珠江口及鄰近海域潮波數(shù)值模擬?
——I模型的建立和分析

丁 芮， 陳學(xué)恩??， 曲念東

(1. 中國(guó)海洋大學(xué)海洋環(huán)境學(xué)院， 山東 青島 266100； 2. 國(guó)家海洋局南海環(huán)境監(jiān)測(cè)中心， 廣東 廣州 510300)

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珠江口及鄰近海域潮波數(shù)值模擬?
——I模型的建立和分析

丁 芮1， 陳學(xué)恩1??， 曲念東2

(1. 中國(guó)海洋大學(xué)海洋環(huán)境學(xué)院， 山東 青島 266100； 2. 國(guó)家海洋局南海環(huán)境監(jiān)測(cè)中心， 廣東 廣州 510300)

采用無(wú)結(jié)構(gòu)網(wǎng)格三維有限體積海洋模式FVCOM，基于高精度的水深和岸線資料，建立了覆蓋珠江口及鄰近海域的三維正壓高分辨率數(shù)值模型。和驗(yàn)潮站實(shí)測(cè)資料以及前人研究的對(duì)比驗(yàn)證表明，該模型能較準(zhǔn)確地再現(xiàn)珠江口及鄰近海域的潮汐、潮流變化過(guò)程。研究發(fā)現(xiàn)，珠江口海域潮汐為不正規(guī)半日潮，潮型數(shù)大致介于1.1～1.3之間，M2分潮占主導(dǎo)地位。M2，S2，K1和O14個(gè)主要分潮向河口內(nèi)傳播時(shí)，等振幅線均偏西北-東南向，西側(cè)振幅小于東側(cè)，河口附近等位相線比陸架海域密，西側(cè)相較于東側(cè)更密。從灣口傳播到灣頂，半日分潮歷時(shí)約2h，全日分潮歷時(shí)約1.3h。潮流呈東強(qiáng)西弱，且落急流速大于漲急流速，河口內(nèi)潮流流速是陸架海域的1～2倍，最大可達(dá)到1m/s；在陸架海域半日分潮旋轉(zhuǎn)潮流強(qiáng)于全日分潮，在珠江口內(nèi)主要為西北-東南方向往復(fù)流，航道區(qū)潮流最大。歐拉余流在河口內(nèi)航道區(qū)形成南向流，在河口西側(cè)淺灘處形成北向流，出現(xiàn)了余環(huán)流結(jié)構(gòu)。此外，在航道區(qū)和深圳灣等區(qū)域形成較強(qiáng)余流渦旋結(jié)構(gòu)。外海傳入潮流能通量自南向北在珠江口內(nèi)匯聚，在航道區(qū)呈現(xiàn)高值區(qū)，最大可達(dá)10KW/m。

珠江口；潮汐；潮流；數(shù)值模擬；FVCOM

珠江口水域大體可分為黃茅海、磨刀門(mén)和伶仃洋三部分[1]，包含虎門(mén)、蕉門(mén)、洪奇門(mén)、橫門(mén)、磨刀門(mén)、雞啼門(mén)、虎跳門(mén)及崖門(mén)共8個(gè)珠江徑流入?？陂T(mén)。珠江口海灣特指伶仃洋水域，該水域內(nèi)有2條航道，其水深較深，對(duì)應(yīng)著東，西深槽；另有東，中，西3個(gè)淺灘，地貌特征復(fù)雜。珠江年徑流量在全國(guó)河流中居第二位。由于珠江口受到潮汐和徑流的雙重作用，所以對(duì)其潮汐潮流進(jìn)行研究具有重要意義。

前人已對(duì)珠江口海域進(jìn)行了頗多探究。在實(shí)測(cè)資料分析方面，吳俊彥和肖京國(guó)[2]根據(jù)700多個(gè)驗(yàn)潮站的潮汐資料，對(duì)包含珠江口海域在內(nèi)的中國(guó)沿海港口的潮汐類(lèi)型行了分析。Mao等[3]分析了1998年珠江口的潮流和潮汐等實(shí)測(cè)資料。宋曉飛等[4]通過(guò)對(duì)珠江口磨刀門(mén)水域包括潮位、徑流量、海表水溫、鹽度、風(fēng)速等參數(shù)在內(nèi)的長(zhǎng)期資料的整理和分析，探討了其鹽水入侵加強(qiáng)的原因。在數(shù)值模擬研究方面，隨著數(shù)值模式和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，海洋數(shù)值模型也在珠江口海域得到了廣泛應(yīng)用。韓保新等[5]用有限差分方法對(duì)珠江口海區(qū)的潮汐和潮流進(jìn)行了數(shù)值模擬，并對(duì)若干質(zhì)點(diǎn)進(jìn)行了短時(shí)間的拉格朗日運(yùn)動(dòng)軌跡追蹤，但囿于岸線、水深資料的準(zhǔn)確性，未能細(xì)致體現(xiàn)珠江口海區(qū)潮汐潮流狀況；王彪等[7]基于FVCOM模型，對(duì)珠江口及其鄰近海域的潮汐進(jìn)行了初步模擬；包蕓等[6]采用三維斜壓模型模擬了均勻西南風(fēng)對(duì)珠江口近岸海域的影響，給出了有風(fēng)和無(wú)風(fēng)情況下珠江口海域的余流分布與鹽度分布。

