渤海岸线地形变化对潮波系统和潮流性质的影响

采用有限体积近岸海洋模型FVCOM,基于渤海2004和2014年的岸线地形数据,构建渤海2个年份的三维潮汐潮流数值模式;通过数值模拟研究,探讨了渤海岸线地形变化对潮波系统和潮流性质的影响。数值模拟结果表明:岸线地形变化后,半日分潮潮时在渤海湾、莱州湾和渤海中部东南海域提前,在辽东湾和渤海中部西北海域滞后;振幅在渤海湾及辽东湾增大,在莱州湾及渤海中部减小;位于秦皇岛和黄河口的半日分潮无潮点位置分别向西南和东南方向移动。渤海绝大部分海域全日分潮潮时提前,振幅增大,位于渤海海峡的全日潮无潮点位置向东移动。潮流性质系数在莱州湾增大,在渤海其他大部分海域减小,渤海规则半日潮流海区范围略有增加,不规则半日潮流海区范围相应减少。     

黄河口邻近海域无潮点的确定

早在30年代小仓申吉便发现渤海存在两个半日潮(M₂)无潮点,并用等高线法作出了同潮图.50多年来,秦皇岛附近的无潮点位置基本确定,而黄河口邻近海域的无潮点位置不大确定,自1980年以来,许多学者[1-5]先后对渤海潮波进行数值计算,在得出各自的潮波图中,反映了作者们对无潮点位置的判断,当时由于黄河口邻近海域的实测水位资料少,无法判断哪种图更符合实际情况,而只是一种推测.近年来,国家海洋局北海分局在黄河口五号桩海港码头轴线上,放置几台水位计进行水位观测,获取了一个月的同步观测资料,经分析确定M₂无潮点的位置在03号站的东南方约2km处[6].     

南黄海辐射沙洲潮流不对称性对岸线变动的响应

近岸地区的潮流不对称影响着沉积物输运和地貌改变。南黄海辐射沙洲海域潮动力强且水动力环境复杂,分析研究该海域潮流不对称性对海岸带资源的开发与保护有长远意义。本文基于Delft3D模型模拟1984年、2014年不同岸线条件下辐射沙洲海域的潮汐潮流运动,结合调和分析与偏度理论,分析刻画了不同岸线条件下潮流不对称性的空间分布特征。研究表明：辐射沙洲海域地形主导的涨落潮流速不对称性（PCA）以涨潮占优为主导;涨落憩历时不对称性（SWA）则以涨憩历时短为主导。二者皆主要受半日分潮（M₂、S₂）和浅水分潮（M₄、MS₄）的非线形作用影响。1984–2014年岸线变动后PCA正负性不变,但强度进一步增大,最大变幅可达25%;而γ_SWA减小,最大减幅可达20%,SWA在辐射沙洲海域涨憩历时短的趋势增加。     

