高 松, 徐江玲， 連喜虎， 王海棠， 李 銳

(1.國(guó)家海洋局北海預(yù)報(bào)中心，山東 青島 266061； 2.山東省海洋防災(zāi)減災(zāi)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 青島 266061；3.國(guó)家海洋局北海海洋工程勘察研究院，山東 青島 266061)

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基于長(zhǎng)期浮標(biāo)觀測(cè)資料與數(shù)值模式的渤海潮流性質(zhì)研究

高 松1，2, 徐江玲1，2， 連喜虎1，2， 王海棠3， 李 銳1，2

(1.國(guó)家海洋局北海預(yù)報(bào)中心，山東 青島 266061； 2.山東省海洋防災(zāi)減災(zāi)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 青島 266061；3.國(guó)家海洋局北海海洋工程勘察研究院，山東 青島 266061)

基于渤海7個(gè)大型浮標(biāo)各近1年的海流觀測(cè)資料，結(jié)合采用FVCOM模式建立的渤海潮汐潮流模式，對(duì)渤海的潮流性質(zhì)進(jìn)行分析，并將結(jié)果與1992年版海洋圖集進(jìn)行比較。結(jié)果表明：遼東灣、渤海灣屬規(guī)則半日潮流；萊州灣的大部屬規(guī)則半日潮流，小部分為不規(guī)則半日潮流；渤海中央及渤海海峽海域?qū)俨灰?guī)則半日潮流；渤海海峽東南側(cè)存在以煙臺(tái)芝罘島為中心的規(guī)則全日潮流向不規(guī)則半日潮流過(guò)渡區(qū)域。海洋圖集中龍口附近海域的不規(guī)則全日潮流類型區(qū)并不存在；萊州灣灣底東部的不規(guī)則半日潮流區(qū)為規(guī)則半日潮流類型。

渤海；潮流性質(zhì)；海流資料；數(shù)值模擬

渤海是一個(gè)半封閉內(nèi)陸淺海，平均水深約18 m，由遼東灣、渤海灣、萊州灣和渤海中部海域組成，僅通過(guò)渤海海峽與黃海相通(見(jiàn)圖 1)。渤海是一個(gè)潮汐、潮流顯著的海區(qū)，潮流場(chǎng)復(fù)雜多變。目前建立在以渤海周邊驗(yàn)潮站潮位調(diào)和常數(shù)驗(yàn)證基礎(chǔ)上的潮波數(shù)值模式，對(duì)潮汐的模擬已達(dá)到相當(dāng)高的精度，進(jìn)而對(duì)渤海潮波特征有了較為深入的認(rèn)識(shí)。然而，對(duì)渤海潮流的認(rèn)識(shí)迄今主要集中在數(shù)值模擬[1-5]以及少量的資料分析工作[6-8]。由于觀測(cè)資料缺乏，觀測(cè)站位稀少，觀測(cè)不同步等原因, 缺乏對(duì)整個(gè)渤海潮流性質(zhì)的系統(tǒng)認(rèn)識(shí)。目前，對(duì)渤海潮流性質(zhì)比較公認(rèn)的認(rèn)識(shí)為1992年版海洋圖集繪制的渤海潮流性質(zhì)分布圖(見(jiàn)圖 2)。其主要特征為：渤海以半日潮流占優(yōu)勢(shì)，遼東灣、渤海灣屬規(guī)則半日潮流；渤海中央海域?qū)俨灰?guī)則半日潮流。萊州灣的西半部屬規(guī)則半日潮流類型，東半部屬不規(guī)則半日潮流類型，而在龍口附近海域，出現(xiàn)不規(guī)則全日潮流類型。渤海海峽東南側(cè)以煙臺(tái)芝罘島為中心存在規(guī)則全日潮流至不規(guī)則半日潮流的過(guò)渡區(qū)域。本文利用渤海7個(gè)浮標(biāo)站位各近1年的海流實(shí)測(cè)資料進(jìn)行潮流性質(zhì)分析，并綜合三維FVCOM模式對(duì)渤海潮汐潮流的數(shù)值模擬結(jié)果，重新分析研究渤海及渤海海峽潮流性質(zhì)及分布特征。