綜上所述，由于所使用地形資料或計(jì)算資源的制約，前人對(duì)珠江口潮汐環(huán)流的數(shù)值研究分辨率仍然較低，難以刻畫(huà)較細(xì)致的動(dòng)力過(guò)程。本文基于三維有限體積海洋模式FVCOM，在珠江口及鄰近海域建立了高分辨率水動(dòng)力數(shù)值模型，對(duì)珠江口及鄰近海域的潮汐、潮流以及余流的特征進(jìn)行了驗(yàn)證和分析，為珠江口水交換研究等后續(xù)工作奠定了基礎(chǔ)。

1 模型建立與驗(yàn)證

1.1 模型配置

FVCOM模式采用非結(jié)構(gòu)化三角形網(wǎng)格，提高了對(duì)復(fù)雜海岸線和海底地形的擬合程度，干-濕網(wǎng)格技術(shù)能較好地處理模型的邊界運(yùn)動(dòng)，對(duì)于具有復(fù)雜地形和岸線的區(qū)域來(lái)說(shuō)能更好地保證質(zhì)量、動(dòng)量的守恒性[8]。垂直方向上采用σ坐標(biāo)可以較好地?cái)M合海底地形變化劇烈的海域，這對(duì)于模擬像珠江口及鄰近海域水深變化較劇烈的區(qū)域來(lái)說(shuō)尤為重要。因此，用FVCOM模式對(duì)珠江口這樣一個(gè)地形復(fù)雜、島嶼眾多、灘涂密布、岸線不規(guī)則、潮差大的水域進(jìn)行水動(dòng)力模擬非常合適。

模型的計(jì)算區(qū)域?yàn)?10.20°E～116.25°E，20.04°N～23.28°N，水平網(wǎng)格共有95627個(gè)三角形節(jié)點(diǎn)，184804個(gè)三角形單元，網(wǎng)格在珠江口海域尤其是航道區(qū)進(jìn)行了重點(diǎn)加密，航道區(qū)分辨率最高可達(dá)50m，外海開(kāi)邊界處低至9km(見(jiàn)圖1)。珠江口區(qū)域岸線和地形數(shù)據(jù)來(lái)NOAA/NGDC和ETOP1，并采用中華人民共和國(guó)海事局出版的海圖予以了訂正(見(jiàn)圖2)。模型的徑流數(shù)據(jù)來(lái)自《中國(guó)河流泥沙公報(bào)(2008)》[14]中高要，石角，博羅等水文站的月平均徑流量；外海每個(gè)開(kāi)邊界網(wǎng)格點(diǎn)上的潮汐驅(qū)動(dòng)由美國(guó)俄勒岡州立大學(xué)的全球潮汐同化數(shù)據(jù)(OTIS)計(jì)算所得八分潮(M2、S2、K1、O1、N2、K2、P1、Q1)預(yù)報(bào)水位經(jīng)過(guò)訂正后得到。模型內(nèi)、外模時(shí)間步長(zhǎng)分別設(shè)為12，2 s，模型驗(yàn)證試驗(yàn)的模擬時(shí)段為2008年1月1日—4月30日。

圖1 計(jì)算區(qū)域及網(wǎng)格Fig.1 Model domain and mesh

(圖中紅點(diǎn)表示驗(yàn)潮站位置。Red nodes: tidal stations location.)圖2 珠江口及鄰近海域岸線與地形Fig.2 Model coastline and bathymetry around the Pearl River Estuary

1.2 模型驗(yàn)證

本文選取赤灣、珠江2個(gè)驗(yàn)潮站3個(gè)月的逐時(shí)水位資料，并搜集了研究海域內(nèi)其他3個(gè)驗(yàn)潮站的振幅和遲角數(shù)據(jù)[9]，表1給出了5個(gè)驗(yàn)潮站的觀測(cè)與計(jì)算所得振幅和遲角之對(duì)比，表2則給出了本研究與前人研究的振幅和遲角之對(duì)比。

