宋軍，姚志剛，郭俊如，李靜，高佳，董軍興

（1.國家海洋信息中心，天津　300171；2.中國海洋大學(xué)　教育部物理海洋學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東　青島　266100；3.國家海洋局海洋減災(zāi)中心，北京　100194）

基于潮汐逆模型技術(shù)對渤黃海正壓M2分潮開邊界條件的優(yōu)化研究：II.潮汐特征、潮汐動力學(xué)及潮余流

宋軍1，2，姚志剛2，郭俊如3，李靜1，4，高佳1，董軍興1

（1.國家海洋信息中心，天津300171；2.中國海洋大學(xué)教育部物理海洋學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東青島266100；3.國家海洋局海洋減災(zāi)中心，北京100194）

基于該系列文章前文建立的高分辨率數(shù)據(jù)同化模型系統(tǒng)，研究渤、黃海的M2分潮的潮汐特征、潮混合、潮余流、潮能及其擴(kuò)散、潮動量平衡。對同潮圖結(jié)果的分析表明，渤、黃海內(nèi)共存在4個(gè)無潮點(diǎn)，研究區(qū)域內(nèi)M2分潮振幅的最大值出現(xiàn)在朝鮮半島西側(cè)。潮流橢圓的分析結(jié)果表明，在35°N附近區(qū)域潮流橢圓的旋轉(zhuǎn)方向有著比較突然的改變。朝鮮半島西側(cè)區(qū)域潮流的振幅較大，并且由于該區(qū)域地形復(fù)雜多變導(dǎo)致朝鮮半島西側(cè)海域存在著比較強(qiáng)烈的潮混合與潮耗散。對M2分潮動量分析的結(jié)果表明，地形等因素在近海潮汐動力學(xué)過程中發(fā)揮著比較重要的作用。在渤、黃海內(nèi)大部分區(qū)域，主要的動量平衡基本上介于壓強(qiáng)梯度力、局地變化項(xiàng)以及科氏力之間，底應(yīng)力和對流項(xiàng)都可以忽略不計(jì)。但是，線性模型對近海尤其是上述強(qiáng)耗散區(qū)內(nèi)潮波活動的模擬還是存在著缺陷和不足。

潮汐特征；潮汐動力學(xué)；潮余流

在渤、黃海海區(qū)的眾多水文現(xiàn)象之中，潮汐和潮流過程以其顯著的動量、能量輸運(yùn)而成為該海區(qū)最引人注目的特征之一。已有的研究已經(jīng)指出渤、黃海海區(qū)的潮汐和潮流過程具有較復(fù)雜的空間結(jié)構(gòu)特征（Choi，1980；Choi，2003；Fang et al，2004；Larsenetal，1985；王凱等，1999；趙保仁，1994）。此外，渤、黃海海區(qū)較淺的地理特征以及顯著的潮振幅也使得渤黃海成為世界上潮能耗散最強(qiáng)的海區(qū)之一，Provost等（1997）曾指出，主要太陰半日分潮M2在該海區(qū)的潮能耗散達(dá)到了180 GW，約占全球M2潮能耗散總能量（2 TW）的11.1%。因此，潮混合以及潮余流過程在該海區(qū)的動力學(xué)以及其生物、化學(xué)過程中起著重要甚至決定性作用。例如，潮混合在黃海冷水團(tuán)的形成、渤海鋒面結(jié)構(gòu)、鳀魚卵分布以及細(xì)菌生長等方面均起著至關(guān)重要的作用（呂新剛 等，2010；Lie，1989；Hao et al，2003；Hyun et al，1999）。因此，對潮汐潮流過程的研究成為該海區(qū)物理海洋學(xué)研究的重點(diǎn)之一。

