ADCIRC模式在渤海M2分潮模擬中的應用研究

陳海軍，姜紹材，王飛

（1.遼寧省海洋環境預報總站,遼寧沈陽110001；2.國家海洋局北海海洋環境監測中心站，廣西北海536000；3.遼寧省海洋與漁業廳信息中心,遼寧沈陽 110001）

ADCIRC模式在渤海M2分潮模擬中的應用研究

陳海軍1，姜紹材2，王飛3

（1.遼寧省海洋環境預報總站,遼寧沈陽110001；2.國家海洋局北海海洋環境監測中心站，廣西北海536000；3.遼寧省海洋與漁業廳信息中心,遼寧沈陽 110001）

利用有限元方法的ADCIRC（Advanced Circulation Model）海洋模式，建立了渤海高分辨率的二維潮汐潮流模型，模式結果與實測資料吻合良好。模式成功模擬出了M2分潮在渤海的2個無潮點和3個圓流點，位置與前人的研究結果基本一致。M2分潮流在渤海中央為順時針旋轉的旋轉流，在遼東灣、渤海灣和萊州灣基本為往復流。M2分潮的潮汐和潮流的振幅都表現為遼東灣最大，萊州灣最小。M2分潮的潮致余流主要表現在近岸和島嶼附近，最大可達10 cm/s。

ADCIRC；渤海；M2分潮

1 引言

隨著計算機的發展，數值模擬在海洋科學的研究中發揮著越來越重要的作用。有結構網格的數值模式在模擬岸線復雜的區域時會有很大限制，非結構網格的海洋模式由于其能很好的擬合岸線，并且能夠在關心的區域靈活加密而越來越多的被用于近海和河口的數值模擬，因此，本文采用計算網格為三角形的ADCIRC[1]（Advanced Circulation Model）海洋模式來研究渤海M2分潮的傳播特征。

ADCIRC（Advanced Circulation Model）是美國北卡羅來納州大學開發的有限元海洋模式，該模式可以采用笛卡爾坐標，也可以采用球坐標，有二維和三維兩種運行方式。該模式采用三角形網格，易于擬合邊界，可以對岸線復雜的海域進行高分辨率的數值模擬。目前國內利用ADCIRC模式進行的研究工作還不是很多，比較有代表的是夏波[2]利用ADCIRC在渤海進行了風暴潮的數值模擬，曹永華等[3]利用該模式研究了黃驊港的二維流場。

專門針對渤海的潮汐潮流數值模擬，前人已經做了很多工作，如黃祖珂[4]利用根據二維非線性潮波微分方程模擬了渤海幾個主要分潮的潮汐余流；呂咸青等[5]利用伴隨模式模擬了渤海的M2分潮。本文利用ADCIRC模式，對渤海的M2潮波進行高分辨率的模擬，并且比較系統地研究了M2潮波在渤海的各種傳播特征，對于進一步認識M2潮波在渤海的傳播情況具有重要意義。

2 模式設置

本文的計算區域為渤海海域，該區域的水深場見圖1，由圖1可以看出，地形變化劇烈的地方都集中在近岸和島嶼附近，因此本文在形成計算網格時對近岸和島嶼附近進行了加密，模式的分辨率由渤海中央的5'逐漸過渡到近岸的1'。最后采用的計算網格見圖2，本計算網格一共包含了三角形網格節點10100個，三角形單元18742個。本文采用的是二維球坐標系，邊界上采用M2分潮的調和常數預報的水位來作為驅動，邊界上M2分潮的調和常數來自NAO99潮汐模型[6]，該模型將5年的T/P衛星海面高度計資料和219個沿岸的潮汐觀測資料同化到水動力模型中，其模型區域分為全球和日本周邊兩部分，我們采用的是NAO99日本周邊區域的潮汐模型結果。全場底摩擦系數均取為0.0014，模式時間步長為60 s，一共運行7天，采用后4天的數據進行調和分析，得到了全場M2分潮的潮汐潮流調和常數。

