常海潔 王繼光

（海軍大連艦艇學(xué)院 大連 116018）

不同潮汐條件下的黃渤海海溫模擬及特征分析?

常海潔 王繼光

（海軍大連艦艇學(xué)院 大連 116018）

黃渤海是典型的強(qiáng)潮驅(qū)動(dòng)的陸架淺海，為研究潮汐強(qiáng)迫對(duì)黃渤海環(huán)流的影響，論文利用區(qū)域海洋數(shù)值模式Regional Ocean Model System（ROMS）分別模擬了黃渤海海溫在有潮和無(wú)潮條件下的響應(yīng)，對(duì)比分析有無(wú)潮汐條件下的黃渤海海溫的時(shí)空分布和變化特征。結(jié)果表明：有潮汐強(qiáng)迫海表面溫度模擬結(jié)果與遙感數(shù)據(jù)更加接近；無(wú)潮條件下，海水的混合相對(duì)較弱，表層溫暖海水不能與次表層海水混合，模擬的海表面溫度局地相對(duì)較高。說(shuō)明潮汐增強(qiáng)了海水在垂向的混合，導(dǎo)致上混合層的加深，同時(shí)近岸區(qū)域混合均勻的暖海水有明顯的離岸擴(kuò)張現(xiàn)象。

黃海；渤海；海流；潮；ROMS

1 引言

黃渤海潮汐主要是從西北太平洋經(jīng)東海傳入的潮波，在地球自轉(zhuǎn)和地形的影響下形成了獨(dú)特的旋轉(zhuǎn)潮波系統(tǒng)。由于是一個(gè)典型的強(qiáng)潮驅(qū)動(dòng)的陸架淺海，較強(qiáng)的潮汐潮流在驅(qū)動(dòng)海洋湍流和混合方面起著重要的作用。

對(duì)于黃渤海的潮汐，國(guó)內(nèi)外的學(xué)者采用多種觀測(cè)手段和數(shù)值計(jì)算等方法進(jìn)行了大量的分析和研究［1～6］，揭示了黃渤海的潮汐和潮流是以半日分潮和半日分潮流為主。由于位于大陸架之上，整個(gè)黃渤海水深較淺，潮汐造成了很大的潮差以及潮流流速［7］。雖然潮流的流速大，但由于具有周期性，真正對(duì)物質(zhì)輸運(yùn)和擴(kuò)散起重要作用的是剔除潮流和隨機(jī)信號(hào)的低頻余流［8～9］。

潮流的高頻、周期往復(fù)性對(duì)大尺度溫度場(chǎng)無(wú)明顯平流效果，但是熱力計(jì)算時(shí)必須要考慮潮的混合作用［10］。孟慶軍［11］模擬在有潮及無(wú)潮條件下黃海對(duì)臺(tái)風(fēng)“布拉萬(wàn)”的響應(yīng)，就發(fā)現(xiàn)強(qiáng)背景潮一方面增強(qiáng)了臺(tái)風(fēng)過(guò)后近岸的暖水?dāng)U張，另一方面減弱了臺(tái)風(fēng)產(chǎn)生的近慣性振蕩。強(qiáng)風(fēng)等氣象因素會(huì)影響到海水尤其是海洋的上層的熱力結(jié)構(gòu)，所以為了更能夠突出潮汐對(duì)黃渤海海溫的影響，本文選擇避開(kāi)臺(tái)風(fēng)等強(qiáng)氣象條件進(jìn)行有無(wú)潮汐對(duì)比實(shí)驗(yàn)。

2 ROMS模式介紹及模式設(shè)置

2.1ROMS模式介紹

區(qū)域海洋模式系統(tǒng)（Regional Ocean Modeling System，ROMS）是采用自由面、跟隨地形的三維原始方程組海洋模式，近年來(lái)在海洋科學(xué)研究中被廣泛應(yīng)用。ROMS包含準(zhǔn)確有效的物理和數(shù)值算法，提供多種混合方案、參數(shù)化方案供選擇。除了水動(dòng)力模塊，它還包含海冰模塊、生態(tài)模塊、數(shù)據(jù)同化模塊、泥沙模塊等，可以滿(mǎn)足多種模擬需要。