1　潮汐特征

經(jīng)過數(shù)據(jù)同化系統(tǒng)的優(yōu)化調(diào)整，ROMS模式對渤、黃海區(qū)域M2分潮的模擬與觀測之間的誤差已經(jīng)顯著地降低，兩者之間達(dá)到了比較不錯(cuò)的符合程度。因此，本文可以在ROMS模式“最優(yōu)”解的基礎(chǔ)上進(jìn)一步的分析渤、黃海區(qū)域M2分潮的潮汐特征。從圖1的M2同潮圖可以看出，由南邊界傳入的M2潮波分成兩支向北傳播：一支折向山東半島并遭到山東半島南岸的反射；另外一支繼續(xù)向北進(jìn)入北黃海后遭到黃海北岸岸線的反射，入射波與反射波的相互干擾結(jié)果，在科氏力作用下分別形成了兩個(gè)逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)的駐波系統(tǒng)，無潮點(diǎn)的位置分別位于山東半島成山角外側(cè)和海州灣外。進(jìn)入北黃海潮波的一部分繼續(xù)折向西并經(jīng)過渤海海峽進(jìn)入渤海，同樣受到渤海西岸的阻擋，反射波作用下分別在遼東灣西側(cè)和渤海灣南側(cè)，形成了兩個(gè)逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)的潮波系統(tǒng)，無潮點(diǎn)的位置分別位于秦皇島和黃河口附近，渤海內(nèi)的兩個(gè)無潮點(diǎn)的位置非常接近陸地，表現(xiàn)為準(zhǔn)退化的潮波系統(tǒng)。

圖1　同潮圖

應(yīng)當(dāng)指出的是，目前關(guān)于渤海灣內(nèi)無潮點(diǎn)的位置尚存在著爭議。Fang等（2004）的結(jié)果認(rèn)為渤海灣內(nèi)無潮點(diǎn)的位置應(yīng)當(dāng)在陸地之上，表現(xiàn)為退化潮波系統(tǒng)。而王永剛等（2004）基于趨近法的結(jié)果與本文的模式結(jié)果非常類似，即渤海灣內(nèi)無潮點(diǎn)的位置非常接近陸地。造成這一分歧的一個(gè)主要原因是渤海灣內(nèi)的無潮點(diǎn)非常接近于黃河口三角洲附近區(qū)域，由于黃河的巨大輸沙量導(dǎo)致該區(qū)域的地形和岸線處在不斷的變化之中，使得對于黃河三角洲附近區(qū)域潮汐活動的觀測和模擬都較為困難。在本文的研究區(qū)域內(nèi)，M2分潮的最大振幅出現(xiàn)在朝鮮半島西側(cè)的江華灣灣頂，最大振幅超過了2.6 m，整個(gè)朝鮮半島西側(cè)海域是世界上潮差最為顯著的區(qū)域之一。繼續(xù)向西至靠近中國大陸，M2分潮的振幅顯著減小，海州灣頂M2分潮的最大振幅僅有1.4 m左右。北部的渤海海區(qū)由于水深較淺，從而底摩擦相對比較強(qiáng)導(dǎo)致渤海區(qū)域內(nèi)M2的潮振幅相對黃海偏弱。

圖2　深度平均的M2分潮潮流橢圓（每10個(gè)格點(diǎn)一個(gè)潮汐橢圓，藍(lán)色（紅色）代表反時(shí)針（順時(shí)針）旋轉(zhuǎn)）

同時(shí)，還給出了對渤、黃海區(qū)域內(nèi)對深度平均的M2分潮潮流橢圓的分析結(jié)果，如圖2所示。在渤海，M2分潮流的最大流速在20～60 cm/s之間，渤海灣、遼東灣流速相對較強(qiáng)，萊州灣流速較弱，其大小僅有10～20 cm/s。渤海海峽附近區(qū)域M2分潮流最大流速可以達(dá)到40 cm/s。對潮流橢圓扁率的分析表明，渤海中部區(qū)域的潮流更多的表現(xiàn)為旋轉(zhuǎn)流，而遼東灣和渤海灣內(nèi)的潮流更多表現(xiàn)為往復(fù)流的形式。在黃海，M2分潮流一個(gè)比較明顯的特征是流速東西方向的不對稱，即東岸流速大于西岸流速。西岸流速在20～40 cm/s之間，東岸流速大小介于60～80 cm/s，尤其是江華灣內(nèi)，最大流速可以達(dá)到100 cm/s，為黃海區(qū)域內(nèi)的最強(qiáng)潮流區(qū)。黃海中部區(qū)域潮流較弱，大小僅有20 cm/s左右。對黃海內(nèi)潮流橢圓扁率的分析表明，朝鮮半島西側(cè)海域M2分潮流更多的表現(xiàn)為往復(fù)流的形式，而在靠近中國大陸一側(cè)，M2分潮流則更多的表現(xiàn)為旋轉(zhuǎn)流的特征。此外，M2潮流橢圓一個(gè)比較顯著的特征是，在35每10個(gè)格點(diǎn)一個(gè)潮汐橢圓，藍(lán)色（紅色）代表反時(shí)針（順時(shí)針）旋轉(zhuǎn)N以南區(qū)域M2分潮流的旋轉(zhuǎn)方向基本上為順指針，而在35°N以北，除山東半島南端的一小部分區(qū)域之外，M2分潮流基本變?yōu)槟鏁r(shí)針旋轉(zhuǎn)，這一發(fā)現(xiàn)與Lie等（2002）之前的觀測以及Kang等（1998）的模式結(jié)果基本一致。山東半島南端一小部分區(qū)域內(nèi)M2分潮流的順時(shí)針旋轉(zhuǎn)結(jié)果也和之前的研究（Lie et al，2002；Kang et al，1998；Lee et al，1999）相一致。在渤海，M2分潮流順時(shí)針旋轉(zhuǎn)的區(qū)域主要出現(xiàn)在渤海中部，在其他區(qū)域基本上為逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)。注意到M2分潮流旋轉(zhuǎn)方向的之一空間分布特征與之前Prandle（1982）的關(guān)于分潮流旋轉(zhuǎn)方向的理論分析相符，即在分潮等振幅線間隔比較均勻的區(qū)域，分潮流的旋轉(zhuǎn)方向?yàn)槟鏁r(shí)針，本文中北黃海以及山東半島南端M2等振幅線和分潮流旋轉(zhuǎn)方向之間的關(guān)系基本與Prandle的結(jié)果相一致。

