黃河口及其鄰近海域水深和岸線變化對(duì)M2分潮影響的數(shù)值研究*1

王永剛，魏澤勛，方國(guó)洪，陳海英，高秀敏

(1.國(guó)家海洋局 第一海洋研究所，山東 青島 266061； 2.海洋環(huán)境科學(xué)和數(shù)值模擬國(guó)家海洋局重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 青島 266061；3.中國(guó)科學(xué)院 海洋研究所，山東 青島 266071)

黃河口及其鄰近海域水深和岸線變化對(duì)M2分潮影響的數(shù)值研究*1

王永剛1,2，魏澤勛1,2，方國(guó)洪1,2，陳海英3，高秀敏1,2

(1.國(guó)家海洋局 第一海洋研究所，山東 青島 266061； 2.海洋環(huán)境科學(xué)和數(shù)值模擬國(guó)家海洋局重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 青島 266061；3.中國(guó)科學(xué)院 海洋研究所，山東 青島 266071)

黃河口及其鄰近海域水深和岸線的演化顯著地影響著該海區(qū)的潮波系統(tǒng)。本研究收集到了1972年及2002年水深及岸線數(shù)據(jù)。在此基礎(chǔ)上，基于ROMS模式建立了渤海海域潮波數(shù)值模式，模式采用正交曲線坐標(biāo)，在黃河口及其鄰近海域水平分辨率優(yōu)于500 m，其它海域水平分辨率優(yōu)于2 km。模式首先模擬了2002年M2分潮潮波狀況，并利用實(shí)測(cè)資料進(jìn)行了檢驗(yàn)，在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步模擬了1972年M2分潮潮波狀況。對(duì)比分析表明1972—2002年黃河口外M2分潮無潮點(diǎn)向東北方向遷移約30 km；期間萊州灣西側(cè)M2分潮振幅明顯增強(qiáng)；萊州灣M2分潮遲角呈現(xiàn)由前進(jìn)波向退化的旋轉(zhuǎn)潮波系統(tǒng)轉(zhuǎn)變的趨勢(shì)。

黃河口；M2分潮；數(shù)值模擬

黃河三角洲地區(qū)是我國(guó)東部沿海資源富集和發(fā)展?jié)摿薮蟮牡貐^(qū)之一，2009-11-23國(guó)務(wù)院正式批復(fù)《黃河三角洲高效生態(tài)經(jīng)濟(jì)區(qū)發(fā)展規(guī)劃》，黃河三角洲地區(qū)的發(fā)展上升為國(guó)家戰(zhàn)略，成為國(guó)家區(qū)域協(xié)調(diào)發(fā)展戰(zhàn)略的重要組成部分。臨海產(chǎn)業(yè)是黃河三角洲地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要組成部分，海上油氣開發(fā)、臨港物流、海洋漁業(yè)等產(chǎn)業(yè)將為黃河三角洲打造一個(gè)沿岸經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)極。研究并掌握海洋環(huán)境及其變化特征，能夠?yàn)榭茖W(xué)合理地開發(fā)和利用海洋資源提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，為防災(zāi)、減災(zāi)提供科技支撐。

