渤海岸線地形變化對(duì)潮波系統(tǒng)和潮流性質(zhì)的影響?

孟 云, 婁安剛??, 劉亞飛, 張棟梁

(1.中國(guó)海洋大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，山東 青島 266100； 2.國(guó)家海洋局北海分局預(yù)報(bào)中心，山東 青島 266061)

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渤海岸線地形變化對(duì)潮波系統(tǒng)和潮流性質(zhì)的影響?

孟 云1, 婁安剛1??, 劉亞飛1, 張棟梁2

(1.中國(guó)海洋大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，山東 青島 266100； 2.國(guó)家海洋局北海分局預(yù)報(bào)中心，山東 青島 266061)

采用有限體積近岸海洋模型FVCOM，基于渤海2004和2014年的岸線地形數(shù)據(jù)，構(gòu)建渤海2個(gè)年份的三維潮汐潮流數(shù)值模式；通過數(shù)值模擬研究，探討了渤海岸線地形變化對(duì)潮波系統(tǒng)和潮流性質(zhì)的影響。數(shù)值模擬結(jié)果表明：岸線地形變化后，半日分潮潮時(shí)在渤海灣、萊州灣和渤海中部東南海域提前，在遼東灣和渤海中部西北海域滯后；振幅在渤海灣及遼東灣增大，在萊州灣及渤海中部減小；位于秦皇島和黃河口的半日分潮無潮點(diǎn)位置分別向西南和東南方向移動(dòng)。渤海絕大部分海域全日分潮潮時(shí)提前，振幅增大，位于渤海海峽的全日潮無潮點(diǎn)位置向東移動(dòng)。潮流性質(zhì)系數(shù)在萊州灣增大，在渤海其他大部分海域減小，渤海規(guī)則半日潮流海區(qū)范圍略有增加，不規(guī)則半日潮流海區(qū)范圍相應(yīng)減少。

潮波系統(tǒng)；潮流性質(zhì)；岸線變化；渤海；數(shù)值模擬

渤海位于37°07′N～41°N,117°35′E～121°10′E區(qū)域，總面積約7.7萬km2，是嵌入中國(guó)北部大陸的半封閉型淺海[1]，僅通過渤海海峽與黃海相通。自2004年以來，由于渤海沿岸各省市大力發(fā)展海洋經(jīng)濟(jì)[2]，海岸帶的開發(fā)建設(shè)規(guī)模和強(qiáng)度逐年增長(zhǎng)，至2011年，天津?yàn)I海新區(qū)、曹妃甸工業(yè)區(qū)等大規(guī)模涉海工程的開發(fā)建設(shè)以及遼寧“五點(diǎn)一線”經(jīng)濟(jì)帶、山東半島藍(lán)色經(jīng)濟(jì)區(qū)的大型圍填?；顒?dòng)均已成型[2-3]。至2010年末，渤海圍填海總面積為415.23km2[4]，人工岸線的逐年攀升加之海岸帶的自然演變作用，必然會(huì)導(dǎo)致渤海岸線形態(tài)和沿岸地形的不斷變化[5]，進(jìn)而引起海洋動(dòng)力條件、生態(tài)環(huán)境的連鎖反應(yīng)[2,6]。

潮波運(yùn)動(dòng)是渤海最主要的海洋動(dòng)力過程[7]，對(duì)海洋環(huán)境起重要的控制作用，探討岸線地形改變對(duì)渤海潮波系統(tǒng)和潮流性質(zhì)的影響，是進(jìn)一步研究渤海海洋動(dòng)力環(huán)境變化的基礎(chǔ)。盡管前人針對(duì)渤海潮波、潮流開展了大量數(shù)值研究工作[8-13]，確定并修正了渤海同潮圖的基本形態(tài)和潮流性質(zhì)系數(shù)分布，然而目前基于渤海岸線和地形變化對(duì)潮波系統(tǒng)及潮流性質(zhì)影響的研究鮮見報(bào)道。