圖1 渤海海底地形圖 Fig.1 Topography of Bohai Sea

圖2 1992年版海洋圖集渤海海域潮流性質(zhì)分布[ 9](重新繪制)及浮標(biāo)觀測(cè)站位Fig.2 Atlas map of oceans for tidal type distribution of Bohai Sea in 1992 and the locations of buoys

1 實(shí)測(cè)資料潮流性質(zhì)分析

渤海內(nèi)7個(gè)大型浮標(biāo)(站位見(jiàn)圖 2)均采用ADCP進(jìn)行剖面海流的連續(xù)觀測(cè)，觀測(cè)時(shí)間為2012年1～12月，部分月份由于浮標(biāo)維護(hù)缺測(cè)。在數(shù)據(jù)處理過(guò)程中，只保留滿足下列條件的數(shù)據(jù)：(1)信號(hào)良好率大于70%；(2)東、北分量速度突變小于40cm/s；(3)合成流速在0～200cm/s。利用最小二乘法將潮流數(shù)據(jù)按月進(jìn)行調(diào)和分析處理，計(jì)算潮流的基本參數(shù)，得到各站位每月表、中、底三層的潮流性質(zhì)。表 1給出了7個(gè)浮標(biāo)實(shí)測(cè)潮流性質(zhì)分析結(jié)果。 從表中可以看出，位于渤海中部的QF1、QF6和QF7 3個(gè)站位的潮流性質(zhì)主要為不規(guī)則半日潮流，這與海洋圖集的結(jié)果一致。 位于遼東灣南部的QF2站位潮流性質(zhì)值在0.42～0.60之間，該站主要為不規(guī)則半日潮流性質(zhì)，少數(shù)月份呈現(xiàn)為規(guī)則半日潮流性質(zhì)。位于渤海灣口北側(cè)的QF5站位，表層潮流性質(zhì)值在0.42～0.57之間，主要表現(xiàn)為不規(guī)則半日潮流性質(zhì)；中層和底層多數(shù)月份表現(xiàn)為規(guī)則半日潮流性質(zhì)，底層相比中層規(guī)則半日潮流性質(zhì)更為明顯。這兩個(gè)站都位于海洋圖集繪制的不規(guī)則半日潮流和規(guī)則半日潮流交接區(qū)域，因此，這一結(jié)果與海洋圖集的結(jié)果基本一致。位于渤海海峽的QF3和QF4站位均為不規(guī)則半日潮流性質(zhì)，QF3站位位于海洋圖集中不規(guī)則半日潮流和不規(guī)則全日潮流交接處，潮流性質(zhì)值應(yīng)約為2.0，而實(shí)測(cè)資料分析表、中、底層潮流性質(zhì)值在1.02～1.61之間，且大部分值集中在1.2附近，明顯小于2.0。

表1 浮標(biāo)實(shí)測(cè)值潮流性質(zhì)分析HR值Table 1 List of analyzed tidal type (HR) from buoy data

Note： ①Station;②Sufacelager;③Middlelayer;④Bottomlayer;⑤Tidalcurrouttyre

2 渤海潮流模擬

2.1 模式選擇與設(shè)置

本文采用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格FVCOM(FiniteVolumeCoastalOceanModel) 海洋模式對(duì)渤海潮汐潮流進(jìn)行模擬。FVCOM由美國(guó)馬薩諸塞大學(xué)海洋科技研究院和伍茲霍爾海洋研究所聯(lián)合開(kāi)發(fā)[ 10]。該模式采用有限體積的方法，通過(guò)積分的方式計(jì)算非重疊水平三角形控制體的通量來(lái)解控制方程。這種有限體積方法很好地將有限元方法處理海灣岸邊界復(fù)雜曲折的優(yōu)點(diǎn)和有限差分方法簡(jiǎn)單的離散結(jié)構(gòu)、高效的計(jì)算效率結(jié)合起來(lái)，并且對(duì)于近岸、河口等具有復(fù)雜地形和岸界的區(qū)域來(lái)說(shuō)，它更好地保證了質(zhì)量、動(dòng)量、鹽度和熱量的守恒性。

