壽瑋瑋，宗海波*，丁平興

(1.華東師范大學(xué) 河口海岸學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200062)

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夏季黃河入海徑流對黃河口及附近海域環(huán)流影響的數(shù)值研究

壽瑋瑋1，宗海波1*，丁平興1

(1.華東師范大學(xué) 河口海岸學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200062)

摘要：基于區(qū)域海洋模式ROMS，建立了一個(gè)三維非線性斜壓淺海模式，考慮了包括徑流、風(fēng)場、海面熱交換以及黃渤海環(huán)流等因素，研究了夏季8月份黃河入海徑流量對黃河口及附近海域環(huán)流結(jié)構(gòu)的影響。數(shù)值實(shí)驗(yàn)較好地佐證了黃河沖淡水的“北偏”現(xiàn)象，并很好的體現(xiàn)了沖淡水對河口附近海域環(huán)流結(jié)構(gòu)的影響。數(shù)值研究表明：黃河入海徑流量對河口附近海域環(huán)流結(jié)構(gòu)有顯著影響，徑流越大沖淡水向北-西北方向偏轉(zhuǎn)越明顯，同時(shí)流軸中心余流流速也顯著增大；萊州灣順時(shí)針環(huán)流受黃河入海徑流影響顯著，徑流量越大越不利于該環(huán)流的發(fā)育和維持，而徑流量越小環(huán)流越穩(wěn)定；徑流量越大導(dǎo)致河口附近海域表層余流加大，余流垂向梯度得到加強(qiáng)，底部補(bǔ)償流增強(qiáng)，河口垂向環(huán)流越明顯。

關(guān)鍵詞：黃河；徑流量；環(huán)流；數(shù)值研究

1引言

河流沖淡水輸入作為河口動力學(xué)的一個(gè)重要內(nèi)容，受到全球海洋科學(xué)領(lǐng)域的高度重視[1]。陸源淡水輸入不僅對河口區(qū)的動力和生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生顯著影響，也會在更大范圍內(nèi)影響水體屬性(如鹽度和水團(tuán)等)的空間分布，進(jìn)而影響海水密度以及近岸或區(qū)域環(huán)流[1—2]。如密西西比河口，由于徑流主要由3個(gè)不同方向的入?？谌牒?，在不同的風(fēng)場和墨西哥灣環(huán)流影響下，對河口附近環(huán)流有著明顯不同的影響。在其西南入口附近海域，部分沖淡水在口門西北側(cè)形成局地環(huán)流，其余部分向西沿陸架流動[3]；向南入海的沖淡水由于鄰近陸坡而更易受到外海環(huán)流的影響而脫離陸架進(jìn)入外海[4]。亞馬孫河沖淡水出口門后主要向左偏轉(zhuǎn)(南半球)，在巴西北部環(huán)流的影響下沖淡水逐漸脫離河口羽狀流并使得河口局地渦流得到進(jìn)一步加強(qiáng)，沖淡水能對3 500 km之外的熱帶大西洋水體密度和生物光學(xué)性質(zhì)產(chǎn)生明顯影響[5]。

渤海是我國最大的內(nèi)海，近封閉且平均水深約18 m，內(nèi)部水體更新緩慢[6—7]，主要依靠進(jìn)出渤海海峽的區(qū)域環(huán)流與黃海進(jìn)行水體交換。渤海是一個(gè)以潮占優(yōu)的陸架淺海，潮流和海面風(fēng)應(yīng)力是影響渤海環(huán)流結(jié)構(gòu)的主要因素。關(guān)于渤海的環(huán)流結(jié)構(gòu)，我國學(xué)者已有大量的研究，包括對實(shí)測資料的分析[8—13]和數(shù)值模型的計(jì)算[14—27]。這些研究對理解渤海的環(huán)流結(jié)構(gòu)作出了重要貢獻(xiàn)，但由于渤海環(huán)流的復(fù)雜性和觀測的相對缺乏，對渤海季節(jié)性環(huán)流結(jié)構(gòu)的已有認(rèn)知存在較大差異[11]。在對夏季萊州灣環(huán)流的描述中有的學(xué)者認(rèn)為存在一個(gè)順時(shí)針環(huán)流[12]，而也有學(xué)者認(rèn)為存在一個(gè)逆時(shí)針環(huán)流[22]。在眾多探討渤海環(huán)流的研究中，主要側(cè)重討論風(fēng)應(yīng)力[14，18，21，24—25，27]，潮汐[11，17]以及海水熱鹽結(jié)構(gòu)[16，18，26，28]對渤海環(huán)流的影響，但在對局部海域的環(huán)流進(jìn)行模擬計(jì)算和描述中，鮮見討論徑流沖淡水對區(qū)域環(huán)流尤其是對河口附近海域環(huán)流的影響。吳德星等[29]從渤海淡水收支平衡角度出發(fā)，分析了降水、蒸發(fā)以及黃河入海徑流量對渤海鹽度上升的影響貢獻(xiàn)，指出黃河沖淡水的銳減是導(dǎo)致渤海鹽度整體升高的主要原因。吳德星等[28]對比分析了1958-2000年渤海夏季的溫鹽場差異，認(rèn)為溫度場差異不大而鹽度場發(fā)生了根本性變異，并針對鹽度場差異對渤海夏季環(huán)流進(jìn)行了診斷計(jì)算，結(jié)果顯示鹽度場的變異顯著改變了渤海夏季的環(huán)流結(jié)構(gòu)。畢聰聰?shù)萚26]通過分析40年間渤海鹽度分布，指出從20世紀(jì)80年代開始渤海鹽度發(fā)生了顯著變化，到90年代變化更顯著，黃河口附近低鹽度區(qū)接近消失，并通過數(shù)值計(jì)算說明了密度環(huán)流在渤海夏季環(huán)流中的重要性。