由表1模型模擬結(jié)果與5個(gè)驗(yàn)潮站實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的對(duì)比可知，4個(gè)主要分潮的振幅誤差均低于1cm，總體來(lái)看，所有振幅誤差均小于2%。除大亞灣和香港站的K1遲角誤差為1.68°和1.32°，汕尾站M2遲角誤差3.15°以外，4個(gè)分潮的遲角誤差也低于1°。從表2本研究計(jì)算所得振幅和遲角與前人的研究相比可知，本研究結(jié)果的準(zhǔn)確度又有較大提高。因此，本文建立的珠江口海域高分辨率模型結(jié)果可信，能夠較準(zhǔn)確地再現(xiàn)整個(gè)研究海域的潮汐環(huán)流特征。

表1 4個(gè)主要分潮觀測(cè)與計(jì)算調(diào)和常數(shù)對(duì)比

表2 本研究和前人研究所得調(diào)和常數(shù)對(duì)比

2 潮汐環(huán)流模擬結(jié)果分析

2.1 潮汐性質(zhì)分析

圖3 潮汐性質(zhì)判別系數(shù)分布Fig.3 Distribution of molded tidal characteristics

2.2 河口區(qū)潮汐特征分析

為了分析珠江口及鄰近海域潮汐的傳播特征，繪制河口區(qū)4個(gè)主要分潮M2,、S2、K1、O1的同潮圖見(jiàn)圖4。

由圖4可知，各分潮潮波在傳播至珠江口附近時(shí)分為兩支，一支繼續(xù)西傳，另一支則轉(zhuǎn)為向北進(jìn)入珠江口。各分潮在河口內(nèi)等振幅線與等位相線走向大致平行，說(shuō)明潮波在河口內(nèi)的傳播具有前進(jìn)潮波的特征。同時(shí)，半日潮特征加強(qiáng)，且M2分潮占主導(dǎo)地位，其振幅為4個(gè)主要分潮中最大。

由于河口水面向北逐漸變窄，M2潮波傳入河口后能量不斷積累，導(dǎo)致振幅由南向北從45cm逐漸增大到70cm?？陂T(mén)處M2等振幅線偏西北-東南走向，說(shuō)明口門(mén)處西側(cè)振幅小于東側(cè)振幅，這是由于口門(mén)東側(cè)水深較深，是潮波主要的傳播通道，振幅較大；西側(cè)水深較淺，潮波能量被消耗，使振幅減小。等位相線隨著潮波繼續(xù)北傳變密集，呈東北-西南走向，緣于河口內(nèi)水深變淺和岸界阻礙作用使潮波速度減慢所致。東側(cè)遲角小于西側(cè)，表明東側(cè)潮波傳播較西側(cè)快，緣于西側(cè)淺灘使潮波的傳播減慢。

S2分潮等振幅線和等位相線與M2分潮的分布相似，口門(mén)以北的振幅介于17～27cm之間，不足M2分潮的一半；遲角則比M2分潮的大，說(shuō)明其潮波傳播速度比M2分潮的慢。半日潮波從口門(mén)傳播到灣頂，M2分潮歷時(shí)小于2h(口門(mén)至灣頂位相差約40°)，而S2分潮歷時(shí)約為2h(口門(mén)至灣頂位相差約60°)。

(左：振幅(單位：m)； 右：遲角(單位：(°)。Left: co-amplitude (in m)；Right: co-phases (in deg).)圖4 珠江口海域4個(gè)主要分潮同潮圖Fig.4 Co-tidal lines for four principal constituents in the Pearl River Estuary

K1分潮振幅在口門(mén)以北介于36～39cm，東側(cè)振幅較大，西側(cè)振幅較小，東側(cè)潮波傳播較快。O1分潮等振幅線與等位相線與K1分潮分布相似，O1分潮振幅介于30～35cm，比K1分潮振幅小20%左右。對(duì)全日潮來(lái)說(shuō)，從口門(mén)傳播到灣頂，K1和O1分潮歷時(shí)均約1.3h(灣口至灣頂位相差為20°)。

