渤海主要分潮的模擬及地形演變對潮波影響的數值研究*

李秉天　王永剛　魏澤勛　王新怡　徐騰飛　曹國嬌

(1. 國家海洋局第一海洋研究所　青島　266061; 2. 國家海洋局海洋環境科學與數值模擬重點實驗室　青島　266061;3. 中國海洋大學物理海洋實驗室　青島　266003)

渤海是一個陸架淺海盆地, 海底地勢從萊州灣、渤海灣和遼東灣三個海灣向渤海中央及渤海海峽傾斜, 其中黃河口附近水深最淺。渤海大部分海區屬于不規則半日潮類型, 僅在渤海海峽處出現規則半日潮, 在黃河口外和秦皇島附近有一小塊海域為不規則全日潮和規則全日潮類型(Fangetal, 1985; 孫湘平, 2006)。

在過去的三十多年渤海地形發生明顯的演變,這些變化主要集中在渤海灣北部及黃河三角洲地區水深變化及岸線變遷。已有研究表明, 渤海地形的演化對該海區潮波系統有著重要的影響(黃祖珂, 1991;Pellingetal, 2013), 特別是黃河三角洲水深和岸線的演變, 導致黃河口及鄰近海區的潮波運動產生顯著變化, 無潮點位置不斷變動(樂肯堂等, 1995; 郝琰等,2000; 王永剛等, 2014)。部分學者通過潮波數值模式研究了黃河三角洲水深和岸線演變對潮波運動的影響, 但相關研究或將研究區域集中在黃河口附近局部海區(樂肯堂等, 1995; 郝琰等, 2000), 開邊界距離黃河口較近, 而人為設定的開邊界條件會顯著影響黃河口鄰近海域的模擬結果; 或僅考慮了渤海地形演變對 M2分潮在黃河口及其鄰近海域的影響(王永剛等, 2014), 未對其他主要分潮進行分析, 也未研究M2分潮在黃河口附近的無潮點位置變化的誘因。因此, 有必要進一步借助高分辨率數值模式, 研究渤海地形演變, 對整個渤海海區主要分潮潮波系統的影響, 并且分析引起黃河口外 M2分潮無潮點位置變化的因素。

本文首先對渤海海域主要的半日分潮和主要全日分潮進行模擬研究, 對模擬得到的各主要分潮調和常數與驗潮站資料進行比較, 檢驗模擬結果的可靠性; 在此基礎上, 分析水深岸線變化對渤海海區潮波系統的影響, 并設計數值實驗對引起黃河口外M2分潮無潮點位置變化的因素進行初步分析。

1　資料及數值模式介紹

本文收集了海司航保部 1977年出版的渤海及黃海北部海圖和 2005年出版的萊州灣海圖。其中 1977年出版的海圖包含了黃河口及其鄰近海域 1956—1972年測量的地形數據, 2005年出版的海圖中包含了黃河口及其鄰近海域2002年測量的地形數據, 在本文中分別代表黃河口及其鄰近海域1972和2002年的水深及岸線。通過對以上海圖數據進行了數字化處理和基準面訂正, 提取得到了黃河口及其鄰近海域不同時期的水深和岸線資料。在此基礎上, 結合渤海其它海域水深、岸線資料, 融合得到了1972年及2002年水深岸線資料(圖1), 用于潮波模式的建立。此外, 本研究還收集了19站的驗潮站資料(圖1), 用于模式檢驗。

對比1972年和2002年渤海地形圖(圖1)可以看出, 黃河三角洲地區岸線和水深變化顯著, 渤海灣北部水深變化也較明顯。

圖1　潮波模式水深圖及驗潮站位圖Fig.1　Topography and tidal gauge stations in Bohai Sea

本文基于FVCOM來建立潮波數值模式, 該模式目前已經被廣泛地應用于海洋研究的很多領域(Chenetal, 2008)。模式數值方法采用有限體積法, 這種方法綜合了現有海洋研究中的有限差分和有限元模型的優點, 在數值計算中既可以像有限元模型一樣與淺海復雜岸界擬合, 又便于離散差分原始動力學方程組從而保證較高的計算效率。模式在水平方向上采用無結構化非重疊的三角形網格, 可以方便地擬合復雜邊界并進行局部加密; 在垂直方向采用地形坐標, 可以更好的擬合復雜的海底地形。這些特點使FVCOM 在島嶼眾多, 近岸岸線復雜海域的研究中表現尤為突出, 取得了較好的結果。

