丁 芮， 陳學恩??， 曲念東

(1. 中國海洋大學海洋環(huán)境學院， 山東 青島 266100； 2. 國家海洋局南海環(huán)境監(jiān)測中心， 廣東 廣州 510300)

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珠江口及鄰近海域潮波數值模擬?
——I模型的建立和分析

丁 芮1， 陳學恩1??， 曲念東2

(1. 中國海洋大學海洋環(huán)境學院， 山東 青島 266100； 2. 國家海洋局南海環(huán)境監(jiān)測中心， 廣東 廣州 510300)

采用無結構網格三維有限體積海洋模式FVCOM，基于高精度的水深和岸線資料，建立了覆蓋珠江口及鄰近海域的三維正壓高分辨率數值模型。和驗潮站實測資料以及前人研究的對比驗證表明，該模型能較準確地再現珠江口及鄰近海域的潮汐、潮流變化過程。研究發(fā)現，珠江口海域潮汐為不正規(guī)半日潮，潮型數大致介于1.1～1.3之間，M2分潮占主導地位。M2，S2，K1和O14個主要分潮向河口內傳播時，等振幅線均偏西北-東南向，西側振幅小于東側，河口附近等位相線比陸架海域密，西側相較于東側更密。從灣口傳播到灣頂，半日分潮歷時約2h，全日分潮歷時約1.3h。潮流呈東強西弱，且落急流速大于漲急流速，河口內潮流流速是陸架海域的1～2倍，最大可達到1m/s；在陸架海域半日分潮旋轉潮流強于全日分潮，在珠江口內主要為西北-東南方向往復流，航道區(qū)潮流最大。歐拉余流在河口內航道區(qū)形成南向流，在河口西側淺灘處形成北向流，出現了余環(huán)流結構。此外，在航道區(qū)和深圳灣等區(qū)域形成較強余流渦旋結構。外海傳入潮流能通量自南向北在珠江口內匯聚，在航道區(qū)呈現高值區(qū)，最大可達10KW/m。

珠江口；潮汐；潮流；數值模擬；FVCOM

珠江口水域大體可分為黃茅海、磨刀門和伶仃洋三部分[1]，包含虎門、蕉門、洪奇門、橫門、磨刀門、雞啼門、虎跳門及崖門共8個珠江徑流入?？陂T。珠江口海灣特指伶仃洋水域，該水域內有2條航道，其水深較深，對應著東，西深槽；另有東，中，西3個淺灘，地貌特征復雜。珠江年徑流量在全國河流中居第二位。由于珠江口受到潮汐和徑流的雙重作用，所以對其潮汐潮流進行研究具有重要意義。

前人已對珠江口海域進行了頗多探究。在實測資料分析方面，吳俊彥和肖京國[2]根據700多個驗潮站的潮汐資料，對包含珠江口海域在內的中國沿海港口的潮汐類型行了分析。Mao等[3]分析了1998年珠江口的潮流和潮汐等實測資料。宋曉飛等[4]通過對珠江口磨刀門水域包括潮位、徑流量、海表水溫、鹽度、風速等參數在內的長期資料的整理和分析，探討了其鹽水入侵加強的原因。在數值模擬研究方面，隨著數值模式和計算機技術的發(fā)展，海洋數值模型也在珠江口海域得到了廣泛應用。韓保新等[5]用有限差分方法對珠江口海區(qū)的潮汐和潮流進行了數值模擬，并對若干質點進行了短時間的拉格朗日運動軌跡追蹤，但囿于岸線、水深資料的準確性，未能細致體現珠江口海區(qū)潮汐潮流狀況；王彪等[7]基于FVCOM模型，對珠江口及其鄰近海域的潮汐進行了初步模擬；包蕓等[6]采用三維斜壓模型模擬了均勻西南風對珠江口近岸海域的影響，給出了有風和無風情況下珠江口海域的余流分布與鹽度分布。

綜上所述，由于所使用地形資料或計算資源的制約，前人對珠江口潮汐環(huán)流的數值研究分辨率仍然較低，難以刻畫較細致的動力過程。本文基于三維有限體積海洋模式FVCOM，在珠江口及鄰近海域建立了高分辨率水動力數值模型，對珠江口及鄰近海域的潮汐、潮流以及余流的特征進行了驗證和分析，為珠江口水交換研究等后續(xù)工作奠定了基礎。

