南黃海輻射沙脊群海域三維水動(dòng)力數(shù)值模擬*

林偉波，陳曉燕

(江蘇省海涂研究中心，江蘇 南京 210036)

南黃海輻射沙脊群分布于江蘇中部海岸帶外側(cè)、黃海南部陸架海域，大體上以弶港為頂點(diǎn)、以黃沙洋為主軸，自岸呈褶扇狀向海輻射，由9條沙脊和分隔沙脊的潮流通道組成[1]。潮流以正規(guī)半日潮流為主，潮流日不等現(xiàn)象在近岸和深水道中較明顯，是形成和維持輻射沙脊群的主要?jiǎng)恿2]。朱玉榮等[3]、諸裕良等[4]采用二維潮流數(shù)學(xué)模型，分析輻射沙脊群海域動(dòng)力特征，揭示了沙脊群形成與潮流的內(nèi)在聯(lián)系。但以上研究都是基于二維平面水動(dòng)力模型，不能很好地體現(xiàn)輻射沙脊群海域復(fù)雜地形條件下三維水動(dòng)力特性。本文基于已被國內(nèi)外學(xué)者大量應(yīng)用的無規(guī)則網(wǎng)格的有限體積海岸海洋模型(FVCOM)[5-10]，構(gòu)建了輻射沙脊群海域三維潮流模型，分析其水動(dòng)力特征，該模型可用于模擬復(fù)雜地形條件下海洋動(dòng)力環(huán)境，可為進(jìn)一步研究本海域的泥沙和污染物運(yùn)動(dòng)提供準(zhǔn)確的動(dòng)力條件[11]。

1 模型計(jì)算區(qū)域與設(shè)置

1.1 模型范圍和參數(shù)設(shè)置

模型的計(jì)算域范圍為120°24′E～122°05′E，32°10′N～34°06′ N，南、北邊界分別為啟東沿岸、廢黃河口。模型水深和網(wǎng)格分布如圖1所示，包含11 117個(gè)網(wǎng)格單元、5 705個(gè)網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)，網(wǎng)格分辨率最小500 m，開邊界網(wǎng)格分辨率5 km。模型內(nèi)模態(tài)時(shí)間為30 s，外模時(shí)間為6 s，垂向分為6層，采用σ坐標(biāo)。模型計(jì)算基面為85國家高程基準(zhǔn)，最小底部拖曳力系數(shù)為0.001 6，海底粗糙高度值為0.001 2 m，垂直渦黏系數(shù)背景值為10-6m2s。模型從2014-07-10T00:00:00開始計(jì)算，共計(jì)算14 d，開邊界以“東中國海潮波模型”預(yù)報(bào)的潮位作為驅(qū)動(dòng)力。

圖1 計(jì)算區(qū)域的水深分布與計(jì)算網(wǎng)格

1.2 模型驗(yàn)證

運(yùn)用Wilmott[12]提出的預(yù)測(cè)能力系數(shù)skill來驗(yàn)證模型的計(jì)算精度，計(jì)算公式為：

(1)

大豐港、斗龍港和洋口港3個(gè)潮位測(cè)站的模擬對(duì)比過程見圖2?？煽闯?，潮位變化趨勢(shì)較為吻合，潮位預(yù)測(cè)能力系數(shù)大于0.97。V1、V6站實(shí)測(cè)海流和計(jì)算值對(duì)比見圖3、4(站位分布見圖5)，其中V1測(cè)站流速預(yù)測(cè)能力系數(shù)達(dá)到0.97，流向預(yù)測(cè)能力系數(shù)達(dá)到0.98；V6測(cè)站表層和底層流速預(yù)測(cè)能力系數(shù)都達(dá)到了0.95，表層和底層流向預(yù)測(cè)能力系數(shù)都達(dá)到了0.92?？傮w上看，模型的計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)吻合良好，能較好地體現(xiàn)研究海域的潮汐潮流分布特征。

