欽州灣水交換能力數(shù)值模擬研究

陳振華，夏長(zhǎng)水，喬方利*

(1.中國(guó)海洋大學(xué) 海洋與大氣學(xué)院，山東 青島 266100；2.國(guó)家海洋局第一海洋研究所，山東 青島 266061；3.國(guó)家海洋局 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；4.青島海洋科學(xué)與技術(shù)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室 區(qū)域海洋動(dòng)力學(xué)與數(shù)值模擬功能實(shí)驗(yàn)室，山東 青島 266071)

欽州灣水交換能力數(shù)值模擬研究

陳振華1，2，3，4，夏長(zhǎng)水2，3，4，喬方利2，3，4*

(1.中國(guó)海洋大學(xué) 海洋與大氣學(xué)院，山東 青島 266100；2.國(guó)家海洋局第一海洋研究所，山東 青島 266061；3.國(guó)家海洋局 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；4.青島海洋科學(xué)與技術(shù)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室 區(qū)域海洋動(dòng)力學(xué)與數(shù)值模擬功能實(shí)驗(yàn)室，山東 青島 266071)

基于普林斯頓海洋模式(Princeton Ocean Model，POM)，以M2、S2、K1、O1、M4和MS46個(gè)分潮為驅(qū)動(dòng)，建立了包含漫灘處理的高分辨率欽州灣水動(dòng)力模式。與現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)的數(shù)據(jù)對(duì)比表明，該模式能較好地刻畫欽州灣的水動(dòng)力特征。在此基礎(chǔ)上建立了水質(zhì)模型，模擬欽州灣的水交換過(guò)程。模擬結(jié)果表明：欽州灣水交換能力整體上較強(qiáng)，整個(gè)灣平均的水體半交換時(shí)間約為18 d，水體平均存留時(shí)間為45 d。空間分布上，欽州保稅港區(qū)以南海域水交換能力最強(qiáng)，半交換時(shí)間小于1 d；沿著水道向北，水交換能力逐漸減弱；茅尾海中部半交換時(shí)間為26～28 d；茅尾海的東、西、北3個(gè)部分存在水交換滯緩區(qū)，半交換時(shí)間超過(guò)50 d。數(shù)值實(shí)驗(yàn)表明，采用漫灘技術(shù)對(duì)準(zhǔn)確模擬欽州灣潮流速度和水交換能力非常重要，不考慮漫灘過(guò)程會(huì)低估欽州灣的潮流速度和水體交換能力。水平擴(kuò)散系數(shù)對(duì)流速及交換時(shí)間都有影響，但影響有限。

欽州灣；數(shù)值模擬；水質(zhì)模型；水交換能力；半交換時(shí)間；平均存留時(shí)間

1 引言

欽州灣位于北部灣頂部、廣西沿岸中段，海域覆蓋(21°33′20″～21°54′30″N，108°28′20″～108o45′30″E)。該灣由內(nèi)灣(茅尾海)和外灣(欽州灣)所構(gòu)成，中間狹窄，兩端寬闊，東、西、北3個(gè)方向被陸地所環(huán)繞，南面與北部灣相通，是一個(gè)半封閉型天然海灣[1]。內(nèi)灣大面積養(yǎng)殖大蠔、青蟹、對(duì)蝦等當(dāng)?shù)靥厣．a(chǎn)品，也是茅嶺江和欽州江的入?？?。隨著欽州市經(jīng)濟(jì)建設(shè)和養(yǎng)殖業(yè)迅速發(fā)展，欽州灣水體富營(yíng)養(yǎng)化呈明顯上升趨勢(shì)[2]。水交換能力是評(píng)價(jià)海灣環(huán)境容量和環(huán)境質(zhì)量的重要指標(biāo)，交換能力的強(qiáng)弱直接關(guān)系到海灣的水質(zhì)狀況。對(duì)欽州灣海域的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)、水交換能力的科學(xué)認(rèn)識(shí)是對(duì)其科學(xué)合理開(kāi)發(fā)的重要基礎(chǔ)，開(kāi)展海域污染物輸運(yùn)及水交換能力研究具有重要的科學(xué)意義。