為了降低開邊界條件對渤海海域潮波系統模擬結果的影響, 本研究選取的模擬區域為(117.5°—122.5°E, 37°—41°N), 在黃河口及其鄰近海域水平分辨率小于 500m, 其它大部分域小于 2km, 模式水平分辨率分布見圖2。

模式初始場為無海面擾動的靜止海洋, 在閉邊界采用無滑移邊界條件, 開邊界(122.5°E)處水位(主要考慮M2、S2、K1、O1四個分潮)由T_tide預報程序給出(模式開邊界調和常數同Gaoetal(2011))。模式時間步長為2秒, 底摩擦系數設置為0.0013, 積分30天, 對后 15天的模擬結果進行調和分析, 得到研究海區的潮汐調和常數。

圖2　模式水平分辨率分布情況Fig.2　Horizontal distribution of Bohai Sea and gird at Huanghe(Yellow) River estuary

2　渤海主要分潮模擬結果

首先, 我們采用2002年渤海海域水深岸線資料,開展渤海4個主要分潮的模擬。

2.1　模擬結果檢驗

表1 給出了 M2、S2、K1、O1分潮調和常數的模擬結果與驗潮站資料分析結果。其中, M2分潮振幅最大偏差出現在16號站附近, 為13cm, 遲角偏差最大值位于11號站附近, 為20°; S2分潮振幅最大偏差出現在6號站附近, 為 7cm, 遲角偏差最大值出現在 9號站附近, 為31°; K1分潮振幅最大偏差出現在15號站附近, 為 6cm, 遲角偏差最大值位于渤海灣內(9和 11號站), 為15°; O1分潮振幅最大偏差出現在3號站附近, 為 3cm, 遲角偏差最大值在 11號站, 為 11°。統計分析顯示, 模擬M2分潮的振幅絕均差為4.6cm, 遲角絕均差為 5.5°; S2分潮的振幅絕均差為 3.2cm, 遲角絕均差為 8.4°; K1分潮的振幅絕均差為 2.0cm, 遲角絕均差為 3.6°; O1分潮的振幅絕均差為 1.1cm, 遲角絕均差為4.3°。9號站M2和S2分潮遲角偏差值較大, 可能因為 9號站位于 M2和 S2分潮無潮點附近,遲角梯度較大造成的。

歷年來眾多學者亦對渤海潮波系統利用不同的數值模式進行模擬, 如 Gao等(2011), 樂肯堂等(1995), 王永剛等(2014)等, 現將本文模擬結果與之進行比較, 結果見表2。

表1　M2、S2、K1、O1分潮模擬結果檢驗(振幅單位: cm; 遲角單位: °)Tab.1　Model validation for M2, S2, K1, O1 tides

表2　M2、S2、K1、O1分潮模擬結果比較(振幅單位: cm; 遲角單位: °)Tab.2　Comparison in results of different studies

對比表2中結果可知, 本模式對渤海潮波系統的模擬較為準確, 可以用來分析研究渤海主要分潮分布特征以及地形演變對渤海主要分潮的影響。

2.2　渤海潮波系統的分布特征

圖3—6分別給出了渤海M2、S2、K1、O1分潮同潮圖(虛線: 振幅, 單位為cm; 實線: 遲角, 單位為°)。由圖3可見, 對 M2分潮而言, 外海潮波通過渤海海峽進入渤海, 在向西傳播過程中, 受到渤海西岸的阻擋, 在反射波的作用下, 分別在遼東灣西側和渤海灣南側形成兩個逆時針旋轉的駐波系統。其無潮點分別位于秦皇島和黃河口附近, 振幅在遼東灣灣頂最大,可達 130cm, 在渤海灣灣頂次之, 接近 110cm, 在萊州灣內潮汐振幅最小(圖3)。

