萬修全， 馬 倩， 馬偉偉

(中國海洋大學(xué) 1.海洋環(huán)境學(xué)院；2.物理海洋教育部重點實驗室, 山東 青島 266100)

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冬季高頻大風(fēng)過程對渤海冬季環(huán)流和水交換影響的數(shù)值模擬*

萬修全1,2， 馬 倩1， 馬偉偉1

(中國海洋大學(xué) 1.海洋環(huán)境學(xué)院；2.物理海洋教育部重點實驗室, 山東 青島 266100)

利用ROMS海洋模式和NCEP CFSR提供的日平均和月平均驅(qū)動場資料，對渤海冬季風(fēng)生環(huán)流和水交換進行了數(shù)值模擬。結(jié)果顯示：使用包含渤海冬季頻繁出現(xiàn)的高頻大風(fēng)過程的日平均風(fēng)場資料模擬的渤海冬季環(huán)流流速明顯增強，與用觀測資料歸納得到的渤海冬季環(huán)流分布吻合較好；大風(fēng)過程對渤海冬季環(huán)流的貢獻較大，無論強度或是流態(tài)，大風(fēng)作用下的渤海流場結(jié)構(gòu)在冬季占主導(dǎo)作用。同時大風(fēng)作用通過控制渤海海峽處強烈的流出和流入，提高渤海與黃海之間熱量交換以及水交換能力：通過渤海海峽進入渤海的熱輸運量顯著增加，平衡渤海整體的熱量收支；渤海水體平均存留時間縮短，整體水交換得到改善，而在月平均風(fēng)場驅(qū)動結(jié)果中只存在緩慢的季節(jié)性變化。這顯示渤海冬季大風(fēng)過程的發(fā)生頻率和強度有可能直接影響著渤海冬季的環(huán)流形態(tài)和長期變化，也影響著渤海水交換的強弱。

渤海； 冬季環(huán)流； 大風(fēng)過程； 數(shù)值模擬

渤海是中國一個半封閉的內(nèi)陸淺海，僅通過渤海海峽與黃海相連，水交換能力較弱。近年來隨著渤海沿海經(jīng)濟的快速發(fā)展，渤海海域水質(zhì)不斷惡化，赤潮頻繁發(fā)生，海域環(huán)境質(zhì)量成為制約沿岸人們生活和經(jīng)濟發(fā)展的重要因素。為了更加科學(xué)合理地開發(fā)利用渤海，需要對渤海的水動力環(huán)境系統(tǒng)，特別是冬季環(huán)流結(jié)構(gòu)有一個深刻清晰的認識。一般認為，渤海環(huán)流的變化受制于氣候條件，冬季強、夏季弱，季風(fēng)是渤海環(huán)流季節(jié)變化的主要原因之一。結(jié)合大量的觀測資料，目前普遍認為渤海冬季環(huán)流主要以風(fēng)海流為主；海水通過渤海海峽北部進入渤海后直達渤海西岸秦皇島外海，在此分為南北兩股，一股北上進入遼東灣形成一個順時針流環(huán)，一股經(jīng)渤海灣沿岸進入萊州灣并經(jīng)渤海海峽南部流出渤海，形成一個大的逆時針流環(huán)[1-2]。

