宋澤坤，俞亮亮*，向蕓蕓，施偉勇，許雪峰，楊萬(wàn)康，潘　沖

(1.國(guó)家海洋局 第二海洋研究所，浙江 杭州 310012；2.工程海洋學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江 杭州 310012)

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渤、黃、東海8個(gè)主要分潮的數(shù)值模擬研究*

宋澤坤1,2，俞亮亮1,2*，向蕓蕓1,2，施偉勇1,2，許雪峰1,2，楊萬(wàn)康1,2，潘沖1,2

(1.國(guó)家海洋局 第二海洋研究所，浙江 杭州 310012；2.工程海洋學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江 杭州 310012)

摘要：應(yīng)用MIKE數(shù)值模擬軟件，采用無(wú)結(jié)構(gòu)三角形網(wǎng)格，建立一套計(jì)算區(qū)域包括整個(gè)渤海、黃海、東海以及東海大陸架和琉球群島的高分辨率數(shù)值模型，考慮了實(shí)際水深和岸線，外海開邊界采用西北太平洋大模型結(jié)果的潮位提供，模擬了東中國(guó)海潮波的波動(dòng)過(guò)程，對(duì)潮波垂直運(yùn)動(dòng)過(guò)程進(jìn)行調(diào)和分析，得到了渤海、黃海、東海的M2，S2，K1，O1以及N2，K2，P1，Q1八個(gè)主要分潮的傳播和分布特征。利用中國(guó)沿海14個(gè)潮位站的調(diào)和常數(shù)對(duì)模型結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證，驗(yàn)證結(jié)果顯示模型較為準(zhǔn)確可靠。研究結(jié)果表明：4個(gè)主要半日潮(全日潮)在渤、黃、東海的傳播情形基本相似，即潮波在渤海、黃海、東海沿岸的傳播性質(zhì)上類似沿岸開爾文波的傳播形態(tài)，并且成功再現(xiàn)了計(jì)算海域的4個(gè)半日分潮無(wú)潮點(diǎn)和2個(gè)全日分潮無(wú)潮點(diǎn)。全日潮振幅各無(wú)潮點(diǎn)附近振幅最小，而海灣的波腹區(qū)振幅最大，東海潮差呈現(xiàn)近岸方向振幅大、離岸方向振幅小，浙閩沿海振幅也較大，黃海振幅相對(duì)較小，渤海振幅在遼東灣和渤海灣頂最大，兩個(gè)無(wú)潮點(diǎn)周邊振幅較小。

關(guān)鍵詞：渤、黃、東海；潮汐；數(shù)值模擬；同潮圖

對(duì)渤海、黃海、東海的潮流潮汐研究最早是在20世紀(jì)30年代由Ogura基于實(shí)測(cè)資料進(jìn)行的[1]。自20世紀(jì)80年代開始，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展和計(jì)算效率的進(jìn)步，許多學(xué)者采用數(shù)值模擬方法，將渤海、黃海、東海作為一個(gè)整體對(duì)象，對(duì)潮汐、潮流做了大量的研究，并取得了豐富的成果。沈育疆等[2]將渤、黃、東海作為一個(gè)整體，對(duì)M2，S2，K1，O1四個(gè)主要分潮進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，繪制了東中國(guó)海的潮汐同潮圖以及潮流橢圓圖等。趙保仁等[3]和葉安樂(lè)等[4]利用初值法，并綜合考慮水平對(duì)流項(xiàng)和天體引潮力項(xiàng)，對(duì)渤、黃、東海的潮汐進(jìn)行了模擬；上述學(xué)者都是采用二維水平數(shù)值模式對(duì)潮流潮汐進(jìn)行的研究，之后更多研究者采用三維數(shù)值模式。例如王凱等[5]采用地球坐標(biāo)系下的潮波運(yùn)動(dòng)方程，并考慮了天體引潮力，對(duì)東中國(guó)海的潮波運(yùn)動(dòng)形式進(jìn)行了數(shù)值模擬；于克俊等[6]利用三維Leedertse正壓模式對(duì)渤海的潮波進(jìn)行模擬，并給出了潮波的垂向結(jié)構(gòu)；萬(wàn)振文等[7]利用POM數(shù)值模式對(duì)渤、黃、東海的潮汐進(jìn)行了三維模擬，取得了較為不錯(cuò)的結(jié)果。雖然之前學(xué)者取得了豐富的研究成果，但過(guò)去總體因受限于計(jì)算機(jī)的運(yùn)算性能，模型的計(jì)算網(wǎng)格較粗，且多為矩形網(wǎng)格，所以對(duì)岸線和海底地形的分辨率不夠高，對(duì)模擬精度有一定的影響；除此之外，大部分學(xué)者只針對(duì)渤、黃、東海的4個(gè)主要分潮M2，S2，K1，O1進(jìn)行模擬，很少有對(duì)其他4個(gè)次要分潮N2，K2，P1，Q1做過(guò)研究。

