基于長期浮標觀測資料與數值模式的渤海潮流性質研究

高 松, 徐江玲， 連喜虎， 王海棠， 李 銳

(1.國家海洋局北海預報中心，山東 青島 266061； 2.山東省海洋防災減災重點實驗室，山東 青島 266061；3.國家海洋局北海海洋工程勘察研究院，山東 青島 266061)

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基于長期浮標觀測資料與數值模式的渤海潮流性質研究

高 松1，2, 徐江玲1，2， 連喜虎1，2， 王海棠3， 李 銳1，2

(1.國家海洋局北海預報中心，山東 青島 266061； 2.山東省海洋防災減災重點實驗室，山東 青島 266061；3.國家海洋局北海海洋工程勘察研究院，山東 青島 266061)

基于渤海7個大型浮標各近1年的海流觀測資料，結合采用FVCOM模式建立的渤海潮汐潮流模式，對渤海的潮流性質進行分析，并將結果與1992年版海洋圖集進行比較。結果表明：遼東灣、渤海灣屬規則半日潮流；萊州灣的大部屬規則半日潮流，小部分為不規則半日潮流；渤海中央及渤海海峽海域屬不規則半日潮流；渤海海峽東南側存在以煙臺芝罘島為中心的規則全日潮流向不規則半日潮流過渡區域。海洋圖集中龍口附近海域的不規則全日潮流類型區并不存在；萊州灣灣底東部的不規則半日潮流區為規則半日潮流類型。

渤海；潮流性質；海流資料；數值模擬

渤海是一個半封閉內陸淺海，平均水深約18 m，由遼東灣、渤海灣、萊州灣和渤海中部海域組成，僅通過渤海海峽與黃海相通(見圖 1)。渤海是一個潮汐、潮流顯著的海區，潮流場復雜多變。目前建立在以渤海周邊驗潮站潮位調和常數驗證基礎上的潮波數值模式，對潮汐的模擬已達到相當高的精度，進而對渤海潮波特征有了較為深入的認識。然而，對渤海潮流的認識迄今主要集中在數值模擬[1-5]以及少量的資料分析工作[6-8]。由于觀測資料缺乏，觀測站位稀少，觀測不同步等原因, 缺乏對整個渤海潮流性質的系統認識。目前，對渤海潮流性質比較公認的認識為1992年版海洋圖集繪制的渤海潮流性質分布圖(見圖 2)。其主要特征為：渤海以半日潮流占優勢，遼東灣、渤海灣屬規則半日潮流；渤海中央海域屬不規則半日潮流。萊州灣的西半部屬規則半日潮流類型，東半部屬不規則半日潮流類型，而在龍口附近海域，出現不規則全日潮流類型。渤海海峽東南側以煙臺芝罘島為中心存在規則全日潮流至不規則半日潮流的過渡區域。本文利用渤海7個浮標站位各近1年的海流實測資料進行潮流性質分析，并綜合三維FVCOM模式對渤海潮汐潮流的數值模擬結果，重新分析研究渤海及渤海海峽潮流性質及分布特征。

圖1 渤海海底地形圖 Fig.1 Topography of Bohai Sea

圖2 1992年版海洋圖集渤海海域潮流性質分布[ 9](重新繪制)及浮標觀測站位Fig.2 Atlas map of oceans for tidal type distribution of Bohai Sea in 1992 and the locations of buoys

1 實測資料潮流性質分析

渤海內7個大型浮標(站位見圖 2)均采用ADCP進行剖面海流的連續觀測，觀測時間為2012年1～12月，部分月份由于浮標維護缺測。在數據處理過程中，只保留滿足下列條件的數據：(1)信號良好率大于70%；(2)東、北分量速度突變小于40cm/s；(3)合成流速在0～200cm/s。利用最小二乘法將潮流數據按月進行調和分析處理，計算潮流的基本參數，得到各站位每月表、中、底三層的潮流性質。表 1給出了7個浮標實測潮流性質分析結果。 從表中可以看出，位于渤海中部的QF1、QF6和QF7 3個站位的潮流性質主要為不規則半日潮流，這與海洋圖集的結果一致。 位于遼東灣南部的QF2站位潮流性質值在0.42～0.60之間，該站主要為不規則半日潮流性質，少數月份呈現為規則半日潮流性質。位于渤海灣口北側的QF5站位，表層潮流性質值在0.42～0.57之間，主要表現為不規則半日潮流性質；中層和底層多數月份表現為規則半日潮流性質，底層相比中層規則半日潮流性質更為明顯。這兩個站都位于海洋圖集繪制的不規則半日潮流和規則半日潮流交接區域，因此，這一結果與海洋圖集的結果基本一致。位于渤海海峽的QF3和QF4站位均為不規則半日潮流性質，QF3站位位于海洋圖集中不規則半日潮流和不規則全日潮流交接處，潮流性質值應約為2.0，而實測資料分析表、中、底層潮流性質值在1.02～1.61之間，且大部分值集中在1.2附近，明顯小于2.0。

