萊州灣夏季環(huán)流垂向結(jié)構(gòu)及其影響機制的研究

林道榮, 吳文凡, 劉子洲, 殷冰冰, 張 利, 張乃鵬, 孫 超, 袁鵬杰, 翟方國

萊州灣夏季環(huán)流垂向結(jié)構(gòu)及其影響機制的研究

林道榮1, 吳文凡1, 劉子洲1, 殷冰冰2, 張 利2, 張乃鵬3, 孫 超3, 袁鵬杰3, 翟方國1

(1. 中國海洋大學(xué) 海洋與大氣學(xué)院, 山東 青島 266100; 2. 黃河水利委員會 山東水文水資源局, 山東 濟南 250100; 3. 東營市水文中心, 山東 東營 257000)

完善萊州灣三維環(huán)流結(jié)構(gòu), 對進一步認(rèn)識萊州灣海域的物質(zhì)輸運和生態(tài)環(huán)境保護具有重要科學(xué)意義, 但前人對于萊州灣環(huán)流三維結(jié)構(gòu)的研究相對較少。本文基于一套高分辨率的海洋數(shù)值模式, 從三維角度研究了萊州灣夏季8月份環(huán)流的氣候態(tài)特征及其影響機制。數(shù)值研究表明, 萊州灣夏季環(huán)流垂向結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)雙層環(huán)流特征, 其中在跨等深線方向, 環(huán)流的雙層結(jié)構(gòu)環(huán)流特征比較顯著且存在顯著的密度鋒面結(jié)構(gòu)。動量診斷的結(jié)果進一步表明, 這種雙層結(jié)構(gòu)環(huán)流的形成與底層密度鋒面所導(dǎo)致的斜壓梯度力密切相關(guān)。此外, 通過量化溫鹽場對于密度鋒面的貢獻, 本文證實了溫度梯度是萊州灣頂?shù)拿芏蠕h面的主要影響因素, 其對斜壓梯度力的貢獻占比達(dá)到99%, 而鹽度梯度對于萊州灣中部區(qū)域的密度鋒面十分重要, 對斜壓梯度力的貢獻占比達(dá)到58%, 這與夏季黃河所帶來的淡水通量密切相關(guān)。

雙層結(jié)構(gòu)環(huán)流; 數(shù)值研究; 動量診斷; 斜壓梯度力; 溫鹽場

萊州灣位于渤海南部, 平均水深約9 m, 周圍有黃河及小清河等河流注入, 是一個緊鄰渤海海峽的半封閉型海灣, 其物質(zhì)輸運和水交換與開闊海域存在鮮明的差異[1-2], 而環(huán)流是導(dǎo)致這種差異的主要因素之一。萊州灣是山東省內(nèi)重要自然資源地, 在環(huán)渤海經(jīng)濟區(qū)中不可缺少[3], 具有較高的初級生產(chǎn)力和物種多樣性[4], 是許多重要經(jīng)濟生物的傳統(tǒng)產(chǎn)卵、孵化和取食地[5], 長期以來受到學(xué)者們重點關(guān)注[6-9]。

