湛江灣三維潮汐潮流數值模擬

李希彬，孫曉燕，宋軍，姚志剛

（1. 國家海洋局天津海洋環境監測中心站 天津市海洋環境監測預報中心，天津 300451；

2. 國家海洋信息中心，天津 300171；3. 中國海洋大學 海洋環境學院，山東 青島 250100）

湛江灣三維潮汐潮流數值模擬

李希彬1，孫曉燕2，宋軍2，姚志剛3

（1. 國家海洋局天津海洋環境監測中心站 天津市海洋環境監測預報中心，天津 300451；

2. 國家海洋信息中心，天津 300171；3. 中國海洋大學 海洋環境學院，山東 青島 250100）

基于采用不規則三角網格和有限體積方法的 FVCOM 模式，建立湛江灣附近海域的三維潮汐潮流數值模型，通過驗證，結果與觀測數據符合良好，重現了湛江灣的潮位和潮流變化狀況。根據模擬結果計算得湛江灣的潮汐有明顯不規則半日潮特征，主要分潮波M2、S2、K1、O1主要從外海傳入，不構成獨立的潮汐系統，其中M2分潮的最大振幅為109 cm；湛江灣海域主要為不規則半日潮流，1日內出現2次漲落潮流，漲、落潮最大流速分別為104 cm·s-1和123 cm·s-1，落潮流流速大于漲潮流流速；湛江灣灣口處海域較開闊，基本為旋轉流，而近岸海區基本為往復流，灣內M2分潮流的橢圓長軸占絕對優勢。表層潮余流最大流速近30 cm·s-1，灣內余流的總體效應值向灣外, 灣口余流較大, 對灣內水交換效應有一定積極作用。

湛江灣；三維數值模擬；潮汐；潮流；余流

湛江灣位于廣東省西南，雷州半島的東北部,屬于半封閉的沉溺型港灣[1]，湛江灣內水域面積160 km2，平均納潮量5億 m3，最大達10億 m3。潮汐水道呈樹枝狀自南向北伸入內陸達 50 km以上，灣內主要有南三島、特呈島、東頭山島和東海島等島嶼，與外海相隔，形成掩護，使灣內風浪平靜，北部有鑒江河注入，湛江灣口位于南三島和東海島之間，寬約2 km，是湛江灣與外海相通的主要通道，因此，湛江港是廣東省的第二大港，同時是華南最大的潮汐汊道[2]，研究湛江海域附近的潮汐潮流系統具有重要的意義。

湛江灣海域的潮汐潮流主要是太平洋潮波進入南海后形成的，受附近海島和地形摩擦影響，潮汐特征變得比較復雜[3]，湛江附近海域有明顯不正規半日潮特征[4]。湛江灣海域屬于南海海域的一部分，而有關南海的潮汐潮流的研究工作比較多，有很多海洋學家對南海的潮波運動進行了研究[5]。葉安樂和 Robinsion[6]首次用初值方法計算了南海潮波，他們的研究對于南海潮波的分布和動力學性質有重要意義，特別與早期的工作相比有了重大的進步。但關于湛江灣附近海域潮汐潮流特征的研究工作較少。張喬民等[7]研究了湛江灣內的潮流對灣內地形的侵蝕作用，并指出灣內的圍墾工程改變了灣內局部海域的潮汐動力特征。林微等[8]模擬了湛江港的潮汐動力場，并通過對泥沙沉積進行分析，研究了湛江港的潮汐汊道落潮三角洲潮流場和波浪場特征。賀松林和丁平興等[9,10]分別通過數值模擬方法對湛江灣內沿岸工程的沖淤影響進行了分析預測。但是，這些研究主要集中在圍填海和泥沙沖於問題上，而關于湛江灣附近海域的潮汐和潮流分布規律的研究工作較少。本文選用國際先進的數值模型FVCOM建立湛江灣附近海域的三維潮汐潮流模型，以應對湛江灣海底地形復雜、海岸線不規則且彎曲較多、灘涂面積大、水深變化劇烈、島嶼眾多等特點，研究湛江灣的潮汐潮流分布特征。

1 三維潮流數值模型及計算方法

1.1 FVCOM簡介

湛江灣海域水深變化較大，從幾米到40 m，灣口龍騰水道處水深較大，靠近岸邊處水深較小，且存在大片灘涂，為對灘涂處進行準確處理，本文采用國際先進的海洋數值模型 FVCOM（An Unstructured Grid，Finite-Volume Coastal Ocean Model）對湛江灣潮汐潮流特征進行數值模擬研究。

