東中國海潮流結構數值模擬與分析

褚芹芹，張鑫，孫佳

（1.國家海洋局秦皇島海洋環境監測中心站，河北秦皇島 066002；2.河海大學港口海岸與近海工程學院，江蘇南京 210098）

1 引言

近些年來，關于東中國海潮流的數值研究工作頗為普遍。Guo等[1]通過三維海流數值模式的模擬結果分析了垂向湍粘性系數和底摩擦系數的變化對東中國海潮流垂向分布的影響；王凱等[2]利用了球面坐標系下的半隱半顯三維數值模式，詳細的分析了東中國海的潮流垂向結構并首次提出了圓流點的水平位置不隨深度變化的特征；Jong Chan Lee等[3]認為如果底摩擦系數取值接近于近底層的渦動粘性系數，潮流的模擬結果會更加準確；Bao等[4]使用了三維湍封閉的模式對東中國海的M2、S2、K1和O1四個主要分潮流的特征進行了分析和討論。

關于潮流的垂向結構及其分布特征，方國洪[5]做了詳細的研究，認為在深度接近海底時，潮流流速的最大值會逐漸減小，但潮流橢圓率反而隨著接近海底逐步增加。葉安樂[6]的研究結果反映了潮波角頻率σ和科氏參量f兩個參數的取值決定了潮流最大流速的流向變化和潮流最大流速發生時間的變化。

2 模型與數據介紹

2.1 模型設置

本文采用FVCOM（Finite Volume Coast and Ocean Model）海洋數值模式[7]，計算區域為 17°—42°N，116°—136.5°E，包括了渤海、黃海、東海、日本海和南海的部分海域。在水平方向上采用了可變分辨率的三角形網格（見圖1），近岸的最小網格步長為1 km，在外海靠近開邊界處的最大網格步長為50 km，垂向平均分為10個σ層，可以對近海海域復雜多變的海底地形進行較好的擬合。模型水深值采用分辨率為1′×1′的ETOPO1的地形數據內插到計算海域的網格節點上，并利用中國航海保證部編制的海圖資料對近岸水深進行補充和訂正（見圖2）。

圖1 計算區域的網格分布圖

圖2 計算區域的地形和水深分布圖（單位：m）

圖3 東中國海沿岸驗潮站和測流點分布圖

岸邊界取法向流速為零；在開邊界處采用分辨率為 2′×2′的 YS 模型和 OHS 模型（Tidel Model Driver）提供的 M2、S2、N2、K2、K1、O1、P1、Q1八個分潮預報的水位作為開邊界的強迫條件。另外，本文參考了前人的工作經驗結果[8-11]，并通過多次數值試驗，得到適合本模型的底摩擦系數，取值為0.0025。初始條件采用零初始條件（水位值和流速值都為零），在正壓模型的計算過程中，不考慮溫度、鹽度隨時間和空間的變化，取溫度為18°，鹽度為35。

2.2 潮流模擬結果與實測數據對比

通過與沿岸23個驗潮站（見圖3）的實測資料對比，M2、S2、K1、O1四個主要分潮振幅的絕對平均誤差為3.69 cm、2.67 cm、1.84 cm和1.50 cm，遲角的絕對平均誤差為6.11°、6.46°、7.44°和5.35°，振幅的相關系數為0.9951、0.9755、0.9142、0.9191，遲角的相關系數為0.9355、0.9956、0.9895、0.9937，表明模擬結果與驗潮站實測值符合較好，基本上正確的反映了計算海域的潮汐特征。圖4為23個測流點表中底層M2和K1分潮流緯向分量（U分量）和經向分量（V分量）的振幅與遲角相關系數分布圖，也可以看出模擬值與實測值符合較好。

3 潮流垂向結構分析

3.1 數值模擬結果分析

本文利用的海流資料觀測點（122°35.998′E，26°30.052′N）位于東海東南部大陸架邊緣海區，根據實測資料的位置在其附近海域選取了122.6oE的經向斷面和26.5°N的緯向斷面，對兩個斷面上的潮流垂向結構進行分析和討論，其中，前者緯度范圍為26°—27°N，后者經度范圍為122°—123°E，間隔為0.05°。

3.1.1 經向斷面潮流特征分析

圖4 M2、K1分潮流緯向分量、經向分量振幅（單位:cm/s）與遲角（單位：°）的相關性（紅線表示相關系數；*表示表中底層測流點）

對潮流的模擬結果進行調和分析，得到了M2、K1分潮流的潮流橢圓要素（橢圓的長軸，短軸、傾角和格林威治位相）。圖5和圖6兩個分潮流經向斷面的潮流橢圓分布圖。可以看出，M2分潮流的流速最大值達到了50 cm/s，遠大于K1分潮流的流速，全日分潮流最大流速之和與半日分潮流最大流速的比值小于0.5，表明該海區為正規半日潮流區；在經向斷面上，各分潮的潮流橢圓從表層到底層都為順時針方向旋轉（紅色橢圓代表順時針方向旋轉，藍色橢圓代表逆時針方向旋轉，下同）；表層的流速大于底層的流速，趨向海底時潮流的最大流速逐漸減??；隨著深度的增加，潮流的橢圓率逐漸增大，低緯度的橢圓率小于高緯度。

