渤海岸線地形變化對潮波系統和潮流性質的影響?

孟 云, 婁安剛??, 劉亞飛, 張棟梁

(1.中國海洋大學環境科學與工程學院，山東 青島 266100； 2.國家海洋局北海分局預報中心，山東 青島 266061)

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渤海岸線地形變化對潮波系統和潮流性質的影響?

孟 云1, 婁安剛1??, 劉亞飛1, 張棟梁2

(1.中國海洋大學環境科學與工程學院，山東 青島 266100； 2.國家海洋局北海分局預報中心，山東 青島 266061)

采用有限體積近岸海洋模型FVCOM，基于渤海2004和2014年的岸線地形數據，構建渤海2個年份的三維潮汐潮流數值模式；通過數值模擬研究，探討了渤海岸線地形變化對潮波系統和潮流性質的影響。數值模擬結果表明：岸線地形變化后，半日分潮潮時在渤海灣、萊州灣和渤海中部東南海域提前，在遼東灣和渤海中部西北海域滯后；振幅在渤海灣及遼東灣增大，在萊州灣及渤海中部減小；位于秦皇島和黃河口的半日分潮無潮點位置分別向西南和東南方向移動。渤海絕大部分海域全日分潮潮時提前，振幅增大，位于渤海海峽的全日潮無潮點位置向東移動。潮流性質系數在萊州灣增大，在渤海其他大部分海域減小，渤海規則半日潮流海區范圍略有增加，不規則半日潮流海區范圍相應減少。

潮波系統；潮流性質；岸線變化；渤海；數值模擬

渤海位于37°07′N～41°N,117°35′E～121°10′E區域，總面積約7.7萬km2，是嵌入中國北部大陸的半封閉型淺海[1]，僅通過渤海海峽與黃海相通。自2004年以來，由于渤海沿岸各省市大力發展海洋經濟[2]，海岸帶的開發建設規模和強度逐年增長，至2011年，天津濱海新區、曹妃甸工業區等大規模涉海工程的開發建設以及遼寧“五點一線”經濟帶、山東半島藍色經濟區的大型圍填海活動均已成型[2-3]。至2010年末，渤海圍填海總面積為415.23km2[4]，人工岸線的逐年攀升加之海岸帶的自然演變作用，必然會導致渤海岸線形態和沿岸地形的不斷變化[5]，進而引起海洋動力條件、生態環境的連鎖反應[2,6]。

潮波運動是渤海最主要的海洋動力過程[7]，對海洋環境起重要的控制作用，探討岸線地形改變對渤海潮波系統和潮流性質的影響，是進一步研究渤海海洋動力環境變化的基礎。盡管前人針對渤海潮波、潮流開展了大量數值研究工作[8-13]，確定并修正了渤海同潮圖的基本形態和潮流性質系數分布，然而目前基于渤海岸線和地形變化對潮波系統及潮流性質影響的研究鮮見報道。

本文通過改進三維海洋數值模式FVCOM(An Unstructured Grid Finite-Volume Coastal Ocean Model)，建立渤海2004年和2014年高分辨率潮汐潮流數值模型(其中2004年的岸線地形是渤海大規模圍填海之前的岸線地形，2014年的岸線地形為渤海的最新岸線地形)，根據數值模擬結果探討岸線地形變化對渤海潮波系統和潮流性質的影響。

1 數值模式和計算配置

1.1 模型簡介

FVCOM模式已被廣泛應用于海灣[14-18]、河口[19-20]的數值模擬研究，其原始基本方程組詳見文獻[21-22]。該模式采用有限體積離散法，綜合了有限元法局部加密、易擬合岸界和有限差分法模式簡單、計算效率高的優點，并能夠保證研究海域的質量、能量和動量守恒[22]。模式在水平方向采用三角形網格，垂直方向采用sigma坐標，可精確地描述渤海復雜海岸線和海底地形的變化。

