東中國海潮流結(jié)構(gòu)數(shù)值模擬與分析

褚芹芹，張鑫，孫佳

（1.國家海洋局秦皇島海洋環(huán)境監(jiān)測中心站，河北秦皇島 066002；2.河海大學(xué)港口海岸與近海工程學(xué)院，江蘇南京 210098）

1 引言

近些年來，關(guān)于東中國海潮流的數(shù)值研究工作頗為普遍。Guo等[1]通過三維海流數(shù)值模式的模擬結(jié)果分析了垂向湍粘性系數(shù)和底摩擦系數(shù)的變化對東中國海潮流垂向分布的影響；王凱等[2]利用了球面坐標系下的半隱半顯三維數(shù)值模式，詳細的分析了東中國海的潮流垂向結(jié)構(gòu)并首次提出了圓流點的水平位置不隨深度變化的特征；Jong Chan Lee等[3]認為如果底摩擦系數(shù)取值接近于近底層的渦動粘性系數(shù)，潮流的模擬結(jié)果會更加準確；Bao等[4]使用了三維湍封閉的模式對東中國海的M2、S2、K1和O1四個主要分潮流的特征進行了分析和討論。

關(guān)于潮流的垂向結(jié)構(gòu)及其分布特征，方國洪[5]做了詳細的研究，認為在深度接近海底時，潮流流速的最大值會逐漸減小，但潮流橢圓率反而隨著接近海底逐步增加。葉安樂[6]的研究結(jié)果反映了潮波角頻率σ和科氏參量f兩個參數(shù)的取值決定了潮流最大流速的流向變化和潮流最大流速發(fā)生時間的變化。

2 模型與數(shù)據(jù)介紹

2.1 模型設(shè)置

本文采用FVCOM（Finite Volume Coast and Ocean Model）海洋數(shù)值模式[7]，計算區(qū)域為 17°—42°N，116°—136.5°E，包括了渤海、黃海、東海、日本海和南海的部分海域。在水平方向上采用了可變分辨率的三角形網(wǎng)格（見圖1），近岸的最小網(wǎng)格步長為1 km，在外?？拷_邊界處的最大網(wǎng)格步長為50 km，垂向平均分為10個σ層，可以對近海海域復(fù)雜多變的海底地形進行較好的擬合。模型水深值采用分辨率為1′×1′的ETOPO1的地形數(shù)據(jù)內(nèi)插到計算海域的網(wǎng)格節(jié)點上，并利用中國航海保證部編制的海圖資料對近岸水深進行補充和訂正（見圖2）。

圖1 計算區(qū)域的網(wǎng)格分布圖

圖2 計算區(qū)域的地形和水深分布圖（單位：m）

圖3 東中國海沿岸驗潮站和測流點分布圖

岸邊界取法向流速為零；在開邊界處采用分辨率為 2′×2′的 YS 模型和 OHS 模型（Tidel Model Driver）提供的 M2、S2、N2、K2、K1、O1、P1、Q1八個分潮預(yù)報的水位作為開邊界的強迫條件。另外，本文參考了前人的工作經(jīng)驗結(jié)果[8-11]，并通過多次數(shù)值試驗，得到適合本模型的底摩擦系數(shù)，取值為0.0025。初始條件采用零初始條件（水位值和流速值都為零），在正壓模型的計算過程中，不考慮溫度、鹽度隨時間和空間的變化，取溫度為18°，鹽度為35。

2.2 潮流模擬結(jié)果與實測數(shù)據(jù)對比

通過與沿岸23個驗潮站（見圖3）的實測資料對比，M2、S2、K1、O1四個主要分潮振幅的絕對平均誤差為3.69 cm、2.67 cm、1.84 cm和1.50 cm，遲角的絕對平均誤差為6.11°、6.46°、7.44°和5.35°，振幅的相關(guān)系數(shù)為0.9951、0.9755、0.9142、0.9191，遲角的相關(guān)系數(shù)為0.9355、0.9956、0.9895、0.9937，表明模擬結(jié)果與驗潮站實測值符合較好，基本上正確的反映了計算海域的潮汐特征。圖4為23個測流點表中底層M2和K1分潮流緯向分量（U分量）和經(jīng)向分量（V分量）的振幅與遲角相關(guān)系數(shù)分布圖，也可以看出模擬值與實測值符合較好。

3 潮流垂向結(jié)構(gòu)分析

3.1 數(shù)值模擬結(jié)果分析

本文利用的海流資料觀測點（122°35.998′E，26°30.052′N）位于東海東南部大陸架邊緣海區(qū)，根據(jù)實測資料的位置在其附近海域選取了122.6oE的經(jīng)向斷面和26.5°N的緯向斷面，對兩個斷面上的潮流垂向結(jié)構(gòu)進行分析和討論，其中，前者緯度范圍為26°—27°N，后者經(jīng)度范圍為122°—123°E，間隔為0.05°。