黃河是一條典型的季節(jié)性河流，是注入渤海的第一大河，其多年平均入海徑流量占環(huán)渤海河流總?cè)牒搅髁康?0%以上，且徑流量季節(jié)和年際變幅較大，自然入海徑流量主要集中于夏季的7-8月。自從黃河水利委員會開始實(shí)施一年一度的調(diào)水調(diào)沙之后，黃河入海徑流的年內(nèi)分配更加集中，多年平均調(diào)水調(diào)沙期間入海徑流量和輸沙量分別占黃河年入海徑流量和輸沙量的約30%和44%[30]，而某些年份該期間的徑流量(如2002年)和輸沙量(如2007年)占全年總量高達(dá)55%和66%。巨量沖淡水的集中釋放，不僅影響河流的物質(zhì)輸送，還會顯著改變河口的水動力環(huán)境。為了深入了解在不同入海徑流量作用下，黃河口及附近海域的環(huán)流特征及其變化規(guī)律，本研究建立了一個(gè)渤海三維非線性斜壓環(huán)流模式，基于該三維環(huán)流模型對夏季黃河入海徑流對河口區(qū)動力環(huán)境的影響進(jìn)行了數(shù)值分析，這對于進(jìn)一步研究黃河口及渤海的物質(zhì)輸運(yùn)和分布、河口附近海域的動力沉積過程等具有一定的科學(xué)意義。

2模式設(shè)置與驗(yàn)證

2.1模式簡介

本研究中數(shù)值模式采用的區(qū)域海洋模型ROMS(Regional Ocean Modelling System， http://www.myroms.org/)，是目前國際上最先進(jìn)的海洋模型之一，被廣泛應(yīng)用于全球區(qū)域海洋多領(lǐng)域的研究。該模型水平方向使用正交曲線的Arakawa C網(wǎng)格，可以在近岸處加密網(wǎng)格，以更好地?cái)M合陸地邊界；垂向上采用地形擬合的可自由伸縮的非線性坐標(biāo)系統(tǒng)，在海洋表底層可以局部加密以更好地刻畫邊界層內(nèi)的過程[31]。

2.2模式設(shè)置

渤海環(huán)流模式計(jì)算區(qū)域和計(jì)算網(wǎng)格如圖1所示。水深地形數(shù)據(jù)由海圖數(shù)字化得到并校正至平均海平面，再插值到計(jì)算網(wǎng)格。模型在X方向的計(jì)算網(wǎng)格數(shù)為358個(gè)，分辨率320～2 340 m；Y方向的計(jì)算網(wǎng)格數(shù)為363個(gè)，分辨率540～2 140 m；垂向上分為10層，表底邊界層進(jìn)行適當(dāng)加密。外海開邊界設(shè)在122°E附近，模式利用8個(gè)分潮(M2，S2，K1，O1，N2，K2，P1，Q1)計(jì)算的水位和由全球模式HYCOM(http://hycom.org/)提供的水位、流速和溫鹽共同驅(qū)動，4個(gè)主要分潮的調(diào)和常數(shù)取自《渤海、黃海、東海海洋圖集(水文)》[32]并根據(jù)附近沿岸站實(shí)測資料進(jìn)行修正，其余4個(gè)分潮的調(diào)和常數(shù)由中國東部海域大區(qū)模型提供[33]；三維流速和溫鹽采用輻射邊界條件并結(jié)合張弛逼近技術(shù)。為保證計(jì)算穩(wěn)定性，強(qiáng)迫的邊界條件都從零初始值開始逐步增加，模式積分時(shí)間為2006年5月1日至2013年12月31日，時(shí)間步長取60 s。經(jīng)過3年多時(shí)間的積分，環(huán)流模式已達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)并取2010年夏季月份環(huán)流場進(jìn)行分析。