本文通過改進(jìn)三維海洋數(shù)值模式FVCOM(An Unstructured Grid Finite-Volume Coastal Ocean Model)，建立渤海2004年和2014年高分辨率潮汐潮流數(shù)值模型(其中2004年的岸線地形是渤海大規(guī)模圍填海之前的岸線地形，2014年的岸線地形為渤海的最新岸線地形)，根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果探討岸線地形變化對(duì)渤海潮波系統(tǒng)和潮流性質(zhì)的影響。

1 數(shù)值模式和計(jì)算配置

1.1 模型簡(jiǎn)介

FVCOM模式已被廣泛應(yīng)用于海灣[14-18]、河口[19-20]的數(shù)值模擬研究，其原始基本方程組詳見文獻(xiàn)[21-22]。該模式采用有限體積離散法，綜合了有限元法局部加密、易擬合岸界和有限差分法模式簡(jiǎn)單、計(jì)算效率高的優(yōu)點(diǎn)，并能夠保證研究海域的質(zhì)量、能量和動(dòng)量守恒[22]。模式在水平方向采用三角形網(wǎng)格，垂直方向采用sigma坐標(biāo)，可精確地描述渤海復(fù)雜海岸線和海底地形的變化。

1.2 模型計(jì)算配置

1.2.1 計(jì)算域和模型設(shè)置 計(jì)算范圍為渤海海域，模型利用SMS(Surface Water System)軟件生成三角形網(wǎng)格，并在近岸、島嶼附近海域進(jìn)行加密。2004年和2014年對(duì)應(yīng)的計(jì)算網(wǎng)格，除在岸線地形有變化的海域不同外，與其它的海域相同，其中在沿岸附近海域的水平網(wǎng)格最大距離1500m，最小距離不大于400m，以2014年為例，圖1給出了計(jì)算域的網(wǎng)格設(shè)置及其在曹妃甸和濱海新區(qū)的局部放大圖。模型在垂向按sigma坐標(biāo)均分為5層，采用內(nèi)、外模態(tài)分離法求解，外模、內(nèi)模時(shí)間步長(zhǎng)分別取0.3和3s，數(shù)值模擬15d穩(wěn)定后輸出計(jì)算值。

圖1 模型計(jì)算域及網(wǎng)格設(shè)置(2014)

1.2.2 岸界和水深資料 2004年和2014年的渤海岸線分別取自美國(guó)陸地資源衛(wèi)星Landsat7 ETMSLC-off和Landsat8 OLI_TIRS的遙感圖像數(shù)據(jù)。圖2給出了2個(gè)年份的渤海岸線，并標(biāo)注了岸線變化的主要海域。2004年的水深數(shù)據(jù)摘自中國(guó)人民解放軍海軍司令部航海保證部2006年出版的天津港、成山角至大連港海圖和2005年出版的遼東灣海圖；2014年水深數(shù)據(jù)摘自中國(guó)人民解放軍海軍司令部航海保證部2014年出版的天津港、成山角至大連港海圖，2014年出版的渤海灣海圖和2014年出版的遼東灣海圖。在收集所得岸線、水深的遙感和海圖資料的基礎(chǔ)上，結(jié)合圍填海調(diào)查數(shù)據(jù)，修正了同期的岸線地形資料?；趦商装毒€地形數(shù)據(jù)，分別數(shù)值模擬了2004年和2014年的潮汐、潮流。

1.2.3 開邊界條件 開邊界取煙臺(tái)-大連連線(37°36′N,121°26′E～38°49′N,121°24′E)，調(diào)和常數(shù)是利用從煙臺(tái)、大連長(zhǎng)期驗(yàn)潮站資料得到的調(diào)和常數(shù)，并結(jié)合渤黃海水文圖集同潮圖以及OTIS(OSU Tidal Inversion Software)的數(shù)據(jù)插值，經(jīng)反復(fù)調(diào)試驗(yàn)證計(jì)算機(jī)程序而得，開邊界輸入方程為：