最近幾十年，許多學(xué)者先后對渤海冬季風(fēng)生環(huán)流做了大量細致的數(shù)值模擬研究工作[3-9]，大多發(fā)現(xiàn)，在渤海海峽處海流北進南出，在遼東灣頂存在一個順時針環(huán)流，但是這些數(shù)值模擬結(jié)果得到的渤海其它區(qū)域冬季主要環(huán)流結(jié)構(gòu)特征卻不盡相同，甚至在渤海中部與觀測資料歸納的環(huán)流概況截然相反。例如，王輝等[3]使用朱耀華提供的月平均風(fēng)場，利用一個簡單的淺海環(huán)流模型，認為渤海中部冬季存在一個弱的逆時針流動；趙保仁等[5]利用一套月平均風(fēng)場[10]驅(qū)動的冬季風(fēng)生環(huán)流的數(shù)值模擬研究卻表明，渤海中部呈順時針環(huán)流特征，渤海灣灣內(nèi)北部為逆時針、南部為順時針的雙環(huán)結(jié)構(gòu)；Wei等[11]和黃磊等[12]分別利用季節(jié)性平均風(fēng)場以及根據(jù)實測計算出的1、7月平均風(fēng)場進行數(shù)值模擬，結(jié)果均發(fā)現(xiàn)，在冬季渤海中央海區(qū)存在一個大的逆時針環(huán)流，渤海灣和萊州灣內(nèi)的流動都是這個流環(huán)的組成部分；萬修全等[13]利用多年風(fēng)場資料分析得到的月平均風(fēng)場，通過不同的數(shù)值模式實驗也發(fā)現(xiàn)渤海中部冬季呈現(xiàn)順時針環(huán)流的特征，而在渤海灣和萊州灣內(nèi)則是一支沿岸的逆時針方向的流動。

上述不同的模擬結(jié)果可能與模式使用的海面風(fēng)場有關(guān)，例如，除了這些研究使用的風(fēng)場資料來源不同之外，他們大多使用了月平均的海表面強迫風(fēng)場對渤海水動力環(huán)境進行的數(shù)值模擬，形成了對渤海氣候態(tài)環(huán)流分布的一些認識。但是隨著時間分辨率更高、包含冬季高頻強風(fēng)過程的風(fēng)場資料的出現(xiàn)，一些天氣尺度的高頻信號被保留了下來，而這些信號在月平均驅(qū)動風(fēng)場中被削弱甚至根本體現(xiàn)不出來，其對渤海水動力環(huán)境模擬及其長期氣候效應(yīng)究竟有無影響目前尚不明晰，例如，渤海海區(qū)冬季主要受亞洲大陸高壓和阿留申低壓活動的影響，多為偏北風(fēng)，平均風(fēng)速為6～7m/s，常有大風(fēng)天氣出現(xiàn)并伴隨寒潮發(fā)生，風(fēng)力可達24.5m/s以上；一場典型的冬季大風(fēng)過程可以使渤海水位驟降1m多，表面葉綠素濃度提高20%左右[14]，以前的數(shù)值模擬很少涉及這種過程，其對渤海氣候態(tài)環(huán)流和生態(tài)環(huán)境的影響也不清楚。

本文利用一個廣泛使用的區(qū)域海洋模式ROMS(Regional Ocean Modeling System)和NCEP(National Centers for Environmental Prediction)提供的CFSR (Climate Forecast System Reanalysis)日平均和月平均再分析風(fēng)場資料對渤海水動力環(huán)境進行模擬分析，著重討論了包含高頻大風(fēng)過程的日平均海面風(fēng)場對渤海冬季環(huán)流和水交換的影響。

1 數(shù)值實驗設(shè)計及驗證

1.1 模式簡介及配置

本文采用的區(qū)域海洋模式ROMS是一個基于三維非線性斜壓原始方程組發(fā)展起來的海洋模型，模式計算的海區(qū)為37.1°N～41.7°N，117.2°E～122.3°E所覆蓋的渤海海域。本實驗在水平方向上采用正交經(jīng)緯網(wǎng)格，水平分辨率為3km，垂向采用S坐標(biāo)，共劃分40標(biāo)準(zhǔn)層，使用渤海真實高分辨率地形資料[15]。模式大氣驅(qū)動方案采用Bulk-Formula算法，大氣強迫分別采用NCEP CFSR的日平均和月平均資料，包括10m的風(fēng)場、氣溫、相對濕度及海面氣壓等；側(cè)開邊界條件采用HYCOM 高分辨率同化資料，包括溫度、鹽度、海面起伏以及正壓、斜壓流速分量。雖然渤海的潮汐現(xiàn)象比較顯著，但是為了更方便研究冬季大風(fēng)過程對渤海水動力環(huán)境的影響，本文目前在模式設(shè)置時沒有考慮潮汐的影響。模式首先使用NCEP氣候平均態(tài)的強迫場模擬10年達到穩(wěn)定狀態(tài)，然后分別使用2005—2007年連續(xù)3年的CFSR日平均和月平均再分析資料來驅(qū)動模式，進行渤海環(huán)流和水交換的數(shù)值模擬。本文將使用日平均再分析資料驅(qū)動的數(shù)值模擬實驗稱為控制實驗，使用月平均再分析資料驅(qū)動的實驗稱為對比實驗?？刂茖嶒灪蛯Ρ葘嶒炈玫膫?cè)開邊界條件是一致的。