3.1.1 經(jīng)向斷面潮流特征分析

圖4 M2、K1分潮流緯向分量、經(jīng)向分量振幅（單位:cm/s）與遲角（單位：°）的相關(guān)性（紅線表示相關(guān)系數(shù)；*表示表中底層測流點）

對潮流的模擬結(jié)果進行調(diào)和分析，得到了M2、K1分潮流的潮流橢圓要素（橢圓的長軸，短軸、傾角和格林威治位相）。圖5和圖6兩個分潮流經(jīng)向斷面的潮流橢圓分布圖?？梢钥闯?，M2分潮流的流速最大值達到了50 cm/s，遠大于K1分潮流的流速，全日分潮流最大流速之和與半日分潮流最大流速的比值小于0.5，表明該海區(qū)為正規(guī)半日潮流區(qū)；在經(jīng)向斷面上，各分潮的潮流橢圓從表層到底層都為順時針方向旋轉(zhuǎn)（紅色橢圓代表順時針方向旋轉(zhuǎn)，藍色橢圓代表逆時針方向旋轉(zhuǎn)，下同）；表層的流速大于底層的流速，趨向海底時潮流的最大流速逐漸減??；隨著深度的增加，潮流的橢圓率逐漸增大，低緯度的橢圓率小于高緯度。

在經(jīng)向斷面上每0.5°選取一個流速值繪制了M2和K1分潮流最大流速和最大流速流向的垂向分布（見圖7）。從圖中可看出，在經(jīng)向斷面上，隨著深度的增加，M2分潮流各層的最大流速值為先增大后減小的趨勢，且隨著緯度的增大，最大流速值逐漸減??；從表層至底層，最大流速的極值點基本上出現(xiàn)在40—50 m水深處，如緯度增大，極值點出現(xiàn)的深度會逐步增加。M2分潮流最大流速的流向在垂向上為先右旋后左旋的趨勢，該流向從低緯度至高緯度呈右旋趨勢；流向的極值點分布在10—40 m水深區(qū)間，極值點出現(xiàn)的深度隨緯度增大會逐步減小。K1分潮流最大流速值在斷面的垂向分布是逐漸遞減的，低緯度海區(qū)的最大流速值高于高緯度海區(qū)。隨著深度的增加，K1分潮流最大流速的流向則是先右旋后左旋，流向隨緯度的增大發(fā)生右旋，其極值點基本都出現(xiàn)在40 m左右水深處。

3.1.2 緯向斷面潮流特征分析

圖8和圖9分別為M2和K1分潮流緯向斷面的潮流橢圓分布圖。從圖中可以看出，在緯向斷面上K1分潮流的潮流橢圓從都為順時針方向旋轉(zhuǎn)，M2分潮流大部分為順時針方向旋轉(zhuǎn)，但潮流橢圓從122.0°—122.30°E都出現(xiàn)了逆時針旋轉(zhuǎn)的情況，即靠近岸邊一側(cè)半日分潮為逆時針旋轉(zhuǎn)，隨著經(jīng)度的增加逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)轫槙r針旋轉(zhuǎn)；表層的流速大于底層的流速，趨向海底時潮流的最大流速逐漸減??；從底層至表層，橢圓率逐漸減小，但經(jīng)度增大橢圓率反而減小。

圖5 M2分潮流經(jīng)向斷面潮流橢圓分布圖

圖6 K1分潮流經(jīng)向斷面潮流橢圓分布圖

圖8 M2分潮流緯向斷面潮流橢圓分布圖

圖10為緯向斷面M2和K1分潮流最大流速和最大流速流向的垂向分布圖。隨著深度的增加，M2分潮流各層的最大流速值為先增大后減小的趨勢，且隨著經(jīng)度的增大，最大流速值逐漸減??；從表層至底層，最大流速的極值點基本上出現(xiàn)在50—75 m水深處，如經(jīng)度增大，極值點出現(xiàn)的深度會逐步增加。M2分潮流最大流速的流向在垂向上是先右旋后左旋的趨勢，該流向從低經(jīng)度至高經(jīng)度呈左旋趨勢；流向的極值點基本都出現(xiàn)在27 m左右水深處。K1分潮流最大流速值在斷面的垂向分布是逐漸遞減的，但隨著經(jīng)度的增大各層最大流速的變化很小，基本在3—5 cm/s之間。隨著深度的增加，K1分潮流最大流速的流向則是先右旋后左旋，流向隨經(jīng)度的增加發(fā)生左旋，極值點分布在30—75 m水深區(qū)間，極值點出現(xiàn)的深度隨經(jīng)度增大會逐步增加。