ξci=Hcicos(ωcit-gci)，ci:M2，S2，K1，O1。

式中：ξci為ci分潮的水位；Hci為ci分潮振幅；ωci為分潮角速度；gci為ci分潮位相。

采用零初始條件，對(duì)渤海4個(gè)主要分潮進(jìn)行數(shù)值模擬，其中半日潮計(jì)算30個(gè)潮周期，全日潮計(jì)算15個(gè)潮周期，輸出最后1個(gè)潮周期的計(jì)算結(jié)果，用于調(diào)和分析。

圖2 渤海岸線及觀測(cè)站分布Fig.2 Coastline and observation stations in the Bohai Sea

1.3 模型驗(yàn)證

利用渤海沿岸16個(gè)驗(yàn)潮站資料[23]，對(duì)在2004年岸線、地形條件下的數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。圖3直觀顯示了潮汐調(diào)和常數(shù)計(jì)算值與觀測(cè)值的比較結(jié)果，M2、S2、K1和O1分潮振幅的平均絕對(duì)誤差Mean Absolute Error (MAE)分別為4.61、2.12、2.29和1.02cm，遲角的MAE分別為5.77°、7.95°、4.99°和4.79°，可見模型的潮汐模擬結(jié)果精度較高。由于2011年后渤海岸線地形變化不大，為進(jìn)一步檢驗(yàn)?zāi)Ｐ偷某绷饔?jì)算結(jié)果，選取圖2所示渤海5個(gè)連續(xù)測(cè)流站2011—2012年的潮流觀測(cè)資料，對(duì)2014年岸線、地形條件下的潮流數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行檢驗(yàn)。限于篇幅，僅給出A站(2011年5月10日)和D站(2012年1月14日)的表層潮流玫瑰驗(yàn)證圖(見圖4)，其他3個(gè)站位的驗(yàn)證結(jié)果與A、D站位驗(yàn)證結(jié)果相似。由圖4可見，潮流的模擬值與觀測(cè)值吻合良好，流速、流向變化趨勢(shì)一致。因此，本文建立的渤海潮汐、潮流模型是正確的。

基于2004年和2014年兩套岸線、地形數(shù)據(jù)，進(jìn)行的潮汐、潮流數(shù)值模擬，由于采用相同的動(dòng)力參數(shù)、邊界條件和時(shí)空步長(zhǎng)，故2個(gè)年份下的數(shù)值模擬結(jié)果能夠說明岸線地形變化的影響。

(圖中所繪直線經(jīng)原點(diǎn)且斜率為45°，數(shù)據(jù)點(diǎn)到該直線距離越小則計(jì)算結(jié)果愈佳。The straight lines in the figure pass through the origin with the slop of 45°, The shorter the distance from points to the line, the better the result is.)

圖3 潮汐調(diào)和常數(shù)計(jì)算值與觀測(cè)值對(duì)比
Fig.3 Comparison between simulated and observed harmonic constants

圖4 A、D站表層潮流玫瑰圖驗(yàn)證Fig.4 Validation of surface current roses at A and D station

2 數(shù)值計(jì)算結(jié)果與討論

對(duì)潮汐、潮流的數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行調(diào)和分析[24-25]，計(jì)算出2004與2014年各分潮潮汐、潮流調(diào)和常數(shù)。圖5為各分潮同潮圖，圖6、7為M2和K1分潮的遲角振幅變化分布，圖8為2個(gè)年份潮流性質(zhì)系數(shù)和潮流類型的分布。下面從各分潮同潮時(shí)線偏轉(zhuǎn)、振幅大小變化、無潮點(diǎn)位置移動(dòng)和潮流性質(zhì)分布4個(gè)方面探討渤海岸線地形變化對(duì)其潮汐、潮流的影響。

2.1 潮波同潮時(shí)線偏轉(zhuǎn)

由圖5(a)、(b)所示2個(gè)年份M2、S2分潮的同潮圖可知，半日分潮同潮時(shí)線的偏移規(guī)律相似。隨著渤海岸線地形的變化，位于秦皇島海域半日分潮無潮點(diǎn)的同潮時(shí)線，整體向西南方向平移，遼東灣內(nèi)的同潮時(shí)線發(fā)生順時(shí)針偏轉(zhuǎn)；位于黃河口海域的半日分潮無潮點(diǎn)的同潮時(shí)線向東南方向平移，渤海灣內(nèi)的同潮時(shí)線發(fā)生逆時(shí)針偏轉(zhuǎn)，萊州灣內(nèi)的同潮時(shí)線順時(shí)針偏轉(zhuǎn)。同潮時(shí)線的偏轉(zhuǎn)致使半日分潮在渤海灣、萊州灣和渤海中部東南海域的潮汐位相提前，在遼東灣和渤海中部西北海域的位相滯后。