1.2 CFSR風(fēng)場簡介

CFSR風(fēng)場資料是美國NCEP發(fā)布的再分析數(shù)據(jù)產(chǎn)品，可提供不同時間、空間分辨率的資料。本實驗選用的數(shù)據(jù)產(chǎn)品在渤海海域空間分辨率約為0.31°，時間分辨率為天平均及月平均。圖1是渤海中部(38.85°N，120.00°E)附近CFSR日平均和月平均風(fēng)場資料2005—2007年3年的統(tǒng)計分析(風(fēng)場采用海面上空10m風(fēng)資料)。從圖1(a)可看出，渤海冬季風(fēng)速明顯強于夏季，日平均分辨率風(fēng)場資料的平均風(fēng)速達到7m/s，平均強度超過月平均數(shù)據(jù)約一倍，風(fēng)速變化頻率、幅度很強，尤其是大風(fēng)過程風(fēng)速可以達到12m/s以上，冬季較多，夏季也有發(fā)生；從圖1(b)3年數(shù)據(jù)統(tǒng)計上看，日平均資料中風(fēng)速超過8m/s的風(fēng)過程占到約20%的比重，4～8m/s的風(fēng)速數(shù)量超過了半數(shù)，而月平均資料超過90%的數(shù)據(jù)都集中在0～4m/s的風(fēng)速段內(nèi)，根本沒有超過8m/s的風(fēng)過程；不同空間分辨率資料的年際間統(tǒng)計分布特征差異較小。進一步的分析表明，以往數(shù)值模擬常用的同化資料如CCMP、ECMWF ERA的月平均風(fēng)場與本文使用的CFSR月平均風(fēng)場分布特征也較類似(未示出)。而真實情況下，渤海區(qū)域的風(fēng)速無論是強度或是變化幅度都要遠強于月平均甚至日平均的資料。風(fēng)速分布區(qū)間的不同除了直接影響風(fēng)應(yīng)力大小的計算外，也同樣影響著常用風(fēng)應(yīng)力計算公式中的風(fēng)拖曳系數(shù)的計算[16]。

最新的觀測資料證實，強烈的大風(fēng)過程可能導(dǎo)致渤海劇烈的風(fēng)生補償流及水交換過程[17]。對比上面的統(tǒng)計結(jié)果，以往數(shù)值模擬廣泛使用的月平均再分析資料風(fēng)場無論強度還是隨時間的變化都遠弱于實際情況，真實存在的大風(fēng)強風(fēng)過程并沒有被包含其中，因此其對渤海動力過程和水交換的作用仍然需要進一步深入研究。

((a)2005年風(fēng)速時間序列；(b)2005—2007年3年日平均和月平均資料中各風(fēng)速段所占總數(shù)據(jù)量的比例。為便于比較，將月平均數(shù)據(jù)在時間上線形插值到每日再進行統(tǒng)計處理。(a).Time series of wind speed for 2005;(b).Probability distribution function of daily and monthly(interpolated to daily resolution) wind speed from 2005 to 2007.)