目前關(guān)于萊州灣夏季環(huán)流的研究取得了一定的階段性成果, 但大多數(shù)的研究僅局限于環(huán)流的水平結(jié)構(gòu)[10-11]。趙保仁等[12]根據(jù)實測海流資料研究了渤海環(huán)流分布特征, 指出黃河三角洲外海存在著一支東北偏北向流。江文勝等[13-14]通過人工水母實驗對渤海夏季環(huán)流進行了研究, 指出在渤海海峽處, 海流的運動基本是北進南出。萬修全[15]、吳德星等[16]、徐江玲等[17]的研究指出渤海中部區(qū)域存在反氣旋式環(huán)流。熊學(xué)軍[18]根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查資料研究了渤海夏季環(huán)流的動力學(xué)特征, 結(jié)果表明在渤海海峽, 表層由南到北大部分都是出流, 入流只存在于渤海海峽北部邊緣附近。Zhou等[19]通過現(xiàn)場調(diào)查和數(shù)值模擬方法研究了渤海夏季冷池環(huán)流, 結(jié)果表明夏季萊州灣口處存在一支東向流。Chi等[20]通過數(shù)值模擬方法對萊州灣化學(xué)需氧量的空間分布機制進行了研究, 結(jié)果表明萊州灣頂?shù)奈鞑繀^(qū)域和東部區(qū)域分別存在順時針和逆時針的環(huán)流。目前學(xué)者對萊州灣夏季環(huán)流的三維結(jié)構(gòu)相關(guān)研究較少, 黃大吉等[21-22]利用三維斜壓陸架海模式對渤海夏季環(huán)流進行了研究, 指出渤海夏季環(huán)流存在較為復(fù)雜的三維結(jié)構(gòu)。魏澤勛等[23]利用海洋數(shù)值模式對渤海夏季環(huán)流的三維結(jié)構(gòu)進行了研究, 結(jié)果表明密度流是導(dǎo)致渤海海水垂向運動的主要因素。林霄沛等[24]曾提出過萊州灣夏季環(huán)流垂向結(jié)構(gòu)上存在雙層結(jié)構(gòu)環(huán)流特征, 但對其動力機制的探討較少。壽瑋瑋等[25]利用三維非線性數(shù)值模式對夏季黃河入海徑流進行了研究, 指出夏季黃河所帶來的淡水通量對黃河口附近海域的垂向環(huán)流結(jié)構(gòu)有顯著影響。Mou等[26]利用三維有限體積海洋模式對渤海10 m和20 m等水深的斜壓過程進行了研究, 結(jié)果表明萊州灣夏季20 m水深的斜壓過程比10 m水深的斜壓過程更為顯著。

因此, 為了深入了解萊州灣夏季氣候態(tài)環(huán)流的三維結(jié)構(gòu)特征及其動力機制過程的一般性規(guī)律, 本研究建立了一個非結(jié)構(gòu)性網(wǎng)格的三維斜壓靜力近似的海洋模式, 基于該海洋模型對萊州灣夏季8月份氣候態(tài)流場進行數(shù)值模擬。氣候態(tài)流場的模擬結(jié)果表明, 萊州灣夏季環(huán)流垂向結(jié)構(gòu)上存在較為顯著的雙層結(jié)構(gòu)環(huán)流特征。前人的研究表明, 萊州灣夏季風(fēng)的平均強度較弱, 尤其是8月份萊州灣的風(fēng)生環(huán)流對總環(huán)流的貢獻總體上比較弱[27], 而溫鹽驅(qū)動的密度流在環(huán)流系統(tǒng)中的貢獻比較占優(yōu)勢[28-29]?；诃h(huán)流的氣候態(tài)模擬結(jié)果, 本文采取動量診斷方法探討萊州灣夏季環(huán)流垂向結(jié)構(gòu)的動力影響機制, 并結(jié)合海水狀態(tài)方程量化溫鹽場在該動力機制過程中的貢獻。本文結(jié)果對于研究萊州灣海域的夏季環(huán)流結(jié)構(gòu)及動力過程、以及物質(zhì)輸運過程具有一定的科學(xué)意義。

1 模式設(shè)置與驗證

1.1 模式簡介與模式設(shè)置

自20世紀(jì)80年代以來, 數(shù)值模式作為一種完整的、全方位的工具, 已成為研究海洋物理環(huán)境的重要手段。本研究基于SCHISM(Semi-implicit Cross-scale Hydroscience Integrated System Model)模式[30-31]展開。SCHISM模式是美國威廉與瑪麗學(xué)院張應(yīng)龍博士聯(lián)合全球多家科研院所基于SELFE模型[32]最新開發(fā)的基于非結(jié)構(gòu)性網(wǎng)格的三維斜壓靜力近似的海洋數(shù)值模型, 該模型具有模擬海洋季風(fēng)環(huán)流、海嘯影響、泥沙運輸、生物地球化學(xué)等模塊, 目前已經(jīng)應(yīng)用于全球海水運動相關(guān)問題的研究和預(yù)測。SCHISM模式在近岸模擬中十分靈活, 可以在極高的空間分辨率下運行并且具有極高的效率。相比于正交網(wǎng)格, 非結(jié)構(gòu)化混合三角網(wǎng)格的使用可以高效地分辨萊州灣區(qū)域復(fù)雜的地形結(jié)構(gòu), 如岸線、島嶼等。

