黄河口海域潮汐、潮流、余流、切变锋数值模拟

高 佳,陈学恩＊＊,于华明,Ming Li

(1.中国海洋大学物理海洋研究所,山东青岛266100;2.Department of Engineering,University of Liverpool,U.K.L69 3BX)

黄河口海域潮汐、潮流、余流、切变锋数值模拟

高 佳1,陈学恩1＊＊,于华明1,Ming Li2

(1.中国海洋大学物理海洋研究所,山东青岛266100;2.Department of Engineering,University of Liverpool,U.K.L69 3BX)

采用有限体积三维近岸海洋模型,建立无结构三角形网格,对当今地形下的黄河口海域进行高分辨率数值模拟,在成功模拟渤海潮汐潮流的情况下,重点研究了黄河口海域。当前黄河口附近海域潮汐为不规则半日潮,潮流为往复流,方向近似平行于岸界,潮致欧拉余流在岬角两侧存在成对的涡旋,涡旋的方向为南顺北逆,黄河径流对此涡旋有加强的作用。由于地形等复杂因素的影响,河口海域附近在涨落潮转换过程中存在内涨外落型和内落外涨型切变锋,其首先出现在浅水区域,然后向深水区域传播,1～2 h后消失,它的产生是由于近岸海域潮汐相位领先于外海海域潮汐相位。

黄河口;数值模拟;潮汐;潮流;余流;切变锋

目前黄河入海口位于山东省东营市垦利县黄河口镇境内,地处渤海湾与莱州湾的交汇处,1996年5月黄河现行清水沟流路改道清8汊河入海,河口走向为东北方向(见图1)。

图1 当今黄河口位置示意图Fig.1 Map of current Yellow River estuary

黄河泥沙入海后在河口附近大量沉积,2005年1次黄河调水调沙就能导致河口沙嘴向海推进超过1.6 km[1]。近50 a来,由于人类活动及自然因素的影响,黄河入海水沙量急剧减少,郝琰等[2]研究表明近年来老黄河口附近M2分潮无潮点位置变化明显,这些变化将导致黄河口附近水动力分布发生改变,进而引发一系列问题,如现在的黄河口的潮汐类型是什么,潮致余流如何分布,径流对潮流余流的影响如何,切变锋的产生及形态如何等。

河口数学模型是研究河口水动力过程的有效手段,可在一定程度上克服现场观测的时空限制。本文采用三维数学模型对黄河口的水动力场进行数值模拟,试图从物理海洋学的角度去分析解释上述问题。

1 数值模式简介

依据研究海区的特点,本文选择采用美国麻省大学的有限体积三维海洋模式FVCOM(Finite-Volume Coastal Ocean Model)[3]。此模式控制方程组由动量方程、连续方程、温度方程、盐度方程和密度方程组成,将有限元方法易于拟合岸界、局部加密网格的优点与便于离散、高效求解原始方程组的优点结合起来。FVCOM模型数值方法采用有限体积方法,使动量、能量和质量在模型中具有更好的守恒性,采用干湿判断法处理潮滩移动边界,应用Mellor-Yamada 2.5阶湍流闭合子模型使模型方程闭合,垂向坐标采用σ坐标变换,采用内外模分裂的计算方案以节省计算时间。该模型使用可变三角形网格,从而能精确的拟合复杂不规则的岸线。Chen等[4]曾将FVCOM应用于渤海,得到很好的模拟结果。

1.1 计算区域及地形资料

本文建立了渤海数值模型,对黄河口附近海域进行网格加密,计算区域和水深地形如图所示。图2所示模型采用无结构三角形网格,9 030个结点将整个区域分成16 989个三角形单元,黄河口附近海域分辨率约200 m,开边界处分辨率约12 km。垂直方向分为11个σ层。水深使用方国洪的2(′)×2(′)的水深,黄河口附近采用卫星图片与出海调查实测水深替换结合,如图3。