圖2 計(jì)算潮位與實(shí)測(cè)潮位對(duì)比

圖3 大小潮期間V1測(cè)站潮流模擬過程

圖4 大小潮期間V6測(cè)站潮流模擬過程

2 結(jié)果與分析

2.1 潮流場(chǎng)特征分析

大潮和小潮的實(shí)測(cè)平均流速矢量圖見圖5，V1、V2、V3測(cè)站的流向基本均為沿岸線方向的南北往復(fù)流，V4、V5、V6測(cè)站流向受地形影響，呈現(xiàn)旋轉(zhuǎn)流趨勢(shì)，其中以V4測(cè)站最為明顯。潮流速從北往南逐漸減小，大潮時(shí)V1的最大漲、落潮流速分別為2.55、1.68 ms，而V4的最大漲、落潮流速只有1.09、1.25 ms。小潮時(shí)期流速明顯減小，V1的最大漲、落潮流速為1.61、1.21 ms，而V4的最大漲、落潮流速為0.57、0.63 ms。

圖5 垂線平均流速矢量圖

圖6a)、圖7a)為大、小潮漲急流場(chǎng)分布，此時(shí)潮位已近平均海平面，全海域呈漲潮勢(shì)，南、北兩股潮流向弶港輻聚，弶港以北海區(qū)的漲潮勢(shì)略強(qiáng)于南海區(qū)，北海區(qū)近岸以由北往南的沿岸流為主，漲潮流向各條沙脊的灘頂聚涌，其中低灘的沙脊已被潮水淹沒，岸灘尚有灘面水流。從流速大小分布來看，西洋深槽流速較大，大潮流速達(dá)到1.6 ms，小潮漲急流速在1.2 ms左右；其他的深槽大潮流速達(dá)到1.2～1.4 ms，小潮漲急流速在1.0～1.2 ms，灘面流速在0.5 ms左右。圖6b)、圖7b)為大、小潮落急流場(chǎng)分布，已有少許岸灘出露，各深槽流速較大而集中，流向與深槽走向十分一致，沙脊背對(duì)潮流矢量影響顯著，流向基本與深槽成斜交的歸槽趨勢(shì)。深槽的大潮落急流速達(dá)到1.2～1.5 ms，小潮落急流速在1.0～1.2 ms。

圖6 大潮表層流場(chǎng)分布

圖7 小潮表層流場(chǎng)分布

2.2 余流場(chǎng)特征

由模型計(jì)算的潮流結(jié)果，通過歐拉余流的定義公式[13]計(jì)算得到歐拉余流場(chǎng)，見圖8、9。大潮時(shí)期弶港以北海域表層和底層余流方向都是從南向北的沿岸流，近深槽余流大都指向深槽，南部海域的近岸余流有逆時(shí)針的旋轉(zhuǎn)流。表層余流較底層余流大，表層最大余流速度超過0.4 ms，底層余流速度明顯減小，蘇北淺灘余流速度在0.1 ms左右。小潮時(shí)期，表層余流速度為0.04～0.12 ms，底層余流速度為0.02～0.08 ms，南部海域的近岸有逆時(shí)針的旋轉(zhuǎn)流。

圖8 大潮余流流場(chǎng)

圖9 小潮余流流場(chǎng)

3 結(jié)論

1)整個(gè)海域由南、北兩股潮流向弶港輻聚輻散，各深槽流速較大而集中，流向與深槽走向十分一致，沙脊背對(duì)潮流矢量影響顯著，流向基本與深槽成斜交的歸槽趨勢(shì)。深槽的大潮落急流速達(dá)到1.2～1.5 ms，小潮落急流速在1.0～1.2 ms。

2)弶港以北，表、底層余流方向都是由南向北的沿岸流，南部海域的近岸余流有逆時(shí)針的旋轉(zhuǎn)流，表層最大余流可達(dá)到0.4 ms左右，底層在0.2 ms左右。