ROMS采用靜力近似和Boussinesq假定，近似求解三維、自由面、跟隨地形坐標(biāo)下的雷諾平均（Reynolds-averaged）的 Navier-Stokes方程組。在水平方向采用正交曲線（Arakawa C）網(wǎng)格；垂向采用地形擬合的可伸縮坐標(biāo)系統(tǒng)（S坐標(biāo)系）。通過(guò)采用不同的轉(zhuǎn)換函數(shù)和拉伸函數(shù)調(diào)節(jié)垂向分層，可以在特定深度（如邊界層、溫躍層等）加大垂向網(wǎng)格密度。笛卡爾坐標(biāo)系下其控制方程如下

1）運(yùn)動(dòng)方程：

4）狀態(tài)方程：

其中，F(xiàn)u、Fv、FC為強(qiáng)迫或源，Du、Dv、DC為水平擴(kuò)散項(xiàng)，f為科氏參數(shù)，g為重力加速度，φ=（P ρ0）為動(dòng)力壓強(qiáng)項(xiàng)。

2.2 數(shù)值模式配置

本文模擬的計(jì)算區(qū)域涵蓋整個(gè)黃渤海海區(qū)，經(jīng)度范圍 117.5°E～127.5°E，緯度范圍 32°N～41.5°N（圖1（b））。經(jīng)向網(wǎng)格數(shù)和緯向網(wǎng)格數(shù)分別是266和238，水平分辨率約為1∕30°，對(duì)應(yīng)的水平網(wǎng)格大小約為3.49～3.94km。模式在垂向分為20層（圖1（a）），海表面和海底的垂向坐標(biāo)控制參數(shù)θs和θb分別取為5和0.4，垂向網(wǎng)格大小約為1.51m～26.4m。模型垂向混合采用Mellor-Yamada2.5階湍流閉合方案。最小水深設(shè)為6m，最大水深150m。模式區(qū)域南邊界和東邊界設(shè)為開(kāi)邊界，西邊界和北邊界設(shè)為閉合邊界。

圖1 （a）模式區(qū)域水深及（b）垂向分層（沿35°N）

2.3 數(shù)據(jù)來(lái)源

模式的地形數(shù)據(jù)來(lái)自由國(guó)際海道測(cè)量組織和政府間海洋學(xué)會(huì)協(xié)調(diào)有關(guān)國(guó)家聯(lián)合編制的大洋地勢(shì)圖（GEBCO），具有1∕120°的空間水平分辨率，可以比較準(zhǔn)確的反映海底地形。為了減少地形對(duì)壓力梯度計(jì)算造成的誤差，保證模式的穩(wěn)定性，事先要對(duì)地形進(jìn)行平滑。

模式的初始場(chǎng)和側(cè)邊界條件來(lái)自海洋模式HYCOM的再分析結(jié)果，該數(shù)據(jù)同化了衛(wèi)星高度計(jì)資料、海表面溫鹽觀測(cè)資料、Argo浮標(biāo)、XBT等垂直剖面觀測(cè)資料。時(shí)間分辨率為1d，空間分辨率1∕12°，垂向分為33層。

ROMS中，使用BULK_FLUX內(nèi)部計(jì)算強(qiáng)迫通量將用到Monin_obukhon相似參數(shù)（Liu et al 1979）來(lái)計(jì)算用于計(jì)算湍流通量（風(fēng)、熱、濕度）的穩(wěn)定函數(shù)。這一函數(shù)分穩(wěn)定和不穩(wěn)定兩種形式，都是高度非線性的。如果開(kāi)邊界處輻射導(dǎo)致溫度存在誤差或偏差，很容易造成熱量的損失或增加，進(jìn)而引起開(kāi)邊界處的虛假上升流或下沉流，最終有可能導(dǎo)致模式很快不穩(wěn)定甚至是溢出。因此選擇歐洲中期預(yù)報(bào)中心（ECMWF）的ERA-interim再分析產(chǎn)品直接提供ROMS需要的強(qiáng)迫場(chǎng)（經(jīng)緯向風(fēng)應(yīng)力、短波輻射、凈淡水通量、凈熱通量）。該數(shù)據(jù)的空間分辨率為1∕8°，時(shí)間分辨率為1∕4d。ROMS需要的風(fēng)應(yīng)力、短波輻射強(qiáng)迫可以直接得到，凈淡水通量可以通過(guò)蒸發(fā)和降水得到，凈熱通量通過(guò)海表感熱通量、顯熱通量、短波輻射、長(zhǎng)波輻射得到。