對(duì)水交換的研究目前還沒(méi)有完全確定、成熟的研究方法[3]。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外對(duì)海灣水交換能力的研究主要有箱式模型、拉格朗日(Lagrange)質(zhì)點(diǎn)追蹤法和物質(zhì)輸運(yùn)擴(kuò)散法等。箱式模型假定純凈海水進(jìn)入箱內(nèi)立即與受污染海水充分混合和稀釋，這容易高估海灣的水交換能力；而拉格朗日質(zhì)點(diǎn)追蹤法雖然考慮流場(chǎng)非均勻性和遷移與輸運(yùn)作用，但卻無(wú)法反映真實(shí)的物質(zhì)擴(kuò)散過(guò)程。采用三維對(duì)流-擴(kuò)散模式來(lái)研究物質(zhì)輸運(yùn)擴(kuò)散，進(jìn)而定量化分析海洋水交換能力是目前廣為接受和采用的方法。

對(duì)中國(guó)近海港灣的水體交換能力研究已有了不少成果。趙亮等[4]采用質(zhì)點(diǎn)追蹤方法對(duì)膠州灣的水交換能力做了數(shù)值研究。孫英蘭和張?jiān)矫繹5]基于三維物質(zhì)輸運(yùn)方程，分析了丁字灣的水交換能力，并給出了丁字灣內(nèi)水交換率和水交換半更換期的空間分布。呂新剛等[6]基于高分辨率POM模式分別采用兩種方法對(duì)膠州灣的水交換能力做了研究。

目前對(duì)欽州灣水交換能力的研究相對(duì)較少。夏華永等[7]于1996年基于箱式模型對(duì)欽州灣污染物擴(kuò)散、海水交換率等了初步探討，得出欽州灣在大潮時(shí)水半更換時(shí)間是7.2個(gè)潮周期的結(jié)論。其后，蔣磊明等[8]利用2006-2008年間對(duì)欽州灣海流的觀測(cè)資料，基于三維潮流模擬，計(jì)算了該灣的納潮量和大、小潮的水交換半更換周期，結(jié)果表明該灣在大、小潮水交換的半更換周期分別為1.70個(gè)周期和4.53個(gè)周期。以上研究只是研究了欽州灣的平均水交換能力，并且結(jié)論定量差別較大。欽州灣內(nèi)地形復(fù)雜，流場(chǎng)分布很不均勻，灣內(nèi)不同區(qū)域的水交換能力差別很大。同時(shí)，欽州灣開(kāi)發(fā)以來(lái)，由于圍填等原因，岸線、地形發(fā)生了較大變化，所以有必要采用高分辨率數(shù)值模式，重新定量評(píng)估該灣的水交換能力。本文采用最新的地形數(shù)據(jù)，構(gòu)建了一個(gè)高分辨率的三維數(shù)值模型，并采用了漫灘處理技術(shù)，力求能較真實(shí)地反映欽州灣的水動(dòng)力過(guò)程及水體交換能力。

2 數(shù)值模型

欽州灣是強(qiáng)潮區(qū)，潮汐潮流在欽州灣水動(dòng)力中占主導(dǎo)地位。本文以潮為驅(qū)動(dòng)力，構(gòu)建三維水動(dòng)力模型，并在此基礎(chǔ)上構(gòu)建水質(zhì)模型來(lái)研究欽州灣的水交換能力。

2.1 水動(dòng)力數(shù)值模型

水動(dòng)力模型基于最新版普林斯頓海洋模式(Princeton Ocean Model，POM)建立。POM是20世紀(jì)70年代發(fā)展起來(lái)的一個(gè)基于原始方程的三維海洋模式[9]，它包含了海洋運(yùn)動(dòng)的主要物理過(guò)程。經(jīng)過(guò)幾十年的應(yīng)用和發(fā)展，該模式已被廣泛應(yīng)用于世界各海區(qū)，并被很多的實(shí)測(cè)資料所驗(yàn)證。此模式也在我國(guó)近海多個(gè)海區(qū)廣泛使用，均取得良好模擬效果[6，10—11]。