圖1 渤海中部(38.85°N，120.00°E)CFSR再分析資料風(fēng)速分布(單位m/s)
Fig.1 Time series of wind speed for CFSR reanalysis wind forcing at (38.85°N,120.00°E) in Bohai Sea

1.3 模式水位驗證

圖2(a)是2005年渤海龍口臺站經(jīng)調(diào)和分析得到的實測水位資料和控制實驗?zāi)M得到的水位時間序列對比。兩個序列的相關(guān)系數(shù)達到0.8，表明模式模擬的水位與實測數(shù)據(jù)吻合較好。從圖中可以很清楚的看到，渤海冬季存在多次水位短時間快速下降又恢復(fù)的過程，下降幅度達到0.5 m，甚至超過1 m(見圖2(b))。模式模擬的水位與渤海塘沽和鲅魚圈觀測站的實測水位符合的也非常好(未示出)。這些水位快速下降的過程幾乎都對應(yīng)著較強的大風(fēng)天氣過程(見圖2(b))，從龍口、葫蘆島、秦皇島附近水位降低超過0.2 m時水位與對應(yīng)風(fēng)應(yīng)力的統(tǒng)計關(guān)系(見圖2(c))可以看出，在控制實驗中，水位下降與風(fēng)應(yīng)力間存在一定的線形關(guān)系，圖中超過90%的風(fēng)應(yīng)力都較對比實驗中該三點最大風(fēng)應(yīng)力強；而在對比實驗中用月平均風(fēng)場資料模擬的渤海水位僅存在季節(jié)性的微小起伏，幅度在0.2 m之內(nèi)，遠小于控制實驗?zāi)M及實測的結(jié)果。當(dāng)然，實際中渤海水位變化強弱不僅受風(fēng)強度的影響，也會與風(fēng)向有較大關(guān)系，在此不做討論。

(在渤海不同位置選取3個點(葫蘆島、秦皇島、龍口)，直線為擬合結(jié)果，黑色水平直線為對比實驗中該三點附近風(fēng)應(yīng)力最大值，陰影中點數(shù)量占整體比例為10.5%。The Straight lines indicate linear trends at three stations(Huludao,Qinhuangdao,Longkou)separately.The bold black line represents the maximum wind stress at the three stations in monthly wind forcing.)

圖2 (a)2005年渤海龍口站觀測水位(紅線)與控制實驗?zāi)M水位(藍線)時間序列；(b)圖1(a)中2005年底一次典型大風(fēng)過程及其作用下的龍口站水位的變化過程；(c)2005-2007年控制實驗中水位降低超過0.2 m時水位與風(fēng)應(yīng)力統(tǒng)計關(guān)系
Fig.2 (a) The time series of observed(red) and simulated (blue) sea surface height (cm) at Longkou station in 2005; (b)The details of observed (red) and simulated (blue) sea surface height (cm) during a typical process of strong wind (black) in winter of 2005 in figure 1a;(c)Statistical analysis for wind stress and sea surface height less that -0.2m from 2005 to 2007 in control run

表1 2005—2007年龍口站觀測水位與控制實驗水位相關(guān)性統(tǒng)計Table 1 The correlation between observed sea surface height and simulated sea surface heght in control run at Longkou Station from 2005 to 2007

表1是2005—2007年渤海龍口臺站經(jīng)調(diào)和分析得到的實測水位資料和控制實驗?zāi)M得到的水位在不同時間段的相關(guān)系數(shù)。從表中可以看出，每年的相關(guān)系數(shù)都在0.8左右，差別不大，但是冬季模擬結(jié)果明顯較夏季好，這可能是由于冬春季渤海水位主要受制于冬季強風(fēng)過程，而夏秋季東南季風(fēng)相對弱，大風(fēng)過程遠少于冬春季，因而徑流、潮汐等其他因素的作用在實測數(shù)據(jù)中可能會更多顯現(xiàn)出來，而目前本文的模式結(jié)果缺少這些過程，故而相關(guān)性有所下降，這需要進一步的驗證。