模式中考慮環(huán)渤海6條主要河流的徑流輸入，河流入海位置見圖1b箭頭所示，徑流數(shù)據(jù)均取自各年份《中國河流泥沙公報(bào)》中的月平均徑流量和輸沙量(http://www.mwr.gov.cn/)。溫鹽初始場數(shù)字化自圖集[32]并插值到計(jì)算網(wǎng)格，流速和水位初始場都設(shè)為0。模式采用塊體公式[34]計(jì)算海表面熱通量和動量通量，計(jì)算所需的風(fēng)速、短波和長波輻射、云量、海表面氣溫、氣壓、濕度以及蒸發(fā)和降雨數(shù)據(jù)取自歐洲中尺度氣象預(yù)報(bào)中心(ECMWF)提供的再分析產(chǎn)品，數(shù)據(jù)集為3 h間隔，空間分辨率為(1/8)°。用于模式驗(yàn)證的海流數(shù)據(jù)來源于2006年11月至2013年4月間在渤海不同區(qū)域的現(xiàn)場觀測，所用的儀器為ADCP或直讀式海流計(jì)，溫度和鹽度采用CTD觀測數(shù)據(jù)，模式驗(yàn)證時(shí)取與各觀測站觀測時(shí)間完全一致的模型運(yùn)算結(jié)果來對比。

圖1　渤海計(jì)算網(wǎng)格(a)及水深地形和站位布置圖(b)Fig.1　Horizontal model grid (a) and bathymetry and stations (b)

圖2　模式計(jì)算與實(shí)測潮汐振幅(a)和相位(b)的對比Fig.2　Comparisons of tidal amplitudes (a) and phases (b) between model results and measurements

2.3模式驗(yàn)證

首先是對渤海天文潮的率定檢驗(yàn)，本文選取了環(huán)渤海11個(gè)驗(yàn)潮站(圖1b)4個(gè)主要分潮的調(diào)和常數(shù)進(jìn)行了對比(圖2)，結(jié)果表明該模式對渤海天文潮的計(jì)算已達(dá)到較高的精度。在此基礎(chǔ)上，設(shè)置了包括徑流(含泥沙)、風(fēng)應(yīng)力、海表面熱交換等外部條件的渤海環(huán)流模式。模式計(jì)算與實(shí)測海流之間的對比采用相關(guān)系數(shù)[CC，式(1)]、均方根誤差[RMSE，式(2)]以及Skill Score[SS，式(3)][35]的方法來說明。本文選取了環(huán)渤海10個(gè)測站的多層位實(shí)測海流數(shù)據(jù)來驗(yàn)證模式計(jì)算流場，各站位具體位置參見圖1b，表層和垂向平均流速驗(yàn)證結(jié)果列于表1。由表1可知，相關(guān)系數(shù)基本都在0.8～0.9之間，而Skill Score值亦顯示模式流場計(jì)算結(jié)果達(dá)到了較高的精度。在溫度和鹽度大面分布合理的基礎(chǔ)上，選取了渤海灣和金州灣共4個(gè)站點(diǎn)進(jìn)行了驗(yàn)證，結(jié)果如圖3所示。由圖可知，除了C4站位由于太靠近岸邊使得溫鹽有小幅偏差外，其余站位驗(yàn)證結(jié)果都很好，說明模式對溫、鹽場及斜壓環(huán)流的計(jì)算可以得到較好的保證。

(1)

(2)

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表1　模式計(jì)算流速驗(yàn)證

圖3　模式計(jì)算和觀測表層(a-d)和底層(e-h)的溫度和鹽度對比Fig. 3　Comparisons of temperature and salinity of surface (a-d) and bottom (e-h) layer實(shí)線為計(jì)算值，點(diǎn)為觀測值，紅色代表鹽度，黑色代表溫度The dots indicate field data and the lines indicate model results， the red indicate salinity and the black indicate temperature

圖4　渤海夏季表層(a)和底層(b)環(huán)流Fig.4　Distributions of surface (a) and bottom (b) circulation in the Bohai Sea圖a中白色虛線為本文研究海域，黑色實(shí)線為文中所用典型斷面The area in white dashed represents interested domain， the black line indicate vertical profile

圖5　黃河口附近海域夏季表層(a)和底層(b)環(huán)流Fig.5　Distributions of surface (a) and bottom (b) circulation in the Huanghe River Estuary and adjacent waters

圖6　斷面B-B′處余流(a，東向流速為正、西向流速為負(fù))和鹽度(b)分布Fig.6　Vertical profile of residual currents (a) and salinity (b) along the section B-B′. Positive values represent east flow and negative ones for west flow

