孟慶佳，雷坤，劉瑞志

（1.環(huán)境基準(zhǔn)與風(fēng)險(xiǎn)評估國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室中國環(huán)境科學(xué)研究院，北京100012；2.大氣科學(xué)和地球流體力學(xué)數(shù)值模擬國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 中國科學(xué)院大氣物理研究所，北京100029）

1 引言

渤海是半封閉的內(nèi)海，平均水深18 m，海區(qū)北面、西面和南面分別為遼東灣、渤海灣和萊州灣，渤海東面以渤海海峽與黃海相通（見圖1）。關(guān)于渤海的潮汐和潮流，從20 世紀(jì)80年代起就開展了許多數(shù)值模擬研究工作，并取得了初步研究成果（沈育疆[1]，1980；Cao 等[2]，1989；趙保仁等[3]，1994；Yanagi等[4]，1994；葉安樂等[5]，1995；Kang等[6]，1998)。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展和計(jì)算能力的大幅度提高，國內(nèi)外學(xué)者對渤海及黃海、東海的三維潮流進(jìn)行了大量的數(shù)值模擬工作（Guo等[7]，1998；王凱等[8]，1999；Bao等[9]，2001；Zhang 等[10]，2006；朱學(xué)明和劉桂梅[11]，2012)。渤海環(huán)流由潮致余流、風(fēng)生環(huán)流和熱鹽環(huán)流組成，大體是由高鹽的黃海暖流余脈和低鹽的渤海沿岸流所組成。近年來，隨著渤海觀測資料的增多和數(shù)值計(jì)算技術(shù)的發(fā)展，人們加深了對渤海環(huán)流結(jié)構(gòu)的認(rèn)識和理解，但仍存在爭議。王輝等[12]（1993）用數(shù)值方法得到的渤海環(huán)流主體絕大多數(shù)是呈反時(shí)針方向的；趙保仁[3]（1994）由實(shí)測資料分析認(rèn)為遼東灣、萊州灣為順時(shí)針的環(huán)流結(jié)構(gòu)，指出渤海灣則北部沿逆時(shí)針方向，南部沿順時(shí)針方向的雙環(huán)結(jié)構(gòu)；Fang[13]（2000）認(rèn)為渤海灣、萊州灣為逆時(shí)針方向，渤海中部為順時(shí)針方向，渤海中部靠西岸一側(cè)為逆時(shí)針，遼東灣北部為順時(shí)針等多個(gè)渦旋組成；Wei 等[14]（2001）用三維的斜壓模式HAMSOM 模擬了冬季和夏季的渤海環(huán)流，發(fā)現(xiàn)季風(fēng)是渤海環(huán)流發(fā)生季節(jié)變化的主要原因，影響著渤海絕大部分海區(qū)的環(huán)流流型。萬修全等[15]（2003）利用ECOMSED模擬了膠州灣的潮流和示蹤物的分布及擴(kuò)散規(guī)律。為更好的理解渤海季節(jié)環(huán)流和示蹤物擴(kuò)散規(guī)律，本文利用一個(gè)三維斜壓海洋模式模擬研究渤海夏季和冬季的潮汐和環(huán)流情況，以及渤海示蹤物的輸運(yùn)轉(zhuǎn)移規(guī)律。

2 模式和數(shù)據(jù)

本文的數(shù)值模式采用Regional Ocean Mideling System（ROMS）的模型是由美國Rutgers 大學(xué)和UCLA 所共同開發(fā)的區(qū)域海洋模式系統(tǒng)，目前正在海洋研究領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。該模式基于三維非線性斜壓原始方程，水平方向使用曲線正交的Arakawa 網(wǎng)格，垂直方向采用跟隨地形可伸縮的S坐標(biāo)系統(tǒng)，具有自由表面，可以模擬多種尺度的運(yùn)動(dòng)。ROMS 功能比較完善，除水動(dòng)力模塊外，還包含海冰模塊、生態(tài)模塊、沉積模塊和數(shù)據(jù)同化模塊等；具有封閉式、周期性、指示性、輻射和無梯度等多種邊界條件；湍封閉模型也有多種混合方案。