圖1展示了模式計算區(qū)域和研究區(qū)域。水平非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格采用MATLAB的OceanMesh2D工具箱生成, 包含了17 138個節(jié)點以及32 370個三角單元, 在近岸和淺水區(qū)域通常有更高的分辨率, 水平分辨率介于0.5 km至4.5 km。垂向網(wǎng)格采用了LSC2垂向方案, 在深水網(wǎng)格通常有著比淺水網(wǎng)格更多的垂向?qū)訑?shù), 垂向網(wǎng)格數(shù)介于19層至30層, 盡可能真實地保留了研究區(qū)域的地形特征, 可以更為準(zhǔn)確地模擬研究區(qū)域復(fù)雜的水體交換過程。模式開邊界設(shè)在北黃海與南黃海的分界線上, 初始場和開邊界場都取自HYCOM(混合坐標(biāo)海洋模型)的月平均氣候態(tài)數(shù)據(jù)集, 大氣強迫數(shù)據(jù)取自ERA5(歐洲中期天氣預(yù)報中心第五代大氣再分析數(shù)據(jù)集)的月平均氣候態(tài)數(shù)據(jù)集, 岸線數(shù)據(jù)取自O(shè)pen Street Map(開放式街道地圖)數(shù)據(jù)集, 地形數(shù)據(jù)取自經(jīng)過當(dāng)?shù)睾D數(shù)據(jù)校正后的ETOPO1(全球地形高程數(shù)據(jù))水深數(shù)據(jù)集。模式使用的8個分潮來自FES2014(全球潮汐模型)數(shù)據(jù)集, 模式計算區(qū)域內(nèi)主要的5條河流(遼河、灤河、海河、黃河、鴨綠江)的月平均徑流數(shù)據(jù)取自中國河流泥沙公報。我們在圖1(a)所示的區(qū)域內(nèi)進行 10 a的氣候態(tài)模擬, 其中前9年的模擬作為模式的Spin-up過程, 最后1年的模擬結(jié)果用來研究萊州灣區(qū)域夏季環(huán)流的研究工作。

圖1 研究區(qū)域的計算網(wǎng)格及水深地形

本文的主要研究內(nèi)容是萊州灣夏季氣候態(tài)環(huán)流的三維結(jié)構(gòu)特征及其動力機制的一般性規(guī)律, 在模式中使用ERA5的月平均氣候態(tài)數(shù)據(jù)集驅(qū)動風(fēng)場。夏季萊州灣可能存在較強的天氣尺度的變化[33], 使得風(fēng)場存在高頻變化, 風(fēng)場變化形成的風(fēng)生環(huán)流會對萊州灣的環(huán)流結(jié)構(gòu)產(chǎn)生一定的影響。但前人的研究表明, 夏季萊州灣的風(fēng)生環(huán)流對總環(huán)流的貢獻總體上比較弱[27], 而溫鹽驅(qū)動的環(huán)流在環(huán)流系統(tǒng)中的貢獻比較占優(yōu)勢[28-29], 這說明萊州灣夏季的高頻風(fēng)場變化無法對萊州灣夏季環(huán)流造成重要影響, 故本文使用月平均氣候態(tài)數(shù)據(jù)集驅(qū)動風(fēng)場是合理的。

1.2 模式驗證

圖2展示了渤海區(qū)域的夏季氣候態(tài)溫度檢驗結(jié)果?，F(xiàn)場觀測溫度數(shù)據(jù)來自自然資源部北海環(huán)境監(jiān)測中心在2008年至2017年的大規(guī)模航次調(diào)查, 本研究對現(xiàn)場觀測溫度數(shù)據(jù)近10年平均氣候態(tài)處理, 并利用收斂加權(quán)平均插值法將其插值到渤海區(qū)域內(nèi)。圖2(a), (b)展示了渤海區(qū)域現(xiàn)場觀測溫度與模式溫度的空間分布, 結(jié)果表明實測溫度與模擬溫度在空間分布上較為相似, 高溫區(qū)域集中在灣頂且向灣外遞減, 同時在渤海海峽存在一個低溫區(qū)域。根據(jù)現(xiàn)場觀測溫度數(shù)據(jù)的散點位置對模式溫度數(shù)據(jù)進行插值, 現(xiàn)場觀測溫度和模式溫度的對比結(jié)果如圖2(c)所示, 現(xiàn)場觀測溫度與模式溫度總體上較為吻合, 說明模式對渤海夏季氣候態(tài)溫度的計算是可信的。

