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。     

渤海风暴潮的初步探讨

根据山东渤海沿岸各县县志记载的不完全统计,自汉朝初元(公元前48年)至民国27年(公元1938),渤海南部沿海发生的特大潮灾有79次之多(见表1)。其中特大潮灾如唐朝高宗上元三年(公元676年)八月,“青州大风,海溢,漂民五千余家,齐淄等七州大水”;明朝万历四十一年(公元1613年)七月,“海水溢逾百余里,坏民舍无算”。再如1938年8月31日,台风由青岛登陆,横断山东半岛西部(见图1),晚间抵达黄河口,逐渐停滯减弱,变成一个低气压。这次台风不仅在青岛造成严重灾情,整个渤海沿岸都深受其害,并且出现了历史最高水位。解放后,渤海又多次受到强风暴潮的危害。历史资料表明,渤海的菜州湾和渤海湾地区是风暴潮的多发区和严重区,这种潮灾大都出现于春秋过渡季节和盛夏台风频繁活动季节。 近几年来,国内对渤海局部地区风暴潮的研究已有许多论述,但大都是对冷锋所导致的单站风暴潮的研究,对台风潮的研究则较少。本文试图对冷锋和台风两种灾害性天气所导致的整个渤海风暴潮的一些现象作一较全面的讨论,并对其一些基本特性作一理论分析。     

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].     

黄河口及其邻近水域底栖动物生态特点

河口及其邻近水域是海水和淡水的交汇区，环境因子变化很大，其底栖动物的种类组成及数量分布受海水温、盐度剧烈变化和沉积物颗粒组成及其沉积速率的影响很大。底栖动物数量的季节变化不仅反映其本身繁殖、生长、死亡的规律，也受某些经济鱼、虾类捕食和人类采捕等因素所制约。 黄河是世界上平均含沙量最高的河流，每年输送近12亿吨泥沙至河口区，其中约有三分之二沉积于三角洲。洪汛期入海泥沙的较细部分在潮流和余流作用下，向东北可输送至河北省南部沿岸，向南可达小清河口一带。(张义丰、李凤新，1983)黄河口属于弱潮多沙、摆动频繁的堆积型陆相河口，平均每年造陆23.6k㎡，海岸线平均每年推进0.185km,最大年份可达1.8km(张义丰，1983)。 黄河口区水文条件复杂，冬季结冰，夏季高温期较长，加之随径流输入的营养盐类极为丰富，适于动、植物繁殖生长。所以，黄河口及其邻近水域是许多经济鱼、虾类特别是对虾、毛虾、带鱼和小黄鱼的重要产卵、育幼和索饵场所，它们多以底栖动物为食。因此，调查研究这一水域底栖动物的种类组成、数量分布及变化程点，对海洋生物(渔业)资源的合理开发利用和增、养殖等都有很大意义。山东省海岸带和海涂资源综合调查中，自1984年4月至11月逐月对黄河口及其邻近水域进行8个航次底栖生物调查，北起套尔河口南至小清河口水域共设44个观测取样站(图1)，用海底表层取样器进行定量取样。根据定量资料，对底栖动物的种类组成、数量分布及季节变化等特点进行比较分析，现将研究结果报告如下。     

黄河口及邻近海域中悬浮体的分布特征和季节性变化

黄河每年输沙11亿吨,其中36％漂浮于渤海,其余64％淤积在下游及河口三角洲地区。大量泥沙的堆积使得三角洲推进迅速,平均每年为25km~2。相当部分的悬浮泥沙由河口向外输送,对三角洲本身及邻近地区的工农业生产、交通和人民生活都产生不同的影响。本文主要根据1983年冬季和1984年夏季对黄河口及邻近海区观测分析的结果来讨论黄河泥沙入海后的迁移和季节性的差异。     

台风暴潮的数值预报试验

近十几年来,秦曾灏(1975)、孙文心等(1978)、冯士筰(1982)和刘凤树(1982)[1-4]等在风暴潮动力学和数值模拟等方面作了不少工作,为数值预报打下了基础,Flather (1979)[5]联合大气模式和海洋模式进行风暴潮业务数值预报,大气模式采用英国气象局10层细网格业务预报模式[6].     