模式計(jì)算范圍設(shè)置為(21.56°～21.933°N， 108.445°～108.745°E)，包括了茅尾海、龍門、三墩等。水深主要取自國(guó)家海洋局第一海洋研究所2009年實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，同時(shí)利用海圖資料加以補(bǔ)充。數(shù)值模式的水平分辨率為100 m×100 m，垂向采用σ坐標(biāo)，均勻分為6層。垂直混合系數(shù)由Mellor-Yamada 2.5階湍閉合模型[12]計(jì)算，水平黏性系數(shù)和擴(kuò)散系數(shù)通過(guò)Smagorinsky公式[13]獲得：

(1)

式中，u、v分別為速度在x和y方向上的分量；Δx和Δy是網(wǎng)格水平間隔；本文中系數(shù)Cvis,Cdif分別取0.2和0.01。

模式考慮了4個(gè)主要分潮M2、S2、K1、O1和2個(gè)淺水分潮M4和MS4。根據(jù)方國(guó)洪等[14]提出的準(zhǔn)調(diào)和分析方法，側(cè)開(kāi)邊界條件由水位強(qiáng)迫：

(2)

式中，A表示潮位；i=1～6代表某分潮；ω′為經(jīng)過(guò)訂正的潮汐角頻率；D和d分別為振幅和遲角訂正；H和g分別為振幅和遲角，由北部灣潮汐潮流模式結(jié)果[15]插值得出。閉邊界采用固壁邊界條件。

茅尾海和欽州灣有非常廣闊的灘涂區(qū)域，特別在茅尾海內(nèi)，相當(dāng)一部分海域水深小于2 m，而該海域的潮振幅較大，低潮時(shí)淺水區(qū)域會(huì)干出。為了準(zhǔn)確刻畫研究海域的潮汐和潮流動(dòng)力過(guò)程，本文采取了漫灘處理技術(shù)[16—18]。模式時(shí)間步長(zhǎng)為0.6 s，從靜止啟動(dòng)，積分1 d后模式穩(wěn)定，取3 d后的結(jié)果用于驗(yàn)證和分析。

2.2 水質(zhì)模型

以被動(dòng)溶解態(tài)保守物質(zhì)作為灣內(nèi)水體交換示蹤物，水質(zhì)模型控制方程為：

(3)

其中，

(4)

式中，C為示蹤物濃度；U和V代表流速東向分量和北向分量；ω為σ坐標(biāo)系下的垂直速度；KH和AH分別是示蹤物的垂直和水平湍流擴(kuò)散系數(shù)；D為瞬時(shí)水深。

水質(zhì)模型同樣采用漫灘處理，由水動(dòng)力模型確定干濕點(diǎn)，參照文獻(xiàn)[5]處理。水質(zhì)模型在使用前進(jìn)行了示蹤物濃度守恒性檢驗(yàn)。初始場(chǎng)濃度和水流邊界的濃度均設(shè)定為1單位，在計(jì)算海域無(wú)示蹤物源、匯條件下，積分50 d后，絕大部分海域的濃度場(chǎng)仍保持在1單位，只有個(gè)別點(diǎn)濃度值低于0.98單位。這表明了模式具有良好的質(zhì)量守恒性。

欽州灣是一個(gè)南北窄長(zhǎng)的海灣，南面通過(guò)一個(gè)喇叭口與外海相連?；谕夂：Ｋ葹硟?nèi)海水干凈的觀測(cè)事實(shí)，以計(jì)算區(qū)域水體的初始濃度設(shè)置為1個(gè)單位，從南開(kāi)邊界進(jìn)入計(jì)算區(qū)域的水體濃度設(shè)置為0。水質(zhì)模型在水動(dòng)力模型運(yùn)行5 d后的最高潮位時(shí)啟動(dòng)，研究經(jīng)過(guò)一定時(shí)間后水體中示蹤物濃度的變化。

2.3 水交換算法

目前，描述水交換能力還沒(méi)有完全統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，不同的研究往往采用不同的定義。本文采用應(yīng)用較多的兩個(gè)指標(biāo)來(lái)評(píng)價(jià)欽州灣的水交換能力：一是Luff和Pohlmann[19]引入的半交換時(shí)間，即保守物質(zhì)濃度降為初始濃度一半所需的時(shí)間，二是Takeoka[20]提出的“平均存留時(shí)間”(mean residence time)：

(5)

