一步了解象山港海域的水動力以及溫鹽分布特征提供參考，也為下一步對該海域物質(zhì)輸運及生態(tài)系統(tǒng)研究奠定基礎(chǔ)。

1　計算模型

1.1模型方程

模型控制方程包括連續(xù)性方程、動量方程、溫鹽擴散方程和密度方程。σ坐標下的控制方程如下

式中：t是時間；D是總水深；ζ為水位；u，v，ω分別為σ坐標下x,y和σ方向的速度分量，σ取值從海底處的-1到海表面處的0；g為重力加速度；ρ為海水密度；ρo為水體參考密度；f為科氏參數(shù)；Fx，F(xiàn)y，F(xiàn)T和FS分別是水平向動量、溫度和鹽度擴散項。T為海水溫度，S為海水鹽度；H?是水體吸收的太陽輻射；Km和Kh分別為垂向紊動粘性系數(shù)和熱擴散系數(shù)，模型中國采用修正的MY-2.5湍流閉合模型［7］求解。

海表面和底部速度邊界條件為

式中：(τsx,τsy)和(τbx,τby)分別為海表面風(fēng)切應(yīng)力和海底摩擦切應(yīng)力在x和y方向上的分量。

海表面和底部溫鹽邊界條件為

式中：Qn(x,y,t)為表面凈熱通量，包括短波輻射、長波輻射、感熱和潛熱通量四部分；SW(x,y,0,t)是海表面處短波輻射通量；cp為海水比熱系數(shù)；P∧和E∧分別為降雨和蒸發(fā)量；AH為水平熱擴散系數(shù)；α是海底地形的坡度；n為垂直于坡度軸線方向。

模型采用模式分裂法求解，二維外膜中的控制方程在三角形單元積分后，通過改進的四階龍格庫塔進行求解；三維內(nèi)膜的動量方程求解采用一種簡單的顯式和隱式相結(jié)合的方法，其中速度的局地變化采用一階精度的前差格式積分。對流項采用二階精度的迎風(fēng)顯式格式求解，垂向擴散項采用隱式求解。具體離散求解可以參考文獻［8］。

1.2模型設(shè)置

模型計算范圍為象山港全域（29°24′～29°50′N，121°23′～122°05′E），包括象山港狹灣、佛渡水道和牛鼻山水道，如圖1所示。開邊界取為兩段，分別為灣口東北側(cè)的郭巨鎮(zhèn)—六橫島連線和東南側(cè)的爵溪鎮(zhèn)—臺門連線。象山港灣內(nèi)岸線曲折，島嶼眾多，為了更好地擬合復(fù)雜的地形條件，對島嶼和岸線以及水深變化劇烈的區(qū)域進行了加密，計算網(wǎng)格見圖2。水平分辨率在島嶼和岸線周圍為約80 m，在灣口部為400 m左右，水平網(wǎng)格單元數(shù)為18 645，網(wǎng)格節(jié)點數(shù)為9 958，垂直向均勻分為11個σ層。開邊界水位由杭州灣大模型提供［9］，該模型邊界由實測潮位提供，并在大范圍內(nèi)驗證良好。模型中考慮風(fēng)、徑流、潮流和密度流的共同作用，其中風(fēng)、空氣溫度、相對濕度、凈短波輻射采用NCEP每隔6 h平均的再分析資料，凈熱通量采用文獻［10］中公式計算。徑流考慮了鳧溪河、顏公河和墻頭排水口等淡水的注入，流量采用文獻［11］中的徑流量數(shù)據(jù)，入?？谖恢靡妶D1。

圖1　計算區(qū)域及站位分布圖Fig.1Calculated area and location of stations

圖2　數(shù)值計算網(wǎng)格劃分Fig.2Gird of calculated area

2　結(jié)果分析與討論

2.1潮汐潮流特性分析

采用2009年6～7月烏沙山站連續(xù)15 d的實測潮位資料和0916、0917、0918、0919四個測流站（圖1）大潮期和小潮期連續(xù)25 h實測海流資料與模型計算結(jié)果進行了比較，以驗證模型的精度及可靠性。圖3和圖4分別給出潮位、潮流流速流向的驗證結(jié)果。從圖中可以看出，烏沙山潮位的計算值與實測值吻合程度較好；除個別時刻外，計算得到的流速和流向與實測值相對誤差較小。流速沿水深遞減，表層流速最大，底層最小，底層流速約為表層的50%。

圖3　烏沙山站模型模擬潮位與實測值對比Fig.3Comparison of observed and simulated tidal level at Wushashan

圖40917　、0919測站模型模擬結(jié)果與實測值對比Fig.4Comparison of observed and simulated tidal speed and direction at 0917 and 0919