黄河口流路稳定的初步探讨

黄河口三角洲地处渤海之滨,是中国大河口三角洲中开发最迟的一片土地。五十年代这片土地还是人烟稀少,芦苇丛生的荒原,而今已是拥有百余万人口,油井林立,全国的第二个石油工业基地。1983年国家正式设置省辖东营市,加速了河口三角洲开发步伐,按照该市近期市政规划,将有大型桥梁、油港、铁路、公路以及石油产品加工厂等十余项大型工程相继上马,不久的将来黄河口三角洲将建设成为国家现代化的能源工业基地。为使黄河口规划治理的步伐,与黄河三角洲飞速开发建设相适应,山东省政府及胜     

渤海、黄海和东海的潮余流特征及其与近岸环流输送的关系

渤海、黄海和东海是西北太平洋陆缘海,有宽广的大陆架,太平洋潮波长驱直入,在大陆架海域形成显著的潮汐运动,由此而产生的潮余流输送在许多地区显示出重要作用。已有很多学者(方国洪等,1985;黄祖柯,1992)用数值方法计算过渤海的潮波运动,并给出了那里的潮余流分布。渤海的潮余流计算大体上有两种方法:(1)用二维或三维潮波运动方程组计算潮汐和潮流,然后再计算欧拉潮余流(方国洪、杨景飞,1985;于克俊、张法高,1987;黄祖柯,1992);(2)以弱非线性三维拉格朗日平均流理论为基础,计算拉格朗日潮余流,它不仅包括最基本的欧拉余流,而且还包括在浅水比较显著(与欧拉余流同量级)的斯托克斯漂移速度和高阶的拉格朗日漂移速度订正值(郑连远,1992;王辉等，1993)。上述两种方法理应给出大体相近的潮余流分布,但从现有的计算结果来看,这两种方法在渤海给出了几乎完全相反的潮余流输送。 汤毓祥(1990)曾计算过南黄海和东海大陆架区的M2分潮余流,并考虑了斯托克斯速度漂移对它的影响,所得结果和已知的南黄海环流概况颇有相似之处,但由于计算边界取在东海大陆架外缘,那里的潮余流可能失真较大。Chio (1980) 也曾给出过渤海、黄海和东海大陆架区的欧拉潮余流分布,但由于他的开边界也取在东海大陆架外缘,面且他给出的潮汐、潮流数值在靠近中国大陆一侧,误差较大,因此所得潮余流也不能令人满意。 最近,我们完成了包括渤海、黄海和东海全海区的潮汐、潮流二维数值计算工作(Zhao et al,1993),与实测资料相比,其结果达到的准确程度,无论在潮位还是在潮流方面都比较好。本文以这一数值计算结果为基础,给出了渤海、黄海和东海全海区的潮余流分布，同时还讨论了潮余流与近岸环流的关系。     

渤海蓝点马鲛食物链结构的研究

从60年代起,我国开始进行鱼类食性的研究(杨纪明、郑严,1962;杨纪明、林景祺，1966),并且开始以食性分析的方法,对特定海区内的鱼类食物关系进行研究(邓景耀等,1986;张其永等,1981),这为海洋食物链研究提供了初步资料。但至今尚未见有单种鱼食物链结构的研究报道。 蓝点马鮫 Scomberomorus niphonius (Cuvier et Valenciennes)为暖水性、洄游性、中上层鱼类。通常每年6月进入渤海产卵,11月前后离开渤海,向深海做越冬洄游(韦晟,1980)。蓝点马鲛作为渤海的重要经济鱼类之一,近些年来资源量一直保持相对稳定(韦晟,1982;朱德山、韦晟,1983)。进行蓝点马鲛的食物链研究,一方面有助于进行蓝点马鮫资源的预测、增殖及管理,另一方面对阐明渤海生态系统中的能量转换也具有一定意义。本文试图对蓝点马鲛食物链结构问题进行讨论。     