圖1 渤海水深和觀測站點分布

圖2 模式計算網格

3 模式驗證

為了驗證模式的計算結果，我們搜集了渤海沿岸16個驗潮站（見圖1）的調和常數，與我們的模式結果進行對比，對比結果見表1。

從表1可以看出，模式結果與實測結果吻合良好，可以用來進一步分析M2分潮在渤海的傳播情況。誤差的主要來源可能有以下幾種情況：第一，岸線以及地形的精度不夠高，尤其是在近岸區域，可能會引起比較大的誤差；第二，邊界條件上采用的M2分潮的調和常數的誤差，也會影響計算結果；第三，全場采用一致的底摩擦系數，不是很合理，也會造成計算結果的誤差。以后的工作會從以上三方面入手，同時搜集更多海上觀測數據，與模型進行對比，將結果模擬的更準確。

表1 調和常數的計算值與實測值的比較

4 模式結果分析

4.1 M2分潮潮汐結果分析

根據計算結果，進行調和分析，得到了渤海的M2分潮的同潮圖（見圖3），由圖3可以看出，模式成功模擬出了M2分潮在渤海的兩個無潮點，一個位于秦皇島外海，一個位于老黃河口附近，M2分潮波繞著這兩個無潮點逆時針旋轉。本文模擬出的無潮點位置與前人的計算結果對比見表2：

表2 渤海M2分潮無潮點位置

由表2可以看出，本文得出的M2分潮在渤海的無潮點位置與方國洪的結果最為接近。同時由圖3可以看出，M2分潮的等振幅線分別由渤海灣、遼東灣和萊州灣的灣口向灣頂逐漸增加。相比較而言，遼東灣的振幅最大，渤海灣次之，萊州灣最小。

圖3 M2分潮同潮圖

4.2 M2分潮潮流結果分析

在本節，文章將分別從M2分潮的潮流橢圓要素、圓流點及潮致余流等方面來討論M2分潮在渤海的潮流特征。

4.2.1 M2分潮在渤海的潮流橢圓要素

M2分潮在渤海的潮流橢圓及潮流的旋轉率分布分別見圖4和圖5。由圖5可知，M2分潮潮流的旋轉率在渤海中央最大，可達-0.8，同樣，在圖4中渤海中央的潮流橢圓已經很接近一個圓，因此，M2分潮流在渤海中央為順時針旋轉的旋轉流。圖5中，遼東灣和渤海灣的灣口各有一條旋轉率為0的等值線，除了遼東灣和渤海灣的灣頂，整個遼東灣和渤海灣的旋轉率幾乎為0，同樣，圖4中遼東灣和渤海灣的潮流橢圓圖也幾乎為直線，因此在遼東灣和渤海灣，M2分潮流主要為往復流，方向大體為：渤海灣為東-西向，遼東灣為西南-東北向。萊州灣內龍口市西側有一旋轉率極大值大約在-0.8附近，潮流方向按順時針旋轉，萊州灣的其他區域旋轉率比較小，大體在-0.2—0.2之間，基本為往復流。M2分潮的最大可能潮流等振幅線見圖6，最大可能潮流等振幅線的變化趨勢與潮汐的等振幅線變化趨勢相反，表現為由遼東灣、渤海灣和萊州灣的灣口向灣頂逐漸減小。相比較而言，遼東灣的M2分潮流最大，渤海灣次之，萊州灣最小。

圖4 潮流橢圓分布圖

圖5 M2分潮旋轉率分布圖 圖6 M2分潮最大可能潮流振幅分布

圖7 M2分潮最大潮流同潮時線圖 圖8 潮汐余流場分布

4.2.2 M2分潮在渤海的圓流點

圖7是M2分潮的最大潮流同潮時圖，由圖7可以看出，模式成功模擬出了M2分潮在渤海的三個圓流點。同潮流時線繞圓流點旋轉，旋轉方向為逆時針。本文模擬出的無潮點位置與前人的計算結果對比見表3。