至于模型在珠江口外陸架南海北部的結(jié)果(圖略)，本文得出的結(jié)論與前人的研究發(fā)現(xiàn)基本一致[11-12]，在此不再敘述。

2.3 潮流結(jié)果分析

2.3.1 潮流空間分布 為了闡述研究海域潮流空間分布隨時(shí)間的變化，本文給出了珠江口海域模型在漲急和落急兩個(gè)標(biāo)志性時(shí)刻的垂向平均流場(chǎng)圖(見(jiàn)圖5，箭頭代表流速，背景色標(biāo)代表流速量值)。若下文沒(méi)有特別提出，所提流速均為垂向平均流速。

漲急時(shí)刻，潮流方向主要沿河道逆流北上，珠江口外潮流流速較小，大部分都在0.4m/s以下，潮流向?yàn)硟?nèi)匯聚，在大濠島分為兩支向北流動(dòng)。河口內(nèi)潮流流速比口門(mén)外陸架海域流速大，基本都在0.5m/s左右；東、西航道區(qū)流速介于0.5～0.8m/s之間。漲潮流在淇澳島和內(nèi)伶仃島分別偏向西北、東北，而后繼續(xù)北上。潮流分布總體上呈東強(qiáng)西弱，在航道區(qū)較大，在西側(cè)淺灘處較小。

落急時(shí)刻，潮流分布在珠江口內(nèi)依舊呈東高西低，東、西航道及其臨近區(qū)域出現(xiàn)流速大小介于0.7～1m/s之間的高值區(qū)，最大流速出現(xiàn)在航道區(qū)，此由地形作用和徑流下泄共同作用所致；在口門(mén)處，潮流流速減弱至0.4m/s以下。落潮流途經(jīng)淇澳島和內(nèi)伶仃島時(shí)分別偏向西南、東南向，之后繼續(xù)南下。與漲急時(shí)刻的流速相比，落急流速在河口內(nèi)有不同程度的加強(qiáng)，尤以航道區(qū)最為顯著，這是因?yàn)閺搅鲄R入潮流時(shí)會(huì)加強(qiáng)總落潮流速但抑制總漲潮流速以及漲落潮不對(duì)稱(chēng)的影響。此外，模型計(jì)算結(jié)果表明，一個(gè)潮周期之內(nèi)落潮歷時(shí)比漲潮歷時(shí)多半小時(shí)左右，徑流下泄使落潮歷時(shí)長(zhǎng)于漲潮歷時(shí)。Mao等[3]亦通過(guò)分析珠江口海域的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)得出過(guò)類(lèi)似結(jié)論。

(左：漲急； 右：落急。Left: maximum flood； Right: maximum ebb.)圖5 珠江口海域潮流分布圖Fig.5 Distribution of tidal current in the Pearl River Estuary

2.3.2 潮流橢圓分布 選取模型模擬結(jié)果第11～第50天的逐時(shí)流速進(jìn)行潮流調(diào)和分析，得到4個(gè)主要分潮在口門(mén)外陸架海域及珠江口海域的潮流橢圓分布(見(jiàn)圖6、7)。

由圖6可知，4個(gè)分潮M2、K1、S2、O1的潮流振幅依次減小。在口門(mén)外陸架海域，4個(gè)分潮潮流橢圓旋轉(zhuǎn)方向的分布有所不同。以M2分潮為例，在河口東側(cè)大致沿114.2°E為界，界線東側(cè)以順時(shí)針旋轉(zhuǎn)為主，西側(cè)以逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)為主，但界線西側(cè)珠江口門(mén)附近海域則為強(qiáng)的順時(shí)針旋轉(zhuǎn)流。其他分潮也有旋轉(zhuǎn)方向隨區(qū)域而不同的特征，這里不再詳述。

研究還發(fā)現(xiàn)，在某些區(qū)域，若半日潮有明顯的旋轉(zhuǎn)潮流，全日潮對(duì)應(yīng)的旋轉(zhuǎn)潮流則較小。楊萬(wàn)康[11]研究過(guò)南海北部陸架區(qū)的潮流時(shí)，亦曾得出類(lèi)似結(jié)論。

由圖7可知，珠江口海域潮流流速顯著大于口門(mén)外陸架區(qū)域潮流流速。在珠江口海域，M2分潮以往復(fù)流為主，潮流橢圓長(zhǎng)半軸有平行于岸界或者航道等深線的趨勢(shì)；潮流流速在航道區(qū)最大可達(dá)約60cm/s；由于西部淺灘的阻礙作用，珠江口西側(cè)海域的潮流流速小于東側(cè)海域。K1在珠江口海域的潮流流速也以往復(fù)流為主，流速最大值約為30cm/s。S2、O1潮流橢圓分布分別與M2，K1相似，但量值均小于后者?？傮w來(lái)說(shuō)，珠江口海域潮流以往復(fù)流為主，除在大濠島附近局部潮流橢圓為東北-西南方向以外，大部分海域潮流橢圓為西北-東南方向；以淇澳島、內(nèi)伶仃島和深圳灣的連線為界，潮流運(yùn)動(dòng)在北部基本上為逆時(shí)針而南部為順時(shí)針。此外，M2潮流橢圓長(zhǎng)軸大約是其他3個(gè)分潮長(zhǎng)軸的2倍多，與Mao等[3]從實(shí)測(cè)資料分析所得出的結(jié)論一致。