潮波運(yùn)動(dòng)是黃河口及鄰近海區(qū)海洋動(dòng)力過程的主要組成部分，研究該海區(qū)的潮波運(yùn)動(dòng)是了解該海區(qū)海洋動(dòng)力環(huán)境的基礎(chǔ)。但受黃河口水深和岸線演變的影響，黃河口及鄰近海區(qū)的潮波運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生顯著地變遷，特別是M2分潮的無潮點(diǎn)位置隨著該海區(qū)的沖淤變化而不斷變動(dòng)[1]。一般來說在無潮點(diǎn)附近潮差較小，從海洋工程的角度在設(shè)計(jì)高水位和設(shè)計(jì)低水位方面將體現(xiàn)一定的優(yōu)越性，但在無潮點(diǎn)附近往往表現(xiàn)為強(qiáng)潮流區(qū)，這又需要在海洋工程設(shè)計(jì)中充分考慮強(qiáng)流對(duì)其的影響?？梢姛o潮點(diǎn)位置的確定無論是對(duì)海洋動(dòng)力環(huán)境還是對(duì)海洋工程都有重要的影響。因此，對(duì)黃河口及其鄰近海區(qū)潮波的研究多集中在M2分潮無潮點(diǎn)位置的確定上。自O(shè)gura[2]首次提出黃河口外存在M2分潮無潮點(diǎn)以來，多位學(xué)者開展了與該無潮點(diǎn)相關(guān)的研究工作[3-12]①方國(guó)洪.關(guān)于中國(guó)近海潮汐潮流分布的若干有待進(jìn)一步研究的問題. 1986: 12-20.，這些研究均支持黃河口外M2分潮無潮點(diǎn)存在的事實(shí)，但不同的研究工作給出的無潮點(diǎn)位置尚存在一定的差異。這些差異不僅源自研究方法本身的差異，由水深岸線變化所引起的潮波系統(tǒng)差別也是各研究成果差異的重要原因之一。部分學(xué)者開展了水深、岸線變化對(duì)M2分潮無潮點(diǎn)位置的影響研究。這些研究或通過觀測(cè)資料分析或借助數(shù)值模式來進(jìn)行，在觀測(cè)資料分析方面主要采用的是1990年以前的資料，而且資料多集中在局部海區(qū)，未覆蓋整個(gè)黃河口及其鄰近海區(qū)；而在數(shù)值模擬方面所采用的水深和岸線資料中最近的資料是1992年的[12]，對(duì)于水深和岸線變化劇烈的黃河口區(qū)域，此類資料很難刻畫目前黃河口及其鄰近海區(qū)的潮波特征。而且在數(shù)值模式方面已有的研究表明黃河口及其鄰近海區(qū)的水平分辨率最高為2.0 km，這樣的分辨率無法在數(shù)值模式中細(xì)致地刻畫黃河口岸線分布情況，而岸線分布會(huì)對(duì)潮波的反射具有直接影響，從而影響模擬得到的無潮點(diǎn)的位置。另外，已有的數(shù)值研究多采用僅覆蓋黃河口鄰近海域的區(qū)域模式，開邊界與黃河口距離有限將導(dǎo)致開邊界條件的人為設(shè)定影響黃河口鄰近海域的模擬結(jié)果。因此有必要進(jìn)一步開展資料整理和分析工作，并借助高分辨率數(shù)值模式研究黃河口及其鄰近海區(qū)潮波特征，為該海區(qū)的海洋工程開發(fā)及防災(zāi)、減災(zāi)提供科技支撐。

本文首先介紹水深、岸線資料收集情況以及采用的潮波數(shù)值模式設(shè)置情況；然后對(duì)模擬得到的M2分潮調(diào)和常數(shù)與驗(yàn)潮站資料進(jìn)行比較，檢驗(yàn)?zāi)M結(jié)果的可靠性；在此基礎(chǔ)上分析水深岸線變化對(duì)黃河口及其鄰近海區(qū)潮波的影響。

1 資料及數(shù)值模式介紹

首先開展了典型時(shí)期水深岸線收集、整理和分析工作。收集了中國(guó)人民解放軍海軍司令部航海保證部1977年出版的渤海及黃海北部海圖(黃河口及其鄰近海域1956—1972年期間測(cè)量，本研究以此水深代表1972年水深)、2005年出版的萊州灣海圖(黃河口及其鄰近海域2002年測(cè)量，本研究以此水深代表2002年水深)，對(duì)海圖數(shù)據(jù)進(jìn)行了數(shù)字化處理和基準(zhǔn)面訂正，提取了黃河口及其鄰近海域不同時(shí)期的水深和岸線資料。結(jié)合渤海其它海域水深、岸線資料，融合得到了1972年及2002年水深岸線(圖1)，用于潮波模式建立。收集了研究區(qū)域內(nèi)的19個(gè)站位的驗(yàn)潮站資料(站位分布見圖1a)，用于模式的檢驗(yàn)。

圖1 潮波模式地形圖及驗(yàn)潮站位圖Fig.1 The water depth and coastline and the locations of tidal gauge stations used in the tidal model

本研究基于ROMS模式來建立潮波數(shù)值模式，該模式是一個(gè)三維、自由表面和隨地海洋數(shù)值模式，目前已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用于海洋研究的很多領(lǐng)域[13-14]。為了盡量降低開邊界條件對(duì)黃河口鄰近海域潮波模擬的影響，本研究選取的模擬區(qū)域?yàn)?117°30′E～122°30′E，37°00′N～41°00′N)。模式的水平網(wǎng)格采用正交曲線坐標(biāo)，在黃河口及其鄰近海域水平分辨率優(yōu)于500 m，其它區(qū)域優(yōu)于2 km，水平網(wǎng)格分布見圖2。模式的開邊界條件同Gao等的研究[15]。