由表3可以看出，在秦皇島附近的圓流點位置，本文計算結果同FANG、趙保仁等和萬振文等的結果比較一致，在萊州灣口的圓流點位置，本文更接近FANG的結果。在山東半島北部，對于圓流點的個數，不同的學者得出的結論不一樣，本文可能是受計算區域的限制，只算出了一個圓流點，該位置與趙保仁等的計算結果中的一個比較接近。此外，通過對比圖7與圖5可以發現，圓流點的位置，都基本對應著旋轉率的極大值。

4.2.3 M2分潮在渤海的潮致余流

潮致余流通常是由于潮流的非線性項受到側向岸線和底摩擦的作用，一部分周期性能量變成了非周期的能量。本文對模式輸出的一個M2周期的潮流數據進行平均，剔除周期性信號，得到了渤海的M2分潮的潮致余流分布，如圖8所示。由圖8可以看出，M2分潮的余流在渤海普遍比較小，余流主要在近岸和島嶼附近比較明顯，最大值大約在10 cm/s左右。渤海中央有一個順時針旋轉的余流，但是量級比較小，大約在2 cm/s，這與趙保仁[4]的結果比較一致。

表3 渤海M2分潮圓流點位置

5 結論

ADCIRC的模擬和實測結果的對比表明，該模式可以很好地刻畫渤海的潮汐潮流現象。模式成功地模擬出了M2分潮在渤海的兩個無潮點和3個圓流點，位置與前人的結果基本一致。對模式結果分析發現：M2分潮的振幅在遼東灣最大，渤海灣次之，萊州灣最小，分布規律都是由灣口向灣頂逐漸增大；渤海的中央為順時針旋轉流，旋轉率可達-0.8，遼東灣、渤海灣和萊州灣內主要為往復流，旋轉率在0附近；最大可能潮流等振幅線的變化趨勢與潮汐的等振幅線變化趨勢相反，表現為由遼東灣、渤海灣和萊州灣的灣口向灣頂逐漸減小，潮流的強弱同樣是遼東灣最強，萊州灣最弱。M2分潮的潮致余流主要在近岸比較明顯，最大可達10 cm/s。

[1]Luettich R,Westerrink J.ADCIRC usermanual:a(parallel)advanced circulation modelfor oceanic[R].Coastaland Estuarine Water,2006.

[2]夏波.風暴潮過程中的波流耦合數值模式研究[D].天津大學,2005.

[3]曹永華.黃驊港海域二維流場分析[J].中國港灣建設,2005,3:1-4.

[4]黃祖珂.渤海的潮汐余流[J].海洋湖沼通報,1992,3:1-8.

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[13]林琿,閭國年,宋志堯等.東中國海潮波系統與海岸演變模擬研究[M].北京:科學出版社,2000.

Application ofADCIRC in M2 tide modeling in the Bohai Sea

CHEN Hai-jun1，JIANG Shao-cai2，WANG Fei3
(1.Marine Environmental Forecasting Central Station of Liaoning Province,Shenyang 110001,China;2.Beihai Environmental Monitoring Station of State Oceanic Administration,Beihai 536000,China;3.Ocean and Fishery Department of Liaoning Province Information Center,Shenyang 110001,China)

With the application of ADCIRC,a high resolution of two-dimensional tidal model in the Bohai Sea was built up,and the model results are conformable to the field observations.Two amphidromic points and three tidal current non-phase points for M2 tide were successfully modeled,whose positions were basically conformable to the previous studies.The style of the M2 tidal current is rotary current in the middle of the Bohai Sea,while rectilinear current in the Liaodong,Bohai and Laizhou Bay.The amplitude of the M2 tide and tidal current are largest in the Liaodong Bay,while smallest in the Laizhou Bay.The M2 tidal reduced residual current is only evident along the coastal region and at the area near the islands,which can reach as much as 10 cm/s.

ADCIRC;Bohai Sea;M2 tide

P731

A

1003-0239（2011）04-0070-06

2010-12-07

陳海軍（1982-），男，助理工程師，從事海洋環境預警報和海洋防災減災工作。E-mail:gh476007@163.com