2 渤海對一次典型大風(fēng)過程的瞬時響應(yīng)過程

為進一步突出短時大風(fēng)過程對渤海水動力環(huán)境的影響，本文以2005年12月21日前后的一次典型大風(fēng)過程為例(見圖2(b))，繪制控制實驗中日平均的渤海深度平均流場和水位的逐日變化圖(見圖3)。可以看到，在大風(fēng)開始作用之前的12月19日，渤海整體環(huán)流較弱，水位起伏也很小；隨著風(fēng)力的增強，海水在渤海南岸開始堆積，渤海灣和萊州灣的海流速度較大風(fēng)之前增加0.5m/s以上，海水主要沿渤海南岸經(jīng)渤海海峽流出；至21日風(fēng)速增至最強，此時整個渤海水位平均降低1.2m左右，龍口站水位瞬時降幅接近2 m(見圖2(b))，流出的水體體積超過渤海水體的5%(渤海平均深度18m)；大風(fēng)減弱后的22日出現(xiàn)進入渤海強烈的補償流，水位也快速恢復(fù)到平均海平面。圖4是對應(yīng)此次大風(fēng)過程前后控制實驗中渤海海峽斷面3個站位(見圖3(a)中的A、B、C)流速東分量隨時間的變化。在快速出流階段，絕大部分海水是通過渤海海峽南端流出，從表層到底層比較一致；而在快速補償回流階段，雖然整個渤海海峽從表到底都有回流，但是明顯海峽北部和中部流速最強，這有力說明了大風(fēng)過程對于渤海環(huán)流以及水交換能力可能有著顯著影響。首先，一個單獨的冬季大風(fēng)過程造成的渤海環(huán)流響應(yīng)與渤海的冬季氣候平均態(tài)環(huán)流有著很大的相似性，如冬季渤海中部的逆時針流動和渤海海峽北進南出的環(huán)流分布等[11,13]；其次，大風(fēng)過程造成的快速出流和回流路徑的不同，暗示渤?？焖俪隽骱突亓鞯乃w是有區(qū)別的，這可能對渤海自身的海水凈化能力有著潛在的影響。在冬春季，渤海海域的大風(fēng)過程非常頻繁，其造成的這種強烈的水交換對渤海內(nèi)外水文環(huán)境狀況可能起重要作用，而在作者用月平均資料驅(qū)動狀態(tài)下的對比實驗中由于不存在這種強烈的大風(fēng)過程，渤海環(huán)流和水位變化都比較平緩，這種情況下對渤海水動力環(huán)境的研究和認識有可能是不全面的。

圖3 2005年12月21日一次典型大風(fēng)過程前后控制實驗中日平均的渤海深度平均流場(矢量箭頭，單位m/s)和水位(紅色等值線，單位m)的分布圖Fig.3 The distribution of vertical averaged current (vectors,unit:m/s) and sea surface height (contours,unit:m) of Bohai Sea during a typical process of strong wind on 21st December,2005 in control run

3 冬季大風(fēng)過程對渤海冬季環(huán)流與溫度數(shù)值模擬的影響

渤海冬季西北季風(fēng)加強，此時易受到寒潮大風(fēng)的影響，風(fēng)應(yīng)力是影響渤海冬季環(huán)流分布的主要因子[5,18]。圖5(a)是控制實驗?zāi)M的3年平均的渤海冬季(12，1和2月)深度平均的環(huán)流及海表面溫度(SST)分布。從圖5(a)可以看出，遼東灣、渤海灣和萊州灣因水深淺，冬季海水溫度較低；渤海海峽和中部海域則受黃海暖流影響，溫度等值線向西和向北兩個伸展，而且水溫較高，其值超過6℃?？刂茖嶒炏虏澈６镜纳疃绕骄鲌鲇卸鄠€渦旋組成；在遼東灣存在的順時針渦旋應(yīng)是冬季偏北季風(fēng)將灣內(nèi)的海水推向南下，相應(yīng)的西岸海水沿西岸北上補充所形成；渤海灣和萊州灣的流場則主要為一大的氣旋式渦旋所占據(jù)，并且靠近岸邊一側(cè)，流速偏大，最強處能達到5 cm/s，形成一股明顯的沿岸流；在渤海海峽的流動為北進南出，北部的流速雖然較弱，但仍然可以匯入遼東灣南下的海水向西入侵到渤海灣內(nèi)。這些結(jié)果基本體現(xiàn)了從渤海實測海流及溫鹽分布中歸納出來的渤海冬季環(huán)流模式的主要特征，但是由于渤海冬季的流場結(jié)構(gòu)與渤海冬季盛行風(fēng)場的結(jié)構(gòu)關(guān)系密切，因此，渤海冬季實際環(huán)流形態(tài)和強度很大程度上取決于模擬所用的風(fēng)場質(zhì)量如何，這其中就包括冬季頻發(fā)的寒潮大風(fēng)過程對渤海總體環(huán)流的貢獻問題。

