蘇北滸苔生長(zhǎng)期運(yùn)移路徑及溫鹽環(huán)境的數(shù)值模擬

高麗萍，范德江,2，宋德海，仲毅，畢乃雙，遲萬(wàn)清,3*

( 1.中國(guó)海洋大學(xué) 海洋地球科學(xué)學(xué)院，山東 青島 266100；2.青島海洋科學(xué)與技術(shù)試點(diǎn)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室 海洋地質(zhì)過(guò)程與環(huán)境功能實(shí)驗(yàn)室，山東 青島 266237；3.自然資源部第一海洋研究所，山東 青島 266061；4.中國(guó)海洋大學(xué) 物理海洋教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 青島 266100；5.青島海洋科學(xué)與技術(shù)試點(diǎn)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室 海洋動(dòng)力過(guò)程與氣候功能實(shí)驗(yàn)室，山東 青島 266237)

1 引言

滸苔屬于綠藻門、石莼科、滸苔屬，草綠色，屬于大型的廣鹽、廣溫、耐干露性強(qiáng)的海藻，在我國(guó)各海區(qū)都有分布。水溫為14～27℃、鹽度為24～32、pH為8～9以及光強(qiáng)大于18 μmol/(m2·s)是最適宜滸苔生長(zhǎng)的環(huán)境條件，其生長(zhǎng)期為4～8周[1-2]。黃海西岸滸苔最近10余年以來(lái)，每年在4-8月生長(zhǎng)繁殖，經(jīng)常漂移或聚集到山東半島沿岸，并在漂移過(guò)程中大量繁殖，覆蓋海洋表面，影響海岸風(fēng)景，危及其他生物的生存，死亡后腐爛并散發(fā)惡臭沉入海底，并消耗大量氧氣，破壞海洋水質(zhì)；2008年奧帆賽前期，滸苔在青島海岸的聚集嚴(yán)重威脅到國(guó)際奧帆賽的順利進(jìn)行。滸苔的暴發(fā)、漂移、聚集給海洋旅游業(yè)、海洋養(yǎng)殖業(yè)、海洋生態(tài)、海洋環(huán)境造成嚴(yán)重危害，由此引起了人們廣泛的關(guān)注和研究。

經(jīng)過(guò)研究與觀測(cè)，證實(shí)在山東半島沿岸聚集的滸苔起源于南黃海西岸海域[3-4]，并向北漂流到山東半島沿岸。為了控制和治理滸苔，采用了船舶、飛機(jī)、衛(wèi)星遙感等手段研究和觀察滸苔的漂移路徑，取得了寶貴的第一手資料，同時(shí)也花費(fèi)了大量人力和物力[5-6]。滸苔輕浮于海面，隨海水一起運(yùn)動(dòng)，與海域的表層流流向在很大程度上具有一致性，因此使用數(shù)值模擬追蹤表層水質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)的手段研究滸苔漂移路徑是科學(xué)、經(jīng)濟(jì)、易行的。

自2011年以來(lái)，多位學(xué)者使用數(shù)值模擬手段中拉格朗日粒子追蹤的方法模擬了滸苔的漂移路徑。Lee等[7]、喬方利等[8]、于曉杰[9]及 Bao 等[10]皆模擬了滸苔漂移路徑并分析其影響因子。以往的研究?jī)H對(duì)潮、風(fēng)等有限的影響因素探討研究并形成共識(shí)，即認(rèn)為在漂流期內(nèi)潮的作用只能讓粒子在很小的范圍內(nèi)隨著潮水周期做往返運(yùn)動(dòng)，在潮余流及5月和6月初南風(fēng)風(fēng)場(chǎng)作用下，粒子沿蘇北沿海向北運(yùn)動(dòng)，同時(shí)在潮的作用下做周期性往返運(yùn)動(dòng)。趙昌等[11]運(yùn)用NCEP GFS預(yù)報(bào)風(fēng)場(chǎng)和中國(guó)近海高分辨率三維MASNUM海浪-潮流-環(huán)流耦合海洋數(shù)值預(yù)報(bào)系統(tǒng)的預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)建立的黃海滸苔漂移輸運(yùn)模式能夠?qū)G苔漂移進(jìn)行預(yù)測(cè)，其進(jìn)行了2008年和2010年滸苔漂移輸運(yùn)過(guò)程模擬。模擬結(jié)果與文獻(xiàn)[8]報(bào)道的衛(wèi)星觀測(cè)結(jié)果一致，表明滸苔的漂移路徑受海洋表層流影響不同而有所不同。上述研究對(duì)模擬漂移路徑的研究各有突破，但沒(méi)有系統(tǒng)揭示漂流過(guò)程中除潮、風(fēng)等外界強(qiáng)迫的影響因素以外，波浪、環(huán)流、溫鹽等各單一外界強(qiáng)迫對(duì)漂移有無(wú)影響。每一種單一強(qiáng)迫的具體影響是怎樣的？各個(gè)單強(qiáng)迫的影響之間的對(duì)比情況如何？為什么滸苔能在該區(qū)域暴發(fā)？為進(jìn)一步揭示以上問(wèn)題，本研究利用FVCOM海洋模型，獲得滸苔漂流期間所經(jīng)海域的不同外界強(qiáng)迫組合的5種流場(chǎng)數(shù)據(jù)，用流場(chǎng)差異獲得每一種外界強(qiáng)迫作用下的流場(chǎng)圖，參照漂流瓶放置位置、時(shí)間及以上流場(chǎng)數(shù)據(jù)，用拉格朗日粒子追蹤模塊模擬得到水質(zhì)點(diǎn)的5種運(yùn)移路徑，并采用在蘇北海域于滸苔生長(zhǎng)期放置漂流瓶的漂移軌跡進(jìn)行相關(guān)驗(yàn)證，揭示影響滸苔路徑的單一外界強(qiáng)迫因素的具體影響及其影響程度；依據(jù)模擬漂流區(qū)溫鹽特點(diǎn)并結(jié)合物理海洋及營(yíng)養(yǎng)鹽等方面解釋滸苔在該區(qū)域暴發(fā)的原因。