模式的潮汐強(qiáng)迫數(shù)據(jù)來(lái)自全球海洋潮汐預(yù)報(bào)模式TPXO7，ROMS需要通過(guò)在開(kāi)邊界上給出黃渤海八大主要分潮M2、S2、N2、K2、K1、O1、P1、Q1的調(diào)和常數(shù)來(lái)引入潮強(qiáng)迫。圖2給出了TPXO7模式輸出的半日分潮M2和全日分潮K1的振幅和遲角。

圖2 TPX07模式模擬的分潮振幅和遲角分布。灰色實(shí)線代表等振幅線（米），黑色虛線代表等遲角線（度）

3 模擬結(jié)果分析

模式共運(yùn)行了15天，然后取最后一天的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較分析。這樣可以保證模式計(jì)算到采樣時(shí)刻時(shí)黃渤海海區(qū)的潮流已經(jīng)達(dá)到穩(wěn)定的狀態(tài)。以2015年4月15日的HYCOM的溫鹽流場(chǎng)為初始場(chǎng)，添加8個(gè)分潮運(yùn)行15天為實(shí)驗(yàn)一；相同初始場(chǎng)相同，不考慮潮汐再次運(yùn)行15天作為實(shí)驗(yàn)二。這樣兩組試驗(yàn)除有無(wú)潮汐條件不同外，模型的其他強(qiáng)迫場(chǎng)都相同。

3.1 結(jié)果驗(yàn)證分析

本文采用微波和紅外遙感融合的海表面溫度數(shù)據(jù)產(chǎn)品（MW_IR，www.remss.com）來(lái)驗(yàn)證模擬結(jié)果。該數(shù)據(jù)融合多源海表面溫度遙感數(shù)據(jù)，空間分辨率高達(dá)9km，時(shí)間分辨率為1d。圖3是模式運(yùn)行最后一天（2015年04月30日）的海表面溫度圖。4月份正好是黃渤海冬半年和夏半年轉(zhuǎn)換的時(shí)間，SST的冬季特征還是很明顯?！安?黃?；旌纤畧F(tuán)”盤(pán)踞于渤海中央，但是溫度已經(jīng)升高，沿岸水團(tuán)受徑流影響且深度較淺，尤其是渤海灣和萊州灣的溫度已經(jīng)高于渤海中央的溫度。黃海中央水仍盤(pán)踞在南、北黃海的中央海域，其西南部甚至向東海的西北部延伸。黃-東?；旌纤畧F(tuán)的溫度較高，且一直延伸到南黃海的的中央海域［12］。

圖4是最后一個(gè)時(shí)刻的有潮和無(wú)潮條件下海表面溫度的對(duì)比結(jié)果。與遙感數(shù)據(jù)比較，有潮汐的模擬結(jié)果更接近真實(shí)的情況。無(wú)潮汐情況下，黃-東?；旌纤畧F(tuán)的范圍向西延伸偏遠(yuǎn)，沒(méi)有模擬出黃海中央水向東海西北海域延伸的現(xiàn)象。有潮情況下，對(duì)黃海北部和渤海海區(qū)的海表面溫度模擬較好。但是蘇北沿岸暖水的范圍和強(qiáng)度要比真實(shí)情況要強(qiáng)，減弱了黃海中央水向東海延伸部分的強(qiáng)度。此外，整體上模擬海表面溫度較遙感數(shù)據(jù)有略微偏高。

圖3 2015年04月30日黃渤海海域的海表面溫度

圖4 不同條件下ROMS模擬的黃渤海海表面溫度對(duì)比分布

3.2 潮汐影響分析

與無(wú)潮汐強(qiáng)迫的模擬結(jié)果相比，南黃海的南部海區(qū)海表面溫度較高的區(qū)域范圍降溫明顯，渤海海區(qū)的遼東灣、渤海灣、萊州灣頂及秦皇島外海也出現(xiàn)了降溫現(xiàn)象，降溫的幅度可以達(dá)到2～3℃。與近岸水體相比，黃渤海的中部為溫度較低的冷水團(tuán)。冷水團(tuán)的范圍在渤海的中部及北黃海的范圍和強(qiáng)度也都有一定程度的增加。

無(wú)潮條件下（圖2b），在冷暖海水的交界處出現(xiàn)了體積很小的、不連續(xù)的冷（暖）水團(tuán)，海表面溫度看起來(lái)有些“粗糙”，有潮汐強(qiáng)迫的海表面溫度更加的連續(xù)。原因可能是如只考慮風(fēng)等表面強(qiáng)迫因素，海水的混合會(huì)“大打折扣”。潮汐強(qiáng)迫的潮致混合在黃渤海區(qū)域十分的強(qiáng)烈，能夠使得海水充分混合，所以海表面溫度的連續(xù)性較好。