圖3　M2分潮同潮圖Fig.3　Simulated co-tidal charts for M2 tide

S2分潮無潮點分布與 M2分潮類似, 外海潮波進入渤海后經反射, 分別在遼東灣西側和渤海灣南側形成逆時針旋轉的駐波系統。S2分潮無潮點位置分別位于秦皇島和黃河口附近, 振幅在遼東灣灣頂最大,達33cm, 在渤海灣次之, 為27cm(圖4)。

對 K1分潮而言, 外海潮波進入渤海后, 在渤海海峽附近形成一個逆時針旋轉的駐波系統。其無潮點位置位于渤海海峽附近。K1分潮振幅在遼東灣灣頂最大, 接近43cm, 在渤海灣灣頂次之, 接近37cm(圖5)。

O1分潮由外海傳入渤海后, 經反射在渤海海峽形成一個逆時針的旋轉駐波系統, 其無潮點位于渤海海峽附近, 振幅在遼東灣灣頂達到最大, 達 32cm(圖6)。

圖4　S2分潮同潮圖Fig.4　Simulated co-tidal charts for S2 tide

圖5　K1分潮同潮圖Fig.5　Simulated co-tidal charts for K1 tide

3　渤海地形變遷對潮波系統的影響

為了分析渤海地形演變對渤海潮波的影響, 本研究采用1972年渤海水深岸線資料, 其他參數不變,對渤海潮波系統進行了模擬。

3.1　渤海地形變遷對主要半日分潮的影響

自 Ogura(1936)首次提出黃河口外存在 M2分潮無潮點以來, 多位學者開展了與之相關的研究工作(沈育疆, 1980; 方國洪等, 1985; 劉愛菊等, 1991; 竇振興等, 1993; 張占海等, 1994; 葉安樂等, 1995; 樂肯堂等, 1995; 郝琰等, 2000; Fangetal, 2000), 研究結果均表明黃河口外存在 M2分潮無潮點。然而, 不同研究得到的的M2分潮無潮點位置存在一定差異。除了研究方法本身, 渤海水深岸線變遷所引起的潮波系統變化同樣是導致不同研究結果之間差異的原因之一。

圖7為1972年水深岸線條件下的M2分潮模擬結果。同2002年水深岸線條件下M2分潮同潮圖(圖3)相比, 其差異主要體現在以下三個方面: 首先, 隨著黃河口和渤海灣內水深及岸線不斷演變, 黃河口外和秦皇島附近的M2分潮無潮點離岸距離增加; 其次,黃河口外無潮點的位置明顯向東北方向遷移, 1972年M2分潮無潮點位置為(38.10°N, 118.92°E), 2002 年該無潮點向東北方向移動至(38.13°N, 119.10°E), 移動距離約為 20km; 第三, 渤海灣灣頂振幅減弱, 而黃河口外和萊州灣西部振幅則明顯增強。

圖7　1972年M2分潮同潮圖Fig.7　Simulated co-tidal charts for M2 tide in 1972

圖8為1972年水深岸線條件下的S2分潮模擬結果。同2002年水深岸線條件下S2分潮同潮圖相比(圖4), 渤海地形變遷所引起的改變主要表現為: 首先,黃河口外和秦皇島附近 S2分潮無潮點位置離岸距離增加; 其次, 黃河口外無潮點位置向東北方向移動, 由1972 年(38.15°N, 118.87°E)移動至(38.20°, 119.05°E),移動距離約 21km; 第三, 振幅在渤海灣減弱, 而在萊州灣西南側略有增強。

圖8　1972年S2分潮同潮圖Fig.8　Simulated co-tidal charts for S2 tide in 1972

3.2　渤海地形變遷對主要全日分潮的影響

在1972年水深岸線條件下, 模擬的K1、O1分潮同潮圖如圖9和圖10所示。渤海水深及岸線演變對附近海域主要全日分潮的影響主要體現在兩方面:首先, 無潮點的位置向東北方向遷移。1972年 K1分潮和 O1分潮無潮點位置分別為(38.26°N, 120.69°E)和(38.19°N, 120.86°E), 2002年這兩個分潮無潮點分別向東移至(38.23°N, 120.75°E)和(38.17°N, 120.92°E),移動距離約為11km和7km。其次, 渤海灣灣頂振幅明顯減弱。和半日分潮相比, 全日分潮無潮點位置變化較小, 這是由于渤海地形改變主要集中在黃河口附近海域以及渤海灣北部, 而全日分潮無潮點位于渤海海峽附近, 與之距離較遠, 因此其無潮點位置變化沒有半日分潮明顯。