2　潮汐動力學(xué)及潮余流

為了解渤、黃海海區(qū)M2分潮對水動力學(xué)環(huán)境的影響，本節(jié)對與M2分潮相關(guān)的潮混合、潮余流、潮能通量以及潮能耗散等進(jìn)行了分析研究，最后還對渤、黃海海區(qū)內(nèi)M2分潮的動量平衡進(jìn)行了診斷分析。

2.1潮混合

在對渤、黃海潮汐潮流動力學(xué)作用的研究中，一個(gè)比較重要的方面就是研究海區(qū)內(nèi)強(qiáng)潮流所導(dǎo)致的潮致湍混合對鋒面的形成、結(jié)構(gòu)及其分布的影響。Simpson等（1974）對愛爾蘭海域的潮混合鋒面進(jìn)行研究時(shí)提出可以用U3/H作為確定潮混合鋒面位置的依據(jù)，其中U為深度平均的M2分潮潮流流速，H代表局地水深?；赟impson等提出的方法，計(jì)算了渤、黃海區(qū)域內(nèi)潮混合參數(shù)（Tidal Mixing Parameter，以下簡稱TMP）：

TMP=log10（h/U3）

潮混合參數(shù)TMP的空間分布結(jié)果如圖3所示，可以看到存在4個(gè)比較明顯的潮混合參數(shù)TMP的低值區(qū)域，分別位于：西朝鮮灣、江華灣、朝鮮半島西南部附近海域以及34°N-35°N之間的江蘇外海。Lie等（2002）和Naimie等（2001）的研究指出潮混合參數(shù)TMP=2.0處對應(yīng)為潮混合鋒面發(fā)生時(shí)的位置（即圖3中的白色等值線），從圖3中可以看到，在本文的研究中渤、黃海內(nèi)存在著4個(gè)比較明顯的潮混合鋒面，分別位于：西朝鮮灣外、江華灣外、朝鮮半島西南部以及江蘇外海。這一發(fā)現(xiàn)與之前的衛(wèi)星觀測的結(jié)果（Lie，1989；Hickox et al，2000）基本一致。除強(qiáng)潮流所導(dǎo)致的潮致混合，淡水注入以及海水的層結(jié)等浮力通量的變化也對潮混合鋒面的形成、強(qiáng)度以及位置有著重要的影響。例如Lie等（1989）曾經(jīng)指出長江的巨大淡水通量強(qiáng)化了江蘇外海附近的海水層結(jié)，從而抑制和影響了江蘇外海潮混合鋒面的形成。因此，受到以上因素的影響，潮混合鋒面的位置、形狀、結(jié)構(gòu)等隨時(shí)間存在較明顯的變化。