1 模型建立與驗證

1.1 模型配置

FVCOM模式采用非結構化三角形網格，提高了對復雜海岸線和海底地形的擬合程度，干-濕網格技術能較好地處理模型的邊界運動，對于具有復雜地形和岸線的區(qū)域來說能更好地保證質量、動量的守恒性[8]。垂直方向上采用σ坐標可以較好地擬合海底地形變化劇烈的海域，這對于模擬像珠江口及鄰近海域水深變化較劇烈的區(qū)域來說尤為重要。因此，用FVCOM模式對珠江口這樣一個地形復雜、島嶼眾多、灘涂密布、岸線不規(guī)則、潮差大的水域進行水動力模擬非常合適。

模型的計算區(qū)域為110.20°E～116.25°E，20.04°N～23.28°N，水平網格共有95627個三角形節(jié)點，184804個三角形單元，網格在珠江口海域尤其是航道區(qū)進行了重點加密，航道區(qū)分辨率最高可達50m，外海開邊界處低至9km(見圖1)。珠江口區(qū)域岸線和地形數據來NOAA/NGDC和ETOP1，并采用中華人民共和國海事局出版的海圖予以了訂正(見圖2)。模型的徑流數據來自《中國河流泥沙公報(2008)》[14]中高要，石角，博羅等水文站的月平均徑流量；外海每個開邊界網格點上的潮汐驅動由美國俄勒岡州立大學的全球潮汐同化數據(OTIS)計算所得八分潮(M2、S2、K1、O1、N2、K2、P1、Q1)預報水位經過訂正后得到。模型內、外模時間步長分別設為12，2 s，模型驗證試驗的模擬時段為2008年1月1日—4月30日。

圖1 計算區(qū)域及網格Fig.1 Model domain and mesh

(圖中紅點表示驗潮站位置。Red nodes: tidal stations location.)圖2 珠江口及鄰近海域岸線與地形Fig.2 Model coastline and bathymetry around the Pearl River Estuary

1.2 模型驗證

本文選取赤灣、珠江2個驗潮站3個月的逐時水位資料，并搜集了研究海域內其他3個驗潮站的振幅和遲角數據[9]，表1給出了5個驗潮站的觀測與計算所得振幅和遲角之對比，表2則給出了本研究與前人研究的振幅和遲角之對比。

由表1模型模擬結果與5個驗潮站實測數據的對比可知，4個主要分潮的振幅誤差均低于1cm，總體來看，所有振幅誤差均小于2%。除大亞灣和香港站的K1遲角誤差為1.68°和1.32°，汕尾站M2遲角誤差3.15°以外，4個分潮的遲角誤差也低于1°。從表2本研究計算所得振幅和遲角與前人的研究相比可知，本研究結果的準確度又有較大提高。因此，本文建立的珠江口海域高分辨率模型結果可信，能夠較準確地再現整個研究海域的潮汐環(huán)流特征。

表1 4個主要分潮觀測與計算調和常數對比

表2 本研究和前人研究所得調和常數對比

2 潮汐環(huán)流模擬結果分析

2.1 潮汐性質分析

圖3 潮汐性質判別系數分布Fig.3 Distribution of molded tidal characteristics

2.2 河口區(qū)潮汐特征分析

為了分析珠江口及鄰近海域潮汐的傳播特征，繪制河口區(qū)4個主要分潮M2,、S2、K1、O1的同潮圖見圖4。

由圖4可知，各分潮潮波在傳播至珠江口附近時分為兩支，一支繼續(xù)西傳，另一支則轉為向北進入珠江口。各分潮在河口內等振幅線與等位相線走向大致平行，說明潮波在河口內的傳播具有前進潮波的特征。同時，半日潮特征加強，且M2分潮占主導地位，其振幅為4個主要分潮中最大。