由潮位計算結(jié)果經(jīng)潮汐調(diào)和分析得到象山港M2分潮的同潮圖（圖5）。潮汐的類型可以通過不同分潮的振幅比和判斷。象山港海域F均大于0.5，除靠近外海的牛鼻山水道外，G均大于0.04，屬于非正規(guī)半日淺海潮。M2分潮在潮位中占主導(dǎo)地位，其次是S2分潮；狹灣內(nèi)的M2分潮振幅HM2均在1.3 m以上，由灣口的1.3 m逐漸增到灣頂部的1.7 m，灣口M2分潮的遲角與灣頂只差4°；狹灣內(nèi)淺水分潮作用明顯，M4分潮振幅HM4由從口門處的0.1 m增到灣頂?shù)?.5 m。潮波自口門傳入后，由于不斷受地形及邊界的反射作用，逐漸由前進潮波轉(zhuǎn)為駐波性質(zhì)；潮差由灣口向灣頂逐漸增大，港頂平均潮差可達3.7 m。受淺海分潮影響，狹灣內(nèi)漲落潮歷時不對稱明顯，漲潮歷時均大于落潮歷時，越往港內(nèi)漲潮歷時越長，港頂最大漲落潮時差約170 min。

利用潮流調(diào)和分析結(jié)果，根據(jù)公式計算可知象山港海域的潮流屬半日潮流區(qū)，淺海分潮明顯。象山港海域M2分潮流在潮流中占主導(dǎo)地位，圖6為該海域M2分潮潮流橢圓圖。M2分潮流橢圓長軸由牛鼻山水道至狹灣口門之間約為1.0～1.3 m/s，由狹灣口門至灣頂，M2分潮流逐漸減弱，其橢圓長軸在西滬港口和鐵港口附近分別為0.7 m/s和0.4 m/s左右，走向與岸線的方向基本一致。從調(diào)和分析結(jié)果可得，M2分潮流的橢圓率在狹灣口門外海域介于0.5～0.8，潮流運動形式呈旋轉(zhuǎn)流特征；狹灣內(nèi)橢圓率在0～0.1，呈往復(fù)流特征，這主要是受灣內(nèi)地形和邊界的制約。灣內(nèi)潮流的流向與岸線基本平行，落潮流速大于漲潮流速，最大流速發(fā)生在狹灣口門附近，狹灣內(nèi)的流速由灣口向灣頂逐漸減小，灣內(nèi)漲、落潮流最大實測流速分別可達1.54 m/s和1.83 m/s［1］。漲潮流通過牛鼻山水道和佛渡水道傳入象山港港口門后，沿著主水道向灣內(nèi)傳播，至西滬港口門處分出一支傳入港內(nèi)，在缸爿山附近由于水道狹窄，水流在此比較湍急，流速可達到1 m/ s以上；在烏沙山附近，受白石山島—中央山島—銅山島一線島嶼的影響，水流在此分為南、北兩路；過島后匯合繼續(xù)向西推進，在強蛟處又分成兩支，分別進入黃墩港和鐵港。落潮時，流路與漲潮過程相反，3個支港內(nèi)的水體匯入主水道后沿原路退出象山港。灣內(nèi)3個支港西滬港、鐵港、黃墩港海域在低潮位時絕大部分潮灘露出，高潮位時淹沒。

2.2溫鹽結(jié)構(gòu)分析

圖5　象山港M2分潮同潮圖Fig.5Calculated co?tidal chart in Xiangshan Bay

圖6　象山港表層M2分潮潮流橢圓分布Fig.6Calculated surface component tidal current ellipses in Xiangshan Bay

圖7　模擬表層溫度、鹽度與實測值對比Fig.7Comparison of observed and simulated temperature and salinity

溫度和鹽度采用2009年象山港赤潮監(jiān)控區(qū)水環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)進行驗證，監(jiān)測時間段為4～10月，監(jiān)測頻率為半月一次。圖7為不同測站海水表層溫度、鹽度模擬值與實測值的對比。象山港海域水溫隨季節(jié)變化顯著，春季水溫平均值為15.6℃，夏季水溫平均值為29.1℃，最高實測溫度為32.1℃，發(fā)生在7月下旬，秋季水溫平均值為23.6℃。象山港鹽度隨月份變化明顯，4月份鹽度平均值為23.7，7月份平均鹽度為28.3，10月份鹽度平均值為23.6。7月份鹽度偏高的原因是由于夏季長江淡水向東北方向擴展，灣內(nèi)鹽度受臺灣暖流等外海高鹽水控制所致［6］。8月份受降水和徑流量的影響，鹽度出現(xiàn)明顯降低。圖8為港內(nèi)不同站位7月15日溫度、鹽度模擬值與實測值對比，可以看出從空間分布上，灣口和灣頂部有著顯著的溫度差和鹽度差。象山港海水溫度由灣口向灣頂部逐漸增大，港口和港頂?shù)臏囟炔顬?.4℃；與溫度分布相反，海水鹽度呈灣口部高，由灣口部到灣口部逐漸降低的趨勢，灣口和灣頂?shù)柠}度差為3.2?？傮w來看，模型模擬結(jié)果與實測資料吻合較好，基本反映了象山港海域年度溫度、鹽度分布變化規(guī)律，說明本文模型設(shè)置和參數(shù)的選取是合適的。