1.2 模型計算配置

1.2.1 計算域和模型設置 計算范圍為渤海海域，模型利用SMS(Surface Water System)軟件生成三角形網格，并在近岸、島嶼附近海域進行加密。2004年和2014年對應的計算網格，除在岸線地形有變化的海域不同外，與其它的海域相同，其中在沿岸附近海域的水平網格最大距離1500m，最小距離不大于400m，以2014年為例，圖1給出了計算域的網格設置及其在曹妃甸和濱海新區的局部放大圖。模型在垂向按sigma坐標均分為5層，采用內、外模態分離法求解，外模、內模時間步長分別取0.3和3s，數值模擬15d穩定后輸出計算值。

圖1 模型計算域及網格設置(2014)

1.2.2 岸界和水深資料 2004年和2014年的渤海岸線分別取自美國陸地資源衛星Landsat7 ETMSLC-off和Landsat8 OLI_TIRS的遙感圖像數據。圖2給出了2個年份的渤海岸線，并標注了岸線變化的主要海域。2004年的水深數據摘自中國人民解放軍海軍司令部航海保證部2006年出版的天津港、成山角至大連港海圖和2005年出版的遼東灣海圖；2014年水深數據摘自中國人民解放軍海軍司令部航海保證部2014年出版的天津港、成山角至大連港海圖，2014年出版的渤海灣海圖和2014年出版的遼東灣海圖。在收集所得岸線、水深的遙感和海圖資料的基礎上，結合圍填海調查數據，修正了同期的岸線地形資料。基于兩套岸線地形數據，分別數值模擬了2004年和2014年的潮汐、潮流。

1.2.3 開邊界條件 開邊界取煙臺-大連連線(37°36′N,121°26′E～38°49′N,121°24′E)，調和常數是利用從煙臺、大連長期驗潮站資料得到的調和常數，并結合渤黃海水文圖集同潮圖以及OTIS(OSU Tidal Inversion Software)的數據插值，經反復調試驗證計算機程序而得，開邊界輸入方程為：

ξci=Hcicos(ωcit-gci)，ci:M2，S2，K1，O1。

式中：ξci為ci分潮的水位；Hci為ci分潮振幅；ωci為分潮角速度；gci為ci分潮位相。

采用零初始條件，對渤海4個主要分潮進行數值模擬，其中半日潮計算30個潮周期，全日潮計算15個潮周期，輸出最后1個潮周期的計算結果，用于調和分析。

圖2 渤海岸線及觀測站分布Fig.2 Coastline and observation stations in the Bohai Sea

1.3 模型驗證

利用渤海沿岸16個驗潮站資料[23]，對在2004年岸線、地形條件下的數值模擬結果進行驗證。圖3直觀顯示了潮汐調和常數計算值與觀測值的比較結果，M2、S2、K1和O1分潮振幅的平均絕對誤差Mean Absolute Error (MAE)分別為4.61、2.12、2.29和1.02cm，遲角的MAE分別為5.77°、7.95°、4.99°和4.79°，可見模型的潮汐模擬結果精度較高。由于2011年后渤海岸線地形變化不大，為進一步檢驗模型的潮流計算結果，選取圖2所示渤海5個連續測流站2011—2012年的潮流觀測資料，對2014年岸線、地形條件下的潮流數值模擬結果進行檢驗。限于篇幅，僅給出A站(2011年5月10日)和D站(2012年1月14日)的表層潮流玫瑰驗證圖(見圖4)，其他3個站位的驗證結果與A、D站位驗證結果相似。由圖4可見，潮流的模擬值與觀測值吻合良好，流速、流向變化趨勢一致。因此，本文建立的渤海潮汐、潮流模型是正確的。

基于2004年和2014年兩套岸線、地形數據，進行的潮汐、潮流數值模擬，由于采用相同的動力參數、邊界條件和時空步長，故2個年份下的數值模擬結果能夠說明岸線地形變化的影響。

(圖中所繪直線經原點且斜率為45°，數據點到該直線距離越小則計算結果愈佳。The straight lines in the figure pass through the origin with the slop of 45°, The shorter the distance from points to the line, the better the result is.)