(紅色表示逆時(shí)針；藍(lán)色表示順時(shí)針。Red: counterclockwise； Blue: clockwise.)圖6 陸架海域4個(gè)主要分潮潮流橢圓分布Fig.6 Tidal current ellipse for four principal constituents in offshore sea

2.4 珠江口海域余流分析

歐拉余流指空間每一點(diǎn)上的凈流動(dòng)，定義為一定時(shí)段內(nèi)所有經(jīng)過(guò)該空間點(diǎn)上的質(zhì)點(diǎn)的速度矢量在該時(shí)段上的平均，它主要由非線性底摩擦效應(yīng)引起，與局部地形密切相關(guān)，一般采用潮流場(chǎng)的時(shí)間平均場(chǎng)來(lái)描述。Euler余流的計(jì)算表達(dá)式為：

其中:VE為歐拉余流;Vi為流速;N為流速個(gè)數(shù)。

拉格朗日余流一般由潮波方程中的非線性作用及海底海岸摩擦所造成的。由于其表示的是潮波的凈位移，故對(duì)物質(zhì)輸運(yùn)

至關(guān)重要。拉格朗日余流的計(jì)算表達(dá)式為：

VL=VE+VS。

本文取模型開(kāi)始積分10d后連續(xù)25h的逐時(shí)流速結(jié)果計(jì)算得到了在潮汐徑流作用下珠江口海域的歐拉余流場(chǎng)，斯托克斯漂流及拉格朗日余流場(chǎng)(見(jiàn)圖8)。

圖8中箭頭表示余流的大小和方向，背景場(chǎng)為余流的渦度場(chǎng)?？梢?jiàn)，斯托克斯漂流渦度的值比歐拉余流的小一到兩個(gè)量級(jí)，也就是說(shuō)，計(jì)算所得的拉格朗日余流的渦度大小和特征基本與歐拉余流一致。不過(guò)，由于岸界的非線性作用，斯托克斯漂流在沿岸和島嶼處的余流渦旋有所加強(qiáng)。除非特別說(shuō)明，本節(jié)對(duì)潮致余流的分析均使用歐拉余流。

由于珠江口及鄰近海域岸線和地形復(fù)雜，島嶼眾多，研究海域呈現(xiàn)出大小、強(qiáng)弱不等的多渦旋余流結(jié)構(gòu)。在伶仃洋外島嶼分布區(qū)，珠江口航道區(qū)，深圳灣內(nèi)，淇澳島及內(nèi)伶仃島周?chē)箦u附近，均存在較強(qiáng)的渦旋結(jié)構(gòu)；在大鵬灣、大亞灣和珠江口沿岸存在較弱渦旋結(jié)構(gòu)。上述渦旋結(jié)構(gòu)會(huì)影響珠江口及鄰近海域的水交換和物質(zhì)輸運(yùn)。

在潮汐和徑流的雙重驅(qū)動(dòng)下，磨刀門(mén)和珠江口內(nèi)4大口門(mén)存在較強(qiáng)的余流，內(nèi)伶仃島與深圳灣之間、大濠島與香港主島之間也是余流高值區(qū)。航道區(qū)有較強(qiáng)的余流向外海流動(dòng)，余流經(jīng)過(guò)大濠島時(shí)分為兩支，一支繼續(xù)順著航道向南流動(dòng)，另一支從大濠島與香港主島之間流向外海；西側(cè)淺灘存在較弱的余流向河口內(nèi)流動(dòng)，與前述航道區(qū)的南向余流形成了一個(gè)環(huán)流結(jié)構(gòu)。這是由于潮汐與地形的非線性相互作用，在淺灘處產(chǎn)生上溯余流所致。

余流繼續(xù)南下流入外海過(guò)程中受到科氏力和地形的共同作用，余流南下流入外海過(guò)程中轉(zhuǎn)為西向流動(dòng)，直到橫琴島以西海域；大萬(wàn)山島以西余流流速大于大萬(wàn)山島以東。