圖8　不同站位7月15日表層溫度、鹽度對比Fig.8Comparison of observed and simulated temperature and salinity at different stations on July 15

（1）溫鹽的平面分布。圖9-a和圖9-b是計算海區(qū)夏季表、底層平均水溫分布。由圖9可以看出，象山港表層水溫在27～29℃，灣頂水溫最高，從灣頂往外水溫逐漸下降，而且等值線在口門外較灣內(nèi)密，溫差較大。底層水溫分布與表層基本相似，較表層普遍低0.5℃左右。等溫線在灣內(nèi)呈拋物線型，離兩岸陸地越近，溫度越高，這是因為離陸地近的地方水深較淺，水體升溫快，中間深槽內(nèi)溫度較低，且在底層表現(xiàn)尤為明顯。

圖9　夏季7月份模擬溫度、鹽度平面分布Fig.9Distribution of temperature and salinity in July

圖9-c和圖9-d為計算海區(qū)夏季平面表、底層平均鹽度分布，鹽度平面分布的總體特征是牛鼻山水道和佛渡水道海域鹽度最高，鹽度值在30左右，從狹灣口向灣頂逐漸遞減，灣頂部鹽度為23～26。鹽度的垂向分布為表層最低，底層略高一點。鹽度等值線的主要特征為在表層向灣口凸出，而底層向灣頂凸出，這種分布特征與象山港的余流特征是一致的，象山港狹灣內(nèi)的表層余流方向指向灣口而底層余流方向指向灣頂［6］。從鹽度大面分布的等值線可以看出，多數(shù)時間港內(nèi)鹽度北岸較南岸稍高，這是由于潮波傳播在北岸較南岸快（圖5）。

圖10　象山港溫度和鹽度縱向斷面分布Fig.10Longitudinal distribution of temperature and salinity in Xiangshan Bay

圖11　象山港溫度和鹽度橫向斷面分布Fig.11Latitudinal distribution of temperature and salinity in Xiangshan Bay

（2）溫鹽的垂向分布。圖10為7月份沿象山港縱向的溫度和鹽度垂向分布，斷面的位置如圖10-a所示。水溫沿縱向斷面在垂向上分層明顯，表層高、底層低，表底層溫度差一般在0.4～0.6℃；溫度從灣頂?shù)綖晨谥饾u遞減，與平面分布一致。鹽度垂向則分層較明顯，表層、底層鹽度差為0.5～1。從圖10可以看出，在灣口和灣頂附近鹽度等值線較密，在垂向上均為表層向灣口、底層向灣頂?shù)膬A斜狀，與董禮先等［6］研究中實測數(shù)據(jù)得到的鹽度縱向剖面分布基本一致。

圖11給出狹灣內(nèi)距離港頂不同距離的橫向斷面的溫度和鹽度分布。從模擬結(jié)果來看，狹灣內(nèi)不同位置的溫度、鹽度垂向結(jié)構(gòu)不同。B-C斷面位于狹灣外段，在4 m以上水層，水溫水平方向較為均勻，4 m以下水層，水溫在兩側(cè)高，中間深槽內(nèi)低；鹽度分布表現(xiàn)為底層高于表層，在斷面中部表層局部鹽度較低，表、底鹽度差約為1.0，在水深6 m以下水層，靠近北岸一側(cè)存在有一股高鹽水，與文獻［6］中實測潮均鹽度分布相似。D-E斷面位于狹灣中段，水溫在4 m以下水層表現(xiàn)為北岸低南岸高，鹽度表現(xiàn)為北岸高南岸低，與平面分布一致。F-G斷面位于狹灣內(nèi)段，水溫的分布與B-C斷面相似；鹽度分布表現(xiàn)為在水深4 m以上，兩側(cè)鹽度高，中間鹽度低，在4 m水深以下，鹽度呈現(xiàn)兩側(cè)低，中間深槽內(nèi)高的特征。

3　結(jié)論

平面采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，基于有限體積法的FVCOM海洋模型建立了象山港三維潮汐、潮流和溫鹽數(shù)值模型，模擬了象山港內(nèi)三維水動力過程和溫鹽的季節(jié)變化。通過將模擬結(jié)果與實測潮位、潮流和溫鹽資料的比較，驗證了模型的有效性和精度，說明模型能夠較好地反映了象山港潮汐、潮流的特征以及溫鹽的變化規(guī)律及分布特征。通過對數(shù)值模擬結(jié)果進行詳細分析，得到如下主要結(jié)論：

