胶州湾潮汐潮流动边界数值模拟

基于普林斯顿海洋模式,通过干湿网格判别法引入潮汐潮流的漫滩过程,考虑M₂,S₂,K₁,O₁,M₄和MS₄六个主要分潮,建立了胶州湾潮汐潮流数值模拟和预报模型,研究了该海域潮汐潮流特征,并讨论了漫滩对潮流模拟的影响。与实测资料的对比验证表明,该模式能够对胶州湾的潮汐和潮流做出较为合理的预测。给出了胶州湾潮汐、潮流、余流等分布特征,模拟的潮流场以及余流场涡旋等现象与观测符合良好;计算了潮波能通量,从能量角度探讨了潮波的传播特性;对潮位与潮流场演变规律,以及潮能通量的分析表明,胶州湾内的潮波以驻波为主。通过数值试验发现,漫滩过程的引入对胶州湾潮流速度的模拟至关重要,不考虑漫滩过程的模式会夸大或者低估潮流流速。对于滩涂面积广阔的海域来说,潮流数值模式中考虑漫滩的影响是必要的。     

象山港水交换特性研究

在验证良好的三维斜压潮流数学模型的基础上,以溶 解态的保守性物质为示踪剂,建立对流-扩散型的海湾水交换数值模型,计算了象山港水体半交换时间和平均滞留时间,并研究了斜压动力对湾内外水交换的贡献。研究结果表明,象山港水交换速度的区域性变化较大,水体半交换时间和平均滞留时间由象山港口门向湾顶逐渐增加,口门附近半交换时间在5d以内,平均滞留时间为5~10 d;湾顶水交换速度缓慢,水体半交换时间为30~35 d,平均滞留时间为35~40d。斜压动力对狭湾外段水交换影响较弱,对狭湾内段有较大的影响。     

ECOMSED模式在杭州湾海域流场模拟中的应用

针对杭州湾独特的喇叭型强潮河口湾的特点,基于Blumberg等(1996)的ECOMSED模式,引入动边界技术,建立杭州湾三维动边界的潮流模型.模型以正交曲线坐标下三维非线性水动力方程为基本方程,应用Mellor和Yamada的2.5阶湍流闭合模型计算紊动黏滞系数,嵌入Grant和Madsen的底边界层模型考虑波浪对底部应力的作用,采用干湿网格法模拟潮流漫滩过程;综合考虑径流,风应力,密度流和M₂,S₂,K₁,O₁四个主要分潮和M₄,S₄,MS₄三个浅水分潮的作用,从而提高杭州湾潮流模拟的精度.通过验潮站调和常数和多次海流连续观测资料的验证,表明该文建立的模型可以更好的用于杭州湾流场的预报模拟.     

围填海累积效应对钦州湾水动力环境的影响

根据海图资料和卫星影像,确定了钦州湾2004年与2019年两个历史时期的岸线与水深。基于无结构网格有限体积海洋模型建立高精度的水动力模型,分析了近15年来围填海工程的累积效应对钦州湾水动力环境的影响。结果表明:地形与岸线的改变使得钦州湾外湾潮汐振幅减小、茅尾海内潮汐振幅增加;潮流场改变明显,外湾中部流速普遍增加,围填区域潮流减弱明显,但潮流性质未改变,依然为落潮占优;钦州湾纳潮量有所减小,主要发生在外湾区域;而余流减弱,并且出现涡旋,这不利于水体的向外扩散。通过染色实验发现,钦州湾水体半交换周期在有无径流的情况下都明显增长,且在围填海区域水交换能力显著下降。     

平潭竹屿湾水交换能力和溢油风险数值模拟

应用非结构网格有限体积海洋模型对平潭竹屿湾水交换能力和溢油扩散开展了数值模拟。水交换能力计算表明,竹屿湾大部分水域水体半交换时间小于1.0 d,平均滞留时间约3.0 d左右,水体冲洗时间为15.0 d,水交换能力较强。48 h溢油扩散计算结果表明,油粒子扫海范围及运动路径与油粒子的释放时刻及风的作用紧密相关。静风条件下,溢油运动主要受当地潮流影响,呈南-北往复运动。不利风作用下,竹屿水道的溢油可以扩散至平潭坛南湾、平潭草屿岛、塘屿岛及高山湾等海域,最远可到南日岛西北海域。     