圖9 K1分潮流緯向斷面潮流橢圓

圖10 緯向斷面M2和K1分潮流最大流速及流向垂向分布

3.2 實測海流資料分析

海流資料觀測點處水深約為113 m，垂向空間分辨率為8 m，共取13層，但實際連續(xù)并可供分析的資料只有11層，測量水深的范圍為24—104 m。有效觀測時間是從2008年9月20日6時—2009年4月6日7時，數(shù)據(jù)采樣時間間隔為10 min。

對實測海流數(shù)據(jù)進行調(diào)和分析，得到了每個觀測層的M2和K1分潮流橢圓要素。根據(jù)各觀測層的潮流橢圓要素的分布繪制出了分潮的潮流橢圓的垂向分布圖（見圖11），其中紅色橢圓代表順時針方向旋轉(zhuǎn)，藍色橢圓代表逆時針方向旋轉(zhuǎn)?？梢钥闯雒恳粚映绷鞯淖畲罅魉俣际荕2分潮流遠遠大于K1分潮流。各觀測層上全日分潮流最大流速之和與半日分潮流最大流速的比值都小于0.5，即每一層都是半日分潮占優(yōu)，潮流為正規(guī)半日潮流，與前面分析的結(jié)果保持了一致。M2分潮流各觀測層短軸皆為負值，表明該觀測點半日分潮流主要呈順時針方向旋轉(zhuǎn)。K1分潮流在80 m層以上是順時針方向旋轉(zhuǎn)，80 m層以下是逆時針方向旋轉(zhuǎn)。

圖11 M2和K1分潮潮流橢圓垂向分布

圖12給出了M2和K1分潮流最大流速隨深度的變化情況，可以看出在垂向上M2分潮流的最大流速總的變化趨勢都是隨著深度的增加先增大后減小，但在變化的過程中會發(fā)生小幅度的震蕩。M2分潮流在各個觀測層內(nèi)都比較顯著，最大流速變化比較小，從上層至下層都在40 cm/s左右變動，最大值出現(xiàn)在88 m層為41.09 cm/s，然后逐漸減小至104 m層最小值33.85 cm/s。K1分潮流垂向分布趨勢為逐漸減小，最大流速在32 m層達到最大值6.05 cm/s，之后隨著深度逐漸遞減，至104 m處減小為2.37 cm/s。

M2和K1分潮最大流速流向的垂向分布如圖13所示，M2分潮流的最大流速方向在24 m層至32 m層先小量的右旋，達到最大值140.20°，然后在140°附近發(fā)生小幅度的震蕩（32 m層至64 m層），最后逐漸左旋至104 m層的135.20°，即該分潮流的最大流速流向隨著深度的增加先右旋（順時針），經(jīng)過微小震蕩后在64 m層以下改為左旋（逆時針）。K1分潮的最大流速流向先左旋，從32 m層至56 m層右旋至最大的140.25°，之后隨深度的增加大幅度左旋至104 m層的91.82°。

3.3 潮流垂向結(jié)構(gòu)實測值與模擬值對比分析

圖12 M2和K1分潮流最大流速垂向分布

圖13 M2和K1分潮流最大流速的流向垂向分布

圖14 M2分潮流最大流速及其流向垂向分布對比

圖15 K1分潮流最大流速及其流向垂向分布對比

在斷面上選取122.6°E，26.5°N處的M2和K1分潮流的垂向結(jié)構(gòu)與實測點進行對比分析，圖14和圖15分別為M2和K1分潮流最大流速及最大流速流向的垂向分布。從圖中可知，隨著深度的增加，M2分潮流最大流速的模擬結(jié)果和實測結(jié)果的垂向變化趨勢比較相似，同為先增大后減小，前者的流速值要稍小于后者，模擬結(jié)果最大流速的極值點大約在水深55 m左右，而實測結(jié)果出現(xiàn)在88 m處。M2分潮流最大流速的流向在垂向上都為先右旋后左旋的趨勢，各層的流向差別不大，模擬的極值點大約在15 m左右，深度15 m以下流向保持了左旋的趨勢，而實測資料的流向在56 m層以上右旋，以下左旋。

模擬和實測的K1分潮流最大流速的變化趨勢都為隨深度的增加遞減，兩者的流速值比較接近。該分潮流最大流速的流向從表層至底層基本上都是先右旋后左旋，極值點比較接近分別出現(xiàn)在40 m和56 m，但實測結(jié)果在56 m層以下最大流速方向變化劇烈，從140°快速左旋至90°左右，與模擬結(jié)果的差別較大。