本文模擬研究區(qū)域包括整個(gè)渤海，計(jì)算海區(qū)為37.0o—41.03oN，117.47o—122.3oE所覆蓋的范圍，水平分辨率2’×2’，網(wǎng)格數(shù)是122×146，垂向分10層，外模時(shí)間步長取為300 s，內(nèi)模時(shí)間步長為60 s。模式考慮實(shí)際海底地形，模式的西、北、南邊界取為閉邊界，東邊界為開邊界，開邊界位置設(shè)在遠(yuǎn)離渤海海峽的北黃海122°30′E斷面（見圖1），模式考慮8個(gè)分潮，分別為K1，O1，P1，Q1，M2，S2，N2 和K2（資料來源于http://volkov.oce.orst.edu/tides/TPXO 7.2.html），并通過潮水位和流速從開邊界引入。根據(jù)前人的經(jīng)驗(yàn)，將渤海的底摩擦設(shè)定為0.0012。模式所采用的強(qiáng)迫均為氣候態(tài)資料，海氣熱通量、水通量和風(fēng)應(yīng)力數(shù)據(jù)采用COADS[Diaz等[16]，2002]的多年平均資料。溫、鹽初始條件數(shù)據(jù)取自WOA09資料多年夏季和冬季的溫、鹽場（http://www.nodc.noaa.gov/OC5/WOA09/pubwoa09.html）。圖2 是模式在夏季（6—8月）和冬季（12—2月）的風(fēng)應(yīng)力強(qiáng)迫場，溫、鹽初始場的空間分布。從圖中可以明顯看到，渤海海域受季風(fēng)影響顯著，夏季為東南風(fēng)，冬季為西北風(fēng)。模式以300 s 時(shí)間步長從初始場模擬運(yùn)行了90天，采用最后30天的潮波數(shù)據(jù)用于計(jì)算。

圖1 渤海的地形圖及模式分辨率（從西到東的星號標(biāo)記分別是天津港附近海域、黃河口附近海域、萊州灣海域、秦皇島港附近海域、渤海中部海域、遼東灣中部海域、煙臺(tái)港附近海域、大連港附近海域、營口港附近海域）

3 渤海水動(dòng)力數(shù)值模擬

3.1 潮流場

圖3 給出了模擬的當(dāng)前海平面背景下M2、S2、K1和O1分潮波的同潮圖。M2、S2潮波系統(tǒng)的分布特征大致相似：在渤海有兩個(gè)旋轉(zhuǎn)潮波系統(tǒng)，無潮點(diǎn)分別位于秦皇島外海和黃河口附近外海。潮波經(jīng)渤海海峽進(jìn)入渤海，沿逆時(shí)針方向傳播；一支向北，左旋形成以秦皇島外海為中心的遼東灣潮波系統(tǒng)；另一支向西，左旋形成以老黃河口為中心的潮波系統(tǒng)。受科氏力的作用，同潮時(shí)線繞其無潮點(diǎn)作逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)；振幅在遼東灣頂達(dá)到最大值，約為120 cm。K1、O1潮波系統(tǒng)分布特征也相似：在渤海有一個(gè)旋轉(zhuǎn)潮波系統(tǒng)，無潮點(diǎn)位于渤海海峽附近。最大振幅出現(xiàn)在渤海灣，K1 分潮振幅比O1 分潮大。模式模擬結(jié)果與前人一致（Fang[17], 1986；Yanagi 等[4]，1997；Guo 和Yanagi[7]，1998；Bao 等[18]，2000，Liu等[19]，2003；Fang等[20]，2004）。

3.2 環(huán)流

圖4是模擬的渤海夏季表層和深度平均的環(huán)流圖。從圖中可見，渤海夏季存在著多個(gè)渦旋結(jié)構(gòu)：遼東灣中部的逆時(shí)針渦環(huán)、渤海海峽北部的逆時(shí)針渦環(huán)以及渤海中部的順時(shí)針流環(huán)。深度平均流與表層流的結(jié)構(gòu)基本一致，但多渦旋結(jié)構(gòu)更加顯著，同時(shí)，夏季水體主要從表層流出渤海，在深層流入渤海。趙保仁等[3]（1994）指出渤海灣的環(huán)流應(yīng)該是雙環(huán)結(jié)構(gòu)。在本文的模擬結(jié)果中，在渤海灣內(nèi)也能看到這種流動(dòng)的態(tài)勢，呈南一北向配置，北面的渦環(huán)較強(qiáng)。在渤海海峽外黃海海域存在著一個(gè)逆時(shí)針向的渦旋，范圍較大，幾乎占據(jù)了整個(gè)渤海海峽-黃海海區(qū)。北岸有一支沿岸流流入渤海，流幅較窄，流速較大，達(dá)10 cm/s，在渤海海峽北部匯入了逆時(shí)針大渦旋。

圖2 渤海夏季和冬季的風(fēng)應(yīng)力強(qiáng)迫場以及溫、鹽初始場的空間分布

冬季渤海海溫最低，風(fēng)速最大，上下混合非常充分，因此密度梯度較小，從而渤海冬季的環(huán)流情況主要受風(fēng)應(yīng)力和潮汐動(dòng)力影響。圖5是冬季深度平均的環(huán)流場，如圖所示，渤海冬季流場特別是深度平均流場由多個(gè)渦旋組成，最明顯的就是渤海中部存在的一個(gè)順時(shí)針的大渦旋，它應(yīng)該是風(fēng)生補(bǔ)償流在地形誘導(dǎo)下形成的。渤海灣和萊州灣的流場則主要為氣旋式的渦旋所占據(jù)，并且靠近岸邊一側(cè)，流速偏大，形成一股較明顯的沿岸流。在渤海海峽的流動(dòng)為北進(jìn)南出，冬季渤?？傮w環(huán)流基本表現(xiàn)為風(fēng)海流。