3結(jié)果與分析

渤海由于其所處特殊的地理位置，內(nèi)部水交換和物質(zhì)輸運(yùn)存在與其他開闊海域鮮明的差異，而環(huán)流是影響這種差異的主要因素。渤海的環(huán)流結(jié)構(gòu)和形態(tài)，以及多年來的演變一直是我國海洋工作者關(guān)心和研究的課題。夏季是渤海區(qū)域的雨季，天然降水的大幅增加和人工調(diào)節(jié)的干預(yù)，使得入海徑流尤其是黃河入海徑流在時(shí)間上更加集中，對渤海特別是黃河口附近海域的流場會產(chǎn)生顯著的影響。鑒于此，在上一節(jié)對模擬的渤海天文潮、溫、鹽場以及流場率定和檢驗(yàn)的基礎(chǔ)上，本節(jié)對模擬的渤海夏季環(huán)流，尤其對夏季黃河口附近海域的環(huán)流進(jìn)行了分析。

3.1渤海夏季環(huán)流特征

圖4所示為模擬的夏季(8月)渤海表層和底層環(huán)流。在夏季偏南風(fēng)作用下，渤海表層環(huán)流具有明顯的風(fēng)海流性質(zhì)(圖4a)，最大流速約20 cm/s。渤海灣內(nèi)表層環(huán)流由兩個(gè)半環(huán)組成，流態(tài)上總體表現(xiàn)為南北進(jìn)、中間出。遼東灣內(nèi)表層環(huán)流受遼河和大遼河徑流輸入影響顯著，尤其在西岸有一股較強(qiáng)的西南向沿岸流，東岸余流流向主要為西-西北向，整個(gè)海灣表現(xiàn)為一逆時(shí)針環(huán)流。渤海中部海域的表層環(huán)流表現(xiàn)為順時(shí)針流動，而深度平均環(huán)流顯示，中部海域被一個(gè)明顯的順時(shí)針環(huán)流所占據(jù)。渤海海峽東側(cè)海水呈逆時(shí)針方向流動，海峽處從表層到底層都表現(xiàn)為“北進(jìn)南出”的流動態(tài)勢；“出流”主要集中于海峽表層中部，而“入流”則位于海峽北側(cè)，且中下層較表層更顯著(圖4b)。渤海底層環(huán)流結(jié)構(gòu)較為簡單，主要表現(xiàn)為補(bǔ)償流(圖4b)，除海峽北側(cè)整個(gè)海域余流流速普遍小于5 cm/s。從平面流態(tài)上來看，海峽處進(jìn)入渤海的補(bǔ)償流可以一直深入到渤海西岸，主流沿西岸北上進(jìn)入遼東灣，剩余部分進(jìn)入渤海灣；而通過海峽“北進(jìn)”的流動主要沿遼東灣東岸北上。此外，黃河口北側(cè)沿岸無論表層還是底層余流均指向西北，表明有部分黃河沖淡水進(jìn)入渤海灣南部。上述渤海環(huán)流結(jié)構(gòu)及特征基本與前人研究成果一致[8，11，18—20，28,37—38]，說明本文所建立的環(huán)流模式可靠，可為下文進(jìn)一步研究黃河口附近海域環(huán)流提供保證。

3.2黃河口附近海域夏季環(huán)流特征

黃河口及附近海域局地環(huán)流如圖5所示，該海域環(huán)流受黃河徑流輸入影響顯著(圖5a)。表層余流流向整體往東，口門附近最大流速可達(dá)20 cm/s；底層余流往西表現(xiàn)為補(bǔ)償流，最大流速約10 cm/s。黃河沖淡水主流出口門后分為兩支，一支向北-東北方向流動(下文稱北支)，在38°N附近受到中部海域環(huán)流擠壓轉(zhuǎn)而向東成為整個(gè)渤海環(huán)流的重要組成部分；另一支在科氏力[39—40]及潮汐等作用下向南進(jìn)入萊州灣(下文稱南支)，隨后轉(zhuǎn)向東北從渤海海峽最南側(cè)流出渤海。從平面分布來看，沖淡水形成的南、北分支在空間上形成相對平行的余流路徑(圖5a)，流路兩側(cè)和中間流速明顯偏小。黃河口南側(cè)及萊州灣水體受沖淡水影響形成相對低鹽區(qū)，河口南側(cè)存在一個(gè)順時(shí)針渦環(huán)，同時(shí)在萊州灣南部形成一個(gè)扁平的順時(shí)針環(huán)流。