圖2 模式水平網(wǎng)格分布Fig.2 Distribution of horizontal grids of the model

2 模式結(jié)果

2.1 模擬結(jié)果檢驗(yàn)

首先運(yùn)行2002年水深岸線狀況下的渤海海域M2分潮潮波數(shù)值模式，模式運(yùn)行20個(gè)潮周期達(dá)到穩(wěn)定后，對(duì)最后兩個(gè)潮周期的模擬結(jié)果進(jìn)行調(diào)和分析得到渤海海域M2分潮的同潮圖(圖3b)。由圖可見，模擬得到的渤海海域M2分潮潮波分布特征與Gao等研究[15]的同化模式結(jié)果基本一致。M2分潮在渤海存在兩個(gè)無潮點(diǎn)，分別位于黃河口附近和秦皇島外海，同潮時(shí)線以逆時(shí)針方向繞無潮點(diǎn)旋轉(zhuǎn)；M2分潮的振幅在遼東灣灣頂附近最大，可達(dá)130 cm，渤海灣灣頂次之，接近120 cm，萊州灣內(nèi)潮汐振幅最小。

利用收集的19個(gè)驗(yàn)潮站資料對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行了檢驗(yàn)。表1為模擬結(jié)果與驗(yàn)潮站資料(站位見圖1a)的比較，可見振幅最大偏差出現(xiàn)在龍口附近，為10 cm，遲角偏差較大的站位主要位于渤海灣(11站、14站和15站)。統(tǒng)計(jì)分析顯示，模擬M2分潮的振幅絕均差為4.0 cm，遲角絕均差為4.6°。模擬結(jié)果與驗(yàn)潮站資料間的差異一方面可能源自模式模擬偏差。另一方面，模式模擬得到的是針對(duì)2002年水深岸線下的潮波狀況，而本文收集的驗(yàn)潮站調(diào)和常數(shù)為多年資料調(diào)和分析結(jié)果(無法得到2002年潮汐調(diào)和常數(shù))，鑒于水深岸線變化可能對(duì)部分驗(yàn)潮站調(diào)和常數(shù)存在影響，由此也會(huì)導(dǎo)致模擬結(jié)果與驗(yàn)潮站資料間的差異?？紤]到本文主要關(guān)注于水深和岸線變化對(duì)潮波傳播的影響，該模式在合理地模擬了渤海海域潮波的基礎(chǔ)上，能夠適用于本研究。

表1 M2分潮模擬結(jié)果檢驗(yàn)Table 1 Validations of the results from the simulation of M2 tide component

圖3 模擬得到的M2分潮同潮圖Fig.3 The co-tidal charts for M2 tide component obtained by numerical simulation

2.2 水深岸線變化對(duì)潮波影響的模擬

基于建立的2002年水深岸線狀況下的渤海海域M2分潮潮波數(shù)值模式，在模式參數(shù)設(shè)置不變的情況下，把模式水深岸線替換為1972年情況(圖1a)，模擬得到了1972年水深岸線狀況下的渤海海域M2分潮(圖3a)。圖3a和圖3b差異主要體現(xiàn)在黃河口及其鄰近海域。首先黃河口外無潮點(diǎn)的位置向東北方向發(fā)生了顯著變遷；另外，隨著黃河口岸線向東側(cè)延伸，萊州灣西側(cè)潮波振幅明顯增強(qiáng)，而渤海灣灣頂?shù)恼穹鶆t呈減弱趨勢(shì)，對(duì)渤海中部及遼東灣的影響不顯著。圖4為變化最為顯著的黃河口及萊州灣海域局部放大后的M2分潮同潮圖。伴隨著1976年黃河由漁洼改道由清水溝流路入海，黃河口迅速向外海延伸，最大淤進(jìn)約40 km[16]，這期間該海域的潮波系統(tǒng)也發(fā)生了顯著的變化。模擬得到的1972年M2分潮無潮點(diǎn)位置為(118°55′48″E，38°03′36″N)，2002年該無潮點(diǎn)向東北方向移動(dòng)至(119°06′00″E，38°14′24″N)，遷移距離約30 km。萊州灣西側(cè)M2分潮的振幅由1972年的60～70 cm增加至70 cm以上，甚至超過80 cm。同潮時(shí)線分布特征也發(fā)生了顯著的變化，黃河口向外海延伸后萊州灣海域M2分潮呈現(xiàn)由前進(jìn)波向退化的旋轉(zhuǎn)潮波系統(tǒng)轉(zhuǎn)變的趨勢(shì)。