從前面分析得到大風(fēng)過程往往對應(yīng)于渤海水位的快速下降和回復(fù)。為簡單計，本文選取渤海龍口站水位低于-0.2m時作為發(fā)生大風(fēng)過程的時間段(約占冬季的1/4)，計算控制實驗中大風(fēng)過程時間段所對應(yīng)的渤海深度平均環(huán)流如圖5(c)所示，去除大風(fēng)過程時間段的渤海深度平均環(huán)流如圖5(d)所示。對比圖5(c)和圖5(a)可以看出，冬季大風(fēng)過程作用時段的渤海深度平均環(huán)流與通常所認為的渤海冬季環(huán)流結(jié)果特征比較一致[9]，但是強度上明顯大很多，尤其是渤海灣和萊州灣內(nèi)的逆時針環(huán)流在圖上可以非常清晰的分辨出來；而在圖5(d)中的渤海深度平均環(huán)流整體上普遍弱很多，最大可到 6cm/s，在渤海海峽南側(cè)相差更大。在渤海中部形成了一個較小的逆時針流環(huán)，這與Wei等[11]的結(jié)果有些類似。

圖4 2005年12月21日一次典型大風(fēng)過程前后控制實驗中渤海海峽(A、B、C)3處流速U分量(單位m/s)隨時間的變化Fig.4 The changes of U-component at points (A,B,C) of Bohai during a typical process of strong wind o 21st December，2015 in control run

(模式數(shù)據(jù)取2005—2007年3年的12，1和2月的時間平均代表冬季，取龍口站水位低于-0.2m時代表冬季大風(fēng)過程時間段。Winter-averaged is the time mean of December,January and February from 2005 to 2007.The time section of strong winds is an ensemble of when the sea surface height at Longkou Sation is less than -0.2 m.)

圖5 (a)控制實驗中渤海冬季深度平均流場和SST分布；(b)對比實驗中渤海冬季深度平均流場和SST分布；(c)控制實驗中渤海冬季大風(fēng)過程時間段對應(yīng)的深度平均流場分布；(d)控制實驗中渤海冬季去除大風(fēng)過程時間段對應(yīng)的深度平均流場分布
Fig.5 The distribution of vertical averaged current (vectors) and SST (contours) in Bohai Sea in winter of the control run (a); in winter of the comparison run (b);in time section of strong wind of control run (c) and without the time section of strong wind of control run (d)