FVCOM模式在水平方向上采用無結構化三角形網格，垂直方向上采用σ坐標，并采用有限體積方法，采用三角形網格，更易擬合邊界，并可針對關注區域進行局部加密，可更好地保證質量、動量的守恒性，在近岸河口區域和理想化實驗的模擬中，通過FVCOM分別與POM以及ECOM-si的對比結果[11,12]發現，擬合的程度和數值方法的選擇在近岸河口及邊界復雜海域的數值模擬中有重要作用，而這正是FVCOM的優勢所在。在進行潮間帶處理時，FVCOM采用干/濕網格技術，進行干/濕網格判斷，在計算流量時只考慮濕網格的流量，來保證流體體積守恒。在溫、鹽等通量的計算中也采用這種方法。Zheng等[13]在Satilla River Estuary進行模擬實驗時，發現干/濕網格技術在潮汐潮流的模擬中具有重要作用。若不采用干/濕網格，忽略灘涂面積，模擬潮流的分潮振幅相對實測值偏小50%，位相也會出現偏差。

因此，對于湛江灣附近海域這樣具有海底地形復雜、海岸線不規則且彎曲較多、灘涂面積大、水深變化劇烈、島嶼眾多等特點的海灣，適合選用FVCOM進行潮汐潮流數值模擬。

1.2 模型的計算區域及網格設置

本文包括湛江灣及其部分外海海域作為模擬計算區域，東經 110.1535°～110.833°，北緯20.4924°～21.4074°，見圖1。模擬區域中，南北長約91 km，東西約69 km，為保證湛江灣內模擬結果不受開邊界影響，將開邊界設置遠離湛江灣。采用東中國海大區潮模型嵌套結果作為開邊界條件，模型采用三角形網格，最小空間網格步長100 m，最大2 000 m，時間步長設置為5 s，垂向分為6 個σ層。模型區域共有網格 28 258 個，三角形單元53 609 個，對湛江灣的部分重點區域如狹窄水道等對網格進行加密，見圖 2，較好地體現了模擬區域岸線和地形分布。

模式采用中華人民共和國海事局出版的海圖資料作為水深場，利用內插方法計算網格點水深，以最高潮時的零米等深線處作為模式計算區域的邊界，圖1是湛江灣海域水深分布特征。

圖 1 湛江灣海域地理位置、水深及觀測站位分布Fig. 1 Zhanjiang coastal areas and observation stations

2 驗證結果分析

選取2006年9月在湛江灣布設的T1-T4共4個臨時驗潮站和V1-V4共4個連續潮流觀測站的觀測數據與模擬結果進行對比，以驗證數值模擬的結果，連續站潮流觀測采用直讀式海流計，時間為26 h；潮位觀測采用ALEC水位計，長度均1個月；站位見圖1。

2.1 潮位驗證

輸出對應時段的模式結果，與實測資料進行對比分析（見圖3、表1），發現兩者差別較小，模擬潮位與實測值最大差在20 cm內，在允許范圍之內，說明模擬結果較為準確，因此可以認為本文的模型的潮汐模擬部分是合理可靠的，分析發現，此海域一天出現兩次高潮和兩次低潮，主要表現為不規則半日潮性質，并有月不等現象，1個月內共出現2 次大潮和2 次小潮，大潮潮差約4.8 m，小潮潮差約1.0 m。驗證結果顯示，模型能夠較好地反映湛江灣的潮位變化狀況，本文重點選取湛江灣內 T3、T4潮位觀測站通過觀測和數值模擬得到的調和常數進行對比。

圖 2 模式網格圖Fig. 2 Model grid

表 1 M2、S2、K1、O1、M4和 MS4分潮振幅和遲角的觀測值與模擬值比較Tab. 1 Comparison of observed and simulated tidal amplitudes and phases of M2, S2, K1, O1, M4 and MS4 tides

圖 3 潮位驗證Fig. 3 Validation of tidal level

圖 4 潮流驗證圖Fig. 4 Validation of tidal current

2.2 潮流驗證

圖4給出了V1-V4站的在大潮期間計算和實測潮流的對比，從圖中可以看出，計算潮流與實測潮流有良好的一致性，潮時及流速大小均較為接近，能夠較好的反應潮流的性質，但也發現，由于未考慮斜壓場和表面風的作用，造成潮流流速比實測結果略小，但我們認為，關于湛江灣海域的潮流模擬結果基本是可信的，模擬結果可以較好的反映湛江灣附近海域的潮流特征。