斷面B-B′處的月平均余流分布如圖6a所示。由圖可知，在距岸30～40 km和60～70 km處的上表層存在兩個(gè)強(qiáng)余流中心，對比圖5a可知，兩個(gè)強(qiáng)余流中心與黃河沖淡水兩個(gè)分支在斷面上的流軸位置相對應(yīng)，且北側(cè)余流較南側(cè)更強(qiáng)，最大流速可達(dá)13 cm/s。從斷面流速分布來看，中、上層余流指向外海，平均流速約3～4 cm/s，下層余流以補(bǔ)償流形式向萊州灣流動，平均流速小于1 cm/s。

圖6b所示為斷面B-B′處的月平均鹽度分布。由圖可知，黃河沖淡水對鹽度的影響可以達(dá)到斷面最北部。在水深12 m以淺海域，由于潮混合和渦動混合作用鹽度垂向分布均勻；在水深14～18 m處形成明顯的鹽度躍層，躍層深度位于5～10 m水深處；水深超過18 m海域，黃河沖淡水對鹽度的影響減至最弱，鹽度垂向分布趨于均勻。此外，在距岸60 km處可見局部的低鹽區(qū)，這是由黃河沖淡水出口門后的北支分量所形成。

4討論

黃河是典型的季節(jié)性河流，流域降水隨季節(jié)變化差異較大，6-9月為黃河流域雨季，降水集中且強(qiáng)度較大，加之黃河人工調(diào)水調(diào)沙的影響，入海徑流更加集中，勢必會對黃河口附近海域的鹽度場及流場產(chǎn)生較大影響。為此，本文設(shè)置了如下數(shù)值實(shí)驗(yàn)，分別代表夏季黃河極大流量(實(shí)驗(yàn)1)和夏季典型枯水年入海流量(實(shí)驗(yàn)2)，討論了不同入海徑流量情況下沖淡水的轉(zhuǎn)向以及黃河口附近海域環(huán)流結(jié)構(gòu)對徑流量的響應(yīng)。為方便對比說明，下文稱上一節(jié)運(yùn)算結(jié)果為標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

實(shí)驗(yàn)1： 8月份入海徑流取近10年來調(diào)水調(diào)沙期間最大平均入海徑流量3 800 m3/s，代表夏季黃河極大流量情況。

實(shí)驗(yàn)2： 8月份入海徑流取近10年來同月份最小入海凈流量200 m3/s，代表枯水年夏季黃河流量情況。

4.1環(huán)流結(jié)構(gòu)的平面特征與差異

圖7a，b所示為實(shí)驗(yàn)1情況下黃河口及附近海域表、底層鹽度和余流場分布。由圖可知，調(diào)水調(diào)沙入海徑流量情況下(實(shí)驗(yàn)1)，表層余流(圖7a)受黃河沖淡水影響顯著，黃河口及附近海域環(huán)流形態(tài)與標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)(圖5)基本一致。但與標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)(圖5)結(jié)果對比發(fā)現(xiàn)，在調(diào)水調(diào)沙入海徑流量情況下，黃河口及附近海域的整體環(huán)流結(jié)構(gòu)并無太大改變，但表層環(huán)流在黃河口東北部與萊州灣中部有明顯差異(圖8a)，即徑流量增加后沖淡水南北分支都得以加強(qiáng)，北支環(huán)流流態(tài)并無太大變化，但南支在到達(dá)萊州灣中部后轉(zhuǎn)而向西的分量更加顯著(圖8a)，而流向外海部分較標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)反而減小(圖10a)，導(dǎo)致兩者在環(huán)流流態(tài)上的差異在黃河口東北部和萊州灣中部各形成一個(gè)順時(shí)針的環(huán)，余流量值差異最大可達(dá)10 cm/s。由圖8b可知，不同黃河入海徑流量對底層環(huán)流的影響較小，流場差異主要存在于黃河口和萊州灣中部，余流量值差異在1～3 cm/s。

圖7c，d為實(shí)驗(yàn)2情況下表底層鹽度和余流場。與實(shí)驗(yàn)1明顯不同的是，沖淡水出口門后主流向南偏，北偏分量較小(圖7c)。由圖8c可知，實(shí)驗(yàn)2與標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)的余流場差異在河口東側(cè)形成一個(gè)大的逆時(shí)針環(huán)，表明與較大徑流量相比，較小入海徑流量情況下沖淡水更傾向于南偏，口門附近兩者余流量值差異5～10 cm/s，萊州灣南部和東部余流差異基本在2 cm/s以下。底層余流流向與表層相反，表現(xiàn)為補(bǔ)償流(圖7d)，與標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)結(jié)果相比兩者差異較小(圖8d)，黃河口東南側(cè)余流差異2～5 cm/s，其余海域余流差異基本小于1 cm/s。