2 研究區(qū)概況

研究區(qū)海區(qū)位于黃海西部沿海，東接南黃海，南部緊鄰東海長(zhǎng)江口，為西部的蘇北海岸、西北角的海州灣及北部山東半島南岸所半包圍的淺海陸架半開(kāi)放海域，地勢(shì)相對(duì)平坦、寬闊。海區(qū)屬于東亞季風(fēng)氣候，四季分明，冬季寒冷干燥，夏季溫暖濕潤(rùn)。研究區(qū)水體溫度、鹽度及環(huán)流特征均呈現(xiàn)出明顯的季節(jié)變化。研究區(qū)春夏之交至夏季，溫度升高，雨水充足，夏季風(fēng)開(kāi)始盛行，平均風(fēng)速為4～6 m/s[12]。

研究區(qū)大部分海域是半日潮類型，海州灣東側(cè)為不規(guī)則半日潮，半日潮無(wú)潮點(diǎn)位于蘇北廢黃河口(以下稱“廢河口”)東北海域，蘇北近岸潮差也較大，平均潮差超過(guò)3.9 m，最大潮差位于弶港附近海域；蘇北近岸潮流流速也較快，其南部最大流速在2.6 m/s以上，波浪分為風(fēng)浪和涌浪，形成獨(dú)特的沙脊沙洲相間舌狀地形；大部分海域以風(fēng)浪為主，會(huì)出現(xiàn)涌浪，波浪大小和方向受冬季寒潮、夏秋季的氣旋、臺(tái)風(fēng)等因素的影響。黃海冬季受偏北風(fēng)影響，大部分海域盛行偏北浪，波高等值線大致與海岸線平行，波高為0.9～1.9 m，由于南黃海海域相對(duì)開(kāi)闊，波高相對(duì)較大，夏季受東南風(fēng)的影響，盛行偏南浪，與冬季相比夏季波高較小，周期較短，但臺(tái)風(fēng)過(guò)境時(shí)，波高會(huì)迅速增加引起巨浪。春秋季體現(xiàn)過(guò)渡季節(jié)特征[12]。研究區(qū)夏季溫度較高，鹽度較低，存在一個(gè)流向比較穩(wěn)定的北向流（圖1），平均流速約為3.4 cm/s，最大流速為8 cm/s。該北向流的變化主要受局地風(fēng)場(chǎng)控制，南北向的流動(dòng)與南北向風(fēng)速的大小關(guān)系密切[13-14]。

圖1 中國(guó)東部海域夏季主要表層環(huán)流[15]（a）及南黃海 7 月表層環(huán)流[16]（b）Fig.1 The surface circulation of the eastern China seas in summer[15] (a) and the South Yellow Sea in July[16] (b)

3 研究方法

本研究利用有限體積海岸海洋模型（FVCOM），模擬黃、渤海海域的潮汐、溫鹽、環(huán)流等海洋動(dòng)力環(huán)境，研究區(qū)域及網(wǎng)格布設(shè)如圖2。該模型經(jīng)過(guò)了多個(gè)站位的流速、流向、波浪、水位驗(yàn)證及S1站位的溫鹽驗(yàn)證，驗(yàn)證結(jié)果表明模擬與實(shí)測(cè)高度吻合?；贔VCOM通過(guò)疊加潮、風(fēng)、環(huán)流、溫鹽、波浪等不同強(qiáng)迫模擬海水運(yùn)動(dòng)，用模擬的不同流場(chǎng)和FVCOM的離線追蹤模塊，得到水面粒子在不同流場(chǎng)下的運(yùn)動(dòng)路徑。基于漂流瓶與滸苔具有相近的漂流速度和軌跡，用其來(lái)對(duì)真實(shí)流場(chǎng)模擬實(shí)驗(yàn)下漂流路徑進(jìn)行驗(yàn)證。并用各流場(chǎng)之間的余流差異獲得單一強(qiáng)迫影響對(duì)余流場(chǎng)的貢獻(xiàn)，并用之解釋不同運(yùn)動(dòng)路徑之間的差異，以此來(lái)研究各個(gè)單一強(qiáng)迫對(duì)滸苔漂移的影響。

3.1 三維水動(dòng)力數(shù)值模擬

FVCOM數(shù)值模型采用無(wú)結(jié)構(gòu)三角網(wǎng)格，可以精確地?cái)M合近岸復(fù)雜海岸線。與其他海洋模型相同，其控制方程包括動(dòng)量方程、連續(xù)方程、溫度方程、鹽度方程和密度方程，本研究中，模型使用經(jīng)緯度坐標(biāo)，采用球坐標(biāo)系，在球坐標(biāo)系下的控制方程可參見(jiàn)FVCOM模型手冊(cè)[17]，模型采用潮流控制方程和湍流封閉方程構(gòu)建完整的三維淺海潮波定解方程組，運(yùn)用有限體積方法求解控制方程，利用干/濕網(wǎng)格模塊控制動(dòng)邊界，采用內(nèi)外模態(tài)交替計(jì)算的計(jì)算方式，計(jì)算時(shí)保持溫度、鹽度、質(zhì)量、動(dòng)量守恒。