胶州湾水交换及湾口潮余流特征的数值研究

利用基于普林斯顿海洋模式建立的胶州湾及临近海域潮汐潮流数值模型,结合胶州湾口走航式声学多普勒海流剖面仪(ADCP)测流资料,研究了胶州湾口的潮(余)流特征,并在潮流模型的基础上耦合建立了水质模块,模拟了胶州湾的水交换过程。考虑M2,S2,K1,O1,M4和MS4六个主要分潮,胶州湾口潮流场的模拟与ADCP观测数据吻合较好。外湾口水道上的潮流非常强,大潮期间观测到201 cm/s的峰值流速。团岛岬角的两侧分别存在一个流向相反的余流涡旋,两涡旋在团岛附近辐合,形成了57 cm/s的离岸强余流。整个胶州湾平均水体存留时间为71 d,平均半交换时间为25 d。胶州湾水体交换能力在空间分布上有很大差异:湾口海域最强,向湾顶逐渐减弱。湾内存在两个弱交换区,分别位于湾的西-西南部和东北端,水体存留时间多超过80 d,湾西局部水域最长达120 d,而半交换时间也大多超过40 d。潮流场的结构、强度,以及与湾口距离的远近是造成湾内水交换能力空间差异的主要原因。     

天津海域围填海工程对渤海湾水交换的影响研究

利用三维海洋数值模型FVCOM,进行渤海湾三维水动力和水交换数值模拟,经实测潮汐和潮流资料验证,模型模拟结果较好。然后采用该模型对渤海湾内的水体水交换能力进行定量研究。研究结果表明,在天津海域进行围填海工程之前渤海湾水体的半交换周期为300 d左右,围填海之后,水体半交换周期延长25 d,渤海湾西部水体的水交换率下降可达10%,半交换周期延长92 d。尤其是天津沿海南部海域的水交换能力下降严重,围填海之后其水体半交换周期延长可达200 d。渤海湾北部也有部分海域水交换周期延长达200 d。建议在进行围填海工程建设时,应将工程对水体交换能力的影响纳入考虑,避免因围填海工程因素造成的恶劣环境影响。     

铁山湾建港前后水体交换能力的数值模拟

铁山湾是北部湾东北部较大的海湾,水深条件好,可用岸线长。为研究铁山湾建港工程前后湾内的水体交换能力,文章建立了平面二维的水动力模型以及平面二维对流—扩散模型,率定后水动力学模型模拟结果与实测结果吻合良好。运用二维对流—扩散模型计算了湾内不同区域的水体半交换时间,模拟结果表明：铁山湾的水体交换能力较强,工程前水体半交换时间为129天,海域的水体交换能力主要受铁山湾潮汐作用的影响。铁山湾潮汐作用较强,潮差较大,且铁山湾口门开阔,这都为铁山湾的水体交换提供了良好的条件。工程后铁山湾水体半交换时间为142天,工程前后铁山湾水体半交换时间仅相差13天,说明工程方案对铁山湾水体交换能力无重大影响。     

近70年胶州湾水动力变化的数值模拟研究

采用无结构三角形网格海洋模式FVCOM,基于胶州湾不同年代的岸线和水深地形条件,建立胶州湾及其邻近海域各年代的三维潮汐潮流数值模型,从数值模拟角度分析和比较胶州湾不同年代纳潮量、潮汐潮流、水交换率等水动力参数的变化。结果表明:随着胶州湾水域总面积不断缩小,纳潮量在逐渐减小,2008年全湾的纳潮量相对于1935年减少了31.5%,约合3.9×108 m3;海湾流场结构变化很小,流速呈减小趋势;胶州湾欧拉余流"团团转"的多涡结构基本保持不变,最大值都发生在团岛附近;海湾的水交换能力趋弱,对整个胶州湾水体的半交换时间进行海湾平均,不同年代5套岸线下海湾的水体半交换时间分别是37.0 d,36.7 d,39.2 d,39.7 d和40.8 d。     