图2 计算区域三角形网格示意图Fig.2 Triangular grid of calculation

根据CFL条件限制,模型中外模时间步长取为2 s,内模为10 s。计算时间为2009年7月25日到9月2日共40 d。

图3 渤海水深地形图Fig.3 Topographic map of Bohai

1.2 边界条件及初始条件

模式开边界有2部分:黄河径流断面和外海局部水域边界。

黄河径流边界条件 本文采用的是黄河利津站2007年汛期(7～10月)平均径流量,数据来源于《黄河泥沙公报》[5],取流量为1 260 m3/s。模式的外海开边界在渤海海峡西侧,采用潮位驱动,由吕咸青老师利用验潮站资料数据同化后模式结果调和分析得到的调和常数插值得到开边界21个点的M2,S2,K1,O1等4大分潮的调和常数,然后进行潮位预报得到,这4个分潮已能够反应实际的潮汐过程。

运动学边界条件 在海底及海面有垂向速度为0,岸边界满足法向流速为0。另外,不考虑海表面风场、热辐射通量等气象因素。初始水位、流矢:计算中将9 030个结点的初始水位设为零,16 989个三角形单元中心的表层到底层共11层的初始流速矢量设为0。初始温度和盐度:初始温度设为20℃,初始盐度设为32 psu。

2 模型验证

对模式输出的每结点40 d的水位进行调和分析,得到4个主要分潮(K1,O1,M2,S2)的振幅和迟角,绘制等值线(见图4),与渤海31个验潮站的调和常数对比得到表1。

图4 4大分潮的等振幅线和等迟角线(红线:迟角;蓝线:振幅)Fig.4 Cotidal chart and iso-amplitude line(red:phase;blue:amplitude)

表1 模式输出结果与验潮站调和常数对比差值Table 1 Comparison between model result and data from tide station

图4是4大分潮的同潮图,与海图和前人模拟结果[6-8]相比对应较好,半日分潮在渤海有2个无潮点,分别位于秦皇岛附近和老黄河口附近,老黄河口附近的M2分潮无潮点已经退化,受科氏力的作用,同潮时线绕其无潮点作逆时针旋转。全日分潮在渤海有1个无潮点,位于渤海海峡中部左右。将4大分潮的调和分析结果和渤海31个验潮站的调和常数相比得到表1,迟角和振幅的绝对平均误差均较小,振幅平均误差为3.9 cm,迟角平均误差为9.6(°),总的来说该模型的模拟精度满足要求,可以用于渤海海域水动力特性的研究。

4 模式结果分析

4.1 潮汐类型

本文模拟得潮型数分布如图5所示。秦皇岛和老黄河口附近海域半日分潮无潮点中心附近潮型数>4,属于正规全日潮,往外围海域方向潮型数减小,属于不正规全日潮;渤海海峡以西小部分和辽东湾顶部小部分为正规半日潮,其余海域均为不正规半日潮。

图5 渤海潮汐类型分布Fig.5 Distribution map of tide type in Bohai

对于黄河口海域,沙嘴入海口以西靠近渤海湾一侧潮型数>2,属不正规全日潮;沙嘴入海口以东以南靠近莱州湾属于不正规半日潮。

图6 黄河口海域潮流椭圆分布Fig.6 Current ellipse distribution near Yellow River estuary

4.2 潮流椭圆

对每个结点的潮流时间序列做潮流调和分析,得到4个主要分潮K1,O1,M2,S2对应的潮流椭圆分布图(见图6)。对4个分潮都有,靠近岸界的地方潮流椭圆很“扁”,说明潮流为往复型,离岸界越远潮流椭圆越“圆”,为旋转潮流。在黄河口海域对半日分潮多为顺时针旋转,值得注意的是在河口沙嘴西北存在1个蓝色的逆时针旋转的潮流区域。而全日分潮多为逆时针旋转,在河口沙嘴南部存在1个红色顺时针旋转的潮流区域。

4.3 黄河口海域潮流分布

选定模式时间205,210,212,215 4个时刻为低潮时、涨潮、高潮时、落潮的代表时刻。在这个潮周期里,涨潮用时7 h,落潮用时6 h。计算的垂向平均潮流场(见图7)。