為此，針對(duì)上述的問(wèn)題，本文應(yīng)用MIKE三維數(shù)值模擬軟件，建立一套基于無(wú)結(jié)構(gòu)三角形網(wǎng)格的、高分辨率的模型，計(jì)算范圍包括整個(gè)渤海、黃海、東海以及東海大陸架和琉球群島，運(yùn)用沿海潮位站調(diào)和常數(shù)對(duì)模型計(jì)算結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，最后對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行調(diào)和分析，繪制出包括M2，S2，K1，O1以及N2，K2，P1，Q1八個(gè)主要分潮的同潮圖。另外，在一些河口和近岸的局部工程小區(qū)域數(shù)學(xué)模型中，由于缺乏長(zhǎng)期的實(shí)測(cè)潮位資料，小區(qū)域模型的外海邊界的選擇往往困擾著一些河口海岸工程研究者。因此本工作主要為河口海岸局部工程小區(qū)域模型提供準(zhǔn)確可靠的外海開邊界潮位條件，具有重要的實(shí)際意義。

1模型的介紹及設(shè)置

利用MIKE數(shù)學(xué)模型[8-10]，采用無(wú)結(jié)構(gòu)三角形網(wǎng)格，建立了一套區(qū)域包括渤、黃、東海以及東海大陸架計(jì)算模型(圖1)，計(jì)算網(wǎng)格水平方向南至24°N，東至131°30′E，最小網(wǎng)格分辨率在2′左右，在垂向上采用σ坐標(biāo)系，垂向分為10層。模型水深下載自National Geophysical Data Center的全球2′分辨率的資料，陸地岸線則取自Google Earth。模型外海開邊界條件以潮位的形式由各個(gè)分潮潮位組合給出,ζ=aζcos(ωt+φζ)，其中aζ為分潮振幅，φζ為分潮初位相，邊界調(diào)和常數(shù)由西北太平洋大模型結(jié)果提供[8-10]。模擬采用正壓，不考慮海表面風(fēng)應(yīng)力對(duì)潮位的影響。模擬了渤海、黃海、東海的8個(gè)主要分潮M2，S2，K1，O1，N2，K2，P1和Q1。待模型計(jì)算達(dá)到穩(wěn)定后繼續(xù)模擬計(jì)算一個(gè)月，而后采用最小二乘法對(duì)潮位進(jìn)行調(diào)和分析，得到8個(gè)分潮的調(diào)和常數(shù)最終繪制出各個(gè)分潮的同潮圖。

2模擬結(jié)果分析

2.1結(jié)果驗(yàn)證

為了對(duì)模型模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性和精確度進(jìn)行檢驗(yàn)，本文利用渤、黃、東海的沿海潮位站的調(diào)和常數(shù)資料對(duì)模擬所得8個(gè)分潮的調(diào)和常數(shù)進(jìn)行驗(yàn)證。本研究選取了中國(guó)沿海14個(gè)潮位站的調(diào)和常數(shù)，統(tǒng)計(jì)模擬值與實(shí)測(cè)值的振幅RMS(H)和遲角的均方根差RMS(G)：

(1)

(2)