圖3 潮汐調和常數計算值與觀測值對比
Fig.3 Comparison between simulated and observed harmonic constants

圖4 A、D站表層潮流玫瑰圖驗證Fig.4 Validation of surface current roses at A and D station

2 數值計算結果與討論

對潮汐、潮流的數值模擬結果進行調和分析[24-25]，計算出2004與2014年各分潮潮汐、潮流調和常數。圖5為各分潮同潮圖，圖6、7為M2和K1分潮的遲角振幅變化分布，圖8為2個年份潮流性質系數和潮流類型的分布。下面從各分潮同潮時線偏轉、振幅大小變化、無潮點位置移動和潮流性質分布4個方面探討渤海岸線地形變化對其潮汐、潮流的影響。

2.1 潮波同潮時線偏轉

由圖5(a)、(b)所示2個年份M2、S2分潮的同潮圖可知，半日分潮同潮時線的偏移規律相似。隨著渤海岸線地形的變化，位于秦皇島海域半日分潮無潮點的同潮時線，整體向西南方向平移，遼東灣內的同潮時線發生順時針偏轉；位于黃河口海域的半日分潮無潮點的同潮時線向東南方向平移，渤海灣內的同潮時線發生逆時針偏轉，萊州灣內的同潮時線順時針偏轉。同潮時線的偏轉致使半日分潮在渤海灣、萊州灣和渤海中部東南海域的潮汐位相提前，在遼東灣和渤海中部西北海域的位相滯后。

圖5 M2、S2分潮同潮圖Fig.5 Cotidal charts of M2 and S2 constituents

圖6 M2分潮遲角的變化Fig.6 Changes of phase lag of M2 constituent

由圖6可知，從變化量值上講，M2分潮在無潮點附近的遲角變化最大，且較為復雜，既有增大區也有減小區。M2分潮的遲角在萊州灣和渤海灣的變化也較為顯著，在萊州灣遲角減小15°～25°，自灣口至灣底的遲角減小量逐漸增加；在渤海灣遲角減小0°～20°，以無潮點為中心自灣口沿逆時針旋轉的方向，遲角減小量增加。M2分潮在遼東灣和渤海中部大部分海域的遲角變化則相對不大，其變化量分別在0°～8°和-8°～8°之間。S2分潮遲角變化的分布(圖略)規律與M2分潮類似，但由于波長及在淺海的能耗不同，在渤海部分海域的遲角變化量有所不同：S2分潮在渤海灣的遲角減小量為0°～13°，在萊州灣的遲角減小量為13°～18°。

由圖7所示的2個年份K1、O1分潮同潮圖可知，全日分潮同潮時線的偏移規律基本一致。隨著渤海岸線地形的演變，位于渤海海峽附近全日分潮無潮點的同潮時線基本上整體向東平移，渤海大部分海域的同潮時線發生逆時針偏轉。同潮時線的偏轉導致渤海全日分潮潮時普遍提前，且在渤海大部分海域，以無潮點為中心順著潮波旋轉傳播的方向，潮時的提前時間逐漸增加。

由圖8可知，K1分潮在無潮點附近的遲角變化幅度最大，在無潮點北側附近海域的遲角增加，南側附近海域的遲角減小。K1在萊州灣的遲角減幅較大，渤海灣次之，遼東灣最小。O1分潮的遲角變化分布(圖略)與K1分潮相似，但其遲角變化量相對K1分潮小。從變化量值上看，渤海岸線地形演變對全日分潮的影響比半日分潮的小。

2.2 潮波振幅變化

比較圖7所示2個年份各分潮同潮圖可知，同潮族中各分潮振幅的變化趨勢基本一致，從振幅變化量值看，渤海岸線地形演變對半日分潮的影響大于對全日分潮的影響，尤其是對M2分潮產生影響最大。