模型覆蓋海區(qū)為 32°～41°N，118°～127°E（圖2），垂直分為18層，網(wǎng)格數(shù)為13 546，網(wǎng)點(diǎn)數(shù)為7 130，最小網(wǎng)格距離為1 km，時(shí)間步長(zhǎng)為6 s。由于蘇北海域海底以灘涂和沙脊為主，水深對(duì)流速影響很大。本模型水深采用了多波束實(shí)測(cè)水深數(shù)據(jù)和ETOP3水深數(shù)據(jù)的結(jié)合，蘇北海域采用了多波束實(shí)測(cè)水深數(shù)據(jù)，其他黃、渤海區(qū)域采用ETOP3水深數(shù)據(jù)。該模型加入了黃河徑流、海面熱通量、降水蒸發(fā)、氣壓、風(fēng)場(chǎng)等外界強(qiáng)迫，其中黃河徑流數(shù)據(jù)由《中國(guó)泥沙公報(bào)》相關(guān)數(shù)據(jù)插值獲得，氣象數(shù)據(jù)來(lái)自CFSR網(wǎng)站（https://rda.ucar.edu/）的大氣再分析數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)時(shí)間分辨率為1 h，開(kāi)邊界潮汐驅(qū)動(dòng)采用俄勒岡州大學(xué)OPTS模型所計(jì)算的潮汐調(diào)和常數(shù)，包括 M2、S2、N2、K2、K1、O1、P1、Q1共8個(gè)分潮，開(kāi)邊界嵌套插值來(lái)自HYCOM網(wǎng)站（ftp://ftp.hycom.org/datasets/）提供的再分析溫鹽及疊加潮流場(chǎng)和HYCOM的流速、水位，逐時(shí)以nesting模塊來(lái)驅(qū)動(dòng)模型，實(shí)現(xiàn)潮汐和環(huán)流強(qiáng)迫。該模型模擬時(shí)段為2014年1月1日至2018年11月20日，涵蓋了本研究漂流瓶漂流時(shí)段。本研究設(shè)置6組實(shí)驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比，分別為潮、潮+風(fēng)、潮+風(fēng)+溫鹽、潮+風(fēng)+環(huán)流+溫鹽、潮+風(fēng)+環(huán)流+溫鹽+波流耦合、純潮（均一溫鹽無(wú)初始場(chǎng)）等不同強(qiáng)迫組合下的流場(chǎng)。前5組實(shí)驗(yàn)中初始場(chǎng)（來(lái)自于已驗(yàn)證模型的熱啟動(dòng)文件，包括溫鹽、流速、水位）相同，皆加入河流徑流，實(shí)驗(yàn)1和實(shí)驗(yàn)2不計(jì)算溫鹽，實(shí)驗(yàn)3至實(shí)驗(yàn)5通過(guò)海表大氣壓強(qiáng)、蒸發(fā)與降雨、長(zhǎng)短波太陽(yáng)輻射、海表熱通量等外強(qiáng)迫并計(jì)算溫鹽，實(shí)驗(yàn)2至實(shí)驗(yàn)5中加入風(fēng)場(chǎng)驅(qū)動(dòng)，實(shí)驗(yàn)5參考因素最全，為真實(shí)流場(chǎng)的模擬實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)1至實(shí)驗(yàn)4為對(duì)照實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)6為評(píng)估潮的單強(qiáng)迫因素而設(shè)置，具體實(shí)驗(yàn)配置如表1。

表1 實(shí)驗(yàn)外界強(qiáng)迫配置Table 1 The outside forces configuration of experiments

圖2 研究區(qū)網(wǎng)格布設(shè)及驗(yàn)證站位Fig.2 Research area with grid layout and verification stations

3.2 表層水質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡追蹤

本研究利用上述模型實(shí)驗(yàn)獲得不同強(qiáng)迫組合下的流場(chǎng)數(shù)據(jù)，再將這些流場(chǎng)數(shù)據(jù)用于FVCOM拉格朗日粒子離線追蹤模塊，可以模擬水面粒子的運(yùn)動(dòng)，獲得粒子運(yùn)動(dòng)軌跡，其微分方程公式為

式中，x(t)為時(shí)間t時(shí)刻的粒子位置（單位：m）；t為粒子運(yùn)動(dòng)的時(shí)間點(diǎn)（單位：s）；dx/dt為粒子位置隨時(shí)間變化率（單位：m/s）；(x(t),t)為模型產(chǎn)生的三維速度場(chǎng)（單位：m/s）。在二維(x,y)空間中，粒子可以通過(guò)求解(x,y)速度方程追蹤，公式為

式中，u、v和為粒子在x、y和z的速度分量（單位：m/s）；H為該位置海水深度（單位：m）；ξ為海表高度（單位：m）。和w的關(guān)系定義為

式中，w為h水深處海水在z坐標(biāo)方向的垂直速度（單位：m/s）； σ 一般在 [-1，0]之間，為無(wú)單位量綱，其求解公式為

式中，h為實(shí)際深度（單位：m）[11,17]。

3.3 波浪模塊

海洋在有風(fēng)的環(huán)境里，風(fēng)生流和風(fēng)生波同時(shí)進(jìn)行，且波流相互影響相互作用，F(xiàn)VCOM波浪模型采用FVCOM內(nèi)置的SWAVE模塊（FVCOM-SWAVE），它由第三代表面波模型（Simulating Waves Nearshore,SWAN）發(fā)展而來(lái)[18]。第三代表面波模型SWAN由Booij等[19]研發(fā)獲得，并由SWAN研究組改進(jìn)[20-21]。該模型通過(guò)求解波動(dòng)平衡方程來(lái)表現(xiàn)表面波的特性，包含由于底摩擦、三重波和四重波等波-波相互作用以及淺水波浪破碎引起的能量耗散，詳見(jiàn)FVCOM模型手冊(cè)[17]。同時(shí)在有風(fēng)輸入的前提下，本研究將在風(fēng)和波流耦合的共同作用下的模擬流場(chǎng)與僅僅在風(fēng)強(qiáng)迫下的風(fēng)生流模擬流場(chǎng)的水平流速之差，來(lái)探討單強(qiáng)迫波對(duì)水平速度的影響作用。

3.4 漂流瓶投放實(shí)驗(yàn)

滸苔的漂移過(guò)程不易于記錄，不便于深入研究及對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，而裝有GPS或者LBS定位系統(tǒng)的漂流瓶，其漂移軌跡便于記錄。經(jīng)研究證實(shí)，山東半島南部海域聚集的滸苔起源于蘇北海域[22-23]。本研究于2018滸苔生長(zhǎng)成大片綠潮的時(shí)期—2018年5月25日13:00至2018年5月28日12:00期間，在研究海域即滸苔起源區(qū)內(nèi)投放漂流瓶78個(gè)。漂流瓶為圓柱狀，直徑為13 cm，高度為19 cm，內(nèi)裝定位設(shè)備后，露出水面6 cm。經(jīng)過(guò)室內(nèi)模擬漂流實(shí)驗(yàn)，在研究海域年際5月、6月平均流場(chǎng)風(fēng)場(chǎng)中，使其漂移速度接近滸苔的漂移速度（圖3a）。漂流瓶投放于滸苔發(fā)源區(qū)（圖3b），漂流瓶?jī)?nèi)設(shè)備每間隔10 min發(fā)射1次位置信息，可通過(guò)GPS或者LBS定位系統(tǒng)接收到位置信息。