式中，H和G分別代表各個(gè)分潮調(diào)和常數(shù)的振幅和遲角；下標(biāo)a和o分別代表模擬結(jié)果和實(shí)測(cè)結(jié)果；n為第n個(gè)站位；K則代表所統(tǒng)計(jì)的站位個(gè)數(shù)。驗(yàn)證潮位站位置見圖1,各個(gè)海區(qū)的8個(gè)分潮誤差統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表1。從誤差統(tǒng)計(jì)結(jié)果來(lái)看，模型不僅可以較好地模擬出渤海、黃海、東海的4個(gè)主要分潮，而且對(duì)其余4個(gè)次要分潮的模擬也達(dá)到了一定的精度。M2分潮振幅的均方根差中，東海的模擬振幅與觀測(cè)結(jié)果偏差最大，為13.9 cm，其次為黃海，振幅偏差為12.4 cm，渤海的振幅相對(duì)較小，其振幅偏差為8.4 cm。渤海、黃海、東海相位偏差分別為6.7°,7.7°和6.2°；S2分潮中，渤海、黃海、東海振幅誤差分別為2.3,4.5和5.5 cm，相位誤差分別為6.4°,8.8°和5.1°；N2分潮中，渤海、黃海、東海振幅誤差分別為2.6,2.5和3.1 cm，相位誤差分別為7.2°,7.5°和8.4°；K2分潮中，渤海、黃海、東海振幅誤差分別為2.5,2.0和2.4 cm，相位誤差分別為8.3°,9.7°和8.5°；4個(gè)全日潮中，K1分潮的渤海、黃海、東海振幅誤差分別為1.5,1.9和4.1 cm，相位誤差分別為7.6°,8.4°和6.0°；O1分潮的渤海、黃海、東海振幅誤差分別為0.6,1.6和1.8 cm，相位誤差分別為5.9°,5.8°和7.5°；P1分潮的渤海、黃海、東海振幅誤差分別為1.2,0.7和0.9 cm，相位誤差分別為10.1°,10.1°和8.0°；Q1分潮的渤海、黃海、東海振幅誤差分別為0.5,0.4和0.5 cm，相位誤差分別為9.5°,12.7°和9.7°。

圖1　模型計(jì)算區(qū)域和潮位站分布Fig.1　The domain of the model and the locations of the tide stations

分 潮渤海(潮位站1～4)振幅/cm相位/°黃海(潮位站5～9)振幅/cm相位/°東海(潮位站10～14)振幅/cm相位/°M28.46.712.47.713.96.2S22.36.44.58.85.55.1K11.57.61.98.44.16.0O10.65.91.65.81.87.5N22.67.22.57.53.18.4K22.58.32.09.72.48.5P11.210.10.710.10.98.0Q10.59.50.412.70.59.7

潮波的傳播過(guò)程和潮汐分布性質(zhì)分別可以由潮汐同潮圖的等振幅線和同潮時(shí)線反映出來(lái)，其次，無(wú)潮點(diǎn)也是潮汐分布的一個(gè)重要特征。因此，下面本文結(jié)合模擬結(jié)果得出的同潮圖對(duì)半日潮和全日潮的潮波傳播過(guò)程、潮汐性質(zhì)以及無(wú)潮點(diǎn)進(jìn)行詳細(xì)分析。

2.2半日潮模擬結(jié)果分析

模型成功地模擬出了半日分潮在渤、黃、東海的傳播和分布特征，并根據(jù)計(jì)算結(jié)果繪制了4個(gè)半日分潮的同潮圖(圖2)。從半日潮波傳播情況來(lái)看，4個(gè)主要半日潮在渤、黃、東海的傳播情形基本相似，即4個(gè)主要分潮的潮波系統(tǒng)大致相同。

來(lái)自西北太平洋的半日潮波基本以平行等深線方向向西北傳入東海，在傳播至三門灣附近時(shí)同潮時(shí)線隨即分為兩條路徑，呈八字形向南北兩側(cè)伸展，且波峰線明顯突出?？拷_(tái)灣東岸的一小部分半日潮波沿浙江、福建岸線向左旋轉(zhuǎn)進(jìn)入臺(tái)灣海峽，形成“退化旋轉(zhuǎn)潮波系統(tǒng)”[11]。而主要的一條半日潮波繼續(xù)向西北方向傳播進(jìn)入東海北部，隨后少部分半日潮波經(jīng)過(guò)對(duì)馬海峽傳向日本海，大部分進(jìn)入黃海的前進(jìn)波由于受山東半島的阻擋而產(chǎn)生反射、相互疊加、從而在連云港附近海域形成南黃海左旋(逆時(shí)針)的旋轉(zhuǎn)潮波系統(tǒng)。傳播至黃海的半日潮波再往北在山東乳山外側(cè)海域形成北黃海旋轉(zhuǎn)潮波系統(tǒng)。然后繼續(xù)傳播經(jīng)過(guò)渤海海峽后進(jìn)入渤海，又分別向北和向西分為兩支繼續(xù)傳播，向北和向西兩支分別形成了北渤海旋轉(zhuǎn)潮波系統(tǒng)和南渤海旋轉(zhuǎn)潮波系統(tǒng)。經(jīng)分析可知，由于科氏力在北半球的作用各旋轉(zhuǎn)潮波系統(tǒng)均呈左旋(逆時(shí)針)方向旋轉(zhuǎn)。