4.2環(huán)流結(jié)構(gòu)的垂向特征與差異

圖9a，c所示為實(shí)驗(yàn)1在斷面B-B′(圖4中斷面)余流(a)和鹽度(c)的垂向分布。由圖可知，余流在斷面南、北側(cè)各形成一個(gè)高流速中心，這是由黃河沖淡水出口門后向北、向南偏轉(zhuǎn)的兩個(gè)分支所形成。在調(diào)水調(diào)沙入海徑流量情況下(實(shí)驗(yàn)1)，斷面北側(cè)表層余流顯著大于南側(cè)，流速差值達(dá)到10 cm/s。表層余流顯著大于底層余流，在深水區(qū)離底部約5 m范圍內(nèi)，余流以補(bǔ)償流形式向黃河口流動(圖7b，9a)，流速一般介于0～2 cm/s。與標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)結(jié)果(圖6)對比可知，當(dāng)黃河入海徑流量顯著增加時(shí)，斷面B-B′處北側(cè)的表層余流明顯增大而南側(cè)卻減小(圖10a)，最大變化幅度在3～4 cm/s，5 m以深余流受徑流變化影響較小，變化幅度小于0.5 cm/s。鹽度受較大徑流影響而有一定減小，在斷面中北部形成相對低鹽區(qū)，與北側(cè)高流速中心基本一致(圖9c)，且在5～10 m水深處形成顯著的躍層，與標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)相比鹽度減小約0～2(圖10c)。

圖7　實(shí)驗(yàn)1(a， b)與實(shí)驗(yàn)2(c， d)情況下的表底層鹽度和余流分布Fig.7　Distributions of residual currents and salinity near the estuary under the circumstances of experiment 1 (a， b) and experiment 2 (c， d)

圖8　實(shí)驗(yàn)1(a， b)、實(shí)驗(yàn)2(c， d)與標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)鹽度和余流場差異分布Fig.8　Distributions of the differences of salinity and residual currents between experiment 1(a， b)/experiment 2 (c， d) and standard simulation

圖9　實(shí)驗(yàn)1(a， c)和實(shí)驗(yàn)2(b， d)在斷面B-B′處垂向余流(a， b)和鹽度(c， d)分布Fig.9　Vertical profiles of residual currents (a， b) and salinity (c， d) at the section B-B′ under the circumstances of experiment 1 (a， c) and experiment 2 (b， d)

圖10　實(shí)驗(yàn)1(a， c)和實(shí)驗(yàn)2(b， d)與標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)在斷面B-B′處垂向余流(a， b)和鹽度(c， d)差異分布Fig.10　Vertical profiles of the differences of residual currents (a， b) and salinity (c， d) between experiment 1/ experiment 2 and standard simulation

實(shí)驗(yàn)2條件下斷面B-B′處的余流和鹽度垂向分布如圖9b，d所示。在典型枯水年入海徑流條件下，黃河沖淡水南北分支所形成的兩個(gè)高流速中心依然存在，但與標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)相比，北側(cè)中心余流顯著減小，而南側(cè)中心余流卻明顯增加(圖10b)，兩流速中心的最大余流量值較為接近(圖9b)。不同徑流條件下斷面余流差異主要位于5 m以淺的上表層水體，最大變化幅度在3～4 cm/s，對中層下水體余流場影響較小，流速差異小于0.5 cm/s(圖10b)。底層余流表現(xiàn)為補(bǔ)償流性質(zhì)，余流流速顯著小于表層(圖7d，9b)。在實(shí)驗(yàn)2條件下，斷面鹽度垂向分布較為均勻，且由于入海徑流較小導(dǎo)致斷面B-B′處鹽度較標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)有所增加。

4.3徑流對環(huán)流結(jié)構(gòu)影響的原因分析

從上文分析可知，黃河入海徑流對黃河口及附近海域的環(huán)流影響主要體現(xiàn)在：(1)對沖淡水的轉(zhuǎn)向以及余流路徑的影響；(2)對河口及附近海域環(huán)流結(jié)構(gòu)的影響。