4 示蹤物輸運(yùn)遷移

針對港口污染和海上突發(fā)性污染事件，我們模擬了不同港口和海域處水體示蹤物的輸運(yùn)遷移過程，我們在渤海典型港口和海域選取了9 個(gè)區(qū)域進(jìn)行水體示蹤劑的釋放，利用模式進(jìn)行跟蹤模擬，9個(gè)

區(qū)域分別是遼東灣中部海域、營口港附近海域、秦皇島港附近海域、天津港附近海域、黃河口附近海域、萊州灣海域、煙臺(tái)港附近海域、大連港附近海域以及渤海中部海域，具體位置如圖1所示。

本模式所用的示蹤物（Tracer），為被動(dòng)示蹤劑，相當(dāng)于海水染色劑，其不改變海水的動(dòng)力學(xué)性質(zhì)，不影響動(dòng)力場，只示蹤海水的運(yùn)動(dòng)，其可以代表一切溶于水的示蹤物濃度。本文主要考慮示蹤物輸運(yùn)擴(kuò)散的季節(jié)性特點(diǎn)，因此，潮流的影響和作用基本忽略。

4.1 夏季

圖6 是模式穩(wěn)定后，渤海夏季水體示蹤物輸運(yùn)遷移過程分布圖（每5天的示蹤物分布）。從圖中可以看出水體示蹤物的輸運(yùn)遷移主要受局部流場的影響顯著。營口港附近水體示蹤物主要沿岸自東向西輸運(yùn)，主要擴(kuò)散范圍局限于遼東灣北部沿岸海域，并且在75 天后示蹤物輸運(yùn)到葫蘆島附近海域時(shí)，濃度顯著降低。遼東灣中部海域水體受局地的逆時(shí)針流場影響，自葫蘆島南部海域沿岸向西南方向擴(kuò)散，大部分水體示蹤物受遼東灣逆時(shí)針環(huán)流的影響北上至原海域，但濃度已經(jīng)顯著降低。秦皇島港口附近海域大部分水體示蹤物主要沿岸向南流向渤海灣，并且最終與天津港附近的水體匯合集中于渤海灣的北部沿岸海域。天津港附近水體示蹤物主要在渤海灣北部海域聚集。黃河口東營港附近大部分水體示蹤物在渤海灣南部海域聚集，小部分水體受渤海灣北部逆時(shí)針環(huán)流影響流出渤海灣，不過濃度已顯著降低。萊州灣內(nèi)流速較小，水體示蹤物大都在萊州灣內(nèi)輸運(yùn)，主要集中于萊州灣西南部沿岸海域。渤海海峽外附近為逆時(shí)針流場，北進(jìn)南出，因而大連附近水體很快（10天內(nèi)）流向渤海內(nèi)部，而煙臺(tái)附近的則在15 天左右流出渤海進(jìn)入黃海。渤海中部海域水體主要受順時(shí)針流場影響，在渤海中部流動(dòng)，大約55天后與遼東灣中部水體示蹤物匯合后北上，部分示蹤物受沿岸流向南流動(dòng)，在渤海中北部海域形成西南-東北走向的狹長帶狀分布。

從圖中可以看出，針對9大區(qū)域的示蹤物影響，在夏季示蹤物經(jīng)過80 天輸運(yùn)擴(kuò)散后，濃度顯著降低，示蹤物主要集中于渤海灣、萊州灣西南部、渤海中北部海域以及秦皇島港附近海域。其中渤海灣最為嚴(yán)重，既有天津港口附近的水體示蹤物，又有秦皇島港和東營港的示蹤物，且不易流出渤海灣，示蹤物可長時(shí)間停留在渤海灣。萊州灣西南部比較嚴(yán)重，由于流速小，萊州灣內(nèi)的污染聚集與此，不宜與外海域進(jìn)行交換。秦皇島港南部海域也比較嚴(yán)重，為示蹤物的匯，這可能與地形有關(guān)，沿岸南向流受地形影響變?nèi)酰沟檬聚櫸镌诖司奂?，不宜向外交換。此外，渤海中北部也是示蹤物的聚集地，此處示蹤物大都是從渤海中部漂流而來，小部分由遼東灣中部漂流。