在經向斷面上每0.5°選取一個流速值繪制了M2和K1分潮流最大流速和最大流速流向的垂向分布（見圖7）。從圖中可看出，在經向斷面上，隨著深度的增加，M2分潮流各層的最大流速值為先增大后減小的趨勢，且隨著緯度的增大，最大流速值逐漸減小；從表層至底層，最大流速的極值點基本上出現在40—50 m水深處，如緯度增大，極值點出現的深度會逐步增加。M2分潮流最大流速的流向在垂向上為先右旋后左旋的趨勢，該流向從低緯度至高緯度呈右旋趨勢；流向的極值點分布在10—40 m水深區間，極值點出現的深度隨緯度增大會逐步減小。K1分潮流最大流速值在斷面的垂向分布是逐漸遞減的，低緯度海區的最大流速值高于高緯度海區。隨著深度的增加，K1分潮流最大流速的流向則是先右旋后左旋，流向隨緯度的增大發生右旋，其極值點基本都出現在40 m左右水深處。

3.1.2 緯向斷面潮流特征分析

圖8和圖9分別為M2和K1分潮流緯向斷面的潮流橢圓分布圖。從圖中可以看出，在緯向斷面上K1分潮流的潮流橢圓從都為順時針方向旋轉，M2分潮流大部分為順時針方向旋轉，但潮流橢圓從122.0°—122.30°E都出現了逆時針旋轉的情況，即靠近岸邊一側半日分潮為逆時針旋轉，隨著經度的增加逐漸轉變為順時針旋轉；表層的流速大于底層的流速，趨向海底時潮流的最大流速逐漸減??；從底層至表層，橢圓率逐漸減小，但經度增大橢圓率反而減小。

圖5 M2分潮流經向斷面潮流橢圓分布圖

圖6 K1分潮流經向斷面潮流橢圓分布圖

圖8 M2分潮流緯向斷面潮流橢圓分布圖

圖10為緯向斷面M2和K1分潮流最大流速和最大流速流向的垂向分布圖。隨著深度的增加，M2分潮流各層的最大流速值為先增大后減小的趨勢，且隨著經度的增大，最大流速值逐漸減小；從表層至底層，最大流速的極值點基本上出現在50—75 m水深處，如經度增大，極值點出現的深度會逐步增加。M2分潮流最大流速的流向在垂向上是先右旋后左旋的趨勢，該流向從低經度至高經度呈左旋趨勢；流向的極值點基本都出現在27 m左右水深處。K1分潮流最大流速值在斷面的垂向分布是逐漸遞減的，但隨著經度的增大各層最大流速的變化很小，基本在3—5 cm/s之間。隨著深度的增加，K1分潮流最大流速的流向則是先右旋后左旋，流向隨經度的增加發生左旋，極值點分布在30—75 m水深區間，極值點出現的深度隨經度增大會逐步增加。

圖9 K1分潮流緯向斷面潮流橢圓

圖10 緯向斷面M2和K1分潮流最大流速及流向垂向分布

3.2 實測海流資料分析

海流資料觀測點處水深約為113 m，垂向空間分辨率為8 m，共取13層，但實際連續并可供分析的資料只有11層，測量水深的范圍為24—104 m。有效觀測時間是從2008年9月20日6時—2009年4月6日7時，數據采樣時間間隔為10 min。

對實測海流數據進行調和分析，得到了每個觀測層的M2和K1分潮流橢圓要素。根據各觀測層的潮流橢圓要素的分布繪制出了分潮的潮流橢圓的垂向分布圖（見圖11），其中紅色橢圓代表順時針方向旋轉，藍色橢圓代表逆時針方向旋轉。可以看出每一層潮流的最大流速都是M2分潮流遠遠大于K1分潮流。各觀測層上全日分潮流最大流速之和與半日分潮流最大流速的比值都小于0.5，即每一層都是半日分潮占優，潮流為正規半日潮流，與前面分析的結果保持了一致。M2分潮流各觀測層短軸皆為負值，表明該觀測點半日分潮流主要呈順時針方向旋轉。K1分潮流在80 m層以上是順時針方向旋轉，80 m層以下是逆時針方向旋轉。