圖5(b)是對比實驗中渤海冬季深度平均環(huán)流和SST的分布。從圖5(b)中可以看到，對比實驗中渤海深度平均的環(huán)流分布結(jié)構(gòu)整體而言與控制實驗基本相似，除了在渤海灣口北部近海流向秦皇島附近的北到東北向的海流有所增強外，對比實驗中流速普遍減弱，特別是萊州灣口和渤海海峽南部流速顯著減小，表明渤海與黃海的水交換過程對比實驗比控制實驗要弱。從總體上看(見圖5(b))，本文的數(shù)值模擬實驗都能夠重現(xiàn)渤海冬季溫度的基本分布特征，中部溫度較高，近岸溫度較低，而且上下混合非常充分，但是，對比實驗中渤海冬季的SST比控制實驗的溫度平均高2.5℃左右，增溫強的區(qū)域主要集中在流速變化大的海域。在控制實驗中，渤海3年平均的冬季海表凈熱通量為80W/m2，而對比實驗則為59W/m2，均為海洋向上散失熱量。相較于通常使用的月平均強迫風(fēng)場，能夠分辨大風(fēng)等過程的日平均風(fēng)場顯然增強了渤海海表的熱交換過程，渤海冬季向大氣輸送了更多的熱量，導(dǎo)致控制實驗中渤海溫度比對比實驗平均低2.5℃左右，而且水平分布不均勻，沿遼東灣西岸、渤海灣、萊州灣到渤海海峽南端變化較大，而在渤海中部變化明顯低于平均水平。這種變化分布不僅有助于重新認識通常渤海數(shù)值模擬中冬季SST偏高的模式偏差問題[19]，并且與前面討論的渤海對于冬季一次典型大風(fēng)過程的水位和流速瞬時響應(yīng)特征非常類似，因此作者猜測由于大風(fēng)過程影響進入渤海海峽的熱輸運增加可能對渤海中部的溫度變化影響較大。通過簡單計算渤海海峽121.25°E斷面的冬季平均熱輸運量，本文發(fā)現(xiàn)在控制實驗中，該斷面3年平均凈熱輸運為0.84TW，方向為向西進入渤海，比實驗的0.13TW高出6倍多，這有效補充了控制實驗里渤海中部通過海表面多散失的熱量。

4 冬季高頻大風(fēng)過程對渤海水交換影響的初步分析

水交換時間可以衡量水體水交換作用的強弱。本文采用平均存留時間(Average residence time)這一概念[20]，對控制實驗和對比實驗的渤海水交換強弱進行初步分析。劉哲[21]用該方法研究了膠州灣的水交換時間的時空分布，王悅[22]用該方法對渤海灣的水交換過程進行了研究。作者參考上述方法，在模式實驗中引入被動溶解保守物質(zhì)作為示蹤物，保守物質(zhì)濃度的變化表示渤海內(nèi)水體逐漸被黃海水所代替的過程，因此可以通過研究渤海內(nèi)保守物質(zhì)濃度的時空變化來初步了解渤海的水交換過程。

圖6 渤海水體的平均存留時間的控制實驗(a)和對比實驗(b)(單位：天)Fig.6 The average residence time (day) in the Bohai Sea,control run (a) and comparison run(b)

圖6顯示的是控制實驗和對比實驗中渤海水體平均存留時間的分布。從圖6(a)可以看到，在控制實驗下，水體的平均存留時間分布比較規(guī)則，由海峽向3個灣頂方向依次遞增，最大值出現(xiàn)在遼東灣東側(cè)，約為840d；渤海海峽北側(cè)與南側(cè)相比，存留時間較短，這主要渤海海峽處流動主要為“北進南出”有關(guān)。在對比實驗中(見圖6(b))，平均存留時間分布變化較大，3個海灣存留時間均存在不同程度的增加，遼東灣整體乃至渤海中央北部海區(qū)存留時間平均在800d左右，最大值約為950d，萊州灣整體存留時間平均在750d以上，較之控制實驗明顯增加。這與高頻大風(fēng)過程下渤海環(huán)流的改變有密切關(guān)系，缺少了大風(fēng)過程的參與，渤海夏季中部大的順時針環(huán)流減弱，遼東灣內(nèi)逆時針環(huán)流增強，使得水體不易流出；而對比實驗中冬季流出渤海海峽的海流速度明顯減弱，導(dǎo)致渤海灣南部及萊州灣水體也不易流出，從而使渤海內(nèi)水體與渤海外水體交換過程減弱，增加了渤海水體的平均存留時間。

5 結(jié)論

本文利用ROMS模式對渤海冬季的環(huán)流結(jié)構(gòu)、溫度分布狀況及水交換過程進行了初步研究，主要分析了風(fēng)場是否包含冬季大風(fēng)過程(CFSR日平均風(fēng)場與月平均風(fēng)場)對其分布的影響，著重討論了冬季環(huán)流和溫度分布對包含大風(fēng)過程的高時間分辨率風(fēng)場的響應(yīng)狀況。主要結(jié)論如下：