由于河口水面向北逐漸變窄，M2潮波傳入河口后能量不斷積累，導致振幅由南向北從45cm逐漸增大到70cm?？陂T處M2等振幅線偏西北-東南走向，說明口門處西側振幅小于東側振幅，這是由于口門東側水深較深，是潮波主要的傳播通道，振幅較大；西側水深較淺，潮波能量被消耗，使振幅減小。等位相線隨著潮波繼續(xù)北傳變密集，呈東北-西南走向，緣于河口內水深變淺和岸界阻礙作用使潮波速度減慢所致。東側遲角小于西側，表明東側潮波傳播較西側快，緣于西側淺灘使潮波的傳播減慢。

S2分潮等振幅線和等位相線與M2分潮的分布相似，口門以北的振幅介于17～27cm之間，不足M2分潮的一半；遲角則比M2分潮的大，說明其潮波傳播速度比M2分潮的慢。半日潮波從口門傳播到灣頂，M2分潮歷時小于2h(口門至灣頂位相差約40°)，而S2分潮歷時約為2h(口門至灣頂位相差約60°)。

(左：振幅(單位：m)； 右：遲角(單位：(°)。Left: co-amplitude (in m)；Right: co-phases (in deg).)圖4 珠江口海域4個主要分潮同潮圖Fig.4 Co-tidal lines for four principal constituents in the Pearl River Estuary

K1分潮振幅在口門以北介于36～39cm，東側振幅較大，西側振幅較小，東側潮波傳播較快。O1分潮等振幅線與等位相線與K1分潮分布相似，O1分潮振幅介于30～35cm，比K1分潮振幅小20%左右。對全日潮來說，從口門傳播到灣頂，K1和O1分潮歷時均約1.3h(灣口至灣頂位相差為20°)。

至于模型在珠江口外陸架南海北部的結果(圖略)，本文得出的結論與前人的研究發(fā)現基本一致[11-12]，在此不再敘述。

2.3 潮流結果分析

2.3.1 潮流空間分布 為了闡述研究海域潮流空間分布隨時間的變化，本文給出了珠江口海域模型在漲急和落急兩個標志性時刻的垂向平均流場圖(見圖5，箭頭代表流速，背景色標代表流速量值)。若下文沒有特別提出，所提流速均為垂向平均流速。

漲急時刻，潮流方向主要沿河道逆流北上，珠江口外潮流流速較小，大部分都在0.4m/s以下，潮流向灣內匯聚，在大濠島分為兩支向北流動。河口內潮流流速比口門外陸架海域流速大，基本都在0.5m/s左右；東、西航道區(qū)流速介于0.5～0.8m/s之間。漲潮流在淇澳島和內伶仃島分別偏向西北、東北，而后繼續(xù)北上。潮流分布總體上呈東強西弱，在航道區(qū)較大，在西側淺灘處較小。

落急時刻，潮流分布在珠江口內依舊呈東高西低，東、西航道及其臨近區(qū)域出現流速大小介于0.7～1m/s之間的高值區(qū)，最大流速出現在航道區(qū)，此由地形作用和徑流下泄共同作用所致；在口門處，潮流流速減弱至0.4m/s以下。落潮流途經淇澳島和內伶仃島時分別偏向西南、東南向，之后繼續(xù)南下。與漲急時刻的流速相比，落急流速在河口內有不同程度的加強，尤以航道區(qū)最為顯著，這是因為徑流匯入潮流時會加強總落潮流速但抑制總漲潮流速以及漲落潮不對稱的影響。此外，模型計算結果表明，一個潮周期之內落潮歷時比漲潮歷時多半小時左右，徑流下泄使落潮歷時長于漲潮歷時。Mao等[3]亦通過分析珠江口海域的實測數據得出過類似結論。

(左：漲急； 右：落急。Left: maximum flood； Right: maximum ebb.)圖5 珠江口海域潮流分布圖Fig.5 Distribution of tidal current in the Pearl River Estuary

2.3.2 潮流橢圓分布 選取模型模擬結果第11～第50天的逐時流速進行潮流調和分析，得到4個主要分潮在口門外陸架海域及珠江口海域的潮流橢圓分布(見圖6、7)。

由圖6可知，4個分潮M2、K1、S2、O1的潮流振幅依次減小。在口門外陸架海域，4個分潮潮流橢圓旋轉方向的分布有所不同。以M2分潮為例，在河口東側大致沿114.2°E為界，界線東側以順時針旋轉為主，西側以逆時針旋轉為主，但界線西側珠江口門附近海域則為強的順時針旋轉流。其他分潮也有旋轉方向隨區(qū)域而不同的特征，這里不再詳述。