图7 黄河口海域潮流分布Fig.7 Tidal current distribution near Yellow River estuary

涨潮时(图7b)海流从北向南从渤海湾、渤海中部先后绕过河口沙嘴与岬角进入莱州湾,落潮时潮流由南向北。可见黄河口海域潮流基本为往复流,这验证了上节潮流椭圆中得到的结论,潮流流速不大,无论涨潮流还是落潮流,流速多不超过50 cm/s。

涨潮流在先后经过河口沙嘴和尾闾河故道岬角时都会发生右旋,有顺时针旋转的趋势,故潮流椭圆(见图6)中2个岬角南部都有红色的椭圆,即顺时针旋转的潮流。

而当达到高潮时这一时刻,潮流很小,残余的一些潮流便摆脱了潮流的控制,在河口东南部附近以及尾闾故道岬角的南部附近形成2个顺时针的环流,类似于下节中的潮致余流。

落潮时,海流由南向北从莱州湾涌出,绕过岬角和河口沙嘴呈辐射状进入渤海湾和渤海中部。在低潮时时刻,残余海流在河口沙嘴北部形成一个逆时针环流。

对于黄河径流,由涨落潮时流场(图7b和图7d)对比可见其影响范围很小,仅限于河口附近,由于惯性入海流的方向为东北,涨潮时受涨潮流的顶托,被迫转向南,径流入海受阻;落潮时径流方向与潮流一致,径流向北入海通畅。

4.4 潮致欧拉余流

潮致欧拉余流是指海域内某一确定点在1个潮周期内潮流速度的时间平均值,是潮波非线性耦合和由外海或河口径流量共同作用的结果,在越靠近海岸的浅水区域,非线性作用越强[10]。由于是在欧拉意义下研究流体的运动,因此定义为欧拉余流,它表示在确定位置上流体周期平均的迁移趋势。图8为潮流进行调和分析后得到的余流结构场。为了对比研究黄河径流对欧拉余流的影响,设计了对比实验:实验一和实验二,2个实验除了黄河径流条件外,其他参数均相同。图8a为实验一加入黄河径流实验的余流场,图8b为实验二不加黄河径流实验的余流场,图8c为2个实验的余流场之差。

图8 余流结构场Fig.8 Fesidual current field

由图8a和图8b可见,由于岬角产生的非线性作用,在2个岬角周围都有1对涡旋存在,岬角左侧为逆时针方向余环流,量级约为岬角右侧为顺时针余环流,称之为岬角余流[11]。涡旋的流速量级不大,约为5 cm/s,但在靠近岸界的地方流速迅速增大,可达20 cm/s。

4.5 黄河径流余流

图8c可认为是黄河径流性余流,在入海口附近海域由于惯性径流性余流很大,然后流速迅速减小,而在河口两侧也分别对应存在岬角余流涡,说明径流对岬角余流有贡献,但不是决定性因素,因为不管模式中加不加黄河径流,在河口沙嘴和岬角处都会由于岬角效应产生1对涡旋,黄河径流只是对岬角余流涡有加强的作用。

4.6 黄河口潮流切变锋

切变锋是由于锋面两侧水动力特征差异显著而导致的水流剪切界面,是1种瞬时的且与河口地形和局地动力环境密切关联的动力现象。1991年李广雪等[12]首次在黄河三角洲前缘区发现1个流场切变带, Li等[13]定义此流速大小或者流向有明显切变的流场过渡带为黄河口切变锋,并猜测其是径流与海水相互作用的结果。观测资料显示此切变锋具有周期性,每天出现4次,每次存在2～3 h,并且认为其传播方向为自海向陆。而王厚杰等[14]、Wang等[15]于1995年9月在黄河口周边附近海域实施潮流观测,并辅以数值模拟,所得结果与Li[13]的结论恰恰相反,认为黄河口切变锋自河口向深水传播,历时2 h。