渤海夏季氣候態(tài)深度平均環(huán)流的模擬結(jié)果如圖3所示。結(jié)果表明, 模式較好地再現(xiàn)了渤海夏季主要環(huán)流特征: 萊州灣外西部存在一股較強的東南向流, 該結(jié)果與山廣林等[34]基于現(xiàn)場調(diào)查資料得到的研究成果一致; 渤海灣東側(cè)和北側(cè)分別存在一個逆時針環(huán)流, 該結(jié)果與趙保仁等[12]、徐如彥等[35]基于實測海流資料得到的研究成果一致; 渤海中部區(qū)域存在順時針環(huán)流, 該結(jié)果與趙保仁等[12]、匡國瑞等[36]基于實測海流資料的研究成果一致; 在渤海海峽處, 海流運動基本是北進南出, 該結(jié)果與江文勝等[13-14]、熊學(xué)軍等[18]、Liu等[37]基于現(xiàn)場調(diào)查資料得到的研究成果一致。綜上所述, 本文對于夏季氣候態(tài)環(huán)流的模擬結(jié)果具有較高的可信度。

圖3 渤海夏季氣候態(tài)深度平均環(huán)流

2 結(jié)果與討論

2.1 萊州灣夏季表、底層氣候態(tài)環(huán)流三維結(jié)構(gòu)特征

本節(jié)對夏季8月份萊州灣氣候態(tài)環(huán)流三維結(jié)構(gòu)特征進行分析, 選取3 m水深處環(huán)流表征為表層環(huán)流, 選取12 m水深處環(huán)流表征為底層環(huán)流。圖4展示了夏季萊州灣區(qū)域表層和底層環(huán)流的氣候態(tài)模擬結(jié)果。萊州灣表層環(huán)流[見圖4(a)]結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜: 萊州灣頂?shù)奈鞑繀^(qū)域表現(xiàn)為順時針的沿岸流, 而東部區(qū)域表現(xiàn)為逆時針環(huán)流, 受凸出的岸線地形影響, 該環(huán)流的東側(cè)與北側(cè)更強; 萊州灣中部區(qū)域表現(xiàn)為東北向的出流, 流速高達(dá)0.07 m/s; 萊州灣外西部區(qū)域表現(xiàn)為一股較強的東南向沿岸流, 該沿岸流流至萊州灣中部區(qū)域匯入東北向的出流, 隨后從渤海海峽南側(cè)流出渤海; 同時, 萊州灣外的西北部區(qū)域和東北部區(qū)域分別存在一個較弱的氣旋型環(huán)流和反氣旋型環(huán)流。萊州灣底層環(huán)流[見圖4(b)]在萊州灣中部區(qū)域表現(xiàn)為與表層環(huán)流反向的西南向入流, 流速約為0.02 m/s。底層環(huán)流在萊州灣其他區(qū)域的表現(xiàn)與表層環(huán)流較為相似: 萊州灣外的西北部區(qū)域和東北部區(qū)域分別存在一個氣旋型環(huán)流和反氣旋型環(huán)流; 萊州灣外西部區(qū)域存在東南向的沿岸流, 流速比較小, 約為0.02 m/s。環(huán)流的氣候態(tài)模擬結(jié)果表明, 夏季萊州灣中部區(qū)域環(huán)流垂向結(jié)構(gòu)存在雙層結(jié)構(gòu)環(huán)流特征。

為了深入研究萊州灣中部區(qū)域環(huán)流垂向結(jié)構(gòu)及其動力機制過程的一般性規(guī)律, 本研究自萊州灣里向萊州灣外沿跨等深線方向選取斷面, 且分別取東北、東南方向為跨等深線方向和沿等深線方向的正方向。根據(jù)萊州灣表、底層流場的模擬結(jié)果可知, 跨等深線方向和沿等深線方向的流場均能顯著地表現(xiàn)萊州灣中部區(qū)域的雙層結(jié)構(gòu)環(huán)流特征。