圖4 黃河口及萊州灣海域M2分潮同潮圖Fig.4 The co-tidal charts for M2 tide components in the Yellow River Estuary and the Laizhou Bay

本文所構(gòu)建的1972年和2002年水深岸線情況下的潮波模式均采用統(tǒng)一的網(wǎng)格和開邊界條件，因此無潮點(diǎn)的遷移主要由水深和岸線變化所致。本文通過數(shù)值試驗(yàn)進(jìn)一步分析水深變化和岸線變化對(duì)潮波傳播影響的貢獻(xiàn)。數(shù)值試驗(yàn)以2.1節(jié)構(gòu)建的2002年潮波模式為基礎(chǔ)，在2002年水深情況下采用1972年岸線組成試驗(yàn)情景，模擬試驗(yàn)情景下潮波。模擬結(jié)果表明，在該情景條件下黃河口及其鄰近海域M2分潮潮波特征與2002年模擬結(jié)果比較相近，黃河口外M2分潮無潮點(diǎn)向西南偏移，但偏移量不大，可見水深的變化對(duì)黃河口及其鄰近海域M2分潮變化起著決定性作用。

3 討 論

本研究數(shù)值分析了水深岸線變化對(duì)黃河口及其鄰近海域M2分潮的影響，對(duì)比黃河口及萊州灣海域局部放大后的M2分潮同潮圖(圖4a和圖4b)可見，在本研究所采用的各代表年份水深岸線情況下，黃河口外M2分潮無潮點(diǎn)呈向東北方向遷移的趨勢(shì)。樂肯堂等[1]和郝琰等[12]均數(shù)值研究了岸線變遷對(duì)M2分潮無潮點(diǎn)位置的影響。在郝琰等[12]的研究中涉及了與本研究同期的模擬結(jié)果，其研究結(jié)果表現(xiàn)為1968—1992年M2分潮無潮點(diǎn)位置向東南移(向東移2′，向南移2′)，其研究還預(yù)測(cè)2010年M2分潮無潮點(diǎn)位置較1968年沿緯向東移10′。本研究顯示1972—2002年M2分潮無潮點(diǎn)向東北移(向東移10′，向北移8′)。不同研究間的差異主要源于以下幾個(gè)方面：

1)模式模擬區(qū)域及水平分辨率不同。樂肯堂等[1]和郝琰等[12]均為(118°10′E～119°40′E，37°12′N～38°40′N)，水平分辨率分別為2.968 km和2.0 km。本研究為了盡量降低開邊界條件對(duì)黃河口及其鄰近海域的影響，模擬區(qū)域?yàn)檎麄€(gè)渤海，開邊界條件取在122°30′E，在重點(diǎn)關(guān)注海區(qū)水平分辨率優(yōu)于500 m，以便于更好地刻畫岸線變化情況。通過對(duì)比模擬得到的各時(shí)期渤海海域M2分潮同潮圖(圖3和圖5)可見，水深岸線的變化不僅影響黃河口鄰近海域的M2分潮潮波系統(tǒng)，還會(huì)對(duì)渤海灣和萊州灣內(nèi)的潮波系統(tǒng)產(chǎn)生影響，因此利用較大區(qū)域模式比如覆蓋整個(gè)渤海海域來研究黃河口及其鄰近海域水深岸線變化對(duì)潮波的影響更為合理。

2)模式所采用的水深和岸線存在差異。樂肯堂等[1]和郝琰等[12]采用的水深岸線源自相關(guān)海域的內(nèi)部資料或內(nèi)部報(bào)告，而本研究所用的水深岸線主要源自海司航保部出版的海圖。水深和岸線的不同也是導(dǎo)致研究結(jié)果存在差異的原因之一。