胶莱运河的修建对莱州湾水交换及海洋环境影响初探

为研究莱州湾水交换对胶莱运河修建工程的响应,以及为海洋污染治理问题提供参考,以莱州湾为重点模拟区域建立了二维平面潮流和对流扩散模型,利用渤海、黄海、莱州湾地形及海洋环境资料,结合2018年莱州湾海水水质监测结果,初步分析了胶莱运河的修建对莱州湾海洋环境现状的影响。模拟结果表明,胶莱运河建成后年径流总量约为7.2×10⁹ m³,净流方向由胶州湾流向莱州湾;工程后整个莱州湾水交换能力略有增强,东部强于西部,半交换周期缩短14 d;黄海海水经由胶州湾进入胶莱运河输送至莱州湾,冲淡莱州湾内非优良水体,从一定程度上缓解了莱州湾东部河口入海处小范围海域海水水质现状。     

广西钦州湾围垦工程对茅尾海潮汐动力参数的影响

北部湾茅尾海是中国南方重要的经济开发区,兴建有滨海新城和多个港口码头,近年来围垦开发严重。本研究通过建立二维水动力数值模型系统,分析重要潮汐动力参数,对比研究1985年与2020年间钦州湾围垦和港口建设对当地水动力环境的影响。结果表明：经过围填海和港口工程之后,茅尾海的潮差变化较小,略微增加了0.05 m左右;全日分潮K1、O1及半日分潮M2、S2是影响钦州湾潮汐动力较大的驱动力,围垦后在茅尾海内海地区都略微增加了0.02~0.03 m,其中K1、O1是影响茅尾海的关键潮汐动力参数,敏感性测试分析表明三墩公路建设、钦州港海岸围垦和核电厂导堤建设对茅尾海潮差增加贡献率大致占60%、20%和10%;同时,围垦对束窄钦州湾航道具有一定的优化效应,围垦后钦州湾外湾三条水道峰值通量都明显增加,形成航道束水攻沙效果,对通航和维护主航道稳定性具有一定优势。因此,仅从潮汐动力参数变化角度分析,目前的围垦和港口工程迎合了当地河势特征,对潮汐动力场扰动较小,具有优化局部水动力场环境和提升通航安全性作用。     

Three-dimensional structure of tidal current in the East China Sea and the Yellow Sea

A three-dimensional tidal current model is developed and applied to the East China Sea (ECS), the Yellow Sea and the Bohai Sea. The model well reproduces the major four tides, namely M₂, S₂, K₁ and O₁ tides, and their currents. The horizontal distributions of the major four tidal currents are the same as those calculated by the horizontal two-dimensional models. With its high resolutions in the horizontal (12.5 km) and the vertical (20 layers), the model is used to investigate the vertical distributions of tidal current. Four vertical eddy viscosity models are used in the numerical experiments. As the tidal current becomes strong, its vertical shear becomes large and its vertical profile becomes sensitive to the vertical eddy viscosity. As a conclusion, the HU (a) model (Davieset al., 1997), which relates the vertical eddy viscosity to the water depth and depth mean velocity, gives the closest results to the observed data. The reproduction of the amphidromic point of M₂ tide in Liaodong Bay is discussed and it is concluded that it depends on the bottom friction stress. The model reproduces a unique vertical profile of tidal current in the Yellow Sea, which is also found in the observed data. The reason for the reproduction of such a unique profile in the model is investigated.     

基于大规模围填海和陆源排污压力下的广西钦州湾环境容量变化及损失评估

在2004–2019年间,人类通过大规模围填海以及陆源排污等活动对钦州湾造成了不可逆转的深远影响。本文基于卫星遥感影像和海图资料,利用非结构网格有限体积海洋模型建立的高精度钦州湾水动力–水质模型,分析了十几年来人类活动的累积效应对钦州湾水质的影响。受围填海和陆源排污两者的影响,钦州湾内化学需氧量（COD）的浓度略有下降（0.976 mg/L下降到0.909 mg/L）,但湾内无机氮（DIN）和无机磷（DIP）的浓度分别从0.146 mg/L和0.023 mg/L增加到0.230 mg/L和0.027 mg/L,无机氮的浓度增加较为显著;统计结果表明,湾内超四类水质海域面积和重度富营养化水域面积大幅度增加,水质环境状况不容乐观。此外根据钦州湾内排污的特点,利用分担率法计算了不同时期下钦州湾的环境容量,结果表明湾内排污量远超最大允许排污量,茅岭江、钦江两条河流的排污量亟需削减;由于围填海导致的海湾面积减小和水交换能力降低,钦州湾环境容量较2008年有明显下降。对茅尾海局部采用排海通量最优法的计算表明,茅岭江应当分担比钦江更多的排污量,才能有利于茅尾海内的水质改善。通过估算发现双重人为压力共...     