斷面上的跨等深線方向和沿等深線方向流場如圖5所示。在跨等深線方向, 萊州灣中部區(qū)域(119°28′48″~119°34′48″E)環(huán)流垂向結(jié)構(gòu)出現(xiàn)兩個流速相反的高流速中心, 其中表層環(huán)流表現(xiàn)為東北向的出流, 流速高達(dá)0.05 m/s, 底層環(huán)流表現(xiàn)為西南向的入流, 流速高達(dá)0.03 m/s。同時, 在高流速中心的西南側(cè)存在較為明顯的上升流, 且在流速中心的東北側(cè)存在下降流。在沿等深線方向, 萊州灣中部區(qū)域環(huán)流垂向結(jié)構(gòu)同樣出現(xiàn)兩個流速相反的高流速中心, 其中表層環(huán)流表現(xiàn)為東南向的出流, 流速高達(dá)0.04 m/s, 底層環(huán)流表現(xiàn)為西北向的入流, 流速高達(dá)0.02 m/s。該結(jié)果表明夏季萊州灣中部區(qū)域環(huán)流呈現(xiàn)雙層結(jié)構(gòu)環(huán)流特征, 其中跨等深線方向環(huán)流的雙層結(jié)構(gòu)環(huán)流特征比較顯著。

圖4 夏季萊州灣表底層環(huán)流結(jié)構(gòu)

注: 虛線標(biāo)記斷面

圖5 垂向環(huán)流示意圖

注: 黑色虛線之間表示出現(xiàn)雙層結(jié)構(gòu)環(huán)流的區(qū)域, 垂向流速放大3個量級

2.2 萊州灣夏季氣候態(tài)環(huán)流垂向結(jié)構(gòu)的影響機制

2.2.1 表、底層環(huán)流的動量診斷

為了進一步探討萊州灣夏季氣候態(tài)環(huán)流呈現(xiàn)雙層結(jié)構(gòu)環(huán)流的動力機制, 本研究分別跨等深線方向和沿等深線方向?qū)Ρ?、底層環(huán)流進行動量診斷。動量方程為:

表、底層環(huán)流的動量診斷結(jié)果如圖6所示。圖6(a), (c)展示了環(huán)流在跨等深線方向的動量診斷結(jié)果: 在萊州灣中部區(qū)域, 表層環(huán)流主要受到正壓梯度力和科氏力的作用, 表現(xiàn)為準(zhǔn)地轉(zhuǎn)流, 而底層環(huán)流受到的斜壓梯度力顯著增大, 表現(xiàn)為斜壓梯度力與垂直渦黏力、正壓梯度力及科氏力的平衡作用; 在萊州灣外, 表、底層環(huán)流的各項動量項較小, 近似為定常流動?？绲壬罹€方向動量診斷的結(jié)果表明, 萊州灣中部區(qū)域表層環(huán)流以準(zhǔn)地轉(zhuǎn)流的形式往東北方向流動, 而底層斜壓梯度力顯著增大, 與垂直渦黏力、正壓梯度力及科氏力共同維持著底層環(huán)流往西南方向流動。圖6(b), (d)展示了環(huán)流在沿等深線方向的動量診斷結(jié)果: 萊州灣中部區(qū)域表層環(huán)流主要受到正壓梯度力和科氏力的作用, 而底層環(huán)流主要受到正壓梯度力與斜壓梯度力的作用; 萊州灣外表層環(huán)流主要表現(xiàn)為地轉(zhuǎn)流, 而底層環(huán)流主要受到正壓梯度力與斜壓梯度力的作用。沿等深線方向動量診斷的結(jié)果表明, 萊州灣中部區(qū)域表層環(huán)流以準(zhǔn)地轉(zhuǎn)流的形式往東南方向流動, 而底層斜壓梯度力往西北方向顯著增大, 與正壓梯度力共同維持著底層環(huán)流往西北方向流動。