研究還發(fā)現，在某些區(qū)域，若半日潮有明顯的旋轉潮流，全日潮對應的旋轉潮流則較小。楊萬康[11]研究過南海北部陸架區(qū)的潮流時，亦曾得出類似結論。

由圖7可知，珠江口海域潮流流速顯著大于口門外陸架區(qū)域潮流流速。在珠江口海域，M2分潮以往復流為主，潮流橢圓長半軸有平行于岸界或者航道等深線的趨勢；潮流流速在航道區(qū)最大可達約60cm/s；由于西部淺灘的阻礙作用，珠江口西側海域的潮流流速小于東側海域。K1在珠江口海域的潮流流速也以往復流為主，流速最大值約為30cm/s。S2、O1潮流橢圓分布分別與M2，K1相似，但量值均小于后者。總體來說，珠江口海域潮流以往復流為主，除在大濠島附近局部潮流橢圓為東北-西南方向以外，大部分海域潮流橢圓為西北-東南方向；以淇澳島、內伶仃島和深圳灣的連線為界，潮流運動在北部基本上為逆時針而南部為順時針。此外，M2潮流橢圓長軸大約是其他3個分潮長軸的2倍多，與Mao等[3]從實測資料分析所得出的結論一致。

(紅色表示逆時針；藍色表示順時針。Red: counterclockwise； Blue: clockwise.)圖6 陸架海域4個主要分潮潮流橢圓分布Fig.6 Tidal current ellipse for four principal constituents in offshore sea

2.4 珠江口海域余流分析

歐拉余流指空間每一點上的凈流動，定義為一定時段內所有經過該空間點上的質點的速度矢量在該時段上的平均，它主要由非線性底摩擦效應引起，與局部地形密切相關，一般采用潮流場的時間平均場來描述。Euler余流的計算表達式為：

其中:VE為歐拉余流;Vi為流速;N為流速個數。

拉格朗日余流一般由潮波方程中的非線性作用及海底海岸摩擦所造成的。由于其表示的是潮波的凈位移，故對物質輸運

至關重要。拉格朗日余流的計算表達式為：

VL=VE+VS。

本文取模型開始積分10d后連續(xù)25h的逐時流速結果計算得到了在潮汐徑流作用下珠江口海域的歐拉余流場，斯托克斯漂流及拉格朗日余流場(見圖8)。

圖8中箭頭表示余流的大小和方向，背景場為余流的渦度場?？梢?，斯托克斯漂流渦度的值比歐拉余流的小一到兩個量級，也就是說，計算所得的拉格朗日余流的渦度大小和特征基本與歐拉余流一致。不過，由于岸界的非線性作用，斯托克斯漂流在沿岸和島嶼處的余流渦旋有所加強。除非特別說明，本節(jié)對潮致余流的分析均使用歐拉余流。

由于珠江口及鄰近海域岸線和地形復雜，島嶼眾多，研究海域呈現出大小、強弱不等的多渦旋余流結構。在伶仃洋外島嶼分布區(qū)，珠江口航道區(qū)，深圳灣內，淇澳島及內伶仃島周圍，大濠島附近，均存在較強的渦旋結構；在大鵬灣、大亞灣和珠江口沿岸存在較弱渦旋結構。上述渦旋結構會影響珠江口及鄰近海域的水交換和物質輸運。

在潮汐和徑流的雙重驅動下，磨刀門和珠江口內4大口門存在較強的余流，內伶仃島與深圳灣之間、大濠島與香港主島之間也是余流高值區(qū)。航道區(qū)有較強的余流向外海流動，余流經過大濠島時分為兩支，一支繼續(xù)順著航道向南流動，另一支從大濠島與香港主島之間流向外海；西側淺灘存在較弱的余流向河口內流動，與前述航道區(qū)的南向余流形成了一個環(huán)流結構。這是由于潮汐與地形的非線性相互作用，在淺灘處產生上溯余流所致。