圖5 M2、S2分潮同潮圖Fig.5 Cotidal charts of M2 and S2 constituents

圖6 M2分潮遲角的變化Fig.6 Changes of phase lag of M2 constituent

由圖6可知，從變化量值上講，M2分潮在無潮點(diǎn)附近的遲角變化最大，且較為復(fù)雜，既有增大區(qū)也有減小區(qū)。M2分潮的遲角在萊州灣和渤海灣的變化也較為顯著，在萊州灣遲角減小15°～25°，自灣口至灣底的遲角減小量逐漸增加；在渤海灣遲角減小0°～20°，以無潮點(diǎn)為中心自灣口沿逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)的方向，遲角減小量增加。M2分潮在遼東灣和渤海中部大部分海域的遲角變化則相對(duì)不大，其變化量分別在0°～8°和-8°～8°之間。S2分潮遲角變化的分布(圖略)規(guī)律與M2分潮類似，但由于波長(zhǎng)及在淺海的能耗不同，在渤海部分海域的遲角變化量有所不同：S2分潮在渤海灣的遲角減小量為0°～13°，在萊州灣的遲角減小量為13°～18°。

由圖7所示的2個(gè)年份K1、O1分潮同潮圖可知，全日分潮同潮時(shí)線的偏移規(guī)律基本一致。隨著渤海岸線地形的演變，位于渤海海峽附近全日分潮無潮點(diǎn)的同潮時(shí)線基本上整體向東平移，渤海大部分海域的同潮時(shí)線發(fā)生逆時(shí)針偏轉(zhuǎn)。同潮時(shí)線的偏轉(zhuǎn)導(dǎo)致渤海全日分潮潮時(shí)普遍提前，且在渤海大部分海域，以無潮點(diǎn)為中心順著潮波旋轉(zhuǎn)傳播的方向，潮時(shí)的提前時(shí)間逐漸增加。

由圖8可知，K1分潮在無潮點(diǎn)附近的遲角變化幅度最大，在無潮點(diǎn)北側(cè)附近海域的遲角增加，南側(cè)附近海域的遲角減小。K1在萊州灣的遲角減幅較大，渤海灣次之，遼東灣最小。O1分潮的遲角變化分布(圖略)與K1分潮相似，但其遲角變化量相對(duì)K1分潮小。從變化量值上看，渤海岸線地形演變對(duì)全日分潮的影響比半日分潮的小。

2.2 潮波振幅變化

比較圖7所示2個(gè)年份各分潮同潮圖可知，同潮族中各分潮振幅的變化趨勢(shì)基本一致，從振幅變化量值看，渤海岸線地形演變對(duì)半日分潮的影響大于對(duì)全日分潮的影響，尤其是對(duì)M2分潮產(chǎn)生影響最大。

由圖9可見，岸線地形變化后，M2分潮在渤海灣和遼東灣的振幅增加，增量分別為2～13cm和0～5cm；

圖9 M2分潮振幅的變化Fig.9 Changes of amplitode of M2 corstituent

在渤海灣和遼東灣內(nèi)以各自的無潮點(diǎn)為中心在逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)方向上，振幅增量呈增加趨勢(shì)。M2分潮在萊州灣減小量為5～10cm，且自灣口到灣頂?shù)臏p小量逐漸增加；在渤海中部海域的振幅減小量在0～3cm之間，變化不大。S2分潮振幅的變化(圖略)與M2分潮大致相似，但其變化量值相對(duì)較小，在渤海灣和遼東灣的最大增量分別為4.3和1.2cm，在萊州灣和渤海中部海域的最大減小量均小于2.0cm；由于S2和M2分潮無潮點(diǎn)位置的差異，S2分潮振幅增大和減小的區(qū)域也略有不同。