(左：歐拉余流；中：拉格朗日余流；右：斯托克斯漂流。Left: Eulerian residual current; Middle: Lagrangian residual current; Right: Stokes drift.)圖8 珠江口海域余流分布Fig.8 Residual current field in the Pearl River Estuary

2.5 珠江口海域潮流能通量分析

為了分析珠江口海域潮汐能的分布和傳播，本文通過(guò)計(jì)算一個(gè)潮周期內(nèi)的潮流能通量來(lái)分析潮流能量量值的分布以及潮流能量的傳播方向[12,16]：

U=vH,

(1)

P=ρg。

(2)

其中:P為潮流能通量;ρ為密度;g為重力加速度;U為體積輸運(yùn)矢量;v為流速;H為水深;ζ為水位;<>代表時(shí)間平均。

圖9給出了珠江口海域潮流能通量的分布，其中箭頭代表潮流能通量方向，背景色標(biāo)代表量值。由圖可知，潮流能通量由外海向珠江口內(nèi)匯聚。在珠江口東側(cè)大鵬灣西南沿岸，潮流能通量沿著岸線自東向西北傳播至珠江口大濠島以南時(shí)分為兩支，一支轉(zhuǎn)向東北側(cè)的水道，另一支繼續(xù)向西北運(yùn)動(dòng)至大濠島西側(cè)轉(zhuǎn)而北上。

在河口內(nèi)，潮流能通量主要呈北向傳播，淇澳島北上至蕉門(mén)之間有向西和西南方向的流動(dòng)，潮流能通量繞淇澳島呈逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)；在珠江口東、西航道區(qū)由于水深較深且流速較大，在該處形成了潮流能通量高值區(qū)。

圖9 珠江口海域潮流能通量水平分布Fig.9 Horizontal distribution of tidal energy flux in the Pearl River Estuary

潮流能通量的量值在沿岸淺水處較小，如大鵬灣，大亞灣，深圳灣內(nèi)，淇澳島附近，并隨著水深增大而增大。

珠江口外側(cè)陸架區(qū)，潮流能通量大體呈東南-西北向運(yùn)動(dòng)，一部分在河口附近轉(zhuǎn)為北向進(jìn)入河口，余部繼續(xù)向西北運(yùn)動(dòng)至磨刀門(mén)附近。

3 結(jié)論

本文基于無(wú)結(jié)構(gòu)網(wǎng)格海洋模式FVCOM，考慮8個(gè)主要分潮、徑流等影響，通過(guò)對(duì)珠江口及鄰近海域高精度的水動(dòng)力數(shù)值模擬，細(xì)致驗(yàn)證和分析了珠江口潮汐環(huán)流及余流的特性。主要結(jié)論如下：

(1)與5個(gè)驗(yàn)潮站的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比前4個(gè)主要分潮振幅和遲角的誤差均低于2%，較前人的模式準(zhǔn)確度有了大幅提高，說(shuō)明模型能夠較準(zhǔn)確地刻畫(huà)珠江口及鄰近海域的潮汐環(huán)流等水動(dòng)力特征。

(2)珠江口海域潮型數(shù)大致介于1.1～1.3之間，潮汐類(lèi)型為不正規(guī)半日潮。

(3)在珠江河口海域，潮波的傳播具有前進(jìn)潮波的特征。在前4個(gè)主要分潮中，M2分潮占主導(dǎo)地位，振幅最大?？傮w上，4個(gè)主要分潮向河口內(nèi)傳播時(shí)，由于河口向北逐漸變窄，潮波傳入河口能量不斷積累，使振幅逐漸變大。等振幅線偏西北-東南向，這是由于東側(cè)水深較深，是潮波傳播主要通道而西側(cè)淺灘會(huì)引起能量損耗。同時(shí)，河口區(qū)等位相線比口門(mén)外陸架海域的密集，這是因?yàn)楹涌谒钭儨\與岸界阻礙使傳播速度減慢；其分布東側(cè)稀疏西側(cè)密集，說(shuō)明東側(cè)潮波傳播較快。潮波從灣口傳播到灣頂，半日分潮歷時(shí)約2h，全日分潮歷時(shí)約1.3h。