黄河口的变迁对邻近海区潮波运动影响的数值研究

研究表明,黄河三角洲附近海区的潮汐和潮流分布具有如下显著特征:黄河口外存在M2分潮的无点潮(方国洪,1986)和S2分潮的无潮点(王淑雪等,1987),以及五号桩海区属于规则全日潮区。 关于黄河口外存在M2分潮无潮点的问题,自Ogura(1936)首次提出以来,一直是本区潮汐潮流研究中倍受重视的问題。据方国洪(1986)的统计,迄今为止,反映在黄河口外存在M2分潮无潮点位置的渤海同潮图的文献已有20篇之多(丁文兰,1985;山广林等,1983;方国洪,1986;方国洪等,1985;方国洪等,1986;王淑雪等,1987;刘爱菊等,1980;孙文心等,1981;沈育疆,1980;侍茂崇等,1985;黄祖珂,1991;An,1977;Fang1986 Nishida,1980;Ogura,1936; ?opИc,1958)。从表1可以看出,历年来不同学者给出的黄河口外M2分潮无潮点的位置各不相同,本文作者认为这主要是由于黄河三角洲的变迁造成的。统计表明,在1855年至1984年间,近代黄河三角洲自套尔河口至淄脉沟口的年淤进速率为0.16km,挑河湾至宋春荣沟口为0.16km,而年淤进速率最大的五号桩区(即直接影响黄河口外M2分潮无潮点位置的区域)的年淤进速率达0.3km。海湾中的无潮点是入射的潮波与自湾顶反射的潮波叠加而形成的节点,由于近代黄河三角洲的海岸线不断向海中推进,在黄河尾闾的不同时期,黄河三角洲海岸线的位置便有显著变化,这必然会使无潮点的位置随着时间的推移而发生变化。然而表1中M2无潮点的不同位置并不完全是由于黄河三角洲岸线变化引起的,由于表1中的多数无潮点的位置是数值计算的结果,而不同的人在数值计算中所用的边界条件和底摩擦应力的表达式及其系数又不尽相同,因此必然造成计算结果的差异。这里值得指出的是王淑雪等(1987)的结果,这一结果是根据1985年8-9月在黄河口外几个站进行连续1个月的水位观测资料得出的M2无潮点位置,在此点上,M2分潮振幅仅为0.8cm。当然,由于渤海潮汐中存在着显著的天文一气象分潮(方国洪等,1986),故根据夏天一个月的潮汐资料分析得到调和常数与由长期(如一年)潮汐资料所得到的调和常数是有差别的,由此而得到的无潮点的位置仍会有一定的误差,但应该说,这一结果所给出的无潮点位置对于清水沟流路的单一顺直阶段的黄河三角洲岸线而言,已是最接近实际的了。既然黄河口的变迁是黄河口外M2分潮无潮点位置的变化的主要因子,那么自1855年以来由于黄河口的不断变迁使黄河口外M2分潮无潮点位置产生了怎样的变化?本文将探讨这一问題。至于黄河口外是否有S2分潮无潮点的问题,或者说,黄河口外曾存在过的S2分潮的无潮点现在是否已经消失仍是人们所关心的问题,本文中也将讨论。 实测表明,在M2分潮无潮点附近的验潮站处,潮位的全日潮分量(即K1和O1分潮)作用突然增大,使黄河三角洲沿岸的潮汐性质发生了显著变化,即不规则半日潮→不规则全日潮→规则全日潮→不规则半日潮(表2)。近一百多年来黄河三角洲的变迁对黄河三角洲沿岸各站的潮汐性质的变化究竟产生了什么样的影响也是本文将探讨的内容之一。 本文将利用数值模拟方法,通过考察不同时期黄河三角洲附近海域潮汐、潮流的分布特征,对上述各问题加以探讨,为黄河口的开发提供依据。     

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。     

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。     

西北太平洋的一种潮汐数值同化模型

利用FVCOM海洋数值模式,在球坐标系统下考虑非线性效应和天体引潮力的影响,基于非结构的三角形网格建立了包括中国近海、日本海、鄂霍次科海和部分西北太平洋海域的高分辨率海洋潮汐数值模型,并采用趋近法同化84个沿岸验潮站的观测资料。模拟结果与175个验潮站的实测结果拟合良好,M₂,S₂,K₁,O₁四个主要分潮振幅和迟角的绝对平均误差分别为4.0 cm和5.6°,2.4 cm和7.5°,2.6 cm和6.3°,1.5 cm和5.0°。依据调和分析结果给出了4个主要分潮的同潮图分布,得到8个半日分潮和5个全日分潮的无潮点,证实了宗谷海峡全日潮无潮点的存在,首次模拟得到津轻海峡的全日潮无潮点;还给出了整个计算海域内最大可能潮差和潮汐余水位的分布特征。     

天津港邻近海域精密潮汐模型的构建

基于POM模式的"blending"同化法,构建了天津港及附近海域分辨率为1'×1'、13个主分潮的精密潮汐模型。构建过程中重点关注水深数据格网化与潮汐模型的精度评估。水深数据格网化过程基于尽量扩大覆盖范围、分辨率与水深数据相匹配以及保持岸线形状基本不变等原则。潮汐数值模拟过程采用分批同化T/P点与验潮站,实现对潮汐模型精度的可靠评估。经估计,在天津港附近的9个主分潮RSS在10cm内。     