式中，t0和t分別表示初始時(shí)刻和某一指定時(shí)間。

3 模擬結(jié)果驗(yàn)證與分析

3.1 模擬結(jié)果驗(yàn)證

為了檢驗(yàn)數(shù)值模式的模擬效果，使用了不同時(shí)間段的潮位和潮流觀測(cè)資料。4個(gè)潮位觀測(cè)點(diǎn)分別位于T1(21°45′N，108°33′E)、T2(21°43.9′23″N，108°34.7′55″E)、T3(21°44.1′20″N，108°34.6′47″E)和T4(21°51′N，108°35′27″E)。其中T1和T2的觀測(cè)時(shí)間為2010年1月15日至2月14日，共30 d。T3觀測(cè)時(shí)間為2010年11月22日至12月25日，T4觀測(cè)時(shí)間為2010年1月29日至2月3日。觀測(cè)采用的儀器為潮位儀RBR XR-420-TG，數(shù)據(jù)采樣間隔為10 min。4個(gè)潮流觀測(cè)點(diǎn)，分別位于U1(21°43.457′N，108°34.012′E)，U2(21°46.381′N，108°33.016′E)，U3(21°50.058′N，108°29.291′E)，U4(21°50.006′N，108°32.377′E)。觀測(cè)時(shí)間均為2010年1月30日12時(shí)至1月31日14時(shí)。觀測(cè)儀器為ADCP，TRDI Sentinel 600 kHz。站位分布見(jiàn)圖1。

圖1 欽州灣水深及潮位、潮流觀測(cè)站位分布Fig.1 Water depth and location of tide and tidal current observation in the Qinzhou Bay圓點(diǎn)表示潮流觀測(cè)站位置，三角形表示潮位觀測(cè)站位置Black dot for tidal current observation， and black triangle for tidel elevation observation

將模擬的T1(龍門港)和T2(欽州港)O1、K1、M2、S2等4個(gè)主要分潮的調(diào)和常數(shù)與觀測(cè)得到調(diào)和常數(shù)進(jìn)行了對(duì)比(表1)，振幅的誤差在2 cm以內(nèi)，遲角的最大誤差小于4.5°，表明模式潮位計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確。

表1 潮位站主要分潮調(diào)和常數(shù)觀測(cè)與模擬的對(duì)比

圖2 4個(gè)水位觀測(cè)站的模擬與觀測(cè)水位對(duì)比Fig.2 Comparison of the simulated and observed tidal elevation at observation stations黑線表示模擬值，紅點(diǎn)表示觀測(cè)值Black line for simulation and red rhombus for the observed

圖3 4個(gè)潮流觀測(cè)點(diǎn)的模擬與觀測(cè)流速矢量比較Fig.3 Comparison of the simulated and observed velocity vectors at observation stations 黑色和紅色箭頭分別表示模擬和觀測(cè)流速矢量Black and red arrows indicate the simulated and observed vectors， respectively

圖2是4個(gè)潮位觀測(cè)站的水位觀測(cè)時(shí)間序列與模擬結(jié)果比較?？傮w上看，模擬的潮位序列與觀測(cè)資料吻合較好。2010年1月23日左右的低潮期間，T1和T2的實(shí)測(cè)水位比模擬水位偏低；2010年12月16日左右的小潮低潮期，T3的實(shí)測(cè)水位也比模擬水位低。經(jīng)查詢相應(yīng)時(shí)間的氣象資料，當(dāng)時(shí)均存在強(qiáng)風(fēng)，如2010年12月16日，T3附近的最大風(fēng)速為11 m/s，平均風(fēng)速7 m/s，由此推斷模擬誤差可能是由于當(dāng)時(shí)強(qiáng)勁的東北風(fēng)造成的異常減水。

圖3是4個(gè)潮流觀測(cè)站實(shí)際觀測(cè)潮流(垂向平均)與模擬結(jié)果(垂向平均)的對(duì)比。在大多數(shù)時(shí)刻，模擬的流速、流向與觀測(cè)結(jié)果都吻合得較好。

以上對(duì)欽州灣潮汐和潮流模擬驗(yàn)證的結(jié)果表明，本文所建立的水動(dòng)力模式能較好地刻畫研究海域的水位和水流特征，模擬精度較高，能為水質(zhì)模型提高可信的動(dòng)力背景場(chǎng)。