由4.1小節(jié)分析可知，不同的入海徑流量對沖淡水的轉(zhuǎn)向以及余流路徑有顯著的影響，進(jìn)而影響黃河口附近海域的環(huán)流結(jié)構(gòu)。文中不同入海徑流量條件下，黃河沖淡水都發(fā)生了明顯的南偏(圖5a，7a，7c)，這是科氏力和水深地形共同作用的結(jié)果。從圖中還可看出，沖淡水在到達(dá)萊州灣中部后向東北方向急劇偏轉(zhuǎn)，主要是因?yàn)樵酵R州灣南岸水深越淺，大量沖淡水的進(jìn)入會造成灣頂臃水，加上岸線阻擋所產(chǎn)生的反作用力，導(dǎo)致沖淡水在萊州灣中部發(fā)生轉(zhuǎn)向。但是，不同入海徑流條件下沖淡水的轉(zhuǎn)向也存在顯著的差異。在標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)(流量1 850 m3/s)和實(shí)驗(yàn)1(流量3 800 m3/s)條件下，沖淡水除了向南偏轉(zhuǎn)外，還存在明顯的北-東北向偏轉(zhuǎn)(圖5a，7a)，而在實(shí)驗(yàn)2(流量200 m3/s)條件下余流流速和鹽度分布顯示，沖淡水以向南偏轉(zhuǎn)為主(圖7c)，而北支順河口軸線方向流動。此外，實(shí)驗(yàn)1條件下沖淡水向北擴(kuò)展的勢力較標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)更強(qiáng)(圖8a)。根據(jù)樂肯堂[41]以射形流理論為基礎(chǔ)對河流沖淡水轉(zhuǎn)向問題的理論探討，以及朱蘭部等[42]以黃河口海區(qū)調(diào)查資料對不同季節(jié)黃河沖淡水轉(zhuǎn)向問題的研究，本文數(shù)值實(shí)驗(yàn)很好的佐證了上述理論和現(xiàn)狀調(diào)查成果。

黃河沖淡水的轉(zhuǎn)向在很大程度上決定了沖淡水余流路徑，以及河口附近海域的環(huán)流形態(tài)，而入海徑流量又是沖淡水轉(zhuǎn)向的重要影響因素。因此，河流入海徑流對河口附近海域的環(huán)流影響是顯著的。對比實(shí)驗(yàn)1(圖7a)和實(shí)驗(yàn)2(圖7c)代表的兩種極端入海徑流量情況我們發(fā)現(xiàn)，在調(diào)水調(diào)沙入海徑流量條件下，沖淡水南北分支主流在萊州灣東部至渤海海峽之間海域保持相對平行的流動，南北流軸之間余流明顯偏小(圖9a)，而在典型枯水年流量條件下，沖淡水南支向東北方向流動的趨勢更強(qiáng)，在120°E處匯入北支主流，且南北流軸之間余流與主流差異較小(圖9b)。

圖11　實(shí)驗(yàn)1(a)和實(shí)驗(yàn)2(b)條件下萊州灣垂向平均環(huán)流場和鹽度場Fig.11　Distributions of vertical integrated residual currents and salinity in situations of experiment 1 (a) and experiment 2 (b)

萊州灣位于黃河口東南側(cè)，黃河入海徑流在科氏力作用下向南偏轉(zhuǎn)使得大量沖淡水進(jìn)入萊州灣，因此，黃河沖淡水對萊州灣內(nèi)的環(huán)流結(jié)構(gòu)會有很大的影響。總體來說，萊州灣海域始終存在一個(gè)順時(shí)針的環(huán)流，但不同入海徑流對此環(huán)流形態(tài)有明顯影響。對比實(shí)驗(yàn)1和實(shí)驗(yàn)2可知，入海徑流量越大萊州灣順時(shí)針環(huán)流越不顯著，且環(huán)流位置離灣頂越近(圖11a)；而徑流量較小時(shí)，萊州灣順時(shí)針環(huán)流反而更加清晰，環(huán)流占據(jù)整個(gè)萊州灣的中南部海域(圖11b)。原因是因?yàn)樵谳^大徑流量情況下，大量沖淡水快速向萊州灣南岸擴(kuò)展，使得萊州灣內(nèi)水體產(chǎn)生臃水并被強(qiáng)大的沖淡水動能推向?yàn)稠?，不利于環(huán)流形態(tài)的維持；而在入海徑流量較小情況下，萊州灣內(nèi)水體運(yùn)動更有利于環(huán)流的發(fā)展和維持。此外，入海徑流量對萊州灣東部的局地逆時(shí)針渦環(huán)也有類似的影響。

黃河入海徑流對河口垂向環(huán)流也有顯著影響。從實(shí)驗(yàn)1(圖7a)和實(shí)驗(yàn)2(圖7c)表底層余流分布可清晰看到，入海徑流量較大時(shí)整個(gè)海域表層余流明顯偏大，同時(shí)底層補(bǔ)償流亦有一定增加(圖7b，7d)。對比兩者在典型斷面處余流的垂向分布(圖9a，9b)我們看到，徑流量較大時(shí)上表層余流流速顯著增強(qiáng)且垂向梯度加大，底層流速亦有一定程度增強(qiáng)。大量沖淡水輸入使得河口及附近海域鹽度梯度增大(圖9c)，導(dǎo)致水平方向上的密度梯度增加。根據(jù)式(4)表示的海洋“熱成風(fēng)”理論，淡水輸入增加引起的密度梯度增加會使得水平流速的垂向梯度加大，表底層流速差異更加顯著。因此，在河口附近海域沖淡水引起的表層流速增加時(shí)，底層補(bǔ)償流也趨于增加。