珠江口及邻近海域潮波数值模拟——Ⅰ模型的建立和分析

采用无结构网格三维有限体积海洋模式FVCOM,基于高精度的水深和岸线资料,建立了覆盖珠江口及邻近海域的三维正压高分辨率数值模型。和验潮站实测资料以及前人研究的对比验证表明,该模型能较准确地再现珠江口及邻近海域的潮汐、潮流变化过程。研究发现,珠江口海域潮汐为不正规半日潮,潮型数大致介于1.1~1.3之间,M2分潮占主导地位。M2,S2,K1和O14个主要分潮向河口内传播时,等振幅线均偏西北-东南向,西侧振幅小于东侧,河口附近等位相线比陆架海域密,西侧相较于东侧更密。从湾口传播到湾顶,半日分潮历时约2h,全日分潮历时约1.3h。潮流呈东强西弱,且落急流速大于涨急流速,河口内潮流流速是陆架海域的1~2倍,最大可达到1m/s;在陆架海域半日分潮旋转潮流强于全日分潮,在珠江口内主要为西北-东南方向往复流,航道区潮流最大。欧拉余流在河口内航道区形成南向流,在河口西侧浅滩处形成北向流,出现了余环流结构。此外,在航道区和深圳湾等区域形成较强余流涡旋结构。外海传入潮流能通量自南向北在珠江口内汇聚,在航道区呈现高值区,最大可达10KW/m。     

温州鳌江近海建设工程环境影响潮汐潮流数值模拟(英文)

收集了近年来鳌江口附近海域多个工程不同阶段5个潮位站的3~5年潮位实测数据和部分海流实测资料,通过对鳌江口附近海域的不同年份的水位资料进行潮汐调和常数分析,鳌江近海海域主要为半日潮区,其中M2分潮的振幅在170 cm~193 cm;迟角在260°~280°之间,这些站的2007年、2010年、2011年调和常数分析结果相比,主要的半日分潮M2、S2、N2,全日分潮K1、O1及浅水分潮M4、MS4、及M6等分潮振幅、迟角的最大变化分别在1.8 cm~4.4 cm和3°~7°之间。在初步掌握了鳌江口潮汐潮流特征的基础上,采用无结构的三角形网格和有限体积法的FVCOM海洋数值模型,进行模拟结果验证,计算结果与实测数据符合良好。构建重点年份建设工程合拢产生新的岸线水深的潮汐潮流场,刻画鳌江口建设工程的叠加影响。     

清水沟流路期间黄河三角洲区潮波运动的模拟和预测

为了探讨黄河三角洲附近潮波运动的变化特征，乐肯堂等(1995)用二维数值模式模拟了1855-1984年该海区的潮汐和潮流的分布变化，并着重考察了M2和S2分潮的无潮点，以及规则全日潮区的位置变化。乐肯堂等(1995)的研究表明，黄河尾闾的摆动以及由此而造成的黄河三角洲之进退，是该海区潮波特征发生变化的主要外因。自从1976年黄河尾闾改道清水沟以来，该流路已稳定运行了20多年，由此造成了河口附近沙嘴不断向莱州湾内延伸，因而对该区的潮波分布特征产生了显著影响。从黄河三角洲区的经济可持续发展和海洋生态环境的可持续发展的目的出发来规划今后黄河尾闾的走向，就必须对以下两个问题进行深入研究：(1)清水沟流路是否还能长期稳定下去；(2)如果清水沟流路长期稳定不变，并且按照清水沟流路期间黄河三角洲向莱州湾推进的方式来推演10a后黄河三角洲的形势，那么到2010年该区的潮波运动将会发生什么变化。为此，在本文中我们仍然采用乐肯堂等(1995)已经过验证的数值模式和数值预的方法对上述问题作初步探讨。     