（1）象山港的潮汐類型屬于非正規(guī)半日淺海潮。狹灣內(nèi)的M2分潮振幅由口門處的1.3 m逐漸增到灣頂部的1.7 m，淺水分潮作用明顯，M4分潮振幅由從口門處的0.1 m增到到港頂?shù)?.5 m。狹灣內(nèi)漲落潮歷時不對稱明顯，漲潮歷時均大于落潮歷時，越往港內(nèi)漲潮歷時越長。

（2）由狹灣口門至灣頂，M2分潮流逐漸減弱，其橢圓長軸在灣口、西滬港口和鐵港口附近分別為1.2 m/s、0.7 m/s和0.4 m/s左右，走向與岸線的方向基本一致。M2分潮流的橢圓率在狹灣口門外海域介于0.5～0.8，狹灣內(nèi)則在0～0.1，因此灣內(nèi)為往復(fù)流性質(zhì)，口門外開闊海域呈旋轉(zhuǎn)流特征。

（3）灣口和灣頂部有著顯著的溫度差和鹽度差。象山港海水溫度由灣口向灣頂部逐漸增大，港口和港頂?shù)臏囟炔顬?.4℃；與溫度分布相反，海水鹽度呈灣口部高，由灣口部到灣頂部逐漸降低的趨勢，灣口和灣頂?shù)柠}度差為3.2。由于狹灣灣內(nèi)水深地形以及寬度差別明顯，距離灣口不同位置的橫向斷面溫度、鹽度分布結(jié)構(gòu)特征明顯不同。

對象山港水動力場和溫鹽場的準確計算，說明該模型能夠適用于象山港復(fù)雜地形的水動力的數(shù)值模擬，為進一步對該海域物質(zhì)輸運及生態(tài)系統(tǒng)研究奠定基礎(chǔ)。

致謝：本文采用的實測潮位潮流和溫鹽資料均來源于寧波市海洋環(huán)境監(jiān)測中心2009年的海洋水文調(diào)查，特致感謝。

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交通運輸部將加快五大國際航運中心建設(shè)

2014年9月3日發(fā)布的《國務(wù)院關(guān)于促進海運業(yè)健康發(fā)展的若干意見》指出，要提升海運業(yè)國際競爭力。引導(dǎo)要素和產(chǎn)業(yè)集聚，加快建設(shè)國際海運交易和定價中心，打造國際航運中心。據(jù)此，交通運輸部將在若干意見的框架下，推動現(xiàn)代航運服務(wù)業(yè)發(fā)展指導(dǎo)意見的出臺，加快國際航運中心建設(shè)，包括上海、天津濱海新區(qū)、大連、武漢和重慶。（殷缶，梅深）

Biography：HAN Song?lin（1986-）,male,doctor student.

中圖分類號：TV 143；O 242.1

文獻標識碼：A

文章編號：1005-8443（2014）05-0481-08

收稿日期：2013-11-04；修回日期：2013-12-26

基金項目：國家海洋局海洋公益性行業(yè)科研專項（201105009）；國家自然科學(xué)基金（51279028）

作者簡介：韓松林(1986-)，男，河南省林州市人，博士研究生，主要從事近海水動力和物質(zhì)輸運研究。

Numerical simulation of tides,tidal currents and temperature?salinity structures in Xiangshan Bay based on FVCOM

HAN Song?lin,LIANG Shu?xiu,SUN Zhao?chen
(State Key Laboratory of Coastal and Offshore Engineering,Dalian University of Technology,Dalian 116024,China）

Abstract:Based on the unstructured grid,finite?volume coastal ocean model(FVCOM),the hydrodynamic and temperature?salinity numerical model were established in Xiangshan Bay.The tidal current,wind,the solar radia?tion and river discharge were considered in the model.The comparison of the simulated results with the measured data about tide,tidal current,temperature and salinity showed that the model could simulate the hydrodynamic and the distribution of temperature?salinity structures.The co?tidal chart,the component tidal current ellipses were ob?tained from the result.The results show that the tide of Xiangshan Bay is mainly irregular semidiurnal shallow tide. The major axis of M2tidal current component ellipse decreases from the mouth of the bay to the top and the direc?tion is parallel to the coastal line.The tidal current is rectilinear current in the fjord and rotary current at the outside of the bay mouth area.There are obvious temperature difference and salinity difference between the mouth and head of the bay.The temperature increases from the bay mouth to bay head and the salinity is just opposite.The vertical profile characteristic of temperature and salinity at different location in the fjord is different.

Key words:FVCOM;tidal current;temperature and salinity；numerical simulation;Xiangshan Bay