本文模式計(jì)算區(qū)域?yàn)椴澈＜安澈：{區(qū)域，三維正壓水動(dòng)力模型采用無(wú)結(jié)構(gòu)的三角網(wǎng)格系統(tǒng)，包括48192個(gè)網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)和93217個(gè)三角形單元，垂向分為6層，近岸區(qū)域網(wǎng)格距離約為2000m，開(kāi)邊界處網(wǎng)格距離約為6000m，網(wǎng)格系統(tǒng)如圖 3所示。模式開(kāi)邊界采用8個(gè)分潮(M2，S2，N2，K2，K1，O1，P1，Q1)驅(qū)動(dòng)，所選用的調(diào)和常數(shù)來(lái)至1992年版海洋圖集，通過(guò)數(shù)字化方法得到。模式積分時(shí)間為2012年8月1日～9月30日，共61d。將模擬結(jié)果的潮汐和潮流數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)和分析，得到選取的8個(gè)分潮的調(diào)和常數(shù)及潮流性質(zhì)(見(jiàn)圖4)。

2.2 模擬結(jié)果驗(yàn)證

圖4為渤海潮流性質(zhì)模擬結(jié)果圖。將潮流性質(zhì)模擬結(jié)果與7個(gè)浮標(biāo)位置的模式結(jié)果相比較，從表 2中可以看出模擬結(jié)果均處于實(shí)測(cè)值的范圍內(nèi)。此外，將數(shù)值模式結(jié)果與文獻(xiàn)[6-8]基于中長(zhǎng)期實(shí)測(cè)海流分析的潮流性質(zhì)，進(jìn)行了進(jìn)一步的驗(yàn)證，具體比較結(jié)果見(jiàn)表 2，可以看出模擬的潮流性質(zhì)與文獻(xiàn)實(shí)測(cè)結(jié)果也均符合較好。通過(guò)上述的比較說(shuō)明數(shù)值模式結(jié)果可信。

