褚芹芹，張?chǎng)?，孫佳

（1.國(guó)家海洋局秦皇島海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)中心站，河北秦皇島 066002；2.河海大學(xué)港口海岸與近海工程學(xué)院，江蘇南京 210098）

1 引言

近些年來(lái)，關(guān)于東中國(guó)海潮流的數(shù)值研究工作頗為普遍。Guo等[1]通過(guò)三維海流數(shù)值模式的模擬結(jié)果分析了垂向湍粘性系數(shù)和底摩擦系數(shù)的變化對(duì)東中國(guó)海潮流垂向分布的影響；王凱等[2]利用了球面坐標(biāo)系下的半隱半顯三維數(shù)值模式，詳細(xì)的分析了東中國(guó)海的潮流垂向結(jié)構(gòu)并首次提出了圓流點(diǎn)的水平位置不隨深度變化的特征；Jong Chan Lee等[3]認(rèn)為如果底摩擦系數(shù)取值接近于近底層的渦動(dòng)粘性系數(shù)，潮流的模擬結(jié)果會(huì)更加準(zhǔn)確；Bao等[4]使用了三維湍封閉的模式對(duì)東中國(guó)海的M2、S2、K1和O1四個(gè)主要分潮流的特征進(jìn)行了分析和討論。

關(guān)于潮流的垂向結(jié)構(gòu)及其分布特征，方國(guó)洪[5]做了詳細(xì)的研究，認(rèn)為在深度接近海底時(shí)，潮流流速的最大值會(huì)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(lè)[6]的研究結(jié)果反映了潮波角頻率σ和科氏參量f兩個(gè)參數(shù)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(fā)生時(shí)間的變化。

2 模型與數(shù)據(jù)介紹

2.1 模型設(shè)置

本文采用FVCOM（Finite Volume Coast and Ocean Model）海洋數(shù)值模式[7]，計(jì)算區(qū)域?yàn)?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(wǎng)格（見(jiàn)圖1），近岸的最小網(wǎng)格步長(zhǎng)為1 km，在外?？拷_邊界處的最大網(wǎng)格步長(zhǎng)為50 km，垂向平均分為10個(gè)σ層，可以對(duì)近海海域復(fù)雜多變的海底地形進(jìn)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(shù)據(jù)內(nèi)插到計(jì)算海域的網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)上，并利用中國(guó)航海保證部編制的海圖資料對(duì)近岸水深進(jìn)行補(bǔ)充和訂正（見(jiàn)圖2）。

圖1 計(jì)算區(qū)域的網(wǎng)格分布圖

圖2 計(jì)算區(qū)域的地形和水深分布圖（單位：m）

圖3 東中國(guó)海沿岸驗(yàn)潮站和測(cè)流點(diǎn)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(gè)分潮預(yù)報(bào)的水位作為開邊界的強(qiáng)迫條件。另外，本文參考了前人的工作經(jīng)驗(yàn)結(jié)果[8-11]，并通過(guò)多次數(shù)值試驗(yàn)，得到適合本模型的底摩擦系數(shù)，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(jì)算過(guò)程中，不考慮溫度、鹽度隨時(shí)間和空間的變化，取溫度為18°，鹽度為35。

2.2 潮流模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比

通過(guò)與沿岸23個(gè)驗(yàn)潮站（見(jiàn)圖3）的實(shí)測(cè)資料對(duì)比，M2、S2、K1、O1四個(gè)主要分潮振幅的絕對(duì)平均誤差為3.69 cm、2.67 cm、1.84 cm和1.50 cm，遲角的絕對(duì)平均誤差為6.11°、6.46°、7.44°和5.35°，振幅的相關(guān)系數(shù)為0.9951、0.9755、0.9142、0.9191，遲角的相關(guān)系數(shù)為0.9355、0.9956、0.9895、0.9937，表明模擬結(jié)果與驗(yàn)潮站實(shí)測(cè)值符合較好，基本上正確的反映了計(jì)算海域的潮汐特征。圖4為23個(gè)測(cè)流點(diǎn)表中底層M2和K1分潮流緯向分量（U分量）和經(jīng)向分量（V分量）的振幅與遲角相關(guān)系數(shù)分布圖，也可以看出模擬值與實(shí)測(cè)值符合較好。