從振幅的分布特征來(lái)看，各無(wú)潮點(diǎn)附近振幅最小，而海灣的波腹區(qū)振幅最大，如杭州灣、三門灣、福建沿海、朝鮮半島等都是振幅較大區(qū)域。東海潮差呈現(xiàn)近岸方向振幅大、離岸方向振幅小；浙閩沿海振幅也較大；黃海振幅因無(wú)潮點(diǎn)向江蘇和山東沿岸靠近使得山東和江蘇的黃海區(qū)域振幅相對(duì)較?。徊澈Ｕ穹谶|東灣和渤海灣頂最大，2個(gè)無(wú)潮點(diǎn)周邊振幅較小。

圖2　M2，S2，N2，K2分潮同潮圖Fig.2　The cotidal charts of M2, S2, N2 and K2 components predicted with the model

每個(gè)半日旋轉(zhuǎn)潮波系統(tǒng)的中心都伴隨著一個(gè)無(wú)潮點(diǎn)，各旋轉(zhuǎn)潮波系統(tǒng)以及無(wú)潮點(diǎn)的位置分布形成了渤海、黃海、東海的潮波系統(tǒng)主要特征。本研究成功模擬出渤、黃、東海的4個(gè)無(wú)潮點(diǎn)，渤海和黃海分別存在2個(gè)半日分潮的無(wú)潮點(diǎn)，無(wú)潮點(diǎn)位置見表2。

表2　半日分潮無(wú)潮點(diǎn)位置

2.3全日潮模擬結(jié)果分析

模型模擬出了全日分潮在渤、黃、東海的傳播和分布特征，并根據(jù)計(jì)算結(jié)果繪制了4個(gè)全日分潮的同潮圖(圖3)。由于全日潮的角頻率為半日潮的一半，因而其傳播和分布特征與半日潮相比差別較大。從全日潮波傳播的模擬結(jié)果來(lái)看，4個(gè)主要全日潮波在渤、黃、東海的傳播情形基本相似，西北太平洋全日潮波向西南方向傳播進(jìn)入東海后，部分潮波繼續(xù)向西南方向傳播，經(jīng)過(guò)臺(tái)灣海峽以及臺(tái)灣以東的海區(qū)進(jìn)入南海；部分潮波則朝北傳播,在黃海中南部形成黃海旋轉(zhuǎn)潮波系統(tǒng)；在渤海中部也形成一個(gè)旋轉(zhuǎn)潮波系統(tǒng)。4個(gè)全日潮波傳播情形較為相似，但其分布特征以及振幅有著較大的區(qū)別。

圖3　K1，O1，P1，Q1分潮同潮圖Fig.3　The cotidal charts of K1, O1, P1 and Q1 components predicted with the model

每個(gè)全日旋轉(zhuǎn)潮波系統(tǒng)的中心都伴隨著一個(gè)無(wú)潮點(diǎn)，本研究成功模擬出渤、黃、東海的2個(gè)無(wú)潮點(diǎn)，分別位于渤海中部(122°49′06″E，38°08′12″N)和黃海中南部(120°30′06″E，38°15′48″N)。

3結(jié)語(yǔ)

本文采用無(wú)結(jié)構(gòu)三角形網(wǎng)格，考慮實(shí)際岸線和水深地形，建立了一套計(jì)算范圍包括渤、黃、東海以及東海大陸架計(jì)算模型，模擬了渤海、黃海、東海的8個(gè)主要分潮M2，S2，K1，O1以及N2，K2，P1，Q1。計(jì)算模型成功模擬出8個(gè)分潮在渤海、黃海、東海的傳播和分布特征。利用中國(guó)沿海14個(gè)潮位站的調(diào)和常數(shù)對(duì)模型結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證，驗(yàn)證結(jié)果顯示模型較為準(zhǔn)確可靠。研究結(jié)果表明：4個(gè)主要半日潮(全日潮)在渤、黃、東海的傳播情形基本相似，即潮波在渤海、黃海、東海沿岸的傳播性質(zhì)上類似沿岸開爾文波的傳播形態(tài)，并且成功再現(xiàn)了計(jì)算海域的4個(gè)半日分潮無(wú)潮點(diǎn)和2個(gè)全日分潮無(wú)潮點(diǎn)，由于科氏力在北半球作用的結(jié)果，各旋轉(zhuǎn)潮波系統(tǒng)均呈左旋(逆時(shí)針)方向旋轉(zhuǎn)。本研究得出的同潮圖分布與前人研究結(jié)果基本一致[11-14]。模型模擬的結(jié)果可以為今后河口海岸局部小區(qū)域模型提供準(zhǔn)確可靠的外海開邊界潮位條件。