圖3　M2分潮的潮混合參數(shù)的空間分布

2.2潮余流

由于摩擦、海底地形變化、邊界形狀等原因，使得潮流發(fā)生非線性現(xiàn)象，從而水質(zhì)點(diǎn)在一個(gè)潮周期之后并不返回到原先的位置 （Zimmerman，1978），稱這種由于潮流非線性相互作用所導(dǎo)致的流動為潮余流。潮余流在近海以及河口區(qū)域?qū)腋∥?、泥沙以及其他物質(zhì)的長期輸運(yùn)有著重要影響，因此在本節(jié)對渤、黃海海區(qū)潮余流的空間分布特征進(jìn)行分析。由于本文的研究中僅包括M2一個(gè)天文分潮，因此通過對ROMS模式輸出在12.42 h（M2天文分潮的周期）上進(jìn)行平均，可以得到M2分潮的潮余流，一般稱這種在固定空間點(diǎn)上將潮流在一個(gè)潮周期T內(nèi)時(shí)間平均所獲得的余流為歐拉余流。如圖4所示，給出了渤、黃海海區(qū)歐拉余流的空間分布，從圖中可以看出，在渤海和黃海內(nèi)部，潮余流的強(qiáng)度比較弱，最大為2 cm/s左右，而且分布比較有規(guī)律；而近岸附近的潮余流量值較大，最大量值超過了5 cm/s并且分布比較凌亂。在渤海，潮余流較強(qiáng)的區(qū)域出現(xiàn)在黃河口、渤海海峽北部的老鐵山水道以及遼東灣內(nèi)，這與Fang等（1985）的結(jié)果相一致；黃海的余流較渤海略大，強(qiáng)余流出現(xiàn)的地點(diǎn)分別為西朝鮮灣、江華灣等朝鮮半島西側(cè)海區(qū)以及江蘇外海，Lee等（1999）的結(jié)果也給出了類似的潮流分布特征。在遼東半島最南端我們可以看到存在著一對氣旋和反氣旋環(huán)流，這與之前黃大吉等的研究結(jié)果基本一致，導(dǎo)致這一現(xiàn)象出現(xiàn)的原因可能是該海域漲、落潮過程的不對稱（Huang et al，1999）。此外，在萊州灣內(nèi)M2潮余流存在一個(gè)反氣旋的渦旋結(jié)構(gòu)，但強(qiáng)度較弱。繼續(xù)向南，我們看到黃海內(nèi)部區(qū)域余流的方向基本偏南，余流的大小偏弱；在南黃?？拷袊箨懸粋?cè)，余流沿山東半島南下，之后在江蘇外海折向東從而形成一個(gè)氣旋結(jié)構(gòu)的渦旋。

圖4　深度平均的M2潮余流（每5個(gè)格點(diǎn)一個(gè)潮流矢量）

2.3潮能及其耗散

之前對于渤、黃海海區(qū)的研究曾經(jīng)指出，全球的M2潮汐能量的大約8%耗散在黃海區(qū)域（Provost et al，1997；Kantha et al，1995；Munk，1997），因此，對渤、黃海正壓潮能通量及其耗散的研究室該區(qū)域潮汐研究的重要方向之一，本文基于ROMS模式的結(jié)果，給出了渤黃海潮汐通量及其耗散的研究結(jié)果。根據(jù)Greenberg（1979），平均潮能通量輸運(yùn)，包括潮動能和潮勢能，可以定義為：

上式中，ρ0為海水密度，取為1 026 kg/m3；h為局地水深，單位為m；η代表由于潮汐過程導(dǎo)致的海表面高度的漲落；u和v分別是深度平均的潮流流速；g為重力加速度，一般取為9.8 m/s2。其中，海表面高度η、深度平均的流速u、v分別來自于優(yōu)化后的ROMS模式輸出。T表示一個(gè)M2分潮的潮周期，為12.42 h。因此，最終得到的潮能通量F是在一個(gè)潮周期上的平均值，潮能通量F的空間分布如圖5所示。從圖5可以看出，進(jìn)入渤海和黃海的潮能有兩個(gè)主要來源：大部分潮能來自于東海，經(jīng)模式的南邊界進(jìn)入黃海，還有一小部分能量來自于東側(cè)的對馬海峽。