圖3 實(shí)驗(yàn)室水槽中漂流瓶（a）及其投放位置（b）Fig.3 Drifting bottles in the lab tank (a) and their the origin sites (b)

漂流信號(hào)時(shí)有間斷，本文采用點(diǎn)圖反映漂流軌跡，有信號(hào)的位置以綠點(diǎn)表示，無(wú)信號(hào)的位置為空白。所投78個(gè)漂流瓶，實(shí)際接收到位置信號(hào)的有75個(gè)，漂流時(shí)間長(zhǎng)短不一，其中漂流時(shí)間超過(guò)2018年7月的有8個(gè)，最短的僅漂流數(shù)小時(shí)就失去信號(hào)，漂流時(shí)間最長(zhǎng)的8個(gè)中，有的滯留在投放區(qū)域，有的停在中途，有3個(gè)漂流瓶漂移到山東半島南部海域。實(shí)際漂移總軌跡及按漂流時(shí)間劃分分區(qū)如圖4a所示，為A、B、C 3個(gè)區(qū)。A區(qū)為蘇北海域，對(duì)應(yīng)漂流時(shí)間為5月25日至6月10日；B區(qū)為廢河口，對(duì)應(yīng)漂流時(shí)間為6月11-30日；C區(qū)為山東半島南部海域，對(duì)應(yīng)漂流時(shí)間為7月1-3日。漂流瓶漂流時(shí)間與2011-2018年滸苔從蘇北漂到山東半島南部的漂移時(shí)間基本一致[22]。

圖4 漂流瓶漂移軌跡、分區(qū)及對(duì)應(yīng)時(shí)間（a）及2010年滸苔影響區(qū)域的MODIS衛(wèi)星圖片[8]（b1-b4）Fig.4 Drift tracks and drifting areas during the drift periods (a),MODIS satellite images of the Ulva prolifera influence area in 2010[8](b1-b4)

可以看出，漂流瓶在從蘇北沿岸向北漂移，緊貼廢黃河三角洲向海州灣漂移，零星軌跡漂至山東半島南岸海域，最遠(yuǎn)漂移至青島以東海域。漂流期計(jì)時(shí)范圍從2018年5月25日13:00至7月3日23:00，共計(jì)947 h，如研究區(qū) 32°～37°N，119°～122°E 每日平均風(fēng)速風(fēng)向圖（圖5）所示，第1～39天，南風(fēng)占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)。此次漂流瓶漂流過(guò)程與2010年滸苔影響區(qū)域的MODIS衛(wèi)星圖片（圖4b1至圖4b4）[8]吻合度很高，2010年6月7日衛(wèi)星圖片顯示，滸苔漂移至廢河口，漂流瓶2018年6月10-11日漂至廢河口，2010年6月22日至7月6日衛(wèi)星圖片顯示，滸苔已遍及山東半島南部海域，2018年7月3日漂至山東半島南部海域。

圖5 研究區(qū)2018年5月25日至7月9日每日平均風(fēng)速風(fēng)向Fig.5 The chart of daily mean wind speed and direction in the study areas during May 25 to July 9,2018

3.5 模型驗(yàn)證

3.5.1 水動(dòng)力模擬驗(yàn)證

模型運(yùn)行結(jié)果與來(lái)自黃、渤海多個(gè)站位（圖2）的實(shí)測(cè)流速、水位、波高、波周期進(jìn)行了驗(yàn)證，本文所用驗(yàn)證數(shù)據(jù)均來(lái)自作者團(tuán)隊(duì)實(shí)際測(cè)量，一部分?jǐn)?shù)據(jù)已發(fā)表于文章之中，另一部分尚未發(fā)表。其中有來(lái)自山東S1站位的流速、水位、溫度、鹽度及S2站位的波高和波周期，流速、水位、波高、波周期由ADCP測(cè)得，溫度、鹽度用CTD儀器測(cè)得，其詳細(xì)信息及數(shù)據(jù)來(lái)源見(jiàn)參考文獻(xiàn)[24]。黃河口B3站位的波高與波周期由ADCP獲得，蘇北斗龍港和大豐港的水位資料由潮位儀直接測(cè)量[25]；V3與V6站位流速、流向資料分別來(lái)自于蘇北近岸S1和S2站位，為使用安哥拉海流計(jì)觀測(cè)各個(gè)層位流速所獲得[24]；山東半島東端S1站位（37°11′30.66″N，122°54′49″E，水深為 30 m）2017年8月17日21:00至2017年8月27日03:00實(shí)測(cè)流速與模型流速對(duì)比及實(shí)測(cè)水位與模型水位對(duì)比分別如圖6a、圖6b所示，流速實(shí)測(cè)值在極值處幅度稍大于模擬值，水位模擬值與實(shí)測(cè)值吻合度更高；周期高度吻合，驗(yàn)證結(jié)果理想。S1站模擬溫度、鹽度與實(shí)測(cè)對(duì)比如圖6c和圖6d所示，鹽度模擬值比實(shí)測(cè)低0.2～0.5，溫度模擬值比實(shí)測(cè)值低0～2℃，但趨勢(shì)相同。黃河口 B3 站位（37°57′17″N，119°19′14″E，水深為14 m）實(shí)測(cè)波高和波周期與模擬對(duì)比如圖6e，圖6f所示，模擬值在整體幅度上與實(shí)測(cè)值吻合度較高，小范圍內(nèi)實(shí)測(cè)值有鋸齒狀波動(dòng)而模擬值相對(duì)平滑。S2 站位（36°55′04″N，122°40′10″E）實(shí)測(cè)波高和波周期與模擬對(duì)比如圖6g和圖6h所示，波高模擬值在整體幅度上與實(shí)測(cè)值吻合度較高，波周期前3/4實(shí)測(cè)值與模擬值吻合度較高，后1/4實(shí)測(cè)值偏低。蘇北海域大豐港（33°17′03″N，120°48′37″E）、斗龍港（33°28′31″N，120°47′25″E）2014 年 7 月水位模擬實(shí)測(cè)值如圖6i和圖6j所示，周期嚴(yán)格吻合，大豐港水位幅度吻合度較高，斗龍港模擬水位幅度略大于實(shí)測(cè)水位，對(duì)該海域V3站位（33°02′47″N，121°01′13″E）、V6 站位（32°43′08″N，121°44′02″E）進(jìn)行了速度的流速流向驗(yàn)證（圖6k，圖6l），兩站位實(shí)測(cè)與模擬流速流向基本吻合，由多站位的模擬值與實(shí)測(cè)值對(duì)比的綜合評(píng)價(jià)可知，該模型模擬吻合度較高。

