李希彬，孫曉燕，宋軍，姚志剛

（1. 國家海洋局天津海洋環(huán)境監(jiān)測中心站 天津市海洋環(huán)境監(jiān)測預(yù)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(xué) 海洋環(huán)境學(xué)院，山東 青島 250100）

湛江灣三維潮汐潮流數(shù)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(huán)境監(jiān)測中心站 天津市海洋環(huán)境監(jiān)測預(yù)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(xué) 海洋環(huán)境學(xué)院，山東 青島 250100）

基于采用不規(guī)則三角網(wǎng)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(shù)值模型，通過驗證，結(jié)果與觀測數(shù)據(jù)符合良好，重現(xiàn)了湛江灣的潮位和潮流變化狀況。根據(jù)模擬結(jié)果計算得湛江灣的潮汐有明顯不規(guī)則半日潮特征，主要分潮波M2、S2、K1、O1主要從外海傳入，不構(gòu)成獨立的潮汐系統(tǒng)，其中M2分潮的最大振幅為109 cm；湛江灣海域主要為不規(guī)則半日潮流，1日內(nèi)出現(xiàn)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(zhuǎn)流，而近岸海區(qū)基本為往復(fù)流，灣內(nèi)M2分潮流的橢圓長軸占絕對優(yōu)勢。表層潮余流最大流速近30 cm·s-1，灣內(nèi)余流的總體效應(yīng)值向灣外, 灣口余流較大, 對灣內(nèi)水交換效應(yīng)有一定積極作用。

湛江灣；三維數(shù)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(nèi)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(nèi)陸達 50 km以上，灣內(nèi)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(nèi)風(fēng)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(tǒng)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(fù)雜[3]，湛江附近海域有明顯不正規(guī)半日潮特征[4]。湛江灣海域?qū)儆谀虾：Ｓ虻囊徊糠?，而有關(guān)南海的潮汐潮流的研究工作比較多，有很多海洋學(xué)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(xué)性質(zhì)有重要意義，特別與早期的工作相比有了重大的進步。但關(guān)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(nèi)的潮流對灣內(nèi)地形的侵蝕作用，并指出灣內(nèi)的圍墾工程改變了灣內(nèi)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(shù)值模擬方法對湛江灣內(nèi)沿岸工程的沖淤影響進行了分析預(yù)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(guān)于湛江灣附近海域的潮汐和潮流分布規(guī)律的研究工作較少。本文選用國際先進的數(shù)值模型FVCOM建立湛江灣附近海域的三維潮汐潮流模型，以應(yīng)對湛江灣海底地形復(fù)雜、海岸線不規(guī)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(shù)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(zhǔn)確處理，本文采用國際先進的海洋數(shù)值模型 FVCOM（An Unstructured Grid，F(xiàn)inite-Volume Coastal Ocean Model）對湛江灣潮汐潮流特征進行數(shù)值模擬研究。

FVCOM模式在水平方向上采用無結(jié)構(gòu)化三角形網(wǎng)格，垂直方向上采用σ坐標(biāo)，并采用有限體積方法，采用三角形網(wǎng)格，更易擬合邊界，并可針對關(guān)注區(qū)域進行局部加密，可更好地保證質(zhì)量、動量的守恒性，在近岸河口區(qū)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(jié)果[11,12]發(fā)現(xiàn)，擬合的程度和數(shù)值方法的選擇在近岸河口及邊界復(fù)雜海域的數(shù)值模擬中有重要作用，而這正是FVCOM的優(yōu)勢所在。在進行潮間帶處理時，F(xiàn)VCOM采用干/濕網(wǎng)格技術(shù)，進行干/濕網(wǎng)格判斷，在計算流量時只考慮濕網(wǎng)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(fā)現(xiàn)干/濕網(wǎng)格技術(shù)在潮汐潮流的模擬中具有重要作用。若不采用干/濕網(wǎng)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(xiàn)偏差。

因此，對于湛江灣附近海域這樣具有海底地形復(fù)雜、海岸線不規(guī)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(shù)值模擬。

1.2 模型的計算區(qū)域及網(wǎng)格設(shè)置

本文包括湛江灣及其部分外海海域作為模擬計算區(qū)域，東經(jīng) 110.1535°～110.833°，北緯20.4924°～21.4074°，見圖1。模擬區(qū)域中，南北長約91 km，東西約69 km，為保證湛江灣內(nèi)模擬結(jié)果不受開邊界影響，將開邊界設(shè)置遠離湛江灣。采用東中國海大區(qū)潮模型嵌套結(jié)果作為開邊界條件，模型采用三角形網(wǎng)格，最小空間網(wǎng)格步長100 m，最大2 000 m，時間步長設(shè)置為5 s，垂向分為6 個σ層。模型區(qū)域共有網(wǎng)格 28 258 個，三角形單元53 609 個，對湛江灣的部分重點區(qū)域如狹窄水道等對網(wǎng)格進行加密，見圖 2，較好地體現(xiàn)了模擬區(qū)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(nèi)插方法計算網(wǎng)格點水深，以最高潮時的零米等深線處作為模式計算區(qū)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(jié)果分析