圖5　M2分潮的潮能通量（每5個(gè)格點(diǎn)一個(gè)矢量）

渤、黃海潮能通量空間分布最顯著的特征是在黃海潮能通量的東西不對稱，東岸靠近中國大陸的一側(cè)潮能通量比較小，而臨近朝鮮半島的西側(cè)海區(qū)潮能通量比較強(qiáng)。這與前面提到的潮流橢圓的空間分布特征是基本一致的。對潮流能量的輸運(yùn)路徑分析表明，進(jìn)入南黃海的M2潮流通量主要沿朝鮮半島一側(cè)向北輸運(yùn)，在36°N附近海區(qū)分為兩支：其中一小部分向西折向山東半島南岸，之后沿山東半島及江蘇沿岸南下進(jìn)入蘇北外海，形成一個(gè)巨大的渦旋結(jié)構(gòu)；大部分潮能通量則繼續(xù)北上，進(jìn)入北黃海的潮能通量在到達(dá)黃海北岸后折向西沿岸線流動，并與山東半島北岸的東向潮能輸運(yùn)一起形成氣旋性的渦旋。進(jìn)入北黃海潮能通量的一小部分繼續(xù)向西經(jīng)渤海海峽（主要沿老鐵山水道）而進(jìn)入渤海，之后一部分折向北進(jìn)入遼東灣，其他的則繼續(xù)向西進(jìn)入渤海中部。從渤、黃海潮能通量輸運(yùn)的路徑以及強(qiáng)度變化可以看出，潮能通量的大部分沿朝鮮半島西側(cè)輸運(yùn)的過程中分別在朝鮮半島西南部海域、江華灣以及西朝鮮灣附近匯聚并最終在局地耗散掉，因此這3個(gè)區(qū)域是渤黃區(qū)域海潮能能量最主要的“匯”。

根據(jù)動力學(xué)的基本定理，在數(shù)學(xué)上功率可以表達(dá)為力與速度的乘積。因此由底摩擦所導(dǎo)致的潮能耗散率可以定義為（Greenberg，1979；Taylor，1919）：

其中，Cd為底摩擦系數(shù)，在本文的研究中取為0.003；ρ0為海水密度，取為1 026 kg/m3；u和v分別是深度平均的潮流流速；T表示一個(gè)M2分潮的潮周期，為12.42 h。這里對潮能耗散率的計(jì)算基于二次的底應(yīng)力公式，這與本文數(shù)據(jù)同化系統(tǒng)中ROMS模型底應(yīng)力的計(jì)算公式是一致的。渤、黃海整潮周期平均潮能耗散的空間分布如圖6所示，最大的潮能耗散出現(xiàn)在朝鮮半島西側(cè)海域，這與前面對潮能通量輸運(yùn)的分析相一致。在以上這些區(qū)域，水深相對較淺，地形變化比較復(fù)雜，從而導(dǎo)致這些區(qū)域的底粗糙度較大，此外，沿朝鮮半島西側(cè)海域的M2潮流流速振幅也比較顯著，因此導(dǎo)致了在這些區(qū)域M2分潮的潮能耗散非常驚人，這也與之前對該區(qū)域潮能耗散的研究相吻合（Lefevre et al，2000；Kang et al，2002）。以log10D=0.3 W/m2作為判定強(qiáng)潮能耗散的臨界值（Naimie et al，2001），在本文的研究區(qū)域內(nèi)可以發(fā)現(xiàn)3個(gè)潮能耗散非常強(qiáng)的區(qū)域，分別位于：西朝鮮灣、江華灣以及朝鮮半島西南部海域，其中，潮能耗散最強(qiáng)的區(qū)域出現(xiàn)在江華灣內(nèi)部，潮能耗散的最大值高達(dá)10 W/m2。此外，在江蘇外海的蘇北淺灘附近，雖然潮能耗散的強(qiáng)度較朝鮮半島西側(cè)海區(qū)偏弱，但也屬于潮能耗散較顯著的區(qū)域。以上4個(gè)強(qiáng)潮耗散區(qū)所具有的一個(gè)共同的特征是其均具有非常強(qiáng)的潮流和較粗糙的海底地形，從而導(dǎo)致了M2分潮在這些區(qū)域內(nèi)較強(qiáng)的耗散。在渤、黃海的內(nèi)部區(qū)域，潮能耗散非常微弱，與以上幾個(gè)區(qū)域相比基本可以忽略。