表1 浮標實測值潮流性質分析HR值Table 1 List of analyzed tidal type (HR) from buoy data

Note： ①Station;②Sufacelager;③Middlelayer;④Bottomlayer;⑤Tidalcurrouttyre

2 渤海潮流模擬

2.1 模式選擇與設置

本文采用非結構網格FVCOM(FiniteVolumeCoastalOceanModel) 海洋模式對渤海潮汐潮流進行模擬。FVCOM由美國馬薩諸塞大學海洋科技研究院和伍茲霍爾海洋研究所聯合開發[ 10]。該模式采用有限體積的方法，通過積分的方式計算非重疊水平三角形控制體的通量來解控制方程。這種有限體積方法很好地將有限元方法處理海灣岸邊界復雜曲折的優點和有限差分方法簡單的離散結構、高效的計算效率結合起來，并且對于近岸、河口等具有復雜地形和岸界的區域來說，它更好地保證了質量、動量、鹽度和熱量的守恒性。

本文模式計算區域為渤海及渤海海峽區域，三維正壓水動力模型采用無結構的三角網格系統，包括48192個網格節點和93217個三角形單元，垂向分為6層，近岸區域網格距離約為2000m，開邊界處網格距離約為6000m，網格系統如圖 3所示。模式開邊界采用8個分潮(M2，S2，N2，K2，K1，O1，P1，Q1)驅動，所選用的調和常數來至1992年版海洋圖集，通過數字化方法得到。模式積分時間為2012年8月1日～9月30日，共61d。將模擬結果的潮汐和潮流數據進行調和分析，得到選取的8個分潮的調和常數及潮流性質(見圖4)。

2.2 模擬結果驗證

圖4為渤海潮流性質模擬結果圖。將潮流性質模擬結果與7個浮標位置的模式結果相比較，從表 2中可以看出模擬結果均處于實測值的范圍內。此外，將數值模式結果與文獻[6-8]基于中長期實測海流分析的潮流性質，進行了進一步的驗證，具體比較結果見表 2，可以看出模擬的潮流性質與文獻實測結果也均符合較好。通過上述的比較說明數值模式結果可信。

圖3 渤海及渤海海峽潮汐潮流模式的網格設置圖Fig.3 FVCOM grid of model domain

圖4 渤海潮流性質模擬結果圖Fig.4 Simulated tidal type distribution

2.3 模擬結果分析

渤海潮流性質數值模式結果(見圖 4)與海洋圖集(見圖 2)主要分布特征基本一致：遼東灣、渤海灣屬規則半日潮流；渤海中央海域屬不規則半日潮流。萊州灣的西半部屬規則半日潮流類型。渤海海峽東南側以煙臺芝罘島為中心存在規則全日潮流向不規則半日潮流過渡的區域。兩者主要的差別表現為：海洋圖集在龍口西側存在不規則全日潮流區，而模擬結果在該區大部分為不規則半日潮流，少部分為規則半日潮流。另在萊州灣底東側海域，海洋圖集為不規則半日潮流，模擬結果為規則半日潮流。為進一步分析這一差別，本文搜集整理了相關文獻中實測資料進行分析，各觀測站位見圖 5。近海海洋調查專項項目BHQ05站位2009年春、夏、秋、冬各1個月的潮流觀測數據分析潮流性質為不規則半日潮流(潮流性質值約為0.8)，該站位于海洋圖集繪制的不規則全日潮流區內，本文模擬結果約為0.7。中科院海洋所2006年大小潮觀測資料顯示，ZK5站表層和ZK6站各層的潮流類型為不規則半日潮流，其余各站(ZK2、ZK5、ZK4)的各層的潮流性質為規則半日潮流[ 11]，本文模擬結果在0.4～1.0之間，海洋圖集在ZK2～ZK6均為不規則半日潮流。付莉莉[12]在FL2站位25h潮流觀測結果為規則半日潮流(潮流性質值為0.2)，本文模擬結果為0.26，海洋圖集為不規則日潮流；FL1站位25h潮流觀測結果為規則半日潮流(潮流性質值為0.2)，本文模擬結果為0.35，海洋圖集為不規則半日潮流；FL3站位25h潮流觀測結果為規則半日潮流(潮流性質值為0.3)，本文模擬結果為0.38，海洋圖集為規則半日潮流。周廣鎮[ 13]在海洋圖集不規則全日潮流區的3個實測流點(ZG1、ZG2和ZG3)表、中、底三層的潮流性質值在0.27～0.97之間，本文模擬結果約為0.6。劉建強[14]在萊州灣西側海域的LJ1和LJ2點的觀測結果為0.25和0.36，本文模擬結果分別為0.34和0.42，兩者基本一致。綜上所述，本文模擬結果與各文獻中的實測結果基本一致，都表明萊州至龍口海域潮流性質以規則半日潮流和不規則半日潮流，不存在不規則全日潮流區。另在萊州灣底東側海域為規則半日潮流區。