3 潮流垂向結(jié)構(gòu)分析

3.1 數(shù)值模擬結(jié)果分析

本文利用的海流資料觀測(cè)點(diǎn)（122°35.998′E，26°30.052′N）位于東海東南部大陸架邊緣海區(qū)，根據(jù)實(shí)測(cè)資料的位置在其附近海域選取了122.6oE的經(jīng)向斷面和26.5°N的緯向斷面，對(duì)兩個(gè)斷面上的潮流垂向結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析和討論，其中，前者緯度范圍為26°—27°N，后者經(jīng)度范圍為122°—123°E，間隔為0.05°。

3.1.1 經(jīng)向斷面潮流特征分析

圖4 M2、K1分潮流緯向分量、經(jīng)向分量振幅（單位:cm/s）與遲角（單位：°）的相關(guān)性（紅線表示相關(guān)系數(shù)；*表示表中底層測(cè)流點(diǎn)）

對(duì)潮流的模擬結(jié)果進(jìn)行調(diào)和分析，得到了M2、K1分潮流的潮流橢圓要素（橢圓的長(zhǎng)軸，短軸、傾角和格林威治位相）。圖5和圖6兩個(gè)分潮流經(jīng)向斷面的潮流橢圓分布圖?？梢钥闯觯琈2分潮流的流速最大值達(dá)到了50 cm/s，遠(yuǎn)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(qū)為正規(guī)半日潮流區(qū)；在經(jīng)向斷面上，各分潮的潮流橢圓從表層到底層都為順時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)（紅色橢圓代表順時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)，藍(lán)色橢圓代表逆時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)，下同）；表層的流速大于底層的流速，趨向海底時(shí)潮流的最大流速逐漸減小；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(jīng)向斷面上每0.5°選取一個(gè)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(jiàn)圖7）。從圖中可看出，在經(jīng)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(shì)，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(diǎn)基本上出現(xiàn)在40—50 m水深處，如緯度增大，極值點(diǎn)出現(xiàn)的深度會(huì)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(shì)，該流向從低緯度至高緯度呈右旋趨勢(shì)；流向的極值點(diǎn)分布在10—40 m水深區(qū)間，極值點(diǎn)出現(xiàn)的深度隨緯度增大會(huì)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(qū)的最大流速值高于高緯度海區(qū)。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(fā)生右旋，其極值點(diǎn)基本都出現(xiàn)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(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)，M2分潮流大部分為順時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)，但潮流橢圓從122.0°—122.30°E都出現(xiàn)了逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)的情況，即靠近岸邊一側(cè)半日分潮為逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，隨著經(jīng)度的增加逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)轫槙r(shí)針旋轉(zhuǎn)；表層的流速大于底層的流速，趨向海底時(shí)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(jīng)度增大橢圓率反而減小。

圖5 M2分潮流經(jīng)向斷面潮流橢圓分布圖

圖6 K1分潮流經(jīng)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(shì)，且隨著經(jīng)度的增大，最大流速值逐漸減??；從表層至底層，最大流速的極值點(diǎn)基本上出現(xiàn)在50—75 m水深處，如經(jīng)度增大，極值點(diǎn)出現(xiàn)的深度會(huì)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(shì)，該流向從低經(jīng)度至高經(jīng)度呈左旋趨勢(shì)；流向的極值點(diǎn)基本都出現(xiàn)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(jīng)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(jīng)度的增加發(fā)生左旋，極值點(diǎn)分布在30—75 m水深區(qū)間，極值點(diǎn)出現(xiàn)的深度隨經(jīng)度增大會(huì)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(shí)測(cè)海流資料分析

海流資料觀測(cè)點(diǎn)處水深約為113 m，垂向空間分辨率為8 m，共取13層，但實(shí)際連續(xù)并可供分析的資料只有11層，測(cè)量水深的范圍為24—104 m。有效觀測(cè)時(shí)間是從2008年9月20日6時(shí)—2009年4月6日7時(shí)，數(shù)據(jù)采樣時(shí)間間隔為10 min。