大亚湾海域夏、冬季的潮汐特征及余水位与风的相关性初步探讨

大亚湾及其邻近海域冬、夏季各14个临时水位观测点1个月的实测潮位资料显示:各站的水位曲线均呈现明显的"双峰"现象,且湾顶比湾口更为明显。本文采用了调和分析方法,给出M_2、S_2、K_1、O_1四个主要分潮及M_4、M_6、2MS_6三个浅水分潮的振幅和迟角同潮图,分析大亚湾的主要潮汐特征,探讨了浅水分潮对双峰结构的贡献,并采用交叉谱分析对余水位与风的相关性进行了讨论。结果表明:(1)大亚湾海域各主要分潮振幅均由湾口向湾顶递增;高潮发生时间由湾口向湾顶推迟;涨潮历时均大于落潮历时;平均潮差在湾顶达到最大;(2)大亚湾内属于不正规半日潮,而考洲洋及其湾外海域则属于不正规全日潮;(3)大亚湾内浅水效应明显,从湾口至湾顶,六分之一日分潮的振幅呈5—7倍的增长,主导了大亚湾潮波系统的形变;(4)分潮重构结果显示,四分之一日和六分之一日浅水分潮(尤其是2MS_6分潮)的异常增长,是导致大亚湾潮汐双峰现象的主要原因;(5)冬季大亚湾内各点的余水位与风速呈现正相关,相关系数均在0.53以上;(6)周期为0.45—0.53 d的沿岸风对各站余水位的影响最大。     

北印度洋半日潮波的数值模拟研究

基于FVCOM(Finite Volume Coast and Ocean Model)模型,建立北印度洋海域(31^°~102^°E,16^°S~31^°N)的M₂和S₂分潮潮波数值模式,研究北印度洋半日潮潮汐、潮流分布特征。对底摩擦系数进行数值试验,利用代价函数梯度下降法,得到分潮调和常数向量均方根偏差(RMSE)的变化曲线,逼近并确定最优的底摩擦系数。将采用该系数的模拟结果与TOPEX/Poseidon卫星高度计交叉点的调和常数数据、国际海道测量组织(IHO)及部分文献中的验潮站数据进行比较与验证,一致性较好。其中对比卫星数据的振幅偏差为2~4 cm、迟角偏差为7^°~8^°,与验潮站数据的振幅偏差为3~6 cm、迟角偏差为8^°~9^°。根据模拟结果,分析了北印度洋海域M₂和S₂分潮潮波传播特征和潮流椭圆的空间分布特征等。M₂分潮潮波在阿拉伯海南部有1个无潮点,在波斯湾内有2个无潮点,最大振幅超过80 cm;潮流在西北印度洋和孟加拉湾中部大多为顺时针旋转,其余海域大多为逆时针旋转;流速在阿拉伯海东北部、安达曼海、波斯湾和孟加拉湾北部较大,最大流速为160 cm/s,其他海域较小。S₂分潮的潮波传播特征、无潮点的位置和潮流椭圆的空间分布特征等都与M₂分潮类似,但潮波振幅和潮流流速等都相对M₂分潮较小。研究完善了北印度洋海域2个主要半日分潮M₂和S₂的整体特征。     

渤海主要分潮的模拟及地形演变对潮波影响的数值研究

基于FVCOM数值模式,利用1972年和2002年水深岸线数据,分别对渤海主要潮波系统进行模拟,研究了水深岸线变化对渤海主要分潮的影响。结果表明渤海地形演变会引起各分潮无潮点位置移动和振幅的改变,其中M2、S2分潮黄河口附近无潮点位置向东北方向迁移20km以上,且渤海湾湾顶振幅减弱,莱州湾内振幅增强;K1、O1分潮位于渤海海峡附近的无潮点亦向东北方向偏移,移动距离为10km左右,且渤海湾湾顶振幅明显减弱。在此基础上,本文通过敏感性数值实验,对导致黄河口外M2分潮无潮点位置移动的主要因素进行了初步分析。结果显示,在岸线不变的情况下,水深变化导致无潮点向东北方向迁移;而岸线变化导致无潮点向东南方向迁移。