圖 5 綜合觀測資料站位圖Fig.5 Locations of history observational data

此外，圖 4與圖 2的另一個差別為，在渤海海峽東南側的不規則全日潮流區域范圍不同，模擬結果顯示該區東西長約70km，南北長約80km，明顯小于海洋圖集范圍(東西長約120km，南北長約100km)。QF3站位位于海洋圖集中不規則全日潮流區域的邊緣，其觀測結果為1.02～1.61，屬不規則半日潮流。本文數值模擬的潮流性質值為1.22與實測值更為接近。但在該區內沒有其它站位的長期觀測資料，這一結論仍需進一步證實。

表2 中長期觀測資料分析的潮流性質與模式結果對比表Table 2 Tidal type comparison between observation and numerical simulation

Note： ①Reference；②Stationname；③Observationtime；④Observationresult；⑤Simulationresult

3 結語

觀測和研究表明，遼東灣、渤海灣屬規則半日潮流；萊州灣的大部海域屬規則半日潮流；渤海中央及渤海海峽海域屬不規則半日潮流；渤海海峽東南側以煙臺芝罘島為中心存在規則全日潮流向不規則半日潮流過渡的區域。本文結果與海洋圖集相比主要區別在于海洋圖集在龍口西側存在不規則全日潮流區，本文研究表明在該區大部分為不規則半日潮流，小部分為規則半日潮流，不存在不規則全日潮流區。另在萊州灣底東側海域，海洋圖集為不規則半日潮流，本文結果為規則半日潮流。此外，渤海海峽東南側以煙臺芝罘島為中心的規則全日潮流向不規則半日潮流的過渡區域范圍，本文研究結果明顯小于海洋圖集，但這一結論仍需更多長期觀測資料進一步證實。對于本文研究結果與海洋圖集不一致原因，筆者認為可能是由黃河口區域地形變化，以及萊州灣和渤海灣大規模填海工程引起的岸線變化共同作用所致。黃祖珂[15]研究結果認為，從1930—1970年代渤海的岸線和地形變化引起了渤海潮波系統和潮流性質的很大變化。筆者將在之后的文章中詳細討論這一問題。

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[15] 黃祖珂. 渤海的潮波系統及其變遷 [J]. 青島海洋大學學報, 1991, 21(2)： 1-12.

責任編輯 龐 旻

Characteristic Analysis to Tidal Current in Bohai Sea on the Base of Long-Term Buoy Observations and Numerical Modelling

GAO Song1，2, XU Jiang-Ling1，2， LIAN Xi-Hu1，2， WANG Hai-Tang3， LI Rui1，2

(1. North China Sea Marine Forecasting Center, State Oceanic Administration, Qingdao 266033, China; 2. Shandong Provincial Key Laboratory of Marine Ecological Environment and Disaster Prevention and Mitigation,Qingdao 266033, China；3.North China Sea Marine Engineer Prospecting Institute SOA,Qingdao 266061,China;)

Based on one-year long current observation from 7 buoys and numerical simulation with FVCOM model, tidal character of Bohai Sea is reanalyzed, which is then Compared with one of atlas maps of oceans in 1992. The comparison shows that current in Liaodong Bay and Bohai Bay is dominated by regular semidiurnal tides, which is almost in the same situation as in atlas in 1992. Most part of current in Laizhou Bay is dominated by regular semidiurnal tides while the left part is by irregular semidiurnal tides. However, the irregular diurnal tide zone in Longkou area show in atlas does not exist anymore, besides current type in the eastern bottom of Laizhou Bay changes from irregular semidiurnal tide to regular semidiurnal tide. Meanwhile, current type in the center of Bohai Sea and Bohai Channel is irregular semidiurnal. In the end, one regular diurnal tidal zone is found located in the east of Bohai Channel with the center on Zhibu island, that is a little different from the old one of atlas in 1992.

Bohai Sea; tidal type; current observation; numerical simulation

國家海洋局青年海洋科學基金項目(2013207)；山東省海洋生態環境與防災減災重點實驗室開放基金項目(2011003)；北海分局海洋科技項目(KT2012B08)資助

2014-01-09;

2014-02-13

高 松(1980-)，男，碩士。E-mail:41267946@qq.com

P731.21

A

1672-5174(2015)06-007-05

10.16441/j.cnki.hdxb.20130473