余流繼續(xù)南下流入外海過程中受到科氏力和地形的共同作用，余流南下流入外海過程中轉為西向流動，直到橫琴島以西海域；大萬山島以西余流流速大于大萬山島以東。

(左：歐拉余流；中：拉格朗日余流；右：斯托克斯漂流。Left: Eulerian residual current; Middle: Lagrangian residual current; Right: Stokes drift.)圖8 珠江口海域余流分布Fig.8 Residual current field in the Pearl River Estuary

2.5 珠江口海域潮流能通量分析

為了分析珠江口海域潮汐能的分布和傳播，本文通過計算一個潮周期內的潮流能通量來分析潮流能量量值的分布以及潮流能量的傳播方向[12,16]：

U=vH,

(1)

P=ρg。

(2)

其中:P為潮流能通量;ρ為密度;g為重力加速度;U為體積輸運矢量;v為流速;H為水深;ζ為水位;<>代表時間平均。

圖9給出了珠江口海域潮流能通量的分布，其中箭頭代表潮流能通量方向，背景色標代表量值。由圖可知，潮流能通量由外海向珠江口內匯聚。在珠江口東側大鵬灣西南沿岸，潮流能通量沿著岸線自東向西北傳播至珠江口大濠島以南時分為兩支，一支轉向東北側的水道，另一支繼續(xù)向西北運動至大濠島西側轉而北上。

在河口內，潮流能通量主要呈北向傳播，淇澳島北上至蕉門之間有向西和西南方向的流動，潮流能通量繞淇澳島呈逆時針旋轉；在珠江口東、西航道區(qū)由于水深較深且流速較大，在該處形成了潮流能通量高值區(qū)。

圖9 珠江口海域潮流能通量水平分布Fig.9 Horizontal distribution of tidal energy flux in the Pearl River Estuary

潮流能通量的量值在沿岸淺水處較小，如大鵬灣，大亞灣，深圳灣內，淇澳島附近，并隨著水深增大而增大。

珠江口外側陸架區(qū)，潮流能通量大體呈東南-西北向運動，一部分在河口附近轉為北向進入河口，余部繼續(xù)向西北運動至磨刀門附近。

3 結論

本文基于無結構網格海洋模式FVCOM，考慮8個主要分潮、徑流等影響，通過對珠江口及鄰近海域高精度的水動力數值模擬，細致驗證和分析了珠江口潮汐環(huán)流及余流的特性。主要結論如下：

(1)與5個驗潮站的實測數據對比前4個主要分潮振幅和遲角的誤差均低于2%，較前人的模式準確度有了大幅提高，說明模型能夠較準確地刻畫珠江口及鄰近海域的潮汐環(huán)流等水動力特征。

(2)珠江口海域潮型數大致介于1.1～1.3之間，潮汐類型為不正規(guī)半日潮。

(3)在珠江河口海域，潮波的傳播具有前進潮波的特征。在前4個主要分潮中，M2分潮占主導地位，振幅最大。總體上，4個主要分潮向河口內傳播時，由于河口向北逐漸變窄，潮波傳入河口能量不斷積累，使振幅逐漸變大。等振幅線偏西北-東南向，這是由于東側水深較深，是潮波傳播主要通道而西側淺灘會引起能量損耗。同時，河口區(qū)等位相線比口門外陸架海域的密集，這是因為河口水深變淺與岸界阻礙使傳播速度減慢；其分布東側稀疏西側密集，說明東側潮波傳播較快。潮波從灣口傳播到灣頂，半日分潮歷時約2h，全日分潮歷時約1.3h。

(4)4個主要分潮在淺海陸架區(qū)以旋轉流為主，且每個分潮在不同位置都有一條界線，界線以東為順時針旋轉流，以西為逆時針旋轉流。半日分潮在淺海陸架區(qū)有明顯的旋轉潮流，全日分潮在同一區(qū)域的旋轉潮流較弱。在珠江河口內以往復流為主，潮流流速是陸架海域的1～2倍，最大可達到1m/s，受地形和徑流影響，航道區(qū)(水深最大)流速最大，西側淺灘處流速較小，潮流總體上呈東強西弱，并且落急流速大于漲急流速，落潮歷時長于漲潮歷時。潮流橢圓傾斜的方向基本為西北-東南，潮流橢圓長半軸有平行于岸界或者航道的趨勢；河口內以淇澳島、內伶仃島和深圳灣的連線為界，潮流運動基本上在北部為逆時針而在南部為順時針。M2潮流橢圓長軸大約是其他3個分潮長軸的2倍。