(4)4個(gè)主要分潮在淺海陸架區(qū)以旋轉(zhuǎn)流為主，且每個(gè)分潮在不同位置都有一條界線，界線以東為順時(shí)針旋轉(zhuǎn)流，以西為逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)流。半日分潮在淺海陸架區(qū)有明顯的旋轉(zhuǎn)潮流，全日分潮在同一區(qū)域的旋轉(zhuǎn)潮流較弱。在珠江河口內(nèi)以往復(fù)流為主，潮流流速是陸架海域的1～2倍，最大可達(dá)到1m/s，受地形和徑流影響，航道區(qū)(水深最大)流速最大，西側(cè)淺灘處流速較小，潮流總體上呈東強(qiáng)西弱，并且落急流速大于漲急流速，落潮歷時(shí)長(zhǎng)于漲潮歷時(shí)。潮流橢圓傾斜的方向基本為西北-東南，潮流橢圓長(zhǎng)半軸有平行于岸界或者航道的趨勢(shì)；河口內(nèi)以淇澳島、內(nèi)伶仃島和深圳灣的連線為界，潮流運(yùn)動(dòng)基本上在北部為逆時(shí)針而在南部為順時(shí)針。M2潮流橢圓長(zhǎng)軸大約是其他3個(gè)分潮長(zhǎng)軸的2倍。

(5)由于地形和岸線的作用，在伶仃洋外島嶼分布區(qū)，珠江口航道區(qū)，深圳灣內(nèi)，淇澳島及內(nèi)伶仃島周?chē)箦u附近均存在較強(qiáng)的渦旋結(jié)構(gòu)，這些渦旋結(jié)構(gòu)會(huì)影響珠江口及鄰近海域的水交換和物質(zhì)輸運(yùn)。在河口內(nèi)，由于潮汐與地形的非線性相互作用以及徑流下泄，在航道區(qū)會(huì)有向南的流動(dòng)，而在河口西側(cè)淺灘處會(huì)有向北的流動(dòng)，形成一個(gè)環(huán)流結(jié)構(gòu)；同時(shí)在磨刀門(mén)和珠江口內(nèi)四大口門(mén)區(qū)，內(nèi)伶仃島與深圳灣之間、大濠島與香港主島之間產(chǎn)生余流高值區(qū)。余流南下進(jìn)入外海時(shí)，受科氏力作用大部分向西流動(dòng)，且大萬(wàn)山島以西流速大于大萬(wàn)山島以東。

(6)外海傳入的潮流能通量大部分自南向北在珠江口內(nèi)匯聚，未進(jìn)入河口的能通量向西和西北方向運(yùn)動(dòng)，淇澳島周?chē)绷髂芡砍誓鏁r(shí)針旋轉(zhuǎn)。由于水深較深且流速較大，在珠江河口東，西航道區(qū)形成潮流能通量高值區(qū)，量值最大可達(dá)10kW/m，在大鵬灣，大亞灣，深圳灣內(nèi)，淇澳島附近潮流能通量量值較小，在0～1kW/m之間。

致謝：本研究由“珠江口及臨近海域高精度潮汐-環(huán)流數(shù)值模擬系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)”課題和“全球大洋中尺度渦旋預(yù)報(bào)和南中國(guó)海內(nèi)孤立波預(yù)報(bào)系統(tǒng)研發(fā)”共同資助。在研究過(guò)程中，史軍強(qiáng)同學(xué)提出了有益的建議，國(guó)家超級(jí)計(jì)算濟(jì)南中心提供了千萬(wàn)億次“神威藍(lán)光”計(jì)算平臺(tái),在此一并表示感謝。

[1] 蔡樹(shù)群, 鄭舒, 韋惺. 珠江口水動(dòng)力特征與缺氧現(xiàn)象的研究進(jìn)展 [J]. 熱帶海洋學(xué)報(bào), 2013(5): 1-8.

[2] 吳俊彥, 肖京國(guó), 成俊, 等. 中國(guó)沿海潮汐類(lèi)型分布特點(diǎn) [M]. 北京: 海軍出版社， 2008： 480-484.

[3]MaoQ,ShiP,YinK,etal.TidesandtidalcurrentsinthePearlRiverEstuary[J].ContinentalShelfResearch, 2004, 24: 1797-1808.

[4] 宋曉飛, 石榮貴, 孫羚晏， 等. 珠江口磨刀門(mén)鹽水入侵的現(xiàn)狀與成因分析 [J]. 海洋通報(bào), 2014(1): 7-15.

[5] 韓保新, 郭振仁, 冼開(kāi)康， 等. 珠江河口海區(qū)潮流的數(shù)值模擬 [J]. 海洋與湖沼, 1992(5): 475-484.

[6] 包蕓, 任杰. 珠江河口西南風(fēng)強(qiáng)迫下潮流場(chǎng)的數(shù)值模擬 [J]. 海洋通報(bào), 2003(4): 8-14.