對(duì)實(shí)測(cè)海流數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)和分析，得到了每個(gè)觀測(cè)層的M2和K1分潮流橢圓要素。根據(jù)各觀測(cè)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(jiàn)圖11），其中紅色橢圓代表順時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)，藍(lán)色橢圓代表逆時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)?？梢钥闯雒恳粚映绷鞯淖畲罅魉俣际荕2分潮流遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于K1分潮流。各觀測(cè)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(yōu)，潮流為正規(guī)半日潮流，與前面分析的結(jié)果保持了一致。M2分潮流各觀測(cè)層短軸皆為負(fù)值，表明該觀測(cè)點(diǎn)半日分潮流主要呈順時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)。K1分潮流在80 m層以上是順時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)，80 m層以下是逆時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)。

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(shì)都是隨著深度的增加先增大后減小，但在變化的過(guò)程中會(huì)發(fā)生小幅度的震蕩。M2分潮流在各個(gè)觀測(cè)層內(nèi)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(dòng)，最大值出現(xiàn)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(shì)為逐漸減小，最大流速在32 m層達(dá)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(dá)到最大值140.20°，然后在140°附近發(fā)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(shí)針），經(jīng)過(guò)微小震蕩后在64 m層以下改為左旋（逆時(shí)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(jié)構(gòu)實(shí)測(cè)值與模擬值對(duì)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(duì)比

圖15 K1分潮流最大流速及其流向垂向分布對(duì)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(jié)構(gòu)與實(shí)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行對(duì)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(jié)果和實(shí)測(cè)結(jié)果的垂向變化趨勢(shì)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(jié)果最大流速的極值點(diǎn)大約在水深55 m左右，而實(shí)測(cè)結(jié)果出現(xiàn)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(shì)，各層的流向差別不大，模擬的極值點(diǎn)大約在15 m左右，深度15 m以下流向保持了左旋的趨勢(shì)，而實(shí)測(cè)資料的流向在56 m層以上右旋，以下左旋。

模擬和實(shí)測(cè)的K1分潮流最大流速的變化趨勢(shì)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(diǎn)比較接近分別出現(xiàn)在40 m和56 m，但實(shí)測(cè)結(jié)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(jié)果的差別較大。

通過(guò)潮流的模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果的對(duì)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(diǎn)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(shì)，其流向同樣是在上層右旋，在下層左旋。表明了模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果關(guān)于潮流垂向結(jié)構(gòu)的總體趨勢(shì)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(diǎn)出現(xiàn)的深度也有差別，主要原因可能是該海區(qū)處于黑潮流經(jīng)海域附近，實(shí)測(cè)資料受到黑潮的影響比較大，導(dǎo)致模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)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(yīng)該是兩個(gè)結(jié)果存在差異的影響因素。

4 結(jié)論

通過(guò)潮流的模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果的對(duì)比分析，研究了海流觀測(cè)點(diǎn)附近海域的潮流垂向結(jié)構(gòu)，可以得出以下結(jié)論：

（1）潮流橢圓基本上為順時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)，但靠近岸線處的半日潮流橢圓為逆時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)；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(jīng)度增大橢圓率會(huì)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(diǎn)出現(xiàn)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(shì)，極值點(diǎn)出現(xiàn)的深度隨緯度增大會(huì)逐步減小。低緯度海區(qū)的全日分潮流最大流速值高于高緯度海區(qū)；最大流速的流向隨緯度的增大發(fā)生右旋，極值點(diǎn)的深度變化不大；

（3）半日分潮流各層的最大流速值隨著經(jīng)度的增大逐漸減小，且極值點(diǎn)出現(xiàn)的深度隨經(jīng)度增大會(huì)逐步增加；最大流速的流向隨經(jīng)度增加呈左旋趨勢(shì)，極值點(diǎn)的深度基本相同。全日分潮流隨著經(jīng)度的增大各層最大流速的變化很小；最大流速的流向隨經(jīng)度的增加發(fā)生左旋，極值點(diǎn)出現(xiàn)的深度隨經(jīng)度增大會(huì)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(diǎn)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(shì)，其流向同樣是在極值點(diǎn)深度的上層右旋，在下層左旋。

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