(4)

5結(jié)論

本文分析了在不同黃河入海徑流量作用下，沖淡水主流的轉(zhuǎn)向和運(yùn)動特征以及河口及附近海域環(huán)流結(jié)構(gòu)對入海徑流量的響應(yīng)，得到以下主要認(rèn)識和結(jié)論：

(1)黃河入海徑流量對沖淡水的轉(zhuǎn)向有顯著影響。當(dāng)流量超過一定流量時(shí)沖淡水會發(fā)生明顯的“北偏”，本文從數(shù)值計(jì)算的角度佐證了前人的理論和現(xiàn)狀調(diào)查成果。

(2)黃河入海徑流對黃河口東北部海域環(huán)流結(jié)構(gòu)有顯著影響。徑流量較大情況下，沖淡水余流得到明顯加強(qiáng)，反之，沖淡水余流較弱。

(3)黃河入海徑流對萊州灣內(nèi)環(huán)流有顯著影響。徑流量越大，萊州灣環(huán)流越弱且環(huán)流形態(tài)越難維持；反之當(dāng)入海徑流較小時(shí)，此環(huán)流更加穩(wěn)定。

(4)黃河入海徑流對河口附近海域的垂向環(huán)流影響顯著。在較大入海徑流作用下，上表層余流顯著增強(qiáng)，余流和鹽度垂向梯度加大，導(dǎo)致反向流動的底層補(bǔ)償流也得到一定程度的加強(qiáng)。

致謝：中國海洋大學(xué)海底科學(xué)和探測技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的吳建政教授和朱龍海博士為本文提供了渤海部分海域的水深地形數(shù)據(jù)，特表誠摯謝意。華東師范大學(xué)超算中心及河口海岸學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室為本文提供了計(jì)算資源，在此一并致謝。

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Numerical study of the circulation influenced by runoff input in the Huanghe (Yellow) River Estuary and adjacent waters in summer

Shou Weiwei1， Zong Haibo1， Ding Pingxing1

(1.StateKeyLaboratoryofEstuarineandCoastalResearch，EastChinaNormalUniversity，Shanghai200062，China)

Abstract:A 3-D nonlinear baroclinic ocean model based on Regional Ocean Modeling System (ROMS) has been set up， with the consideration of river discharge， wind， sea surface heat flux and regional ocean circulation to carry out numerical studies of the circulation pattern influenced by runoff input in the Huanghe (Yellow) River Estuary and adjacent waters in summer month of August. The numerical simulations confirm the viewpoint of northward rotation of Huanghe diluted water well， and present the effect of river discharge on circulation in the vicinity of Huanghe Estuary meanwhile. The numerical results show that Huanghe diluted water affects circulation in region of Huanghe Estuary significantly， and the residual speed markedly increased alone with the strengthened northerly rotation as the result of increasingly discharge. The circulation pattern in Laizhou Bay is under almost total controls of Huanghe runoff， and this local circulation is apt to develop and maintain with smaller order of magnitude of Huanghe discharge， vice versa. Surface residual currents tend to increase apparently with larger volume of diluted water， leading to enhanced vertical gradient of residual currents that can cause much stronger bottom flow and vertical circulation near river estuary．

Key words:Huanghe (Yellow) River; discharge; circulation; numerical study

收稿日期：2015-07-29；

修訂日期：2015-12-08。

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金青年科學(xué)基金項(xiàng)目(41106074)；海洋公益性行業(yè)科研專項(xiàng)經(jīng)費(fèi)項(xiàng)目(200905007-3)。

作者簡介：壽瑋瑋(1982-)，男，浙江省諸暨市人，博士研究生，主要從事河口近海動力學(xué)、河口近海水質(zhì)數(shù)值模擬等研究。E-mail：shouweiwei@sina.com *通信作者：宗海波，助理研究員，主要從事河口近海動力學(xué)、河口近海水質(zhì)數(shù)值模擬等研究。E-mail：hbzong@sklec.ecnu.edu.cn

中圖分類號:P731.2

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：0253-4193(2016)07-0001-13

壽瑋瑋，宗海波，丁平興. 夏季黃河入海徑流對黃河口及附近海域環(huán)流影響的數(shù)值研究[J]. 海洋學(xué)報(bào)， 2016， 38(7): 1-13， doi:10.3969/j.issn.0253-4193.2016.07.001

Shou Weiwei， Zong Haibo， Ding Pingxing. Numerical study of the circulation influenced by runoff input in the Huanghe (Yellow) River Estuary and adjacent waters in summer[J]. Haiyang Xuebao， 2016， 38(7): 1-13， doi:10.3969/j.issn.0253-4193.2016.07.001