4.2 冬季

圖7 是模式穩(wěn)定后，渤海冬季水體示蹤物輸運(yùn)遷移過程分布圖（每5 天的示蹤物分布）。對比圖6可以看出渤海水體示蹤物在冬季和夏季的輸運(yùn)存在很大不同。營口港水體示蹤物主要沿岸自北向南流動(dòng)，50 天后在長興島附近聚集，同時(shí)濃度顯著降低。遼東灣中部水體呈順時(shí)針沿岸流動(dòng)，一直至長興島北部，大部分示蹤物經(jīng)過100 天左右重新進(jìn)入順時(shí)針環(huán)流。秦皇島附近海域的水體主要在秦皇島港附近海域循環(huán)流動(dòng)，還有一些示蹤物受沿岸流的影響沿岸向北流動(dòng)，這些示蹤物在約40天后與遼東灣的示蹤物匯合，部分進(jìn)入遼東灣順時(shí)針環(huán)流，流向遼東灣北部，另一部分繼續(xù)沿岸北上，在約80 天后到達(dá)葫蘆島附近。渤海中部海域大部分在渤海中部循環(huán)流動(dòng)，但還有小部分示蹤物進(jìn)入秦皇島逆時(shí)針環(huán)流，從而影響秦皇島附近海域。天津港附近水體逆時(shí)針沿岸向南流動(dòng)，在渤海灣南部營口港附近向北流動(dòng)再次進(jìn)入渤海灣。東營港附近水體示蹤物的分為兩支，一支與天津港的水體示蹤物匯合進(jìn)入渤海灣，另一支沿岸向東南流向萊州灣，并與萊州灣的水體匯合在灣內(nèi)沿岸擴(kuò)散，并長時(shí)間聚集。萊州灣內(nèi)部水體示蹤物大部分主要在灣內(nèi)流動(dòng)，與東營港漂流而來的水體示蹤物聚集于萊州灣南部沿岸。渤海海峽外北端為西向流，中南部為逆時(shí)針環(huán)流，大連港水體示蹤物很快流入渤海海域，煙臺(tái)水體示蹤物在10 天左右流出渤海，進(jìn)入黃海。

從圖中可以看出，針對9大區(qū)域的示蹤物影響，在冬季示蹤物經(jīng)過80 天輸運(yùn)擴(kuò)散后，濃度顯著降低，示蹤物主要集中于渤海灣南部入口處、萊州灣、遼東灣東北部沿岸、以及秦皇島港附近海域。冬季渤海三大灣沿岸海域均受到不同程度的污染，不過與夏季存在不同。渤海灣主要是南部沿岸海域受到污染嚴(yán)重，萊州灣內(nèi)海域示蹤物不宜流出萊州灣，同時(shí)受到東營港的水體示蹤物影響嚴(yán)重，使得萊州灣內(nèi)海域和沿岸海域均受到嚴(yán)重污染。遼東灣的污染主要是由遼東灣中部的示蹤物引起的，示蹤物并沒有在某處海域聚集，而是隨著海流不斷漂流，但遼東灣東北部沿岸海域受到污染較為嚴(yán)重。秦皇島的水體示蹤物在冬季的影響與夏季不同，主要影響附近沿岸及其北部海域，甚至可以影響到葫蘆島附近海域。

5 結(jié)論

（1）本研究所用ROMS模擬的潮汐結(jié)果在渤海的應(yīng)用是較成功的，同前人一致，結(jié)果可信。M2、S2潮波系統(tǒng)的無潮點(diǎn)分別位于秦皇島外海和黃河口附近外海，振幅在遼東灣頂達(dá)到最大值，約為120 cm。K1、O1 潮波系統(tǒng)的無潮點(diǎn)位于渤海海峽附近，最大振幅出現(xiàn)在渤海灣，K1分潮振幅比O1分潮大；

（2）渤海夏季和冬季存在著多個(gè)渦旋結(jié)構(gòu)，特別是在渤海中部存在一個(gè)順時(shí)針大渦旋。夏季，渤海灣的環(huán)流是雙環(huán)結(jié)構(gòu)，呈南北向配置，北面的渦環(huán)較強(qiáng)。冬季環(huán)流主要受風(fēng)場、潮余流影響，低溫水體帶來的強(qiáng)烈混合也會(huì)產(chǎn)生影響；

（3）水體示蹤物的輸運(yùn)遷移在夏季和冬季都主要受局部流場的影響顯著，且經(jīng)過大約80天輸運(yùn)擴(kuò)散后，濃度顯著降低。夏季示蹤物主要集中于渤海灣、萊州灣西南部、渤海中北部海域以及秦皇島港附近海域，冬季主要集中于渤海灣南部入口處、萊州灣、遼東灣東北部沿岸、以及秦皇島港附近海域。

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