圖6　M2平均潮能耗散速率（單位：W/m2，以log10為底）

2.4動量分析

為了對渤、黃海區(qū)域潮汐動力學(xué)過程有更加清晰的認(rèn)識，在本節(jié)對渤、黃海區(qū)域的潮汐過程進(jìn)行動量分析和診斷?；赗OMS優(yōu)化之后的模擬結(jié)果，分別對深度積分的動量方程中各項(xiàng)的量值進(jìn)行了計(jì)算，ROMS模型分別輸出并保存了動量方程中各項(xiàng)的u分量和v分量，并在一個(gè)M2分潮的潮周期（12.42 h）上分別計(jì)算了各項(xiàng)的均方差。最后基于其中5個(gè)比較重要的項(xiàng)給出了對動量的結(jié)果分析,這五項(xiàng)分別是：壓強(qiáng)梯度力 （pressure gradient）、科氏力（corriolis）、底應(yīng)力 （bottom friction）、對流項(xiàng)（advection）和局地變化項(xiàng)（local acceleration），結(jié)果如圖7所示。從對動量方程各項(xiàng)均方差的對比可以看出，渤、黃海區(qū)域最顯著的兩項(xiàng)分別是壓強(qiáng)梯度力和局地變化項(xiàng)，科氏力的均方差相對前兩項(xiàng)偏弱，位居第3?？剖狭Φ拇笮‰m然較前兩項(xiàng)偏弱，但是其具有和壓強(qiáng)梯度力相同的量級，此外科氏力也在渤、黃海旋轉(zhuǎn)潮波系統(tǒng)的形成中起著重要作用。水平對流項(xiàng)和底應(yīng)力項(xiàng)在絕大部分研究區(qū)域內(nèi)都非常弱，較壓強(qiáng)梯度力等前三項(xiàng)至少小一個(gè)量級，這說明在渤、黃海的大部分區(qū)域，潮波系統(tǒng)的非線性作用非常微弱，潮波基本表現(xiàn)為線性過程。但是在一些沿岸地區(qū)，例如西朝鮮灣，江華灣等，可以看到底應(yīng)力等非線性項(xiàng)的量級顯著增加到和壓強(qiáng)梯度力相同的大小，甚至基本的動量平衡變?yōu)閴簭?qiáng)梯度力和底應(yīng)力之間的平衡。

圖7　一個(gè)M2潮周期內(nèi)，基于深度積分動量方程的U、V分量，計(jì)算的壓強(qiáng)梯度力、科氏力、底應(yīng)力、對流項(xiàng)和局地變化項(xiàng)的均方差

基于動量方程中各項(xiàng)的大小以及相對權(quán)重的變化，可以把渤、黃海研究區(qū)域劃分成3個(gè)區(qū)域：弱潮耗散區(qū)、強(qiáng)潮耗散區(qū)以及中間過渡區(qū)。為對動量方程各項(xiàng)之間各平衡關(guān)系及時(shí)間演變有一個(gè)更直觀的了解，在以上3個(gè)區(qū)域中分別給出了一個(gè)典型站位的動量分析時(shí)間序列，3個(gè)典型站位的位置如圖8所示。其中，站位A位于山東半島以南，接近南黃海的中部40 m等深線位置附近；站位B位于渤海灣中部，該站位的水深大約為10 m左右；站位C位于朝鮮半島西側(cè)的江華灣內(nèi)，該站位水深較淺僅有6 m左右。結(jié)果如圖9所示，給出了以上3個(gè)站位共25 h的動量方程各項(xiàng)的時(shí)間序列圖（分別包括U分量和V分量）。

圖8　典型站位的位置

圖9　基于深度積分動量方程的U、V分量A，B，C三站M2分潮的壓強(qiáng)梯度力、科氏力、底應(yīng)力、對流項(xiàng)和局地變化項(xiàng)對比。

在南黃海內(nèi)的A站位，可以看到其動量平衡關(guān)系與渤黃海絕大部分地點(diǎn)類似。在東西方向上，主要的動量平衡介于壓強(qiáng)梯度力、局地變化項(xiàng)以及科氏力之間，其中壓強(qiáng)梯度力和局地變化項(xiàng)的大小基本相同，位相相反，科氏力較局地變化項(xiàng)明顯偏弱。底應(yīng)力和水平對流項(xiàng)在A站位的東西方上基本上可以忽略不計(jì)。在該站位的南北向分量情況基本與東西向分量類似，但南北向的科氏力大小較之東西向有比較顯著的增加，其大小和位相基本上與局地變化項(xiàng)相同，科氏力和局地變化項(xiàng)共同作用來平衡掉壓強(qiáng)梯度力。這說明在A站位，潮流主要為為東西向流動，這與前面對該區(qū)域潮流橢圓的分析相符合。在南黃海內(nèi)的A站位，東西向和南北向動量分析的都表明底應(yīng)力和水平對流項(xiàng)都可以忽略不計(jì)，在A站位的潮流運(yùn)動主要表現(xiàn)為線性。