(5)由于地形和岸線的作用，在伶仃洋外島嶼分布區(qū)，珠江口航道區(qū)，深圳灣內，淇澳島及內伶仃島周圍，大濠島附近均存在較強的渦旋結構，這些渦旋結構會影響珠江口及鄰近海域的水交換和物質輸運。在河口內，由于潮汐與地形的非線性相互作用以及徑流下泄，在航道區(qū)會有向南的流動，而在河口西側淺灘處會有向北的流動，形成一個環(huán)流結構；同時在磨刀門和珠江口內四大口門區(qū)，內伶仃島與深圳灣之間、大濠島與香港主島之間產生余流高值區(qū)。余流南下進入外海時，受科氏力作用大部分向西流動，且大萬山島以西流速大于大萬山島以東。

(6)外海傳入的潮流能通量大部分自南向北在珠江口內匯聚，未進入河口的能通量向西和西北方向運動，淇澳島周圍潮流能通量呈逆時針旋轉。由于水深較深且流速較大，在珠江河口東，西航道區(qū)形成潮流能通量高值區(qū)，量值最大可達10kW/m，在大鵬灣，大亞灣，深圳灣內，淇澳島附近潮流能通量量值較小，在0～1kW/m之間。

致謝：本研究由“珠江口及臨近海域高精度潮汐-環(huán)流數值模擬系統(tǒng)的開發(fā)”課題和“全球大洋中尺度渦旋預報和南中國海內孤立波預報系統(tǒng)研發(fā)”共同資助。在研究過程中，史軍強同學提出了有益的建議，國家超級計算濟南中心提供了千萬億次“神威藍光”計算平臺,在此一并表示感謝。

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責任編輯 龐 旻

Three-Dimensional High-Resolution Numerical Study of the Tide and Circulation in the Pearl River Estuary and Its Adjacent Waters Part I: Model Building and Analysis

DING Rui1, CHEN Xue-En1, QU Nian-Dong2

(1.College of Physical and Environmental Oceanography, Ocean University of China, Qingdao 266100， China; 2.South China Sea Environmental Monitoring Center, SOA, Guangzhou 510300， China)

Based on an unstructured grid and finite-volume coastal ocean model (FVCOM), including highly accurate coastline and bathymetry data, a three-dimension model with high resolution is constructed in the Pearl River Estuary and its adjacent sea area to reproduce tides, tidal currents and residual currents. The comparison between observations and numerical modeling indicates that the computing results fit the measured values well. More elaborate co-tidal charts and pictures of tidal current ellipse of the four principal tide constituents as well as figures of tides, tidal currents and residual currents illustrate characteristics of tides and circulation in the research areas. The results show that there is mixed semidiurnal tide existing in the Pearl River, and the tide-type factor ranges from 1. 1 to 1. 3. In the estuary, the tidal amplitude in the east side is higher than that in the west side, and the tide in the east propagates more quickly than that in the west; the tidal currents is mainly northwestern and southeastern with a rectilinear-current motion, and the maximum current velocity appears in the channel; the residual current in the channel flows towards the south, influenced by drainage of the runoff, while in the western shoal of the estuary, it flows towards the north, where a structure of circulation emerges. The tidal energy flux propagating from open sea, the maximum of which appears in the west and east channel of the estuary, mostly converges in the Pearl River Estuary, and circles counterclockwise around Qi’ao Island.

Pearl River Estuary; tide; tidal current; numerical simulation; FVCOM

海洋公益性行業(yè)科研專項“小型陣變頻高頻地波雷達數據的開發(fā)和應用”(201205032-2)；“海底管道探測技術集成及風險評估技術研究與示范應用”(201305026-3)；“海洋站生態(tài)環(huán)境長期綜合觀測系統(tǒng)集成技術研究與示范”(201505007)資助

2015-03-08；

2015-04-20

丁 芮(1990-)，女，博士生。E-mail：aadingrui@126.com

??通訊作者： E-mail：xchen@ouc.edu.cn

P731.24

A

1672-5174(2015)11-001-09

10.16441/j.cnki.hdxb.20150064