綜上所述, 萊州灣中部區(qū)域表層環(huán)流主要以準(zhǔn)地轉(zhuǎn)流的形式向萊州灣外流動[19], 而底層斜壓梯度力顯著增大, 與其他動量項共同維持著底層向萊州灣頂?shù)牧鲃?。因? 斜壓梯度力是萊州灣中部區(qū)域環(huán)流存在雙層結(jié)構(gòu)的重要原因。

圖6 表、底層環(huán)流的動量診斷結(jié)果

注: 黑色虛線之間表示出現(xiàn)雙層結(jié)構(gòu)環(huán)流的區(qū)域

2.2.2 溫鹽場對斜壓梯度力的影響

上文提到, 在跨等深線方向萊州灣中部區(qū)域夏季氣候態(tài)環(huán)流垂向結(jié)構(gòu)的雙層結(jié)構(gòu)環(huán)流特征比較顯著, 且斜壓梯度力是環(huán)流存在雙層結(jié)構(gòu)的重要原因。由于密度梯度是斜壓梯度力的主要影響因素, 本章節(jié)將利用溫鹽場定量估算跨等深線方向溫度梯度和鹽度梯度對于斜壓梯度力的影響。

斜壓梯度力為:

海水狀態(tài)方程為:

=(,,), (3)

因此, 對于方向斜壓梯度力可表示為:

圖7展示了跨等深線方向溫度、鹽度及密度的垂向分布。由圖可知, 萊州灣頂?shù)臏囟?、鹽度及密度在垂向上均沒有出現(xiàn)分層現(xiàn)象, 其原因是灣頂?shù)乃钶^淺, 使得海水混合較為均勻; 萊州灣中部區(qū)域溫度、鹽度及密度在垂向上逐漸出現(xiàn)分層現(xiàn)象, 水體分層的產(chǎn)生減少了垂向混合, 使剪切輸運和雙層結(jié)構(gòu)環(huán)流增強[38]; 沿斷面往萊州灣外, 溫度、鹽度、密度在垂向上均維持著分層現(xiàn)象。溫、鹽、密的垂向分布結(jié)果表明, 萊州灣中部區(qū)域底層水體的溫度梯度與鹽度梯度比較大, 形成密度鋒面, 導(dǎo)致底層斜壓梯度力比較大。

利用式4定量估算跨等深線方向的溫度梯度、鹽度梯度及水深壓強梯度分別對于斜壓梯度力的貢獻量。斜壓梯度力的估算結(jié)果如圖8所示, 計算結(jié)果表明根據(jù)溫鹽場計算的斜壓梯度力與模式輸出的斜壓梯度力總體上較為吻合, 說明本研究對于斜壓梯度力的估算結(jié)果是可信的, 水深壓強梯度對斜壓梯度力的貢獻比溫度梯度和鹽度梯度小7個量級, 溫度梯度和鹽度梯度是影響斜壓梯度力的主要因素。

利用溫鹽場量化斜壓梯度力的結(jié)果表明, 溫度梯度和鹽度梯度對于斜壓梯度力的貢獻在萊州灣不同區(qū)域存在顯著差異。萊州灣頂?shù)谋韺有眽禾荻攘υ趚1處出現(xiàn)極值點, 該處溫度梯度對表層斜壓梯度力的貢獻約占99%, 鹽度梯度的貢獻約占1%, 說明萊州灣頂?shù)拿芏蠕h面主要是由溫度梯度所主導(dǎo)。從萊州灣頂?shù)饺R州灣中部區(qū)域, 溫度梯度對于斜壓梯度力的貢獻量在減小, 而鹽度梯度對于斜壓梯度力的貢獻量在增大。表層斜壓梯度力在x2處出現(xiàn)極值點, 該處溫度梯度對表層斜壓梯度力的貢獻約占42%, 鹽度梯度的貢獻約占58%; 底層斜壓梯度力在y1處出現(xiàn)極值點, 該處溫度梯度對底層斜壓梯度力的貢獻約占43%, 鹽度梯度的貢獻約占58%, 說明鹽度梯度則對于萊州灣中部區(qū)域的密度鋒面十分重要。萊州灣中部區(qū)域表、底層斜壓梯度力的分析結(jié)果(見表1)表明, 底層斜壓梯度力比表層斜壓梯度力增大約450%, 其中鹽度梯度的貢獻占比約為58%, 溫度梯度的貢獻約為43%, 說明底層斜壓梯度力顯著增大受到鹽度梯度和溫度梯度的共同影響, 其中鹽度梯度的影響比較大。沿斷面往萊州灣外, 表層斜壓梯度力在x3處出現(xiàn)極值點, 該處溫度梯度對表層斜壓梯度力的貢獻約占71%, 鹽度梯度的貢獻約占29%; 而溫度梯度和鹽度梯度對底層斜壓梯度力的貢獻各占50%, 說明在萊州灣外, 鹽度梯度對于斜壓梯度力的貢獻并不占優(yōu)勢。