渤海的环流、潮余流及其对沉积物分布的影响

阐明渤海环流和潮余流的分布特征及其与沉积物输运之间的关系。本文根据８０年代以来的实测海流资料得到：辽东湾的环流是顺时针向的；黄河三角洲外海存在着一支流向东北偏北向流，与辽东湾西部的东北向海流相接；渤海湾内的环流北部为反时针向，南部为顺时针向回转的双环结构。上述环流趋势与渤海沉积物分布相一致。渤海沿岸主要入海河流的特征矿物分布正在上述环流存在的最好佐证。文中进一步讨论了潮余流分布特征及其对渤海环流的     

黄河入海水、沙通量变化对黄河口及邻近海域环境资源可持续利用的影响 Ⅱ. 黄河断流和入海流量锐减所引起的海洋环境变化

传统的观点认为，河水流入大海是一种浪费。为了充分利用河水资源，在大河干流筑坝引水、发电，据美国学者Milliman(1997)统计，1950年世界上大坝的数量约为5000座，20世纪80年代疾增到40000多座。大量淡水被贮存或用在陆地，入海径流便大幅度减少，导致大河河口及其邻近海域生态环境发生重大变化，海洋生物资源遭受到重大损失。加利福尼亚湾内科罗拉多河河口三角洲及其滨海区原为美国西南部最大的沙漠湿地，湿地资源极为丰富，海湾区曾是世界上鱼类最多、捕鱼量最高的海区之一，具有海洋生物资源非常丰富的良好生态环境。然而，由于科罗拉多河多道筑坝截流、入海径流量锐减，导致部分湿地干枯、生态环境退化、水质下降，海湾内捕鱼量急剧减少，许多依赖河流冲淡水发育的生物之生存发育面临毁灭的威胁；密西西比河三角洲区的湿地、潟湖区也因该河干流上大坝的不断兴建而导致生态环境退化；埃及阿斯旺大坝兴建后，由于入海水、沙等物质通量的大幅度减少，使地中海东部海区的沙丁鱼产量下降了近83%，海岸遭受强烈侵蚀，三角洲面积不断缩小。20世纪70年代初期，印度的恒河兴建法拉卡大坝，河口三角洲西岸陆域出现了明显的海水倒灌现象，同时引起了印、孟两国20多年的分水之争。     

A Lagrangian mean theory on coastal sea circulation with inter-tidal transports Ⅱ. Numerical Experiments

The results of the new concept of coastal sea circulation are demonstrated by numerical simulations for the first time. The numerical experiments in three types of rectangular model seas illustrate the dependence of circulation on tidal phases due to the convectively nonlinear effect which is estimated by a newly defined drift dispersion index. Then, the present theory is applied in the Bohai Sea of China. At the Bohai Straits and the Huanghe River mouth area the circulation direction even reverses owing to different initial tidal phases which shows that the theory copes with nonlinearity well. The calculated M2 tideinduced residual circulation shows that a clockwise gyre exists in the center of an anticlockwise gyre in the central Bohai Sea due to the topographic features. In the Bohai Gulf the tide induced circulation shows a 3D structure with outflow at the surface and the inflow at the bottom which can partly explains the spread of the Huanghe River fresh water out of the Bohai Gulf and the inflow of the sediment from the Huanghe River.     

渤海的环流、潮余流及其对沉积物分布的影响

阐明渤海环流和潮余流的分布特征及其与沉积物输运之间的关系。本文根据80年代以来的实测海流资料得到：辽东湾的环流是顺时针向的；黄河三角洲外海存在着一支流向东北偏北向流，与辽东湾西部的东北向海流相接；渤海湾内的环流北部为反时针向，南部为顺时针向回转的双环结构。上述环流趋势与渤海沉积物分布相一致。渤海沿岸主要入海河流的特征矿物分布正是上述环流存在的最好佐证。文中进一步讨论了潮余流分布特征及其对渤海环流的贡献。     