3.2 欽州灣潮汐潮流特征

由以上對(duì)潮汐的觀測(cè)和模擬(圖2)可以看出，欽州灣是典型的全日潮海域，1個(gè)月中大部分時(shí)間每天只有1次漲落潮。欽州灣內(nèi)有呈人字形深水水道，頸部位于龍門附近。受地形限制，欽州灣的潮流主要呈往復(fù)流動(dòng)，流向基本與水道一致，落潮流速遠(yuǎn)大于漲潮流速，在某些海域，落潮流速可達(dá)漲潮流速的1.8倍，這對(duì)欽州灣的清淤和排污是非常有利的。潮流最大值區(qū)域位于龍門水道，最大值可達(dá)1.8 m/s[21]。關(guān)于欽州灣的潮汐潮流特征，已有一些研究成果[22—23]，結(jié)論基本一致。本文采用欽州灣圍填后的最新地形，圍填主要在欽州保稅港區(qū)、三墩公路、三墩島等區(qū)域，數(shù)值模擬結(jié)果表明，圍填后以上區(qū)域附近的潮汐潮流發(fā)生了很大的變化，但對(duì)茅尾海及遠(yuǎn)離圍填區(qū)處的海域影響不大。

3.3 欽州灣水交換能力分析

由水質(zhì)模型所得的不同時(shí)刻的濃度場(chǎng)分別計(jì)算了水體半交換時(shí)間和平均存留時(shí)間，其水平分布見(jiàn)圖4和圖5。從圖4看，水體半交換時(shí)間在欽州灣不同地點(diǎn)差別很大：保稅港區(qū)以南海域以及龍門港以南的主水道區(qū)半交換時(shí)間最短，小于1 d；沿著水道向北，進(jìn)入茅尾海后半交換時(shí)間迅速增大，茅尾海中部半交換時(shí)間為26～28 d；再往北，半交換時(shí)間繼續(xù)增加，灣頂附近超過(guò)了60 d。保稅港區(qū)、三墩等新圍填區(qū)的存在，使得其附近海域的水交換能力相對(duì)于口門同距離的其他區(qū)域較弱，但由于離口門較近，水交換能力仍比較強(qiáng)，半交換時(shí)間約10 d。整個(gè)灣平均的水體半交換時(shí)間為17.7 d，遠(yuǎn)大于夏華永等[7]基于箱式模型計(jì)算的7.2個(gè)潮周期(約7.2 d)和蔣磊明等[8]同樣基于箱式模型計(jì)算的1.70個(gè)周期(小潮，約1.7 d)和4.53個(gè)周期(大潮，約4.5 d)。這是由于箱式模型假定外部海水進(jìn)入灣內(nèi)后立即與灣內(nèi)水體充分混合，因而高估了水體交換能力。水體平均存留時(shí)間的水平分布態(tài)勢(shì)(圖5)與半交換時(shí)間分布大致吻合：保稅港區(qū)以南海域水體存留時(shí)間最小，在20 d以內(nèi)；沿水道往北迅速增大，灣頂最大，局部區(qū)域超過(guò)150 d，表示該區(qū)域的海水基本與外海水沒(méi)有交換。整個(gè)灣平均的水體存留時(shí)間為45 d。半交換時(shí)間和平均存留時(shí)間的水平分布圖均表明茅尾海的東、西、北3個(gè)部分均存在水交換滯緩區(qū)，應(yīng)盡量減少在這些區(qū)域的排污。

圖6給出了示蹤物濃度水平分布的演變趨勢(shì)。水質(zhì)模型啟動(dòng)后，在隨后的漲潮期內(nèi)，外部海水進(jìn)入計(jì)算區(qū)域，欽州保稅港區(qū)以南海域示蹤物濃度由于混合迅速降低，并隨潮漲潮落而振蕩，總體上呈降低趨勢(shì)。不同海域由于離口門距離遠(yuǎn)近不同，濃度降低速度有明顯差異：保稅港區(qū)以南海域示蹤物濃度在水質(zhì)模型啟動(dòng)5 d后基本降到0.2單位以下，漸趨于穩(wěn)定；龍門附近海域在60 d后，茅尾海中部海域在100 d后濃度降到0.2單位左右；150 d后除了茅尾海頂部部分海域，整個(gè)水質(zhì)計(jì)算區(qū)域的濃度趨于穩(wěn)定。圖7是灣內(nèi)示蹤物平均濃度隨時(shí)間變化曲線。