[7] 王彪, 朱建榮. 基于FVCOM模型的珠江河口及其鄰近海域的潮汐模擬 [J]. 熱帶海洋學(xué)報(bào), 2012(4): 17-27.

[8]ChenChangsheng,RobertCBeardsley.AnUnstructuredGrid,Finite-VolumeCoastalOceanModelFVCOMUserManual[R].SecondEdition.Bedeford：SchoolforMarineScienceandTechnology,UniversityofMassachusettsDartmouth,NewTechnicalReportSMAST/UMASSD-06-0602, 2006.

[9]FangG,KwokY,YuK,etal.NumericalsimulationofprincipaltidalconstituentsintheSouthChinaSea,GulfofTonkinandGulfofThailand[J].ContinentalShelfResearch, 1999, 19(7): 845-869.

[10] 丁文蘭. 南海潮汐和潮流的分布特征 [J]. 海洋與湖沼, 1986(6): 468-480.

[11] 楊萬(wàn)康. 南海北部潮汐潮流的數(shù)值模擬與研究 [D]. 青島： 中國(guó)科學(xué)院海洋研究所, 2012.

[12]ZuT,GanJ,ErofeevaSY.NumericalstudyofthetideandtidaldynamicsintheSouthChinaSea[J].DeepSeaResearchPartI:OceanographicResearchPapers, 2008, 55: 137-154.

[13] 王彪. 珠江河口鹽水入侵 [D]. 上海： 華東師范大學(xué), 2011.

[14] 水利部. 中國(guó)河流泥沙公報(bào)(2008) [R]. 北京: 中國(guó)水利水電出版社, 2009.

[15] 林祖亨, 梁舜華. 珠江口水域的潮流分析 [J]. 海洋通報(bào), 1996(2): 11-12.

[16] 陳金瑞, 陳學(xué)恩, 于華明， 等. 膠州灣潮汐潮流高分辨率數(shù)值模擬研究 [J]. 中國(guó)海洋大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2011， 41(7): 29-35.

責(zé)任編輯 龐 旻

Three-Dimensional High-Resolution Numerical Study of the Tide and Circulation in the Pearl River Estuary and Its Adjacent Waters Part I: Model Building and Analysis

DING Rui1, CHEN Xue-En1, QU Nian-Dong2

(1.College of Physical and Environmental Oceanography, Ocean University of China, Qingdao 266100， China; 2.South China Sea Environmental Monitoring Center, SOA, Guangzhou 510300， China)

Based on an unstructured grid and finite-volume coastal ocean model (FVCOM), including highly accurate coastline and bathymetry data, a three-dimension model with high resolution is constructed in the Pearl River Estuary and its adjacent sea area to reproduce tides, tidal currents and residual currents. The comparison between observations and numerical modeling indicates that the computing results fit the measured values well. More elaborate co-tidal charts and pictures of tidal current ellipse of the four principal tide constituents as well as figures of tides, tidal currents and residual currents illustrate characteristics of tides and circulation in the research areas. The results show that there is mixed semidiurnal tide existing in the Pearl River, and the tide-type factor ranges from 1. 1 to 1. 3. In the estuary, the tidal amplitude in the east side is higher than that in the west side, and the tide in the east propagates more quickly than that in the west; the tidal currents is mainly northwestern and southeastern with a rectilinear-current motion, and the maximum current velocity appears in the channel; the residual current in the channel flows towards the south, influenced by drainage of the runoff, while in the western shoal of the estuary, it flows towards the north, where a structure of circulation emerges. The tidal energy flux propagating from open sea, the maximum of which appears in the west and east channel of the estuary, mostly converges in the Pearl River Estuary, and circles counterclockwise around Qi’ao Island.

Pearl River Estuary; tide; tidal current; numerical simulation; FVCOM

海洋公益性行業(yè)科研專(zhuān)項(xiàng)“小型陣變頻高頻地波雷達(dá)數(shù)據(jù)的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用”(201205032-2)；“海底管道探測(cè)技術(shù)集成及風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估技術(shù)研究與示范應(yīng)用”(201305026-3)；“海洋站生態(tài)環(huán)境長(zhǎng)期綜合觀測(cè)系統(tǒng)集成技術(shù)研究與示范”(201505007)資助

2015-03-08；

2015-04-20

丁 芮(1990-)，女，博士生。E-mail：aadingrui@126.com

??通訊作者： E-mail：xchen@ouc.edu.cn

P731.24

A

1672-5174(2015)11-001-09

10.16441/j.cnki.hdxb.20150064