為了比較溫度的垂向分布，也為了探討海表面溫度降低的原因，沿35°N斷面分析黃海海溫的垂直結(jié)構(gòu)。圖3分別是最后一個(gè)時(shí)間點(diǎn)有潮和無(wú)潮條件下海水溫度的垂向分布。與黃海東側(cè)相比，黃海西側(cè)的陸坡平緩，海水更容易達(dá)到上下混合均勻，等溫線基本垂直于海底。無(wú)潮汐強(qiáng)迫時(shí)，近岸水體也基本混合均勻，但水平覆蓋的范圍較有潮情況下要小。

無(wú)潮汐強(qiáng)迫時(shí)海表面溫度水平分布不均勻，尤其是在黃海的中部，表層的海水溫度垂向梯度很大，較暖的海水局限在表層很薄的一層。有潮汐強(qiáng)迫時(shí)，海水的上混合層加深甚至可以達(dá)到15m左右深度。潮汐對(duì)底層冷水團(tuán)的影響在黃海槽的東側(cè)更加明顯，有潮汐強(qiáng)迫時(shí)沿陸坡的冷水強(qiáng)度減弱，深度由無(wú)潮的20m下降到30m。121°E和124°E附近，海表面溫度與水平方向其他區(qū)域的溫度相比原本就較低（圖3b），強(qiáng)的潮汐強(qiáng)迫迫使20m層更冷的海水上升與表層海水混合后，海表面溫度進(jìn)一步降低。無(wú)潮強(qiáng)迫的海水溫度顯現(xiàn)出“犬牙交錯(cuò)”的現(xiàn)象，這可能是高頻氣象強(qiáng)迫場(chǎng)驅(qū)動(dòng)造成的［13］。

圖5 有潮（a）和無(wú)潮（b）條件下ROMS模擬的沿35°N斷面黃渤海海水溫度對(duì)比

4 結(jié)語(yǔ)

本文利用區(qū)域海洋模式ROMS模擬了在有無(wú)潮汐條件下黃渤海環(huán)流的響應(yīng)，主要結(jié)論概括如下：

1）添加潮汐強(qiáng)迫后模擬的海表面溫度結(jié)果與遙感數(shù)據(jù)更加吻合，說(shuō)明潮汐強(qiáng)迫在黃渤海的湍流和混合方面確實(shí)起著重要的作用；

2）有無(wú)潮汐結(jié)果比較發(fā)現(xiàn)，潮汐強(qiáng)迫使得表層海水與底層海水的混合更加充分，一方面體現(xiàn)在垂向上混合層加深，另一方面體現(xiàn)在水平方向使得更深層次的海水涌升到表面，造成海面溫度的明顯降低。

3）考慮潮汐的影響之后，發(fā)現(xiàn)模擬效果仍然差強(qiáng)人意，尤其是在南黃海海區(qū)的中部溫度模擬較高。可能是大氣強(qiáng)迫場(chǎng)的原因，并且徑流等等因素都未考慮，模式仍有待繼續(xù)改進(jìn)。

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Characteristic Analysis of Ocean Temperature Simulated Under Different Conditions of Tides at Bohai Sea and Huanghai Sea

CHANG HaijieWANG Jiguang
（Dalian Naval Academy，Dalian 116018）

In order to study the effect of tidal compulsion on the circulation of the Yellow Sea and the Bohai Sea，this paper uses the Regional Ocean Model System（ROMS）to simulate the currents to revel the influence of tides and analyzes the temporal and spatial distribution and variation characteristics of the SST.The results show that the simulated SST are closer to the remote sensing data while with tides.Under the condition of no tide，the mixing of seawater is relatively weak，and the surface warm water can not be mixed with subsurface seawater.The simulated sea surface temperature is relatively high.Indicating that the tide enhanced the vertical mixing of seawater，leading to the deepening of the upper mixing layer，while the near-shore area mixed with uniform warm water had significant offshore expansion.

bohai sea，huanghai sea，temperature,tides，ROMS

P731

10.3969∕j.issn.1672-9730.2017.10.031

Class Number P731

2017年5月19日，

2017年6月10日

常海潔，男，碩士研究生，研究方向：軍事海洋理論與技術(shù)應(yīng)用。王繼光，男，博士，副教授，碩士生導(dǎo)師，研究方向：水文氣象保障。