選取2006年9月在湛江灣布設(shè)的T1-T4共4個臨時驗潮站和V1-V4共4個連續(xù)潮流觀測站的觀測數(shù)據(jù)與模擬結(jié)果進行對比，以驗證數(shù)值模擬的結(jié)果，連續(xù)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(yīng)時段的模式結(jié)果，與實測資料進行對比分析（見圖3、表1），發(fā)現(xiàn)兩者差別較小，模擬潮位與實測值最大差在20 cm內(nèi)，在允許范圍之內(nèi)，說明模擬結(jié)果較為準(zhǔn)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(fā)現(xiàn)，此海域一天出現(xiàn)兩次高潮和兩次低潮，主要表現(xiàn)為不規(guī)則半日潮性質(zhì)，并有月不等現(xiàn)象，1個月內(nèi)共出現(xiàn)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(jié)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(nèi) T3、T4潮位觀測站通過觀測和數(shù)值模擬得到的調(diào)和常數(shù)進行對比。

圖 2 模式網(wǎng)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(yīng)潮流的性質(zhì)，但也發(fā)現(xiàn)，由于未考慮斜壓場和表面風(fēng)的作用，造成潮流流速比實測結(jié)果略小，但我們認為，關(guān)于湛江灣海域的潮流模擬結(jié)果基本是可信的，模擬結(jié)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(jù)潮型數(shù)來劃分的，它反映了某一海區(qū)全日分潮與半日分潮的的相對重要性。一般可根據(jù)A值的大小將潮汐分為4種類型：正規(guī)半日潮、不規(guī)則半日潮、不規(guī)則日潮和正規(guī)日潮。計算結(jié)果表明，該海區(qū)潮型數(shù)在0.9～1.3之間（圖5（a）），屬不規(guī)則半日潮范疇。湛江灣內(nèi)潮型數(shù)要小于灣外海區(qū)，越往湛江灣灣頸，潮型數(shù)越小，低于 1.0，外海區(qū)潮型數(shù)比灣內(nèi)的潮型數(shù)略大，最大約 1.2。計算該海區(qū)各點的潮型數(shù)，并繪制等值線圖，潮型數(shù)分布圖如下：

根據(jù)計算結(jié)果進行調(diào)和分析，結(jié)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(gòu)成獨立的潮汐系統(tǒng)，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(cè)海域，M2分潮振幅為84 cm，而灣內(nèi)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(nèi)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(xiàn)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(qū)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(xiàn)自西向東弧線型傳播的規(guī)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(guī)則半日潮流，1日內(nèi)出現(xiàn)2次漲落潮流，漲急、落急時刻流速較大，轉(zhuǎn)流時刻流速較小，在約1 h的轉(zhuǎn)流時段內(nèi)，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(zhuǎn)流和往復(fù)流。湛江灣口龍騰水道外海域開闊，主要以旋轉(zhuǎn)流為主，而灣內(nèi)的近岸淺水區(qū)和水道、河口處主要體現(xiàn)為往復(fù)流，利用調(diào)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(guī)律。

圖 7 湛江灣內(nèi)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(nèi)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(yōu)勢，M2分潮潮流橢圓長軸的分布較為規(guī)則，其變化與地形相關(guān)，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(nèi)大部分水域均呈現(xiàn)往復(fù)流特征，僅灣口南部存在較明顯的旋轉(zhuǎn)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(qū)域的流速比較大，灣內(nèi)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(qū)最大值達到60 cm·s-1左右，發(fā)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(fù)流，而在灣口西側(cè)南部海域存在旋轉(zhuǎn)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(fā)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(fēng)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(jié)果進行調(diào)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(nèi)的余流場比較雜亂，主要分布特征為：模擬區(qū)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(qū)域，湛江灣的東側(cè)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(cè)灣口處的余流較為雜亂。

針對湛江灣內(nèi)余流重點分析，在湛江灣內(nèi)特呈島以北的灣頸海區(qū)，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(qū)的余流受漲、落潮流的影響，分布也比較復(fù)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(qū)，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(xiàn)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(nèi)余流最強的區(qū)域，方向從灣口指向灣內(nèi),將灣口物質(zhì)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(huán)流的中心淺灘可能與此有關(guān)；總體而言，灣內(nèi)余流場總體指向灣外, 且灣口處余流較大, 這對灣內(nèi)的水環(huán)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(jié) 論

（1）利用FVCOM數(shù)值模型，建立湛江灣附近海域的三維潮汐潮流數(shù)值模型，對湛江灣海域的潮位和潮流特征進行數(shù)值模擬。模型運用有限體積法求解控制方程，并利用干/濕網(wǎng)格方法控進行動邊界模擬。模型采用無結(jié)構(gòu)三角形網(wǎng)格，整個模擬區(qū)域共有三角形網(wǎng)格點28 258 個，三角形單元共53 609個，模型的最小空間網(wǎng)格步長 100 m，時間步長5.0 s，模擬結(jié)果與實測潮位和潮流觀測結(jié)果基本一致，調(diào)和后的潮汐潮流和余流場分布特征也與前人結(jié)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(guī)則半日潮特征，主要分潮波M2、S2、K1、O1主要從外海傳入，不構(gòu)成獨立的潮汐系統(tǒng)，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(guī)則半日潮流，1日內(nèi)出現(xiàn)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(zhuǎn)流為主，而灣內(nèi)的近岸淺水區(qū)和水道、河口處主要體現(xiàn)為往復(fù)流，絕大部分點的 M2分潮流橢圓長軸占絕對優(yōu)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(fā)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(nèi)余流場總體指向灣外, 且灣口處余流較大, 這對灣內(nèi)的水環(huán)境保護有一定積極作用。

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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(yù)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。