通過潮流的模擬結(jié)果與實測結(jié)果的對比分析，該海域半日分潮流最大流速隨深度的增加先增大后減小，最大流速流向在極值點的上層右旋，在下層左旋；全日分潮流的最大流速在垂向上呈遞減趨勢，其流向同樣是在上層右旋，在下層左旋。表明了模擬結(jié)果與實測結(jié)果關(guān)于潮流垂向結(jié)構(gòu)的總體趨勢是比較一致的，但最大流速及其流向的大小略有不同，且極值點出現(xiàn)的深度也有差別，主要原因可能是該海區(qū)處于黑潮流經(jīng)海域附近，實測資料受到黑潮的影響比較大，導(dǎo)致模擬結(jié)果與實測結(jié)果存在一定的差異。另外，該海域水深較淺，多變的海底地形也應(yīng)該是兩個結(jié)果存在差異的影響因素。

4 結(jié)論

通過潮流的模擬結(jié)果與實測結(jié)果的對比分析，研究了海流觀測點附近海域的潮流垂向結(jié)構(gòu)，可以得出以下結(jié)論：

（1）潮流橢圓基本上為順時針方向旋轉(zhuǎn)，但靠近岸線處的半日潮流橢圓為逆時針方向旋轉(zhuǎn)；橢圓率隨深度的增加逐漸增大，低緯度的橢圓率小于高緯度，但經(jīng)度增大橢圓率會減?。?/p>

（2）半日分潮流的最大流速值隨緯度的增加逐漸減小，且極值點出現(xiàn)的深度值增大；最大流速的流向從低緯度至高緯度呈右旋趨勢，極值點出現(xiàn)的深度隨緯度增大會逐步減小。低緯度海區(qū)的全日分潮流最大流速值高于高緯度海區(qū)；最大流速的流向隨緯度的增大發(fā)生右旋，極值點的深度變化不大；

（3）半日分潮流各層的最大流速值隨著經(jīng)度的增大逐漸減小，且極值點出現(xiàn)的深度隨經(jīng)度增大會逐步增加；最大流速的流向隨經(jīng)度增加呈左旋趨勢，極值點的深度基本相同。全日分潮流隨著經(jīng)度的增大各層最大流速的變化很?。蛔畲罅魉俚牧飨螂S經(jīng)度的增加發(fā)生左旋，極值點出現(xiàn)的深度隨經(jīng)度增大會逐步增加；

（4）該海域半日分潮流最大流速隨深度的增加先增大后減小，最大流速流向在極值點深度的上層右旋，在下層左旋；全日分潮流的最大流速在垂向上呈遞減趨勢，其流向同樣是在極值點深度的上層右旋，在下層左旋。

[1]Guo X Y,Yanagi T.Three-dimensional structure of Tidal current in the East China Sea and the Yellow Sea[J].Journal of Oceanography,1998,54(6):651-668.

[2]王凱,方國洪,馮士笮.渤海、黃海、東海M2潮汐潮流的三維數(shù)值模擬[J].海洋學(xué)報,1999,21(4):1-13.

[3]Lee J C,Jung K T.Application of eddy viscosity closure models for the M2tide and tidal currents in the Yellow Sea and the East China Sea[J].Continental Shelf Research,1999,19(4):445-475.

[4]Bao X W,Gao G P,Yan J.Three dimensional simulation of tide and tidal current characteristics in the East China Sea[J].Oceanologica Acta,2001,24(2):135-149.

[5]方國洪.潮流垂直結(jié)構(gòu)的基本特征— —理論和觀測的比較[J].海洋科學(xué),1984,(3):1-11.

[6]葉安樂.分潮流最大流速發(fā)生時刻隨深度變化的特征[J].海洋通報,1984,3(2):1-8.

[7]Chen C S,Liu H D,Beardsley R C.An unstructured grid,finite-volume,three-dimensional,primitive equations ocean model:Application to coastalocean and estuaries[J].Journal of Atmospheric and Oceanic Technology,2003,20(1):159-186.

[8]李培良.渤黃東海潮波同化數(shù)值模擬和潮能耗散的研究[D].青島:中國海洋大學(xué),2002.

[9]李磊.渤黃東海潮波系統(tǒng)的有限元模擬[D].青島:中國海洋大學(xué),2003.

[10]林俊.風(fēng)暴作用下的近岸懸浮泥沙數(shù)值模擬[D].青島:中國海洋大學(xué),2007.

[11]朱學(xué)明.中國近海潮汐潮流的數(shù)值模擬與研究[D].青島:中國海洋大學(xué),2009.