由圖9可見，岸線地形變化后，M2分潮在渤海灣和遼東灣的振幅增加，增量分別為2～13cm和0～5cm；

圖9 M2分潮振幅的變化Fig.9 Changes of amplitode of M2 corstituent

在渤海灣和遼東灣內以各自的無潮點為中心在逆時針旋轉方向上，振幅增量呈增加趨勢。M2分潮在萊州灣減小量為5～10cm，且自灣口到灣頂的減小量逐漸增加；在渤海中部海域的振幅減小量在0～3cm之間，變化不大。S2分潮振幅的變化(圖略)與M2分潮大致相似，但其變化量值相對較小，在渤海灣和遼東灣的最大增量分別為4.3和1.2cm，在萊州灣和渤海中部海域的最大減小量均小于2.0cm；由于S2和M2分潮無潮點位置的差異，S2分潮振幅增大和減小的區域也略有不同。

由圖10可知，渤海岸線地形演變對全日分潮振幅的影響并不顯著，K1分潮除在無潮點以東的渤海海峽區域的振幅減小外，其它海域振幅增加，最大減小值在0.8cm左右，最大增大值在1.2cm左右。O1分潮的振幅變化(圖略)類似于K1分潮，但其變化量值更小，變化量小于1cm。

圖10 K1分潮振幅的變化Fig.10 Changes of amplitode of K1 corstituent

2.3 潮波無潮點位置的變化

表1列出了2004年和2014年半日分潮M2、S2和全日分潮K1、O1的無潮點位置及其在岸線地形變化后的遷移距離。由表1和圖5可知，同潮族分潮無潮點的遷移方向基本一致，但半日分潮無潮點的遷移距離較遠。M2分潮和S2分潮位于秦皇島附近的無潮點位置分別向西南方向遷移了7.69和8.57km；位于黃河口外無潮點位置分別向東南方向遷移11.86和7.57km。K1分潮和O1分潮在渤海海峽附近無潮點位置分別向東南偏東方向移動6.12和6.00km，移動的距離基本相同。

表1 2004年和2014年各分潮無潮點位置及其遷移距離Table 1 Position and migration distance of amphidromic point of each tidal component in 2004 and 2014

2.4 潮流性質變化

由各分潮東分量和北分量的潮流調和常數，計算出各網格點的潮流橢圓要素[24]，依據公式k=(WO1+WK1)/WM2(W為各分潮潮流橢圓半長軸長度)計算出各網格點上的潮流性質系數k，根據k值并依據潮流性質判別標準，繪制出2004和2014年的渤海潮流性質系數和潮流類型分布(見圖11)。潮流性質判別標準為：

圖11 2004和2014年渤海潮流性質系數和潮流類型分布

由圖11可見，渤海潮流性質系數位于0.25～2.0之間，具有規則半日潮流和不規則半日潮流兩種類型，在遼東灣、渤海灣和萊州灣呈規則半日潮流類型，在渤海中部海域基本呈不規則半日潮流類型。岸線地形變化后，潮流性質系數在渤海各海域的變化不同，遼東灣、渤海灣和渤海中部大部分海域k值減小，而萊州灣和渤海中部東南沿岸海域的k值增加。從計算的變化量值看，渤海中部k值變化最大，在-0.08～0.12之間，萊州灣和渤海灣次之，分別在0.02～0.08和0～0.05之間；遼東灣最小，在0～0.02之間。整體來看，渤海k值的變化較小。

另外，從圖11可見，岸線地形變化后，遼東灣和渤海灣區域的規則半日潮流范圍增大，而萊州灣區域的規則半日潮流海域范圍減小，整體上渤海規則半日潮流海域范圍增加1400km2，不規則半日潮流相應減小1400km2。