本研究雖然成功模擬出渤海、黃海、東海的8個(gè)主要分潮的同潮時(shí)圖，但是還存在一些不足，例如對(duì)近海潮汐的模擬計(jì)算除了模型本身的因素以外，水深地形的準(zhǔn)確度、網(wǎng)格的分辨率、邊條件等都是制約計(jì)算精度的因素。對(duì)于本研究來(lái)講，下一步需要采用更加精確的水深資料以及邊界條件來(lái)提高模型的計(jì)算精度和準(zhǔn)確率。除此之外，本文只模擬了潮動(dòng)力過(guò)程，對(duì)大洋的實(shí)際情況比如風(fēng)應(yīng)力、斜壓梯度力、漫灘等小的動(dòng)力因素未予考慮。因此本研究今后將綜合考慮海洋動(dòng)力因素對(duì)潮波的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行更加準(zhǔn)確的模擬。

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A Numerical Simulation Study on Eight Major Tidal Components in the Bohai Sea, the Yellow Sea and the East China Sea

SONG Ze-kun1,2, YU Liang-liang1,2, XIANG Yun-yun1,2, SHI Wei-yong1,2,XU Xue-feng1,2, YANG Wan-kang1,2, PAN Chong1,2

(1.TheSecondInstituteofOceanography,SOA, Hangzhou 300012,China；2.KeyLaboratoryofEngineeringOceanography，Hangzhou 300012,China)

Abstract:A high resolution grid model is established for the calculated areas including the Bohai Sea, the Yellow Sea, the East China Sea, the East China Sea continental shelf and the Ryukyu Islands by using the MIKE software and a nonstructural triangular mesh, in which the actual water depth and shoreline are considered and the open boundary is resulted from the comprehensive Northwest Pacific tidal model. Based on this model, the tidal wave processes in the China seas are simulated, a harmonic analysis is made for the vertical motion processes of the tidal waves and thus the propagation and distribution characteristics of eight tidal components like M2, S2, K1, O1, N2, K2, P1 and Q1 in the Bohai Sea, the Yellow Sea and the East China Sea are obtained. The results from the model have been validated by using the harmonic constants of 14 tide stations located along the coast of China, indicating that the model is more accurate and reliable. The research results show that the propagation of the 4 major semidiurnal tides (also the diurnal tides) are similar in the above seas, that means, the propagation property of the tidal waves along the coasts of the above seas is similar to that of the coastal Kelvin Wave. Moreover, 4 amphidromic points of the semidiurnal tide component and 2 amphidromic points of the diurnal tide component in the calculated areas are reproduced successfully. The diurnal tidal amplitude is minimal around the amphidromic points and maximal at the free zone of the bay. The tidal range amplitude is large towards the coast and small towards the sea in the East China Sea. It is large along the coasts of Zhejiang and Fujian and relatively small in the Yellow Sea. In the Bohai Sea, it is maximal at the tops of the Bohai Bay and the Liaodong Bay and smaller in the area around the two amphidromic points of the diurnal tide component.

Key words:the Bohai Sea, the Yellow Sea and the East China Sea; tide; numerical simulation; cotidal chart

中圖分類號(hào)：P731.2

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

doi:10.3969/j.issn.1002-3682.2016.01.002

作者簡(jiǎn)介：宋澤坤(1986-)，男，工程師，碩士，主要從事河口海岸工程環(huán)境方面研究.E-mail:zekunsong@126.com*通訊作者：俞亮亮(1988-)，男，工程師，碩士，主要從事河口海岸工程環(huán)境方面研究.E-mail:yuliangliang_nju@126.com(王燕編輯)

收稿日期：2015-08-12

文章編號(hào)：1002-3682(2016)01-0016-08

資助項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)青年基金項(xiàng)目——土地資源約束下海島系統(tǒng)的適應(yīng)性管理研究(41506140)；浙江省自然科學(xué)基金青年基金項(xiàng)目——基于機(jī)制分解方法的分汊型強(qiáng)潮海灣水沙輸運(yùn)及分汊系統(tǒng)穩(wěn)定性研究——以三門灣為例(LQ16D060007)；中央級(jí)公益性科研院所基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)——海平面上升背景下浙江沿海工程水位的修正(JG1408)；中央級(jí)公益性科研院所基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)——典型海灣風(fēng)暴潮數(shù)值預(yù)報(bào)與漫堤風(fēng)險(xiǎn)研究(JG1409)