向北進(jìn)入渤海灣內(nèi)，可以看到在B站位情況與A站位情況略有不同，底應(yīng)力的大小及作用在B站位附近海區(qū)顯著增加。在東西方向上，動量方程中最基本的平衡與A站位相同，依然介于壓強(qiáng)梯度力和局地變化項(xiàng)之間；不同的是在B站位，底應(yīng)力的大小已經(jīng)超過了科氏力，位居第3位。科氏力的作用變得非常微弱，與水平對流項(xiàng)具有相同的量級，其作用基本可以忽略。在南北方向，B站位的動量平衡介于壓強(qiáng)梯度力和科氏力之間，即基本的地轉(zhuǎn)平衡。而局地變化項(xiàng)的作用在該方向上變得比較弱。底應(yīng)力與水平對流項(xiàng)在B站位的南北向上依然可以忽略不計(jì)。這與前面對該區(qū)域潮流橢圓的分析結(jié)果一致，在渤海灣內(nèi)，潮流的主要流動方向?yàn)闁|西向，導(dǎo)致南北向的底應(yīng)力基本為零，因此在南北方向上基本的平衡為地轉(zhuǎn)平衡。在渤海灣內(nèi)的B站位，東西向的底應(yīng)力作用的顯著增加表明，在該站位的潮流運(yùn)動已經(jīng)表現(xiàn)出相當(dāng)程度的非線性。

江華灣內(nèi)的動量平衡與以上兩個(gè)站位相比截然不同。從前文對潮能通量等的分析可知，在朝鮮半島西側(cè)的潮汐能量非常巨大，因此在江華灣內(nèi)的C站位動量分析各因子的量級較前面的A和B兩個(gè)站位顯著增加，增大到B站位的4倍大小左右。C站位動量平衡關(guān)系最為顯著的特征即是底應(yīng)力和水平對流項(xiàng)在該站附近增加到和其他幾項(xiàng)相同的量級。在東西向，動量方位潮汐-地形間非線性相互作用導(dǎo)致了淺水分潮M4的發(fā)生。此外，還注意到底應(yīng)力與壓強(qiáng)梯度力基本反位相，并且兩者之間存在一個(gè)小時(shí)的延遲，這也說明了在該站位潮汐非線性作用的重要性?？紤]到江華灣內(nèi)島嶼眾多，地形復(fù)雜以及自南海進(jìn)入該海域的巨大潮汐能量，潮汐非線性作用在該海域的顯著增加是比較自然的事情。在C站位，其南北向的動量分析結(jié)果與東西方向類似。在C站位，淺水分潮的形成也說明了在該區(qū)域非線性作用的顯著增強(qiáng)，這與我們前面在潮混合和潮能耗散的分析結(jié)果相一致。

3　結(jié)論

本系列文章上一篇中建立了一套高精度的數(shù)據(jù)同化系統(tǒng)用來對正壓潮汐開邊界條件進(jìn)行優(yōu)化。該數(shù)據(jù)同化系統(tǒng)主要包括一個(gè)正模型ROMS和逆模塊TRUXTON，基于ROMS模式結(jié)果與觀測數(shù)據(jù)之間的誤差，驅(qū)動TRUXTON模型產(chǎn)生對潮汐開邊界條件的訂正項(xiàng)，從而優(yōu)化原潮汐開邊界條件。