3 潮汐潮流分析

3.1 潮汐分析

潮汐類型是根據潮型數來劃分的，它反映了某一海區全日分潮與半日分潮的的相對重要性。一般可根據A值的大小將潮汐分為4種類型：正規半日潮、不規則半日潮、不規則日潮和正規日潮。計算結果表明，該海區潮型數在0.9～1.3之間（圖5（a）），屬不規則半日潮范疇。湛江灣內潮型數要小于灣外海區，越往湛江灣灣頸，潮型數越小，低于 1.0，外海區潮型數比灣內的潮型數略大，最大約 1.2。計算該海區各點的潮型數，并繪制等值線圖，潮型數分布圖如下：

根據計算結果進行調和分析，結果表明（見圖5（b，c，d）），湛江灣的 M2、S2、K1、O1主要從外海傳入，不構成獨立的潮汐系統，分潮波分別自湛江灣和雷州灣傳入，振幅和遲角逐漸變大，湛江灣外硇洲島東側海域，M2分潮振幅為84 cm，而灣內東海大堤附近海域其振幅可達100 cm以上，同時，遲角增加也在10°以上，灣內全日分潮K1最大振幅為40 cm，O1最大振幅為48 cm，總體上全日分潮呈現自西向東的弧線型傳播，隨水深變小，傳播速度逐漸變慢；近岸潮差大于深水潮差，從圖5c看出，在模擬區域南部，振幅線左旋，說明可能存在一無潮點，具體驗證，需要擴大模擬范圍論證，O1分潮振幅和遲角曲線和K1分潮類似，均呈現自西向東弧線型傳播的規律，只是總體振幅略大，且其振幅在近岸處較大。

圖 5 湛江附近海域潮汐類型(a)和分潮同潮圖(b,c,d)（實線為等振幅線，虛線為同遲角線）Fig. 5 Tide types near Zhanjiang Bay(a) and calculated co-tidal lines in Zhanjiang Bay(b,c,d), with solid lines for co-amplitudes and dash lines for co-phases

3.2 潮流分析

湛江灣附近海域主要為不規則半日潮流，1日內出現2次漲落潮流，漲急、落急時刻流速較大，轉流時刻流速較小，在約1 h的轉流時段內，流速曲線處于流速最小值處；漲潮平均流速為56.0 cm·s-1，落潮平均流速為69 cm·s-1。湛江灣的落潮流流速一般比漲潮流流速大，漲、落潮最大流速分別為104 cm·s-1和 123 cm·s-1，表層流速大于底層流速。流向受到地形的限制，漲潮流主要向西北，落潮流主要向東南。

圖6 湛江海域漲急時刻和落急時刻流場圖Fig. 6 Current fields in the Zhanjiang Bay at the fastest flood and ebb moments

3.3 潮流運動形式及橢圓要素

模擬海域的潮流運動形式主要為旋轉流和往復流。湛江灣口龍騰水道外海域開闊，主要以旋轉流為主，而灣內的近岸淺水區和水道、河口處主要體現為往復流，利用調和分析方法，分別以 M2和K1分潮代表半日分潮流和全日分潮流，對湛江灣海域的潮流橢圓要素特征進行分析，并分別繪制其表層流橢圓圖（見圖7和圖8），圖中潮流橢圓的長軸方向表示最大流方向，長半軸長度表示最大流量值，短軸方向表示最小流方向，短半軸長度表示最小流量值，從圖中我們可以分析模擬海域的潮流運動規律。

圖 7 湛江灣內M2分潮的潮流橢圓分布Fig. 7 Distribution of tidal current ellipses for M2 constituent in Zhanjiang Bay

圖 8 湛江灣內O1分潮的潮流橢圓分布Fig. 8 Distribution of tidal current ellipses for O1 constituent in Zhanjiang Bay

圖7為M2分潮潮流橢圓分布，由圖可以看出，絕大部分點的 M2分潮潮流橢圓長軸占絕對優勢，M2分潮潮流橢圓長軸的分布較為規則，其變化與地形相關，長軸的方向一般與岸線或水道走向一致，除去東海島北部的東頭山附近海域，湛江灣內大部分水域均呈現往復流特征，僅灣口南部存在較明顯的旋轉流特征，橢率一般在0.06～0.36之間，岸邊附近的流速比較小，而離岸較遠區域的流速比較大，灣內潮流橢圓長軸的方向，即最大流速方向大致為西北東南向，基本平行于海岸線，灣外最大流速方向分成兩部分，一部分為東北西南向，另一部分為東西向，強流區最大值達到60 cm·s-1左右，發生在灣口附近。