圖6 S1站流速、水位、溫度、鹽度（a-d），B3、S2站波高、波周期（e-f），大豐站、斗龍站水位（i-j），V3、V6站位流速、流向驗(yàn)證（k-l）模擬值與實(shí)測(cè)值對(duì)比Fig.6 Comparison graphes of simulated results and the in situ measured values of flow velocity,water level,temperature and salinity of S1 Station (a-d),wave heights and wave periods of B3 and S2 stations (e-f),water level of Dafeng and Doulong stations (i-j),flow velocity and direction of V3 and V6 stations (k-l)

該模型所模擬黃、渤海2017年2月和8月表層和底層的平均流場(chǎng)、溫度場(chǎng)、鹽度場(chǎng)見(jiàn)圖7，其中2月高溫高鹽呈舌狀的黃海暖流，自黃海南部（圖7b1、圖7c1）底層流入，沿山東半島沿岸向北流動(dòng)（圖7a1）、8月山東半島東端表層向南的沿岸流（圖7a2）、黃海底層冷水團(tuán)（圖7c2）、蘇北低鹽水團(tuán)（圖7b2）等水文特征均能夠清晰的顯示，其基本特征與該區(qū)前人海洋學(xué)觀測(cè)研究結(jié)果相符[26-29]。

圖7 黃、渤海 2 月、8 月表層和底層平均流場(chǎng)（a1、a2）、溫度場(chǎng)（b1、b2）、鹽度場(chǎng)（c1、c2）Fig.7 The average flow fields (a1,a2),temperature fields (b1,b2）and salinity fields (c1,c2）of the bottom and surface of the study area in the Yellow Sea and Bohai Sea during February and August

3.5.2 水面粒子運(yùn)動(dòng)軌跡和漂流瓶軌跡對(duì)比

與已經(jīng)驗(yàn)證了溫鹽、水位、流速、波浪的黃、渤海模型相同，實(shí)驗(yàn)5流場(chǎng)考慮了潮、風(fēng)、環(huán)流、溫鹽及波流耦合等多因素，模擬結(jié)果最接近真實(shí)流場(chǎng)（圖8），其初始場(chǎng)包括的溫鹽、流速、水位，為已驗(yàn)證模型運(yùn)行得出的熱啟動(dòng)文件，接近同時(shí)間真實(shí)海洋場(chǎng)，因此選取此流場(chǎng)下水面粒子模擬路徑與漂流瓶實(shí)測(cè)軌跡進(jìn)行對(duì)比，其中圖8d模擬時(shí)長(zhǎng)與實(shí)際漂流時(shí)長(zhǎng)相當(dāng)，模擬水面粒子運(yùn)移至廢河口以北海域并向東偏轉(zhuǎn)，而漂流瓶已運(yùn)移至山東南部海域，可知漂流瓶的速度大于模擬水面粒子。圖8e加大了0.3倍的模擬時(shí)長(zhǎng)，水面粒子已運(yùn)移至山東半島南部海域，與實(shí)際漂流瓶漂流區(qū)域及以往滸苔漂流至山東南部的事實(shí)具有很大的一致性[30]。在蘇北沿海模擬路徑與實(shí)際漂流路徑皆沿岸向北，在廢河口模擬路徑與實(shí)際路徑皆發(fā)生向東偏轉(zhuǎn)。二者又存在不同，首先在蘇北沿海一帶就東西方向的分布范圍相比，實(shí)際漂流瓶路徑明顯大于模擬路徑，推測(cè)因?yàn)槠髌棵芏刃∮谒w，漂流瓶與水體的摩擦要小于水體之間的摩擦，因此漂流瓶在水體中的自由度要大于水質(zhì)點(diǎn)；其次，圖8d為采用與漂流時(shí)間圖相當(dāng)?shù)? 000 h所得的模擬路徑，短于實(shí)際漂流路徑，而向北路徑范圍卻不超過(guò)實(shí)際漂流軌跡路徑；另外實(shí)際路徑因信號(hào)接收不全而有缺失部分，模擬路徑為全時(shí)段全粒子，可以看出實(shí)際路徑比模擬路徑達(dá)到更北的位置。上述兩種情況皆說(shuō)明，實(shí)際漂流瓶向北的漂移速度大于模擬水質(zhì)點(diǎn)，這與漂流瓶露出水面的部分多受南風(fēng)（圖5）推送吻合；另外，漂流瓶在廢河口向西大幅偏轉(zhuǎn)，沿廢河口北岸向海州灣漂移，而模擬路徑僅向西北發(fā)生小幅偏轉(zhuǎn)而后向東偏轉(zhuǎn)，查證資料表明，漂流瓶6月10日到達(dá)老黃河口，而此時(shí)至此后10 d，風(fēng)向偏轉(zhuǎn)為東南風(fēng)，受到東南風(fēng)的影響，漂流瓶沿岸偏轉(zhuǎn)至海州灣內(nèi)，由于此時(shí)模擬水團(tuán)速度較慢，還在蘇北沿岸沿岸漂移，待模擬水團(tuán)漂移至老黃河口后，風(fēng)向轉(zhuǎn)變?yōu)槲髂巷L(fēng)，而且其受海流影響較大，向東發(fā)生偏轉(zhuǎn)。另外圖8f為對(duì)單一漂流瓶軌跡和對(duì)應(yīng)模擬水面粒子的對(duì)比，模擬時(shí)間同圖8e的時(shí)間，可以看出，單一漂流瓶和實(shí)際軌跡與其模擬路徑重合度很高。

圖8 實(shí)驗(yàn)5的模擬表層流場(chǎng)(a)、鹽度(b)、溫度(c)和路徑圖(d-f)Fig.8 The sea surface flow (a),salinity (b),temperature (c) and water particles paths (d-f) from the simulation map of the fifth experiment