ROMS模式調(diào)整前和調(diào)整后的同潮圖結(jié)果對比表明，優(yōu)化后的M2分潮同潮圖更加接近于Fang等（2004）所給出的“真實(shí)值”，其中最大的改善出現(xiàn)在渤海、渤海海峽以及北黃海附近區(qū)域。對同潮圖結(jié)果的分析表明，渤、黃海內(nèi)共存在4個(gè)無潮點(diǎn)，分別位于山東半島成山角外側(cè)、海州灣、秦皇島外海以及舊黃河口附近；研究區(qū)域內(nèi)M2分潮振幅的最大值出現(xiàn)在朝鮮半島西側(cè)的江華灣內(nèi)，最大值達(dá)到了2.6 m。潮流橢圓的分析結(jié)果表明，在35°N附近區(qū)域潮流橢圓的旋轉(zhuǎn)方向有著比較突然的改變。朝鮮半島西側(cè)區(qū)域潮流的振幅較大，并且由于該區(qū)域地形復(fù)雜多變導(dǎo)致朝鮮半島西側(cè)海域存在著比較強(qiáng)烈的潮混合與潮耗散，尤其是在江華灣、西朝鮮灣以及朝鮮半島西南部海域。對M2分潮動量分析的結(jié)果表明，地形等因素在近海潮汐動力學(xué)過程中發(fā)揮著比較重要的作用。在渤、黃海內(nèi)大部分區(qū)域，主要的動量平衡基本上介于壓強(qiáng)梯度力、局地變化項(xiàng)以及科氏力之間，底應(yīng)力和對流項(xiàng)在大部分區(qū)域內(nèi)都可以忽略不計(jì)，潮流基本上表現(xiàn)為線性。

但在西朝鮮灣，江華灣等區(qū)域，潮流流速的顯著增加以及海底地形的復(fù)雜變化使得在這些區(qū)域內(nèi)底應(yīng)力的大小和重要性顯著增加，從而在上述區(qū)域基本的動量平衡介于壓強(qiáng)梯度力和底應(yīng)力之間，對江華灣內(nèi)C站位動量的時(shí)間序列分析可以看出，潮波-地形間非線性相互作用導(dǎo)致了淺水分潮M4的形成，因此線性模型對近海尤其是上述強(qiáng)耗散區(qū)內(nèi)潮波活動的模擬還是存在著缺陷和不足。

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（本文編輯：袁澤軼）

Refining barotropic tide simulations for the Bohai and Yellow Seas using a hybrid data assimilation approach

SONG Jun1,2,YAO Zhi-gang2,GUO Jun-ru3,LI Jing1,4,GAO Jia1,DONG Jun-Xing1
（1.National Marine DataandInformation Service,Tianjin 300171,China;2.The Ministryof Education Key Laboratoryof Physical Oceanography,Ocean University of China,Qingdao266100,China;3.National Marine Hazard Mitigation Service,SOA,Beijing 100194, China;4.College of Marine Science,Shanghai Ocean University,Shanghai 201306,China）

A high-resolution hybrid data assimilative(DA)modeling system is adopted to study on tidal characteristics, tidal mixing,residual currents,energy flux,dissipation and momentum term balance dynamics in the Bohai and Yellow Seas. Our solutions show together there are four amphidromic points in the Bohai and Yellow Seas.Significantly larger tidal ranges are found along the west coast of Korea Peninsula.Tidal current ellipse maps reveal an abrupt change in tidal rotation directions in the Yellow Sea around 35°N,and currents are the strongest along the west coast of Korea Peninsula,which are combined with rough and irregular bottom bathymetry,producing significant tidal mixing and energy dissipation.Momentum balance analyses on M2further confirm the complexity of tidal dynamics in this area.For most regions in our study area,the main dynamical balance is among the pressure gradient,local acceleration terms,and Coriolis force,and bottom friction and horizontal advection are smaller.But a simple linear,analytical model will not adequately reproduce tidal currents and elevations.

tidal characteristics;tidal dynamics;tidal residual circulation

P731.23

A

1001-6932（2016）05-0535-09

10.11840/j.issn.1001-6392.2016.05.008

2015-10-08；

2015-11-23

國家自然科學(xué)基金（41206013；41376014；41430963；41206004）；教育部物理海洋重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放基金；2011年度高等學(xué)校博士學(xué)科點(diǎn)專項(xiàng)科研基金（20110132130001）；海洋公益性行業(yè)科研專項(xiàng)（201205018；201005019）；國家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目（2014BAB12B02）；天津市科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目（14ZCZDSF00012）；國家海洋局青年科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目（2012202；2013203；2012223）；國家建設(shè)高水平大學(xué)公派研究生項(xiàng)目（留金出 [2008]3019； [2012]3013）；國家海洋局空間遙感與應(yīng)用研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放基金重點(diǎn)課題（201601003）。

宋軍（1983-），男，博士，主要從事近海動力學(xué)、業(yè)務(wù)化海洋學(xué)方面的研究。

姚志剛，電子郵箱：874623647@qq.com。