3 結論

近10年由于圍填海引起的岸線地形變化對渤海潮波系統、潮流性質產生如下影響：

(1)分潮同潮時線發生偏移，且同潮族發生偏移的規律相似。半日分潮的潮時在渤海灣、萊州灣和渤海中部東南海域提前，在遼東灣和渤海中部西北海域滯后；在無潮點附近、萊州灣和渤海灣海域遲角變化最為顯著；在萊州灣內自灣口到灣頂，以及在渤海灣內以無潮點為中心沿逆時針旋轉的方向上，遲角減小量逐漸增加。全日分潮的潮時在渤海大部分海域提前，僅在海峽無潮點北側小范圍區域滯后；遲角變化量值相對半日分潮小。

(2)分潮振幅亦發生變化，且同潮族的變化亦基本一致。半日分潮的振幅在遼東灣和渤海灣增加，在萊州灣和渤海中部減小，其變化幅度在渤海灣和萊州灣最顯著；以黃河口外無潮點為中心在渤海灣內沿逆時針旋轉方向上，振幅增量逐漸增加，在萊州灣內沿順時針旋轉方向上，振幅減小量逐漸增加。全日分潮的振幅在渤海絕大部分海域增加，僅在無潮點東側海峽區域減小；振幅變化量值遠小于半日分潮。

(3)分潮無潮點的位置亦發生變化，同潮族分潮無潮點位置的移動方向一致。位于秦皇島外的M2和S2分潮無潮點位置，向西南方向分別偏移了7.69和8.57km；位于黃河口外無潮點位置，向東南方向分別偏移了11.86和7.57km。位于渤海海峽附近K1分潮和O1分潮的無潮點位置，向東南偏東方向分別移動了6.12和6.00km。

(4)遼東灣、渤海灣和渤海中部大部分海域的潮流性質系數減小，萊州灣和渤海中部東南海域的潮流性質系數增加；渤海規則半日潮流海區范圍增加了1400km2，不規則半日潮流海域相應減小了1400km2。

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責任編輯 龐 旻

Impact of Coastline and Topography Changes on Tidal Wave System and Tidal Current Character in the Bohai Sea

MENG Yun1, LOU An-Gang1, LIU Ya-Fei1, ZHANG Dong-Liang2

(1.College of Environmental Science and Engineering, Ocean University of China, Qingdao 266100, China; 2. North China Sea Marine Forecasting Center SOA, Qingdao 266061, China)

A numerical model was established based on FVCOM, to investigate the impact imposed on the Bohai Sea tidal wave system and tidal current character by coastline and topography changes from 2004 to 2014. The numerical simulation results indicated that tidal hours of semidiurnal constituents moved up in Bohai Bay, Laizhou Bay and southeastern of the central Bohai Sea while lagged behind in Liaodong Bay and northwestern of the central Bohai Sea. Tide amplitudes of semidiurnal constituents enhanced in Bohai Bay and Liaodong Bay while deceased in Laizhou Bay and the central Bohai Sea. The amphidromic points of semidiurnal constituents located in Qin Huangdao and Yellow River mouth moved southwestward and southeastward respectively. Tidal hours of diurnal constituents moved up and the amplitudes enhanced in most of the Bohai Sea,while the amphidromic point located in the Bohai Straits shifted eastward. The tidal current characteristic coefficient increased in Laizhou Bay while decreased in the rest of the Bohai Sea. The range of the regular semidiurnal current enlarged slightly while the irregular semi-diurnal current decreased correspondingly.

tidal wave system; tidal current character; coastline change; the Bohai Sea; numerical simulation

國家海洋局北海分局海洋科技項目(2015B07)資助

2015-01-20;

2015-04-22

孟 云(1991-)，女，碩士。E-mail:mengyunhuanke@163.com

??通訊作者： E-mail:aglou@ouc.edu.cn

P731.21

A

1672-5174(2015)12-001-08

10.16441/j.cnki.hdxb.20150016