在滸苔漂流期間，蘇北海域風(fēng)向穩(wěn)定，以南風(fēng)為主，海流流場(chǎng)流向比較穩(wěn)定。滸苔、水面粒子、漂流瓶在海面漂移，主要受海域的表層流及風(fēng)的控制，三者速度有差別，水面粒子無(wú)海面出露、滸苔貼近海面而漂流瓶高于海面，三者受風(fēng)的影響程度不同，但從圖5看出，2018年研究海域研究時(shí)段無(wú)臺(tái)風(fēng)，因此三者由風(fēng)引起速度差別不會(huì)很大。因地形的半封閉性及流場(chǎng)流向比較穩(wěn)定，漂流瓶和水面粒子漂流速度雖不同，但延長(zhǎng)水面粒子模擬時(shí)間0.3倍，漂流路徑（圖8f）大致相近，二者具良好的可比性。

4 結(jié)果

4.1 真實(shí)流場(chǎng)的模擬實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)5為真實(shí)流場(chǎng)模擬實(shí)驗(yàn)，在此對(duì)其流場(chǎng)從表層余流、溫度、鹽度3個(gè)方面在黃、渤海大范圍海域和本研究區(qū)蘇北海域做詳細(xì)描述。首先，在表層海流方面，蘇北沿岸海域海流沿岸線向西北流動(dòng)，流速為0.1 m/s左右；到廢河口附近向東偏轉(zhuǎn)，流速增大，可達(dá)0.15 m/s；及至山東半島南部海域，流向基本與岸線平行，流速為0.15 m/s左右，與以往的研究吻合（圖1b）。山東半島東端流向?yàn)闁|南偏轉(zhuǎn)（圖8a）。其次，在鹽度方面，漂流期內(nèi)，蘇北海域表層鹽度較低，為24～29，海州灣、廢河口西北及山東半島南岸海域鹽度略有升高，為30左右，在黃海范圍內(nèi)，本研究區(qū)鹽度整體最低（圖8b）；蘇北沿海及山東半島南岸海域表層溫度為19～23°C，僅在廢河口西北海域及蘇北外圍海域等區(qū)域溫度略有降低，為17～19°C（圖8c），在黃、渤海范圍內(nèi)，漂流海域表層平均溫度整體與南黃海一致，高于渤海和北黃海大部分區(qū)域。所得的模擬路徑如圖8d至圖8f。

4.2 對(duì)比實(shí)驗(yàn)

由于1 300 h的真實(shí)流場(chǎng)模擬實(shí)驗(yàn)路徑與漂流瓶軌跡吻合較好，因此，為了進(jìn)行路徑對(duì)比前，4組實(shí)驗(yàn)?zāi)M時(shí)間也采用了1 300 h。前5組實(shí)驗(yàn)分別獲得表層余流流場(chǎng)（圖9a1至圖9a5)與對(duì)應(yīng)的模擬路徑（圖9b1至圖9b5)。

潮的流場(chǎng)（圖9a1）余流流速很小，在投放區(qū)域流場(chǎng)流向呈環(huán)狀，如前人的研究[9]，沒(méi)有定向性，這與對(duì)應(yīng)的圖9b1所示在潮的作用下模擬路徑吻合，即在投放區(qū)有限范圍內(nèi)震蕩，有向北漂流和向東南漂流的路徑分支，但總位移很小。潮和風(fēng)流場(chǎng)（圖9a2）與潮流場(chǎng)（圖9a1）對(duì)比，流速在蘇北海域增大，并且流向一致向北或東北，有定向性，在蘇北沿海運(yùn)移海域速度增大，在廢河口外圍海域向東南延伸一帶及山東半島南部海域流速均明顯變大，與其對(duì)應(yīng)的路徑（圖9b2）吻合，在潮和風(fēng)的作用下，水質(zhì)點(diǎn)向北漂移，沒(méi)有了東南向分支，整體向北漂移，但路徑前端沒(méi)有超過(guò)廢河口。潮+風(fēng)+溫鹽流場(chǎng)（圖9a3）與潮+風(fēng)（圖9a2）對(duì)比，流速在蘇北運(yùn)移海域略增加并且流向一致向北，在廢河口外圍海域向東南延伸一帶及山東半島南部區(qū)域流速明顯變大，大于0.1 m/s；在潮和風(fēng)的基礎(chǔ)上加入溫鹽，研究海域流速明顯提高，對(duì)比路徑圖9b3與圖9b2可見(jiàn)，加入溫鹽后路徑略增長(zhǎng)，前端已超過(guò)廢河口，由圖可見(jiàn)，蘇北海域流速略有增長(zhǎng)，山東半島南部區(qū)域流速大幅增加。但漂流瓶及水面粒子所在的靠近海岸的漂流區(qū)域流速增幅較小，故路徑僅略有增長(zhǎng)。潮+風(fēng)+溫鹽+環(huán)流流場(chǎng)（圖9a4）與潮+風(fēng)+溫鹽流場(chǎng)（圖9a3）對(duì)比，圖9a4在最南端開(kāi)邊界處有明顯的流速提升，其他地區(qū)流速變化不明顯，路徑圖9b4與圖9b3對(duì)比可知，在開(kāi)邊界加入環(huán)流之后，水面粒子路徑略向東偏離岸線方向并略微縮短，但這個(gè)結(jié)果僅對(duì)比兩個(gè)流場(chǎng)圖難以明確解釋；實(shí)驗(yàn)5模擬真實(shí)海洋流場(chǎng)（圖9a5）與實(shí)驗(yàn)4流場(chǎng)（圖9a4）相比，整個(gè)海域流速增大，尤其是廢河口及山東半島南部海域，與之對(duì)應(yīng)的路徑圖9b5與圖9b4模擬時(shí)長(zhǎng)相同為1 300 h，但圖9b5路徑大幅明顯增長(zhǎng)，向東北偏轉(zhuǎn)更遠(yuǎn)，波的作用似乎很大。