4 討論

4.1 漫灘影響分析

欽州灣灘涂廣闊，特別是茅尾海內(nèi)，灘涂面積占海域面積的一半以上[1]。為了研究漫灘對(duì)欽州灣水交換能力計(jì)算的影響，本文設(shè)計(jì)了一個(gè)不考慮漫灘的數(shù)值試驗(yàn)：在數(shù)值模式中關(guān)閉漫灘處理過(guò)程，將潮周期內(nèi)平均水深大于0的點(diǎn)視為水點(diǎn)，最小水深設(shè)為2.5 m，其余點(diǎn)視為陸地點(diǎn)不參與計(jì)算，其他配置不變。

以U1、U2、U3、U4 4個(gè)點(diǎn)為例，分析采用漫灘技術(shù)與否對(duì)潮流模擬的影響。結(jié)果顯示，不采用漫灘技術(shù)，這4個(gè)潮流對(duì)比點(diǎn)的流速均比采用了漫灘技術(shù)模擬的流速要小，減少幅度為10%～20%。呂新剛等[10]研究漫灘過(guò)程對(duì)膠州灣潮流模擬的影響時(shí)，也有類似的結(jié)論。

圖8給出了非漫灘處理情況下欽州灣水體半交換時(shí)間的水平分布。與采用漫灘技術(shù)的結(jié)果(圖4)對(duì)比，不考慮漫灘時(shí)灘涂區(qū)域的水體半交換時(shí)間明顯增加，茅尾海東、西、北部灘涂區(qū)域的水體半交換時(shí)間從36 d左右增加到46 d以上，增加幅度約30%。采用漫灘處理，符合淺水區(qū)域水體運(yùn)動(dòng)真實(shí)的物理過(guò)程，能更準(zhǔn)確地刻畫水體交換能力。

圖4 欽州灣水體半交換時(shí)間水平分布Fig.4 Horizontal distribution of half-life time in the Qinzhou Bay

圖5 欽州灣水體平均存留時(shí)間水平分布Fig.5 Horizontal distribution of mean residence time in the Qinzhou Bay

圖6 示蹤物濃度水平分布的時(shí)間演變Fig.6 Evolution of horizontal distribution of tracer concentration

圖7 欽州灣內(nèi)示蹤物平均濃度時(shí)間演變曲線(黑線為5 d平滑曲線)Fig.7 Trends in average concentration of tracer in the Qinzhou Bay (black line indicates 5 d-smoothed)

圖8 非漫灘處理情況下欽州灣水體半交換時(shí)間水平分布Fig.8 Horizontal distribution of half-life time without wet/dry process in the Qinzhou Bay

4.2 擴(kuò)散系數(shù)的影響分析

水體交換時(shí)間與湍流擴(kuò)散的強(qiáng)度有關(guān)。為了研究水平擴(kuò)散系數(shù)對(duì)流速及交換時(shí)間的影響，本文分別將擴(kuò)散系數(shù)擴(kuò)大10倍及縮小到原來(lái)的1/10。圖9顯示了圖1中的U1點(diǎn)在不同擴(kuò)散系數(shù)下的流速變化，圖10是示蹤物平均濃度的變化。顯然，水平擴(kuò)散系數(shù)相差100倍，但流速變化不大，最大變化幅度在10%左右，半交換時(shí)間也只是小幅度變化，整個(gè)欽州灣平均半交換時(shí)間只相差2天，變化幅度在10%左右?？梢?jiàn)，水平擴(kuò)散系數(shù)調(diào)整對(duì)流速及交換時(shí)間都有影響，但影響不大。同時(shí)，本文通過(guò)對(duì)流速的驗(yàn)證，也說(shuō)明了使用的水平擴(kuò)散系數(shù)是恰當(dāng)?shù)摹?/p>

圖9 不同擴(kuò)散系數(shù)下流速的變化Fig.9 Change in current with different dispersion coefficients