由圖10可知，渤海岸線地形演變對(duì)全日分潮振幅的影響并不顯著，K1分潮除在無潮點(diǎn)以東的渤海海峽區(qū)域的振幅減小外，其它海域振幅增加，最大減小值在0.8cm左右，最大增大值在1.2cm左右。O1分潮的振幅變化(圖略)類似于K1分潮，但其變化量值更小，變化量小于1cm。

圖10 K1分潮振幅的變化Fig.10 Changes of amplitode of K1 corstituent

2.3 潮波無潮點(diǎn)位置的變化

表1列出了2004年和2014年半日分潮M2、S2和全日分潮K1、O1的無潮點(diǎn)位置及其在岸線地形變化后的遷移距離。由表1和圖5可知，同潮族分潮無潮點(diǎn)的遷移方向基本一致，但半日分潮無潮點(diǎn)的遷移距離較遠(yuǎn)。M2分潮和S2分潮位于秦皇島附近的無潮點(diǎn)位置分別向西南方向遷移了7.69和8.57km；位于黃河口外無潮點(diǎn)位置分別向東南方向遷移11.86和7.57km。K1分潮和O1分潮在渤海海峽附近無潮點(diǎn)位置分別向東南偏東方向移動(dòng)6.12和6.00km，移動(dòng)的距離基本相同。

表1 2004年和2014年各分潮無潮點(diǎn)位置及其遷移距離Table 1 Position and migration distance of amphidromic point of each tidal component in 2004 and 2014

2.4 潮流性質(zhì)變化

由各分潮東分量和北分量的潮流調(diào)和常數(shù)，計(jì)算出各網(wǎng)格點(diǎn)的潮流橢圓要素[24]，依據(jù)公式k=(WO1+WK1)/WM2(W為各分潮潮流橢圓半長(zhǎng)軸長(zhǎng)度)計(jì)算出各網(wǎng)格點(diǎn)上的潮流性質(zhì)系數(shù)k，根據(jù)k值并依據(jù)潮流性質(zhì)判別標(biāo)準(zhǔn)，繪制出2004和2014年的渤海潮流性質(zhì)系數(shù)和潮流類型分布(見圖11)。潮流性質(zhì)判別標(biāo)準(zhǔn)為：

圖11 2004和2014年渤海潮流性質(zhì)系數(shù)和潮流類型分布

由圖11可見，渤海潮流性質(zhì)系數(shù)位于0.25～2.0之間，具有規(guī)則半日潮流和不規(guī)則半日潮流兩種類型，在遼東灣、渤海灣和萊州灣呈規(guī)則半日潮流類型，在渤海中部海域基本呈不規(guī)則半日潮流類型。岸線地形變化后，潮流性質(zhì)系數(shù)在渤海各海域的變化不同，遼東灣、渤海灣和渤海中部大部分海域k值減小，而萊州灣和渤海中部東南沿岸海域的k值增加。從計(jì)算的變化量值看，渤海中部k值變化最大，在-0.08～0.12之間，萊州灣和渤海灣次之，分別在0.02～0.08和0～0.05之間；遼東灣最小，在0～0.02之間。整體來看，渤海k值的變化較小。

另外，從圖11可見，岸線地形變化后，遼東灣和渤海灣區(qū)域的規(guī)則半日潮流范圍增大，而萊州灣區(qū)域的規(guī)則半日潮流海域范圍減小，整體上渤海規(guī)則半日潮流海域范圍增加1400km2，不規(guī)則半日潮流相應(yīng)減小1400km2。