圖3 渤海及渤海海峽潮汐潮流模式的網(wǎng)格設(shè)置圖Fig.3 FVCOM grid of model domain

圖4 渤海潮流性質(zhì)模擬結(jié)果圖Fig.4 Simulated tidal type distribution

2.3 模擬結(jié)果分析

渤海潮流性質(zhì)數(shù)值模式結(jié)果(見(jiàn)圖 4)與海洋圖集(見(jiàn)圖 2)主要分布特征基本一致：遼東灣、渤海灣屬規(guī)則半日潮流；渤海中央海域?qū)俨灰?guī)則半日潮流。萊州灣的西半部屬規(guī)則半日潮流類型。渤海海峽東南側(cè)以煙臺(tái)芝罘島為中心存在規(guī)則全日潮流向不規(guī)則半日潮流過(guò)渡的區(qū)域。兩者主要的差別表現(xiàn)為：海洋圖集在龍口西側(cè)存在不規(guī)則全日潮流區(qū)，而模擬結(jié)果在該區(qū)大部分為不規(guī)則半日潮流，少部分為規(guī)則半日潮流。另在萊州灣底東側(cè)海域，海洋圖集為不規(guī)則半日潮流，模擬結(jié)果為規(guī)則半日潮流。為進(jìn)一步分析這一差別，本文搜集整理了相關(guān)文獻(xiàn)中實(shí)測(cè)資料進(jìn)行分析，各觀測(cè)站位見(jiàn)圖 5。近海海洋調(diào)查專項(xiàng)項(xiàng)目BHQ05站位2009年春、夏、秋、冬各1個(gè)月的潮流觀測(cè)數(shù)據(jù)分析潮流性質(zhì)為不規(guī)則半日潮流(潮流性質(zhì)值約為0.8)，該站位于海洋圖集繪制的不規(guī)則全日潮流區(qū)內(nèi)，本文模擬結(jié)果約為0.7。中科院海洋所2006年大小潮觀測(cè)資料顯示，ZK5站表層和ZK6站各層的潮流類型為不規(guī)則半日潮流，其余各站(ZK2、ZK5、ZK4)的各層的潮流性質(zhì)為規(guī)則半日潮流[ 11]，本文模擬結(jié)果在0.4～1.0之間，海洋圖集在ZK2～ZK6均為不規(guī)則半日潮流。付莉莉[12]在FL2站位25h潮流觀測(cè)結(jié)果為規(guī)則半日潮流(潮流性質(zhì)值為0.2)，本文模擬結(jié)果為0.26，海洋圖集為不規(guī)則日潮流；FL1站位25h潮流觀測(cè)結(jié)果為規(guī)則半日潮流(潮流性質(zhì)值為0.2)，本文模擬結(jié)果為0.35，海洋圖集為不規(guī)則半日潮流；FL3站位25h潮流觀測(cè)結(jié)果為規(guī)則半日潮流(潮流性質(zhì)值為0.3)，本文模擬結(jié)果為0.38，海洋圖集為規(guī)則半日潮流。周廣鎮(zhèn)[ 13]在海洋圖集不規(guī)則全日潮流區(qū)的3個(gè)實(shí)測(cè)流點(diǎn)(ZG1、ZG2和ZG3)表、中、底三層的潮流性質(zhì)值在0.27～0.97之間，本文模擬結(jié)果約為0.6。劉建強(qiáng)[14]在萊州灣西側(cè)海域的LJ1和LJ2點(diǎn)的觀測(cè)結(jié)果為0.25和0.36，本文模擬結(jié)果分別為0.34和0.42，兩者基本一致。綜上所述，本文模擬結(jié)果與各文獻(xiàn)中的實(shí)測(cè)結(jié)果基本一致，都表明萊州至龍口海域潮流性質(zhì)以規(guī)則半日潮流和不規(guī)則半日潮流，不存在不規(guī)則全日潮流區(qū)。另在萊州灣底東側(cè)海域?yàn)橐?guī)則半日潮流區(qū)。

圖 5 綜合觀測(cè)資料站位圖Fig.5 Locations of history observational data

此外，圖 4與圖 2的另一個(gè)差別為，在渤海海峽東南側(cè)的不規(guī)則全日潮流區(qū)域范圍不同，模擬結(jié)果顯示該區(qū)東西長(zhǎng)約70km，南北長(zhǎng)約80km，明顯小于海洋圖集范圍(東西長(zhǎng)約120km，南北長(zhǎng)約100km)。QF3站位位于海洋圖集中不規(guī)則全日潮流區(qū)域的邊緣，其觀測(cè)結(jié)果為1.02～1.61，屬不規(guī)則半日潮流。本文數(shù)值模擬的潮流性質(zhì)值為1.22與實(shí)測(cè)值更為接近。但在該區(qū)內(nèi)沒(méi)有其它站位的長(zhǎng)期觀測(cè)資料，這一結(jié)論仍需進(jìn)一步證實(shí)。

表2 中長(zhǎng)期觀測(cè)資料分析的潮流性質(zhì)與模式結(jié)果對(duì)比表Table 2 Tidal type comparison between observation and numerical simulation

Note： ①Reference；②Stationname；③Observationtime；④Observationresult；⑤Simulationresult

3 結(jié)語(yǔ)