5 討論

5.1 影響滸苔漂移路徑的單一強(qiáng)迫對(duì)流場(chǎng)的具體作用分析

為了更準(zhǔn)確地反映某一種外界強(qiáng)迫對(duì)研究區(qū)流場(chǎng)的貢獻(xiàn)，利用前5組實(shí)驗(yàn)不同組余流流場(chǎng)差異及第6組實(shí)驗(yàn)余流場(chǎng)，得到潮汐、風(fēng)、環(huán)流、溫鹽、波浪等單一外界迫強(qiáng)影響下的流場(chǎng)圖，進(jìn)而分析其對(duì)滸苔運(yùn)動(dòng)的影響區(qū)域及影響程度。影響區(qū)域分為蘇北、廢河口、山東半島南部海域，對(duì)應(yīng)滸苔運(yùn)移早、中、晚期。外界強(qiáng)迫流場(chǎng)圖對(duì)應(yīng)的實(shí)驗(yàn)余流場(chǎng)或余流場(chǎng)差異如表2。

表2 單一外界強(qiáng)迫下的流場(chǎng)、余流及其對(duì)應(yīng)的模擬實(shí)驗(yàn)對(duì)應(yīng)表Table 2 Table showing single external force induced flow fields,residual flow fields and their corresponding experiments

實(shí)驗(yàn)1～5具有相同的初始場(chǎng)，差異所得風(fēng)、環(huán)流、溫鹽、波浪等單強(qiáng)迫因素的流場(chǎng)已扣除初始場(chǎng)等背景因素的影響，而實(shí)驗(yàn)1潮帶有初始場(chǎng)的影響，因此設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)6（純潮）來(lái)討論潮流強(qiáng)迫的影響作用。如此所得潮汐、風(fēng)場(chǎng)、環(huán)流、溫鹽、波浪等外界單一強(qiáng)迫流場(chǎng)皆扣除了背景因素的影響，與模擬路徑的變化有很好的對(duì)應(yīng)性。如圖10a所示純潮余流場(chǎng)圖，蘇北海域余流呈順時(shí)針環(huán)狀，而且沒(méi)有定向性，在廢河口沿岸處有較大的東南向流速，對(duì)粒子向北漂移形成阻礙；模擬漂流路徑（圖9b1）如前所述在投放地周圍震蕩，對(duì)蘇北滸苔向北遠(yuǎn)距離漂移貢獻(xiàn)微弱。如圖10b所示風(fēng)生流場(chǎng)，在蘇北和廢河口海域流向一致向北，風(fēng)在5個(gè)單一強(qiáng)迫中影響量級(jí)高于其他因素，在沿岸海域流速較小，在外圍海域流速變大，在滸苔漂移區(qū)有明顯的東北向和東向加速作用，與圖9b2水面粒子整體向北漂移吻合，較圖9b1沒(méi)有了東南向分支，這皆表明風(fēng)生流在此起了明顯的北向推動(dòng)作用，這點(diǎn)也與這期間蘇北海域風(fēng)場(chǎng)主要是南風(fēng)的事實(shí)相符合（圖5），在以上5種外界強(qiáng)迫影響所生流場(chǎng)中，風(fēng)生流場(chǎng)最強(qiáng)，這也與前人認(rèn)識(shí)一致，風(fēng)對(duì)于蘇北滸苔漂移起了主要作用[8,31-32]。如圖10c所示溫鹽生流場(chǎng)，在蘇北沿海附近運(yùn)移區(qū)內(nèi)僅有微弱的北向流速，在海州灣及山東半島南岸海域沿岸有較大的東北向流速，向南流向逐漸偏轉(zhuǎn)為東向，而由圖9b3與圖9b2對(duì)比可見(jiàn)，加溫鹽強(qiáng)迫后路徑較之前略增長(zhǎng)，前沿已超過(guò)廢河口，溫鹽影響下的路徑變化與溫鹽流場(chǎng)圖有較好的對(duì)應(yīng)，從圖10c判斷，溫鹽對(duì)滸苔在山東半島南部海域的運(yùn)移有較大加速作用。如圖10d所示環(huán)流流場(chǎng)圖，僅在研究海域南端開(kāi)邊界處有較大北向流速，這也應(yīng)是除了風(fēng)的因素之外，滸苔不南漂的原因，其在其他區(qū)域整體微弱，在蘇北沿岸模擬運(yùn)移區(qū)域，有微弱的北向流，向北逐漸右偏，至廢河口偏轉(zhuǎn)到東南向，在廢河口沿岸具有相對(duì)大的東南向流速，這點(diǎn)符合前人觀點(diǎn)即長(zhǎng)江羽流的一個(gè)分支在夏季和秋季的一小部分左轉(zhuǎn)沿江蘇沿岸延伸[31]，而由圖9b4與圖9b3對(duì)比可知，在開(kāi)邊界加入環(huán)流之后，水面粒子路徑并未向北延伸而是發(fā)生離岸向右偏轉(zhuǎn)且無(wú)增長(zhǎng)，反映受該區(qū)域逐漸向右偏轉(zhuǎn)的東南向環(huán)流的影響。如圖10e所示波生流場(chǎng)圖，在蘇北沿岸海域，有明顯的北向流，速度較風(fēng)生流場(chǎng)小，但遠(yuǎn)大于其他單一強(qiáng)迫對(duì)蘇北海區(qū)的影響，推測(cè)在漂流早期，風(fēng)、波是北向漂流的主要因素。在廢河口附近海域有較大的離岸流[29]亦稱地轉(zhuǎn)流（由冷水團(tuán)鋒面兩側(cè)海表高度不同引起的地轉(zhuǎn)流）[15]，在山東半島南岸有東北向和東向海流，在這兩個(gè)海域波強(qiáng)迫的影響小于風(fēng)，大于潮和環(huán)流，與溫鹽影響相當(dāng)，由圖9b5與圖9b4對(duì)比可知，實(shí)驗(yàn)5在實(shí)驗(yàn)4的基礎(chǔ)上加了波浪強(qiáng)迫，路徑明顯增長(zhǎng)，向東北偏轉(zhuǎn)更遠(yuǎn)，如果不綜合其他單強(qiáng)迫影響，往往會(huì)歸因于波浪本身的影響，而這不僅僅因?yàn)椴ɡ嗽趶U河口有較大速度的離岸流，還因?yàn)樵谙嗤M時(shí)長(zhǎng)內(nèi)水面粒子前段路徑較實(shí)驗(yàn)4漂移略快，得以進(jìn)入了山東半島南部海域，而這里流速大增，進(jìn)而路徑明顯加長(zhǎng)，可見(jiàn)圖10e、圖9a5、圖9b5具有很好的吻合。綜上所述，各單一外強(qiáng)迫影響流場(chǎng)，可以分別明確解釋潮路徑（圖9b1）有南北分支,潮+風(fēng)路徑（圖9b2）比潮路徑（圖9b1）整體向北運(yùn)移，潮+風(fēng)+溫鹽路徑（圖9b3）比潮+風(fēng)路徑（圖9b2）向北運(yùn)移略增加，潮+風(fēng)+環(huán)流+溫鹽路徑（圖9b4）比潮+風(fēng)+溫鹽路徑（圖9b3）路徑偏離岸線且不增長(zhǎng)，潮+風(fēng)+環(huán)流+溫鹽+波流耦合路徑（圖9b5）比潮+風(fēng)+環(huán)流+溫鹽路徑（圖9b4）路徑大幅加長(zhǎng)。