本文模拟结果与王厚杰等[14]、Wang等[15]大体一致。图9为黄河口切变锋在1个潮周期内存在的2种不同形态,即图内落外涨型和内涨外落型,呈弧带分布,与海岸近似平行。其首先出现在浅水区域,然后向深海区域移动,每次出现历时不同,大约为1～2 h。黄河径流对切变锋的形成没有决定性影响,只是增加了切变锋的强度,因为在未加入黄河径流的模拟中也存在切变锋。

涨落潮转换时,由于径流、地形、底摩擦等复杂因素的影响,外海海域最大潮流相位滞后于近岸海域,近岸海域率先转流,出现近岸海域与外海海域流速相反或流速大小显著差异的切变带,从而形成切变锋。

在由涨潮向落潮转变的过程中,近岸区域率先落潮,形成内落外涨型切变锋(见图9a);在由落潮向涨潮转变的过程中,近岸区域率先涨潮,形成内涨外落型切变锋(见图9b)。

图9 a 内落外涨型切变锋Fig.9a Inner-ebb-outer-flood shear front

图9 b 内涨外落型切变锋Fig.9b Inner-flood-outer-ebb shear front

5 结论

综上所述,本文主要对黄河口海域潮汐、潮流、余流、潮汐切变锋进行了系统的数值模拟研究,对当今黄河口海域的水动力分布情况有了更深入细致的了解。

主要结论如下:

(1)黄河口海域为不正规半日潮。潮流基本上是平行于海岸的往复流,涨潮流从北到南,落潮流从南到北,

流速大小多不超过50 cm/s。

(2)潮致欧拉余流为岬角余流,即在岬角两侧存在旋转方向相反的1对涡旋,方向为南顺北逆,且越靠近岸界流速越大,最大可达20 cm/s。

(3)黄河径流仅对黄河口附近海域的流场有显著的影响,经流性余流对潮致欧拉余流有加强的作用。

(4)黄河口切变锋形成于涨落潮转换的过程中,有内涨外落和内落外涨2种类型,其首先出现在浅水区域,然后向深水区域传播,历时约1～2 h,其形成原因是近岸海域潮汐相位领先于外海海域潮汐相位。

致谢:在本文研究过程中还得到中国海洋大学海洋环境学院林霄沛副教授及丁扬、陈金瑞、赵健等的帮助,在此一并表示感谢。

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Abstract: A 3-D Finite-Volume Coastal Ocean Model was applied in the Bohai Sea,especially near the estuary,to simulate the tides,tidal currents,residual currents and shear front,using unstructured trian gular grids.On condition of an accurate simulation of the tides and tidal currents in the Bohai Sea,this article focused on the Yellow River mouth.The type of tides is of irregular semi-diurnal and the type of tidal currents is of reciprocating flow,mostly parallel to the coastline.The tide induced eulerian residual current is a couple of eddies on each side of the estuary,with the anticlockwise on the left side and clockwise on the other,both of the eddies are enhanced by the Yellow River runoff.Two patterns of the shear front were identified at the conversion between flood and ebb tide phase.The results suggested that the shear front be generated in the shallow area because of the tidal phase of the coastal area is ahead of the seaward area,then moved seaward and finally disappeared 1～2 hours later.

Key words:Yellow River estuary;numerical simulation;tides;tidal currents;shear front;residual currents

责任编辑 庞 旻

Numerical Simulation of Tides,Tidal Currents, Residual Currents and Shear front in Estuary

GAO Jia1,CHEN Xue-En1,YU Hua-Ming1,MIN G Li2
(1.Institute of Physical Oceanography,Ocean University of China,Qingdao 266100,China;2.Department of Engineering, University of Liverpool,U.K.L69 3BX)

P731.21

A

1672-5174(2010)-09Ⅱ-041-08

科技部对欧盟科技合作专项(0816);“教育部留学回国人员科研启动基金”资助

2009-09-12;

2010-07-19

高 佳(1984-),男,硕士生,主要从事力学研究。E-mail:gaojia109@163.com

E-mail:xchen@ouc.edu.cn