觀測(cè)和研究表明，遼東灣、渤海灣屬規(guī)則半日潮流；萊州灣的大部海域?qū)僖?guī)則半日潮流；渤海中央及渤海海峽海域?qū)俨灰?guī)則半日潮流；渤海海峽東南側(cè)以煙臺(tái)芝罘島為中心存在規(guī)則全日潮流向不規(guī)則半日潮流過(guò)渡的區(qū)域。本文結(jié)果與海洋圖集相比主要區(qū)別在于海洋圖集在龍口西側(cè)存在不規(guī)則全日潮流區(qū)，本文研究表明在該區(qū)大部分為不規(guī)則半日潮流，小部分為規(guī)則半日潮流，不存在不規(guī)則全日潮流區(qū)。另在萊州灣底東側(cè)海域，海洋圖集為不規(guī)則半日潮流，本文結(jié)果為規(guī)則半日潮流。此外，渤海海峽東南側(cè)以煙臺(tái)芝罘島為中心的規(guī)則全日潮流向不規(guī)則半日潮流的過(guò)渡區(qū)域范圍，本文研究結(jié)果明顯小于海洋圖集，但這一結(jié)論仍需更多長(zhǎng)期觀測(cè)資料進(jìn)一步證實(shí)。對(duì)于本文研究結(jié)果與海洋圖集不一致原因，筆者認(rèn)為可能是由黃河口區(qū)域地形變化，以及萊州灣和渤海灣大規(guī)模填海工程引起的岸線變化共同作用所致。黃祖珂[15]研究結(jié)果認(rèn)為，從1930—1970年代渤海的岸線和地形變化引起了渤海潮波系統(tǒng)和潮流性質(zhì)的很大變化。筆者將在之后的文章中詳細(xì)討論這一問(wèn)題。

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責(zé)任編輯 龐 旻

Characteristic Analysis to Tidal Current in Bohai Sea on the Base of Long-Term Buoy Observations and Numerical Modelling

GAO Song1，2, XU Jiang-Ling1，2， LIAN Xi-Hu1，2， WANG Hai-Tang3， LI Rui1，2

(1. North China Sea Marine Forecasting Center, State Oceanic Administration, Qingdao 266033, China; 2. Shandong Provincial Key Laboratory of Marine Ecological Environment and Disaster Prevention and Mitigation,Qingdao 266033, China；3.North China Sea Marine Engineer Prospecting Institute SOA,Qingdao 266061,China;)

Based on one-year long current observation from 7 buoys and numerical simulation with FVCOM model, tidal character of Bohai Sea is reanalyzed, which is then Compared with one of atlas maps of oceans in 1992. The comparison shows that current in Liaodong Bay and Bohai Bay is dominated by regular semidiurnal tides, which is almost in the same situation as in atlas in 1992. Most part of current in Laizhou Bay is dominated by regular semidiurnal tides while the left part is by irregular semidiurnal tides. However, the irregular diurnal tide zone in Longkou area show in atlas does not exist anymore, besides current type in the eastern bottom of Laizhou Bay changes from irregular semidiurnal tide to regular semidiurnal tide. Meanwhile, current type in the center of Bohai Sea and Bohai Channel is irregular semidiurnal. In the end, one regular diurnal tidal zone is found located in the east of Bohai Channel with the center on Zhibu island, that is a little different from the old one of atlas in 1992.

Bohai Sea; tidal type; current observation; numerical simulation

國(guó)家海洋局青年海洋科學(xué)基金項(xiàng)目(2013207)；山東省海洋生態(tài)環(huán)境與防災(zāi)減災(zāi)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放基金項(xiàng)目(2011003)；北海分局海洋科技項(xiàng)目(KT2012B08)資助

2014-01-09;

2014-02-13

高 松(1980-)，男，碩士。E-mail:41267946@qq.com

P731.21

A

1672-5174(2015)06-007-05

10.16441/j.cnki.hdxb.20130473