圖9　1972年K1分潮同潮圖Fig. 9　Simulated co-tidal charts for K1 tide in 1972

圖10　1972年O1分潮同潮圖Fig.10　Simulated co-tidal charts for O1 tide in 1972

3.3　渤海地形變遷對附近海域潮汐性質的影響

潮汐性質判別依據如下:

潮汐類型分布如圖11和圖12所示, 渤海大部分海區屬于不規則半日潮類型, 但渤海海峽為 K1的分潮波駐波波節點和 M2分潮波波腹所在地, 該處出現規則半日潮類型; 秦皇島附近, 由于此區域處于 M2駐波波節點和 K1分潮波駐波波腹附近, 此區域為規則全日潮和不規則全日潮類型, 此外在黃河口外也有一小塊海域為不規則全日潮和規則全日潮類型。

對比 1972年水深岸線條件下的模擬結果, 黃河口外及秦皇島附近規則全日潮和不規則全日潮海區都有不同程度的擴大。這可能是由于黃河口外及秦皇島附近水深及岸線變化導致M2分潮無潮點離岸距離增加, 使得附近海區 M2分潮振幅減小, 而K1、O1分潮振幅基本不變, 導致比值增大,導致不規則全日潮和規則全日潮范圍擴大。

圖11　1972年渤海潮汐類型分布Fig.11　Tidal tide of Bohai Sea in 1972

圖12　2002年渤海潮汐類型分布Fig.12　Tidal type of Bohai Sea in 2002

4　渤海地形演變對黃河口外M2分潮無潮點位置影響的研究

M2分潮在渤海潮波系統中占主導地位, 根據渤海主要分潮同潮圖分布特征及地形演變導致的各主要分潮無潮點位置的變化來看, 渤海地形變遷對 M2分潮的影響較為顯著。由于臨海產業在黃河三角洲地區經濟發展中有著重要作用, 無潮點附近往往表現為強潮流區, 對海洋工程的選址及建設有著重要的影響。因此對引起M2分潮無潮點位置遷移的影響因素進行研究具有重要的應用價值。

4.1　數值實驗設置

黃河口外M2分潮無潮點位置的影響因素有兩方面: (1)水深改變; (2)岸線變遷。本文分別設置兩組敏感性實驗, 研究上述兩個因素對黃河口外 M2分潮無潮點位置的影響: 以1972年岸線數據搭配2002年水深數據進行數值實驗(敏感實驗 1), 研究水深變化對黃河口外M2分潮無潮點位置的影響; 以1972年水深數據搭配2002年岸線數據進行數值實驗(敏感實驗2),研究岸線變化對所研究區域M2分潮無潮點位置的影響。以1972年和2002年模擬結果作為控制實驗。如表3所示。

表3　數值實驗概況Tab.3　Summary of numerical experiments

4.2　數值實驗結果分析

實驗結果顯示, 若在岸線不變、僅改變水深的情況下(敏感實驗 1), 黃河口外 M2分潮無潮點位置模擬結果為(38.20°N, 118.99°E), 較1972年向東移動約8km, 向北移動約 11km, 即水深改變使黃河口外 M2分潮無潮點位置向東北方向移動且向北移動明顯;若只有岸線變化(敏感實驗 2)黃河口外 M2分潮無潮點模擬結果為(38.06°N, 119.00°E), 較 1972年向東,移動了約9km, 向南移動了約4km, 表明岸線變化使黃河口外M2分潮無潮點位置向東南方向移動。

由此可見, 黃河口外 M2分潮無潮點位置向東北移動是水深和岸線變化共同作用的結果。渤海海域水深和岸線變化都使 M2分潮無潮點向東移動, 其中無潮點向北移動是由水深變化引起的, 而岸線變化減弱了M2分潮無潮點向北移動的趨勢。