圖11 M2和K1分潮潮流橢圓垂向分布

圖12給出了M2和K1分潮流最大流速隨深度的變化情況，可以看出在垂向上M2分潮流的最大流速總的變化趨勢都是隨著深度的增加先增大后減小，但在變化的過程中會發生小幅度的震蕩。M2分潮流在各個觀測層內都比較顯著，最大流速變化比較小，從上層至下層都在40 cm/s左右變動，最大值出現在88 m層為41.09 cm/s，然后逐漸減小至104 m層最小值33.85 cm/s。K1分潮流垂向分布趨勢為逐漸減小，最大流速在32 m層達到最大值6.05 cm/s，之后隨著深度逐漸遞減，至104 m處減小為2.37 cm/s。

M2和K1分潮最大流速流向的垂向分布如圖13所示，M2分潮流的最大流速方向在24 m層至32 m層先小量的右旋，達到最大值140.20°，然后在140°附近發生小幅度的震蕩（32 m層至64 m層），最后逐漸左旋至104 m層的135.20°，即該分潮流的最大流速流向隨著深度的增加先右旋（順時針），經過微小震蕩后在64 m層以下改為左旋（逆時針）。K1分潮的最大流速流向先左旋，從32 m層至56 m層右旋至最大的140.25°，之后隨深度的增加大幅度左旋至104 m層的91.82°。

3.3 潮流垂向結構實測值與模擬值對比分析

圖12 M2和K1分潮流最大流速垂向分布

圖13 M2和K1分潮流最大流速的流向垂向分布

圖14 M2分潮流最大流速及其流向垂向分布對比

圖15 K1分潮流最大流速及其流向垂向分布對比

在斷面上選取122.6°E，26.5°N處的M2和K1分潮流的垂向結構與實測點進行對比分析，圖14和圖15分別為M2和K1分潮流最大流速及最大流速流向的垂向分布。從圖中可知，隨著深度的增加，M2分潮流最大流速的模擬結果和實測結果的垂向變化趨勢比較相似，同為先增大后減小，前者的流速值要稍小于后者，模擬結果最大流速的極值點大約在水深55 m左右，而實測結果出現在88 m處。M2分潮流最大流速的流向在垂向上都為先右旋后左旋的趨勢，各層的流向差別不大，模擬的極值點大約在15 m左右，深度15 m以下流向保持了左旋的趨勢，而實測資料的流向在56 m層以上右旋，以下左旋。

模擬和實測的K1分潮流最大流速的變化趨勢都為隨深度的增加遞減，兩者的流速值比較接近。該分潮流最大流速的流向從表層至底層基本上都是先右旋后左旋，極值點比較接近分別出現在40 m和56 m，但實測結果在56 m層以下最大流速方向變化劇烈，從140°快速左旋至90°左右，與模擬結果的差別較大。

通過潮流的模擬結果與實測結果的對比分析，該海域半日分潮流最大流速隨深度的增加先增大后減小，最大流速流向在極值點的上層右旋，在下層左旋；全日分潮流的最大流速在垂向上呈遞減趨勢，其流向同樣是在上層右旋，在下層左旋。表明了模擬結果與實測結果關于潮流垂向結構的總體趨勢是比較一致的，但最大流速及其流向的大小略有不同，且極值點出現的深度也有差別，主要原因可能是該海區處于黑潮流經海域附近，實測資料受到黑潮的影響比較大，導致模擬結果與實測結果存在一定的差異。另外，該海域水深較淺，多變的海底地形也應該是兩個結果存在差異的影響因素。

4 結論

通過潮流的模擬結果與實測結果的對比分析，研究了海流觀測點附近海域的潮流垂向結構，可以得出以下結論：

（1）潮流橢圓基本上為順時針方向旋轉，但靠近岸線處的半日潮流橢圓為逆時針方向旋轉；橢圓率隨深度的增加逐漸增大，低緯度的橢圓率小于高緯度，但經度增大橢圓率會減??；

（2）半日分潮流的最大流速值隨緯度的增加逐漸減小，且極值點出現的深度值增大；最大流速的流向從低緯度至高緯度呈右旋趨勢，極值點出現的深度隨緯度增大會逐步減小。低緯度海區的全日分潮流最大流速值高于高緯度海區；最大流速的流向隨緯度的增大發生右旋，極值點的深度變化不大；

（3）半日分潮流各層的最大流速值隨著經度的增大逐漸減小，且極值點出現的深度隨經度增大會逐步增加；最大流速的流向隨經度增加呈左旋趨勢，極值點的深度基本相同。全日分潮流隨著經度的增大各層最大流速的變化很??；最大流速的流向隨經度的增加發生左旋，極值點出現的深度隨經度增大會逐步增加；

（4）該海域半日分潮流最大流速隨深度的增加先增大后減小，最大流速流向在極值點深度的上層右旋，在下層左旋；全日分潮流的最大流速在垂向上呈遞減趨勢，其流向同樣是在極值點深度的上層右旋，在下層左旋。

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