4 結(jié) 語

本研究通過模擬1972年和2002年M2分潮在渤海海域的分布特征，分析了黃河口及其鄰近海域水深岸線變化對(duì)M2分潮影響，結(jié)果顯示：

黃河口及其鄰近海域水深和岸線變化對(duì)黃河口外M2分潮無潮點(diǎn)位置影響顯著，1972—2002年該無潮點(diǎn)向東北方向遷移約30 km；

1972—2002年萊州灣西側(cè)M2分潮的振幅明顯增強(qiáng)，多數(shù)海域增強(qiáng)可達(dá)10 cm；萊州灣M2分潮同潮時(shí)線分布特征也發(fā)生了顯著的變化，黃河口向外海延伸后萊州灣海域M2分潮呈現(xiàn)由前進(jìn)波向退化的旋轉(zhuǎn)潮波系統(tǒng)轉(zhuǎn)變的趨勢(shì)。

由于本研究收集的1972年和2002年的水深資料源自不同比例尺海圖，且海圖水深采樣精度低于模式水平分辨率，本研究所用的水深與同期實(shí)際水深可能存在一定的差異，由此會(huì)部分影響模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性比如無潮點(diǎn)的具體位置，但本研究所給出的潮波變化趨勢(shì)，即無潮點(diǎn)遷移規(guī)律、遲角和振幅的變化特征等還是可靠的。另外，模擬結(jié)果體現(xiàn)的黃河口水深岸線變化對(duì)鄰近的萊州灣和渤海灣均有影響，表明利用渤海海域模式來研究黃河口及其鄰近海域水深岸線變化對(duì)潮波的影響較小區(qū)域模式(僅包含黃河口及其鄰近海域的模式)更為科學(xué)合理。

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ANumericalStudyontheEffectofChangesinWaterDepthandCoastlineonM2TidalComponentNeartheYellowRiverEstuary

WANG Yong-gang1,2, WEI Ze-xun1,2, FANG Guo-hong1,2, CHEN Hai-ying3, GAO Xiu-min1,2

(1.FirstInstituteofOceanography,SOA, Qingdao 266061, China;2.KeyLabofMarineScienceandNumericalModeling,SOA, Qingdao 266061, China;3.InstituteofOceanology,ChinaAcademyofSciences, Qingdao 266071, China)

Based on the data of water depth and coastline collected in the area near the Yellow River Estuary in 1972 and 2002, the effects of variations in water depth and coastline on M2tidal component in the study area are studied and a tidal wave numerical model, which uses the orthogonal curvilinear coordinates, is established for the area of the Bohai Sea on the basis of ROMS model. The horizontal resolution of this model is superior to 500 m in the Yellow River Estuary and its adjacent areas and to about 2 km in other areas. The M2tidal wave system in the study area in 2002 is firstly simulated based on the model and the results thus obtained are examined with the measured data. Then, the M2tidal wave system in 1972 is simulated with the same model. Comparison of the two numerical results indicates that the amphidromic point of M2in the area out of the Yellow River mouth moved about 30 km northeastward in the period from 1972 to 2002. During this period, the amplitude of M2tide component at the western side of the Laizhou Bay intensified obviously and the phase lag of the M2in the bay showed a trend of transforming from progressive waves to a degraded amphidromic system.

the Yellow River Estuary; M2tide component; numerical simulation

June 3rd, 2013

2013-06-03

國(guó)家科技支撐計(jì)劃——渤海水交換與環(huán)境容量評(píng)價(jià)技術(shù)研究(2010BAC69B01)；國(guó)家自然科學(xué)基金——渤海海峽水交換及其機(jī)制研究(40976016)；海洋公益性行業(yè)科研專項(xiàng)經(jīng)費(fèi)——山東半島藍(lán)色經(jīng)濟(jì)區(qū)建設(shè)的海洋空間布局優(yōu)化技術(shù)體系及決策服務(wù)系統(tǒng)應(yīng)用示范(201205001)；國(guó)家海洋局第一海洋研究所基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)——黃河口及其鄰近海域潮波系統(tǒng)及其變遷的分析和數(shù)值研究(2010G07)

王永剛(1977-)，男，內(nèi)蒙古赤峰人，博士，副研究員，主要從事潮汐潮流和海洋環(huán)流方面研究.E-mail:ygwang@fio.org.cn

(王 燕 編輯)

P731.23

A

1671-6647(2014)02-0141-07