圖9 各流場(chǎng)（a1-a5）及其對(duì)應(yīng)的水面粒子模擬路徑（b1-b5）Fig.9 Flow fields (a1-a5) under various external forces and its corresponding simulated particle paths (b1-b5)

圖10 潮（a）、風(fēng)（b）、溫鹽（c）、環(huán)流（d）、波（e）等單一外強(qiáng)迫影響的流場(chǎng)圖Fig.10 Single external force induced flow fields of tidal (a),wind (b),temperreture and salinity (c),circulation (d),and wave (e)

5.2 滸苔漂移過(guò)程中的溫鹽環(huán)境分析

根據(jù)本研究水動(dòng)力模型結(jié)果在漂流區(qū)及其對(duì)應(yīng)的漂流時(shí)間段（圖4a）所繪制的表層平均溫鹽分布（圖11）可知，自南向北除B區(qū)廢河口西北的低溫區(qū)，隨著漂流時(shí)間推移，溫度呈逐漸升高趨勢(shì)（圖11a），鹽度在A區(qū)自南向北呈增高趨勢(shì)，B、C區(qū)鹽度波動(dòng)?。▓D11c），各個(gè)漂流區(qū)的表層平均溫鹽范圍及滸苔最宜生長(zhǎng)的溫鹽范圍[1]分別如表3所示。從表中可見(jiàn)，各個(gè)漂流區(qū)域的溫鹽皆處于滸苔最宜生長(zhǎng)的溫鹽范圍內(nèi)，另外，研究區(qū)南鄰長(zhǎng)江口，長(zhǎng)江沖淡水北流[33]，這是該區(qū)鹽度偏低的原因之一。每年的5月、6月，太陽(yáng)日照強(qiáng)度漸強(qiáng)，降水增多，其他條件也達(dá)到滸苔最適宜的生長(zhǎng)范圍，另外滸苔綠潮起源及漂移途經(jīng)的黃海南部近岸海域?yàn)槲覈?guó)近海典型的富營(yíng)養(yǎng)化海域，為滸苔生長(zhǎng)提供了豐富的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)[34-37]。在西南夏季風(fēng)吹送下，滸苔沿岸向北漂流，受地球偏轉(zhuǎn)的影響，水流向右偏轉(zhuǎn)[31]，有向東的離岸流的存在，相應(yīng)地有上升流來(lái)補(bǔ)充，進(jìn)一步帶來(lái)營(yíng)養(yǎng)鹽，給滸苔的邊漂流邊快速生長(zhǎng)創(chuàng)造了良好條件。

表3 滸苔漂移時(shí)段經(jīng)過(guò)的不同海域?qū)?yīng)的海表溫度、鹽度時(shí)段表層及滸苔最宜生長(zhǎng)溫鹽表Table 3 Temperature and salinity of the drift region surface average and Ulva prolirera grow most suitable

圖11 漂流區(qū)（b）及其對(duì)應(yīng)的漂流期表層平均溫鹽分布（a,c）Fig.11 The drifting zones (b) and their corresponding mean surface salinity,temperature (a,c) during drift period

6 結(jié)論

利用高分辨率三維FVCOM數(shù)值模型和拉格朗日粒子離線追蹤方法模擬了滸苔運(yùn)移路徑，發(fā)端于蘇北沿岸的滸苔先沿著蘇北沿岸向北運(yùn)移至廢河口，之后向東北方向偏轉(zhuǎn)繼續(xù)運(yùn)移，一直到山東半島南部海域。模擬結(jié)果與漂流瓶運(yùn)移軌跡吻合良好。

影響蘇北滸苔向北遠(yuǎn)距離漂移路徑的主要外界強(qiáng)迫是風(fēng)，比其他因素高1個(gè)量級(jí)。其次是溫鹽、波浪、環(huán)流，潮流僅在局地影響滸苔做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，不發(fā)生遠(yuǎn)距離漂移。在蘇北海域，風(fēng)、波浪、溫鹽皆生成沿岸北向流，影響流速大小依次降低，環(huán)流在蘇北海域微弱，流向也為沿岸北向但逐漸向右偏轉(zhuǎn)，至廢河口一帶，偏轉(zhuǎn)為東南向；在廢河口海域，風(fēng)、溫鹽、波浪皆生成輻射狀離岸流，流速依次減小，流向略有不同，風(fēng)生流、波生流偏西北向或東北向，溫鹽生離岸流為東北向，更偏東；在山東半島南部海域，單一強(qiáng)迫風(fēng)、溫鹽、波、環(huán)流的影響依次降低，環(huán)流在此區(qū)影響最弱。

從模擬結(jié)果看，漂流區(qū)在漂流期表層溫度為18～24℃，表層鹽度為28～31，溫鹽條件在滸苔最宜生長(zhǎng)范圍內(nèi)，這是滸苔能邊漂移邊繁殖大面積暴發(fā)的原因之一。

致謝：感謝南方科技大學(xué)徐景平教授對(duì)本研究給予的建設(shè)性建議和提供的驗(yàn)證站位實(shí)測(cè)資料的支持，特別感謝青島國(guó)家實(shí)驗(yàn)室超算平臺(tái)對(duì)本研究所用模型提供的超算支持與服務(wù)。兩位匿名專家對(duì)本文提出了寶貴、中肯的意見(jiàn)，對(duì)本文質(zhì)量的提升起了很大的作用，在此對(duì)他們及他們的評(píng)審工作表示由衷的感謝和敬意。