圖7 跨等深線方向的溫、鹽、密垂向分布圖

注: 黑色虛線標(biāo)記出現(xiàn)雙層結(jié)構(gòu)環(huán)流的區(qū)域

圖8 斜壓梯度力和通過溫鹽場定量估算的斜壓梯度力

注: (a)表層, (b)底層, 黑色虛線標(biāo)記極值點位置, x1、x2、x3為表層斜壓梯度力的極值點, y1為底層斜壓梯度力的極值點

表1 萊州灣中部區(qū)域表、底層斜壓梯度力及溫度梯度、鹽度梯度的貢獻

注: 溫度梯度貢獻占比=溫度梯度貢獻量/斜壓梯度力; 鹽度梯度貢獻占比=鹽度梯度貢獻量/斜壓梯度力

綜上所述, 溫度梯度和鹽度梯度對斜壓梯度力的貢獻十分復(fù)雜, 其中, 溫度梯度是位于灣頂?shù)拿芏蠕h面的主要影響因素, 對斜壓梯度力的貢獻占比達(dá)到99%, 其原因可能是灣頂?shù)乃钶^淺, 使得海水混合較為均勻。鹽度梯度對于萊州灣中部區(qū)域的密度鋒面十分重要, 對斜壓梯度力的貢獻占比達(dá)到58%, 這與夏季黃河所帶來的淡水通量密切相關(guān)。夏季黃河所帶來的淡水通量使得河口附近海域的鹽度梯度和表層余流顯著增強, 導(dǎo)致底層反向流動的補償流也得到加強, 從而強化了萊州灣中部區(qū)域的雙層結(jié)構(gòu)環(huán)流特征[25]。

3 結(jié)論

基于高分辨率海洋數(shù)值模式SCHISM, 本文從三維角度分析了萊州灣夏季環(huán)流結(jié)構(gòu)的氣候態(tài)特征,采取動量診斷方法探討了環(huán)流垂向結(jié)構(gòu)的影響機制, 并結(jié)合海水狀態(tài)方程量化了溫鹽場在該影響機制中的貢獻。模式的氣候態(tài)溫度和環(huán)流驗證結(jié)果表明, 本文對于萊州灣流場的氣候態(tài)模擬結(jié)果具有較高的可信度。模擬結(jié)果表明, 夏季環(huán)流在萊州灣中部區(qū)域呈現(xiàn)“表層環(huán)流向灣外流動, 而底層環(huán)流向灣頂流動”的雙層結(jié)構(gòu)環(huán)流特征, 其中在跨等深線方向, 環(huán)流的雙層結(jié)構(gòu)環(huán)流特征比較顯著且存在顯著的密度鋒面結(jié)構(gòu)。對萊州灣中部區(qū)域表、底層環(huán)流動量診斷的結(jié)果進一步表明, 雙層結(jié)構(gòu)環(huán)流的形成與底層密度鋒面所導(dǎo)致的斜壓梯度力密切相關(guān), 其中表層環(huán)流以準(zhǔn)地轉(zhuǎn)流的形式往萊州灣外流動, 而底層斜壓梯度力顯著增大, 與其他動量項共同維持著底層向萊州灣頂?shù)牧鲃?。本文最主要的?chuàng)新之處在于利用溫鹽場量化了溫度梯度和鹽度梯度對于斜壓梯度力的貢獻。由此本文證實了溫度梯度是萊州灣頂?shù)拿芏蠕h面的主要影響因素, 其對斜壓梯度力的貢獻占比達(dá)到99%, 而鹽度梯度對于萊州灣中部區(qū)域的密度鋒面十分重要, 對斜壓梯度力的貢獻占比達(dá)到58%, 這與夏季黃河所帶來的淡水通量密切相關(guān)。