圖10 不同擴(kuò)散系數(shù)下示蹤物平均濃度變化曲線(5 d平滑)Fig.10 Trends in average concentration of tracer with different dispersion coefficients in the Qinzhou Bay (5 d-smoothed)

5 結(jié)論

以4個(gè)主要分潮和2個(gè)淺水分潮為驅(qū)動(dòng)，構(gòu)建了一個(gè)高分辨率的漫灘三維水動(dòng)力模型。與4個(gè)潮位觀測(cè)點(diǎn)和4個(gè)潮流觀測(cè)點(diǎn)的觀測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比，模擬精度較高。在此基礎(chǔ)上建立了水質(zhì)模型，模擬欽州灣的水體交換過(guò)程。結(jié)果表明：欽州灣水交換能力整體上較強(qiáng)，整個(gè)灣平均的水體半交換時(shí)間約為18 d，水體平均存留時(shí)間為45 d?？臻g分布上，保稅港區(qū)以南海域水交換能力最強(qiáng)，半交換時(shí)間小于1 d；沿著水道向北，水交換能力逐漸減弱，茅尾海中部半交換時(shí)間為26～28 d；茅尾海的東、西、北3個(gè)部分存在水交換滯緩區(qū)，半交換時(shí)間超過(guò)了50 d，應(yīng)盡量避免在這些區(qū)域排污。通過(guò)數(shù)值實(shí)驗(yàn)，討論了漫灘過(guò)程和擴(kuò)散系數(shù)對(duì)欽州灣潮流及水交換能力模擬的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，采用漫灘處理技術(shù)對(duì)準(zhǔn)確模擬欽州灣潮流速度和水交換能力很關(guān)鍵，不考慮漫灘過(guò)程，會(huì)低估潮流速度和水交換能力。水平擴(kuò)散系數(shù)調(diào)整對(duì)流速及交換時(shí)間都有影響，但影響不大。

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Numerical simulation of water exchange in the Qinzhou Bay of China

Chen Zhenhua1，2，3,4， Xia Changshui2，3，4， Qiao Fangli2，3，4

(1.CollegeofOceanicandAtmosphericScience,OceanUniversityofChina，Qingdao266100，China；2.TheFirstInstituteofOceanography，StateOceanicAdministration，Qingdao266061，China; 3.KeyLaboratoryofMarineScienceandNumericalModelling(MASNUM)，StateOceanicAdministration，Qingdao266061，China;4.LaboratoryforRegionalOceanographyandNumericalModeling,Qingdao266071,China)

A hydrodynamic model that contains six main tidal components (i.e. M2， S2， K1， O1，M4， and MS4) and wet/dry process is developed based on Princeton Ocean Model (POM)， and applied for the Qinzhou Bay of China. The simulated water elevations and current agree well with field observations. And on this basis， a dispersion model for water quality is established to invest ability of water exchange in this bay. Our model gives a mean half-life time of 18 days and mean residence time of 45 days， suggesting a relatively strong ability of water exchange. The half-life time is shortest and less than one day in the south of Qinzhou Bonded Port， but prolongs from southwest to northeast， in range of 26-28 days in the central Maowei Sea， and exceeds 50 days in the east， west and north of the Maowei Sea. The numerical experiments suggest that simulation without wet-dry process may underestimate velocity of tidal current and ability of water exchange in the Qinzhou Bay．

Qinzhou Bay; numerical simulation；dispersion model; water exchange; half-life time; mean residence time

2016-11-04；

2016-12-12。

國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)——山東省人民政府聯(lián)合資助海洋科學(xué)研究中心項(xiàng)目(U1606405)；公益項(xiàng)目——印度洋海域海洋環(huán)境數(shù)值預(yù)報(bào)系統(tǒng)研制與示范(201005033-2)；廣西教育廳科研項(xiàng)目——?dú)J州灣水動(dòng)力機(jī)制及水交換能力數(shù)值研究(201010LX444)。

陳振華(1972—)，男，廣西壯族自治區(qū)北海市人，博士研究生，主要從事陸架和海洋環(huán)流數(shù)值研究。E-mail:chenzh@fio.org.cn

*通信作者：?jiǎn)谭嚼?，研究員，博士生導(dǎo)師。E-mail：qiaofl@fio.org.cn

P731.2

A

0253-4193(2017)03-0014-10