3 結(jié)論

近10年由于圍填海引起的岸線地形變化對(duì)渤海潮波系統(tǒng)、潮流性質(zhì)產(chǎn)生如下影響：

(1)分潮同潮時(shí)線發(fā)生偏移，且同潮族發(fā)生偏移的規(guī)律相似。半日分潮的潮時(shí)在渤海灣、萊州灣和渤海中部東南海域提前，在遼東灣和渤海中部西北海域滯后；在無潮點(diǎn)附近、萊州灣和渤海灣海域遲角變化最為顯著；在萊州灣內(nèi)自灣口到灣頂，以及在渤海灣內(nèi)以無潮點(diǎn)為中心沿逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)的方向上，遲角減小量逐漸增加。全日分潮的潮時(shí)在渤海大部分海域提前，僅在海峽無潮點(diǎn)北側(cè)小范圍區(qū)域滯后；遲角變化量值相對(duì)半日分潮小。

(2)分潮振幅亦發(fā)生變化，且同潮族的變化亦基本一致。半日分潮的振幅在遼東灣和渤海灣增加，在萊州灣和渤海中部減小，其變化幅度在渤海灣和萊州灣最顯著；以黃河口外無潮點(diǎn)為中心在渤海灣內(nèi)沿逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)方向上，振幅增量逐漸增加，在萊州灣內(nèi)沿順時(shí)針旋轉(zhuǎn)方向上，振幅減小量逐漸增加。全日分潮的振幅在渤海絕大部分海域增加，僅在無潮點(diǎn)東側(cè)海峽區(qū)域減小；振幅變化量值遠(yuǎn)小于半日分潮。

(3)分潮無潮點(diǎn)的位置亦發(fā)生變化，同潮族分潮無潮點(diǎn)位置的移動(dòng)方向一致。位于秦皇島外的M2和S2分潮無潮點(diǎn)位置，向西南方向分別偏移了7.69和8.57km；位于黃河口外無潮點(diǎn)位置，向東南方向分別偏移了11.86和7.57km。位于渤海海峽附近K1分潮和O1分潮的無潮點(diǎn)位置，向東南偏東方向分別移動(dòng)了6.12和6.00km。

(4)遼東灣、渤海灣和渤海中部大部分海域的潮流性質(zhì)系數(shù)減小，萊州灣和渤海中部東南海域的潮流性質(zhì)系數(shù)增加；渤海規(guī)則半日潮流海區(qū)范圍增加了1400km2，不規(guī)則半日潮流海域相應(yīng)減小了1400km2。

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責(zé)任編輯 龐 旻

Impact of Coastline and Topography Changes on Tidal Wave System and Tidal Current Character in the Bohai Sea

MENG Yun1, LOU An-Gang1, LIU Ya-Fei1, ZHANG Dong-Liang2

(1.College of Environmental Science and Engineering, Ocean University of China, Qingdao 266100, China; 2. North China Sea Marine Forecasting Center SOA, Qingdao 266061, China)

A numerical model was established based on FVCOM, to investigate the impact imposed on the Bohai Sea tidal wave system and tidal current character by coastline and topography changes from 2004 to 2014. The numerical simulation results indicated that tidal hours of semidiurnal constituents moved up in Bohai Bay, Laizhou Bay and southeastern of the central Bohai Sea while lagged behind in Liaodong Bay and northwestern of the central Bohai Sea. Tide amplitudes of semidiurnal constituents enhanced in Bohai Bay and Liaodong Bay while deceased in Laizhou Bay and the central Bohai Sea. The amphidromic points of semidiurnal constituents located in Qin Huangdao and Yellow River mouth moved southwestward and southeastward respectively. Tidal hours of diurnal constituents moved up and the amplitudes enhanced in most of the Bohai Sea,while the amphidromic point located in the Bohai Straits shifted eastward. The tidal current characteristic coefficient increased in Laizhou Bay while decreased in the rest of the Bohai Sea. The range of the regular semidiurnal current enlarged slightly while the irregular semi-diurnal current decreased correspondingly.

tidal wave system; tidal current character; coastline change; the Bohai Sea; numerical simulation

國(guó)家海洋局北海分局海洋科技項(xiàng)目(2015B07)資助

2015-01-20;

2015-04-22

孟 云(1991-)，女，碩士。E-mail:mengyunhuanke@163.com

??通訊作者： E-mail:aglou@ouc.edu.cn

P731.21

A

1672-5174(2015)12-001-08

10.16441/j.cnki.hdxb.20150016