(1)對于渤海冬季環(huán)流而言，雖然不同實驗中整體環(huán)流結(jié)構(gòu)基本相似，但是包含大風(fēng)過程影響的流速明顯增強，最大相差達到6cm/s，與用觀測資料歸納得到的渤海冬季環(huán)流分布吻合較好；通過渤海海峽進入渤海的熱輸運量也顯著增加，有效補充了因大風(fēng)降溫所導(dǎo)致的渤海表面的熱損失。

(2)風(fēng)場的作用對渤海冬季環(huán)流的貢獻較大，僅占冬季大約1/4時間的大風(fēng)時段導(dǎo)致的渤海環(huán)流形態(tài)分布同渤海冬季平均環(huán)流分布非常相似。這顯示渤海冬季大風(fēng)過程的發(fā)生頻率和強度有可能直接影響著渤海冬季的環(huán)流形態(tài)和長期變化。

(3)冬季高頻大風(fēng)過程導(dǎo)致的渤海環(huán)流的分布變化也影響著渤海水交換的強弱。利用渤海水體平均存留時間的概念，作者發(fā)現(xiàn)在控制實驗中渤海整體水交換明顯增強，因此，在研究渤海水交換時，建議選用能體現(xiàn)大風(fēng)過程較高時間分辨率的風(fēng)場，從而保證研究結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性。

通過以上研究結(jié)果，對包含大風(fēng)天氣過程的較高時間分辨率風(fēng)場影響渤海水動力環(huán)境的情況有了初步的了解，同時其造成的渤海海峽熱輸運變化也對研究氣候變暖背景下渤海溫度的升高機制提供了一種可能的研究方向。盡管如此，本文的研究仍然存在一些需要改進和深入探討的地方，例如潮汐作用和模式開邊界離研究區(qū)域較近等問題是否會對本文的研究結(jié)果有影響，這也是以后需要深入研究的內(nèi)容。

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責(zé)任編輯 龐 旻

The Effect of High Frequency Strong Winds on Winter Circulation and Water Exchange in the Bohai Sea by ROMS

WAN Xiu-Quan1，2, MA Qian1, MA Wei-Wei1

(Ocean University of China， 1.College of Physical and Environmental Oceanography； 2.The Key Laboratory of Physical Oceanography.Ministry of Education, Qingdao 266100,China)

The regional ocean model ROMS and different time-resolution wind data provided by NCEP CFSR are used to simulate the wind-driven circulation and water exchange in the Bohai Sea. The results of numerical simulations driven by daily and monthly averaged wind fields separately show that daily-averaged wind fields with high frequency strong wind signals lead to an obvious enhanced wind-driven circulation, which makes a good agreement with the observations during winter. Strong winds in winter not only have a greater contribution to both intensity and pattern of the wind-driven circulation, but also significantly increase the heat exchange between the Bohai Sea and the Yellow Sea by controlling strong inflows and outflows through the Bohai Strait. The average residence time in the Bohai Sea becomes shorter under the forcing of strong winds, which can indicate the improvement of water exchange capacity. On the other hand，there are only weak seasonal signals identified in the experiment of monthly mean wind forcing. Thus it hints us that the frequency and intensity of winter strong winds may have an important role on the long-term changes of wind-driven circulation and water exchange in the Bohai Sea during winter.

Bohai Sea; winter circulation; strong winds; numerical simulation

國家自然科學(xué)基金項目(41276013)；2012年度教育部新世紀優(yōu)秀人才支持計劃：國家海洋局海洋公益性行業(yè)科研專項(201205018)資助

2014-04-18；

2014-05-22

萬修全(1977-)，男，博士，副教授。E-mail: xqwan@ouc.edu.cn

P731.27

A

1672-5174(2015)04-001-08

10.16441/j.cnki.hdxb.20140146