本文雖然對萊州灣夏季氣候態(tài)環(huán)流的動力機制過程給出相對合理的量化分析, 但也存在一定的局限性。由于環(huán)流結(jié)構(gòu)可能存在年際間變化, 同時萊州灣夏季風(fēng)場可能存在較強的天氣尺度的變化, 這在一定程度上會對環(huán)流的模擬結(jié)果產(chǎn)生影響。但需要強調(diào)的是, 本文只是探討萊州灣夏季環(huán)流及其影響機制的一般性規(guī)律, 而不是綜合現(xiàn)實世界中所有因素進行討論。因此, 本文使用了氣候態(tài)的驅(qū)動場驅(qū)動模式, 主要分析萊州灣夏季的月平均氣候態(tài)流場, 后續(xù)工作中將搜集更多的水文觀測資料[39-40]針對萊州灣夏季氣候態(tài)環(huán)流特征進行深入的探究。

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Vertical structure of summer circulation in Laizhou Bay and its influencing mechanism

LIN Dao-rong1, WU Wen-fan1, LIU Zi-zhou1, YIN Bing-bing2, ZHANG Li2, ZHANG Nai-peng3, SUN Chao3, YUAN Peng-jie3, ZHAI Fang-guo1

(1. College of Oceanography and Atmospheric Sciences, Ocean University of China, Qingdao 266100, China; 2. Yellow River Water Resources Commission Shandong Bureau of Hydrology and Water Resources, Jinan 250100, China; 3. Dongying Hydrology Center, Dongying 257000, China)

Further research on the three-dimensional circulation structure in Laizhou Bay is of great scientific importance to advance our understanding of material transport and ecological environmental protection in the Laizhou Bay waters. However, there are few studies on the three-dimensional structure of the circulation in Laizhou Bay. Motivated by this gap, this paper studies the basic characteristics of summer circulation and its influencing mechanism in Laizhou Bay using SCHISM, a three-dimensional high-resolution ocean numerical model, and the contributions of temperature and salinity to the influencing mechanism were quantitatively measured using the seawater state equation. SCHISM results revealed that the circulation in Laizhou Bay in the summer is characterized by double-layer circulation, with the surface circulation flowing outward and the bottom circulation flowing inward. Momentum diagnosis further showed that the formation of this double-layer circulation structure is closely related to the baroclinic gradient force caused by the bottom density front in which the surface circulation flows out of Laizhou Bay in the form of quasi-geostrophic flow; in contrast, the significantly increased bottom baroclinic gradient force and other momentum terms maintain the bottom flow into Laizhou Bay. In addition, across the isobathic direction, there is a significant density front structure in Laizhou Bay in the summer. By calculating the contribution of the density front, this paper confirms that the temperature gradient is the main factor affecting the density front at the top of Laizhou Bay and contributes 99% to the baroclinic gradient force, and the salinity gradient is very important to the density front in the central region of Laizhou Bay and contributes 58% to the baroclinic gradient force, which is closely related to the freshwater flux brought by the Yellow River in the summer.

double-layer circulation; numerical study; momentum diagnosis; baroclinic gradient force; temperature-salinity field

Nov. 21, 2022

P731.2

A

1000-3096(2023)5-0054-12

10.11759/hykx20221121003

2022-11-21;

2023-01-24

山東省自然科學(xué)基金項目(ZR2020MD059)

[Foundation of Natural Science Foundation of Shandong Province, No. ZR2020MD059]

林道榮(1995—), 男, 廣東湛江人, 碩士生, 研究方向為海洋環(huán)流與數(shù)值分析, E-mail: 1511059062@qq.com; 劉子洲(1987—), 山東淄博人,通信作者, 實驗師, 主要從事物理海洋學(xué)和海洋調(diào)查方面的教學(xué)與研究, E-mail: lzz2013@ouc.edu.cn

(本文編輯: 叢培秀)