圖8為O1分潮潮流橢圓分布圖，可以看出，其分布特征與 M2分潮流較為相似，在淺水和河口海域基本為往復流，而在灣口西側南部海域存在旋轉流，橢率一般在0.11～0.47之間。最大流速方向也基本平行于海岸線，最大流速值最大為26 cm·s-1，同樣也發生在灣口附近。

4 余流分析

余流是指實測海流扣除潮流后的剩余流動，包括潮汐余流、風海流、長周期流以及其它的非周期性流動；通過對模擬得到的潮流結果進行調和分析，可以得到的模擬海域的余流場（見圖9），可以看出，模擬海域內的余流場比較雜亂，主要分布特征為：模擬區域北部靠近開邊界的部分，余流主要是指向北向的，南部靠近開邊界的部分余流主要是從外海指向模擬區域，湛江灣的東側灣口處，余流總體是指向灣外的，灣口北部，主要有一南向的余流，灣口南部，主要受繞過硇洲島向南的逆時針余流的影響，湛江灣西側灣口處的余流較為雜亂。

針對湛江灣內余流重點分析，在湛江灣內特呈島以北的灣頸海區，余流場較為雜亂，受上游徑流沖淡海水影響，余流以下泄流為主，南三島以南至灣口海區的余流受漲、落潮流的影響，分布也比較復雜，湛江灣口海域，由于口窄水深，水流在此輻聚，因此是強流區，余流流速較大，最大流速30 cm·s-1，此處主要是一逆時針渦流，表現為北進南出；湛江灣口西和東頭山島東端還存在順時針渦流；灣口西南存在一逆時針渦流；東頭山島和特呈島中間海域還存在逆順時針渦流；特呈島西南靠近湛江市附近存在順時針渦流；湛江灣口西和東頭山島東端是順時針渦流和灣口西南的逆時針渦流是湛江灣內余流最強的區域，方向從灣口指向灣內,將灣口物質分布向西南岸和灣中部輸送；東頭山島和特呈島中間海域的逆順時針渦流流速不大，但對泥沙沉降影響的作用還是比較明顯的，其環流的中心淺灘可能與此有關；總體而言，灣內余流場總體指向灣外, 且灣口處余流較大, 這對灣內的水環境保護有一定積極作用。

圖 9 湛江海域表層余流場Fig. 9 Distributions of residual currents in Zhanjiang Bay

5 結 論

（1）利用FVCOM數值模型，建立湛江灣附近海域的三維潮汐潮流數值模型，對湛江灣海域的潮位和潮流特征進行數值模擬。模型運用有限體積法求解控制方程，并利用干/濕網格方法控進行動邊界模擬。模型采用無結構三角形網格，整個模擬區域共有三角形網格點28 258 個，三角形單元共53 609個，模型的最小空間網格步長 100 m，時間步長5.0 s，模擬結果與實測潮位和潮流觀測結果基本一致，調和后的潮汐潮流和余流場分布特征也與前人結果[8-10]基本相符，能夠真實地反映湛江灣的潮汐潮流分布狀況，而模型采用的高時空分辨率也使研究工作更加細致；

（2）模擬海域的潮汐有明顯不規則半日潮特征，主要分潮波M2、S2、K1、O1主要從外海傳入，不構成獨立的潮汐系統，其中 M2分潮的最大振幅為109 cm；

（3）湛江灣附近海域主要為不規則半日潮流，1日內出現2次漲落潮流，漲、落潮最大流速分別為104 cm·s-1和123 cm·s-1，落潮流流速大于漲潮流流速；

（4）湛江灣口龍騰水道外海域開闊，主要以旋轉流為主，而灣內的近岸淺水區和水道、河口處主要體現為往復流，絕大部分點的 M2分潮流橢圓長軸占絕對優勢，長軸的方向一般與岸線或水道走向一致，M2分潮流最大值為 60 cm·s-1左右，發生在灣口附近；

（5）湛江灣的表層潮余流最大余流流速為30 cm·s-1，灣內余流場總體指向灣外, 且灣口處余流較大, 這對灣內的水環境保護有一定積極作用。

[1] 中國海灣志編輯委員會. 中國海灣志第十分冊(廣東省西部海灣)[M]. 第一版. 北京: 海洋出版社, 1999.