圖13　數值實驗結果比較Fig.13　Comparison of numerical experiments

5　結論

本文基于FVCOM模式, 對渤海主要半日分潮和全日分潮進行了模擬, 并在此基礎上研究了水深岸線變化對渤海海區主要半日和全日分潮潮波的影響。最后對引起M2分潮無潮點位置遷移的因素作了初步討論:

(1) 渤海大部分海區屬于不規則半日潮類型。M2和 S2分潮分別在遼東灣西側和渤海灣南側, 形成兩個逆時針的旋轉駐波系統。M2和S2分潮無潮點分別位于秦皇島和黃河口附近, 振幅最大處均位于遼東灣灣頂, 渤海灣灣頂次之; K1和 O1分潮均在渤海海峽偏南部形成一個逆時針旋轉的駐波系統, 無潮點位于渤海海峽附近, 振幅在遼東灣灣頂最大。

(2) 渤海地形變遷對渤海潮波系統有顯著影響。主要表現在三個方面: ①無潮點位置的變化: 渤海主要分潮無潮點位置發生遷移, 其中主要半日分潮在黃河口附近海域無潮點位置變化尤為明顯; ②振幅的改變: 各主要分潮振幅在渤海灣均有所減弱; ③潮汐類型的改變: 在黃河口及秦皇島附近海域規則全日潮和不規則全日潮海區擴大。

(3) 黃河口外M2分潮無潮點位置向東北方向移動是渤海水深和岸線變化共同作用的結果。渤海水深和岸線變化都導致M2分潮無潮點向東移動, 但是M2分潮無潮點向北移動的趨勢主要是由水深變化引起的。

竇振興, 楊連武, Ozer J, 1993. 渤海三維潮流數值模擬. 海洋學報, 15(5): 1—15

方國洪, 楊景飛, 1985. 渤海潮運動的一個二維數值模型. 海洋與湖沼, 16(5): 337—346

郝琰, 樂肯堂, 劉興泉, 2000. 黃河三角洲海區2010年潮波分布特征的數值預測. 海洋科學, 24(6): 43—46

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

樂肯堂, 劉興泉, 史久新, 1995. 黃河口的變遷對鄰近海區潮波運動影響的數值研究. 海洋科學集刊, 36: 33—46.

劉愛菊, 李坤平, 黃易暢, 1991. 黃河口鄰近海域無潮點的確定. 海洋學報, 13(4): 576—580

沈育疆, 1980. 東中國海潮汐數值計算. 山東海洋學院學報,10(3): 26—35

孫湘平, 2006. 中國近海區域海洋. 北京: 海洋出版社, 138

王永剛, 魏澤勛, 方國洪等, 2014. 黃河口及其鄰近海域水深和岸線變化對 M2分潮影響的數值研究. 海洋科學進展,32(2): 141—147

葉安樂, 梅麗明, 1995. 渤黃東海潮波數值模擬. 海洋與湖沼,26(1): 63—70

張占海, 吳輝碇, 1994. 渤海潮汐和潮流數值計算. 海洋預報,11(1): 48—54

Chen C S, Qi J H, Li C Yetal, 2008. Complexity of flooding/drying process in an estuarine tidal-creek saltmarsh system: An application of FVCOM. Journal of Geophysical Research, 113, C07052

Fang G H, Yang J F, 1985. A two-dimensional numerical model of the tidal motions in the Bohai Sea. Chinese Journal of Oceanology and Limnology, 3(2): 135—152

Fang G H, Yu K, Choi B H, 2000. A three-dimensional numerical model for tides in the Bohai, Yellow and East China Seas.Proceedings of International Workshop on Tides in East Asian Marginal Seas, 41—52

Gao X M, Wei Z X, Wang Y Get al, 2011. Data assimilation of tides in the Bohai Sea using the adjoint method. The International Conference on Remote Sensing, Environment and Transportation Engineering, Nanjing, China, IEEE, 2:1081—1084

Ogura S, 1936. The tides in the northern part of the Huang Hai.Jap J Astr Geophys, 14(1), 27—55

Pelling H E, Uehara K, Green J A M, 2013. The impact of rapid coastline changes and sea level rise on the tides in the Bohai Sea, China. Journal of Geophysical Research: Oceans, 118:3462—3472