渤、黄、东海8个主要分潮的数值模拟研究

应用MIKE数值模拟软件,采用无结构三角形网格,建立一套计算区域包括整个渤海、黄海、东海以及东海大陆架和琉球群岛的高分辨率数值模型,考虑了实际水深和岸线,外海开边界采用西北太平洋大模型结果的潮位提供,模拟了东中国海潮波的波动过程,对潮波垂直运动过程进行调和分析,得到了渤海、黄海、东海的M2,S2,K1,O1以及N2,K2,P1,Q1八个主要分潮的传播和分布特征。利用中国沿海14个潮位站的调和常数对模型结果进行了验证,验证结果显示模型较为准确可靠。研究结果表明:4个主要半日潮(全日潮)在渤、黄、东海的传播情形基本相似,即潮波在渤海、黄海、东海沿岸的传播性质上类似沿岸开尔文波的传播形态,并且成功再现了计算海域的4个半日分潮无潮点和2个全日分潮无潮点。全日潮振幅各无潮点附近振幅最小,而海湾的波腹区振幅最大,东海潮差呈现近岸方向振幅大、离岸方向振幅小,浙闽沿海振幅也较大,黄海振幅相对较小,渤海振幅在辽东湾和渤海湾顶最大,两个无潮点周边振幅较小。     

A Lagrangian mean theory on coastal sea circulation with inter-tidal transports Ⅱ. Numerical Experiments

The results of the new concept of coastal sea circulation are demonstrated by numerical simulations for the first time. The numerical experiments in three types of rectangular model seas illustrate the dependence of circulation on tidal phases due to the convectively nonlinear effect which is estimated by a newly defined drift dispersion in-dex. Then, the present theory is applied in the Bohai Sea of China. At the Bohai Straits and the Huanghe River mouth area the circulation direction even reverses owing to different initial tidal phases which shows that the the-ory copes with nonlinearity well. The calculated M2 tide-induced residual circulation shows that a clockwise gyre exists in the center of an anticlockwise gyre in the central Bohai Sea due to the topographic features. In the Bo-hai Gulf the tide induced circulation shows a 3D structure with outflow at the surface and the inflow at the bottom which can partly explains the spread of the Huanghe River fresh water out of the Bohai Gulf and the inflow of the sediment from the Huanghe River.     

渤海、黄海、东海M2潮汐潮流的三维数值模拟

利用建立的一种新的半隐半显三维数值格式,将渤海、黄海、东海作为一个整体,采用球面坐标系下的三维潮波方程组,考虑了引潮力的作用,数值模拟了渤海、黄海、东海的M₂分潮的潮汐与潮流,结果较好地体现了渤海、黄海、东海M₂分潮的特征.通过比较65个验潮站的实测值与计算值,所得计算结果的振幅差平均为6.4cm,相角差为6.1°,计算与实测符合良好.本文给出的问潮图与Fang于1986年给出的实测占数值综合结果基本一致.对选取的47个测流站,比较了各层潮流调和常数Ucosζ、Usinζ、Vcosη、Vsinη的计算值与实测值的偏差,偏差绝对值的平均在2.6～4.9cm/s之间.并比较分析了潮流的垂直结构,所得结果与实测符合较好.首次揭示出回流点的水平位置不随深度变化这一特性.最后给出了M₂分潮的潮能消耗.     

垂直分辨率对长江口海域M2分潮模拟的影响

基于EFDC(Environmental Fluid Dynamics Code)模式建立了长江口及其邻近海域的三维水动力学模型, 研究模型的垂直分辨率对该海域M₂分潮模拟的影响。结果表明:垂直分辨率的变化对M₂分潮传播方向的模拟结果影响较小, 但其可通过底摩擦和湍流耗散两个计算过程来影响潮能通量的模拟结果, 最终对长江口和杭州湾内的M₂分潮振幅产生显著的影响。最底层厚度较大时, 上层自由水体的高流速特征在最底层过于明显, 进而导致计算的底摩擦应力偏高, 此时提高底层的垂直分辨率会降低底摩擦对能量的耗散。另一方面, 垂直湍流混合作用会随垂直分辨率的增加而增强, 所以垂直分辨率增加到一定程度后, 上层自由水体的高流速会经由增强的湍流混合而更多的传入底层, 使计算的底摩擦应力随垂直分辨率的提高而有重新增加的趋势, 进而又增强底摩擦对潮能的耗散。