[2] 應秩甫, 王鴻壽. 湛江灣的圍海造地與潮汐通道系統 [J]. 中山大學學報(自然科學版), 1996, 35(6): 101-105.

[3] Sha W, Xing L, Xi C, et al. Numerical simulation of semidiurnal tidal waves in sea region around Taiwan [J]. Acta Oceanologica Sinica, 2001, 23(4): 317-330.

[4] 沙文鈺, 呂新剛, 張文靜, 等. 環臺灣島海域全日分潮的特征和潮汐、潮流的性質 [J]. 海洋科學, 2002, 26(1): 62-69.

[5] Fang G. Tide and tidal current charts for the marginal seas and adjacent to China [J]. Chinese Journal of Oceanography and Limnology, 1986, 4(1):1-16.

[6] Ye A, Robinsion I S. Tidal dynamics in the South China Sea [J].Geophysical Journal of the Royal Astronomical Society, 1983,72(1):691-707.

[7] 張喬民，宋朝景，趙煥庭. 湛江灣溺谷型潮汐水道的發育 [J]. 熱帶海洋, 1985, 4(1): 48-56.

[8] 林微, 張喬民, 趙煥庭. 湛江港潮汐汊道落潮三角洲動力場模擬和沉積動態分析 [J]. 熱帶海洋, 1995, 14(1): 54-61.

[9] 丁平興, 賀松林, 張國安, 等. 湛江灣沿岸工程沖淤影響的預測分析，II 沖淤的數值計算 [J]. 海洋學報, 1997, 19(1): 64-71.

[10] 賀松林, 丁平興, 孔亞珍, 等. 湛江灣沿岸工程沖淤影響的預測分析I 動力地貌分析 [J]. 海洋學報, 1997, 19(1): 55-63.

[11] Chen C, Liu H, Beardsley R C. An unstructured grid, finite-volume,three-dimensional, primitive equations ocean model: Application to coastal ocean and estuaries [J]. Journal of Atmospheric and Oceanic Technology, 2003, 20: 159-186.

[12] Chen C, Huang H, Beardsley R C, et al. A finite volume numerical approach for coastal ocean circulation studies: Comparisons with finite difference models [J]. Journal of Geophysical Research,2007,112: 1-34.

[13] Zheng L, Chen C, Liu H. A modeling study of the Satilla River Estuary, Georgia. Part I: Flooding/drying process and water exchange over the salt marsh-estuary-shelf complex [J]. Estuaries,2003, 26 (3): 651-669.

Three-dimensional numerical simulation of tidal current in Zhanjiang Bay

LI Xi-bin1, SUN Xiao-yan2, SONG Jun2, YAO Zhi-gang3

(1. Tianjin Marine Environmental Monitoring Central Station, SOA, Tianjin Marine Environmental Monitoring and Forecasting Center, Tianjin 300451, China;
2. National Marine Data and Information Service, Tianjin 300171, China;
3. College of Physical and Environmental Oceanography，Ocean University of China, Qingdao 266100, China)

Based on an unstructured grid, finite-volume coastal ocean model (FVCOM), the complete three-dimensional fine-solution equation group of shallow-sea tide is adopted to calculate the tide in Zhanjiang Bay.The equation group consists of tide-control equations and obturating turbulence equations. Using harmonic analysis of the calculated tidal level and current, the distributions of co-tidal lines for M2,S2, K1and O1are obtained, with 109 cm,the maximum amplitude of M2, There’s two flood and ebb tides in 24 hours, and the maximum speed of flood and ebb tidal current can reach 104 cm·s-1and 123 cm·s-1, respectively. Through the analysis of M2and K1tidal current ellipses,we can know that the flow is reciprocating flow in the near shore area, estuaries and channels. The maximum speed of surface residual current is 30 cm·s-1, and the direction of overall effect of the residual current is toward the outside of the bay.

Zhanjiang Bay; three-dimensional numerical simulation; tide; tidal current; residual current

P731.2

A

1001-6932(2011)05-0509-09

2010-08-26；

2011-04-08

李希彬( 1983－ )，男，碩士，主要從事海洋預報研究工作。電子郵箱：lixb_tj@yahoo.com.cn。

孫曉燕，工程師。電子郵箱：hyda@mail.nmdis.gov.cn。