长江口外海流结构及其季节变化

为考察长江三峡工程对河口区生态环境的影响，有必要探讨长江径流量的季节变化对河口区及口外陆架区流场结构的影响。在“长江三峡工程对长江口区流场的影响”的一文(本集)中，作者己着重探讨了三峡工程的流量调节方案将给长江口区流场带来的可能影响。本文试图从长江径流量的季节变化来分析长江口外陆架海域海流结构的季节变化，从而为三峡工程流量调节方案的设计提供某些依据。 关于长江口区及其邻近陆架海域的海流结构问题，根据实测海流资料所作的分析，迄今为止，主要限于洪水季节(即夏季)(乐肯堂，1987，1986，1984;赵保仁，1982;上海航道局设计研究所，1978;中国科学院海洋研究所，1977;华东师范大学地理系河口海岸研究室，1975,1973; Le Kentang，1986；Cannon, et al. , 1983; Beardsley et al.，1983)。长江口区枯水季节(冬季)的海流结构曾已讨论(Le Kentang, 1988)。至于春、秋两季，迄今尚未见有专题论述。本文将根据已收集到的实测余流资料(其中包括1959-1976年的资料，1980-1981年间的中美联合考察资料和1985-1986年的专题调查资料)，结合有关的水文观测资料，对本区各个季节余流的结构作一初步的分析。     

辐射应力在黄河三角洲近岸波浪和潮汐风暴潮相互作用中的影响

基于考虑辐射应力机制的近岸高分辨率的波浪和潮汐风暴潮相互作用耦合数值模式 ,研究了辐射应力在黄河三角洲胜利油田近岸海域波浪和潮汐风暴潮相互作用过程中对水位的影响 ,并与两个中等强度天气过程引发的实测水位过程进行比较。结果表明 ,考虑辐射应力机制的波浪和潮汐风暴潮相互作用耦合模式模拟的结果与实测更接近 ,特别在极值增水位处吻合很好。对本研究的中等强度天气过程 ,辐射应力可增水 40cm ,在黄河三角洲近岸区有 2 0cm以上最大增水区域 ,这在工程上非常重要。可以预见 ,对引发黄河三角洲沿岸强增水的台风及强寒潮过程 ,辐射应力对增水的影响会更明显。本研究结果表明 ,在实际工程应用中 ,应采用波浪和潮汐风暴潮相互作用耦合数值模式。     

渤海局部海域风暴潮漫滩的数值模拟

在Johns变边界模型的基础上,提出了一种嵌套式变边界数值模型,应用于渤海风暴潮的数值计算。分别模拟得到了1964年和1969年两次渤海风暴潮黄河三角洲一带的最大淹水范围和水位过程曲线。模拟过程中考虑了天文潮与风暴潮的非线性耦合效应。模拟结果分别与实测值和固定边界模型的结果进行了比较,从而证实了变边界模型不仅能计算出最大淹水范围,而且得到的风暴潮水位值也更加符合实际。     

2003年广东风暴潮分析和预报总结

2003年登陆广东的3个台风(0307号伊布都、0312号科罗旺、0313号杜鹃),中心气压及风力都十分强,分别造成全省沿海较高的风暴潮位,甚至部分沿海破了或平了历史记录。3个强台风同一年登陆广东且分别造成珠江口、粤西、粤东较严重风暴潮的情况十分罕见。本文从台风特性、台风增水、台风风暴高潮位、重现期等方面进行分析,并从中分别总结出我省沿海各岸段台风风暴潮的主要特点及作业预报经验。     

人类活动和自然演变共同驱动下黄河三角洲海域潮波及物质输运变化

在海堤建设等人类活动和三角洲蚀淤等自然演变的共同作用下,黄河三角洲岸线水深近年来发生了剧烈变化,同时也将引起邻近海域潮波系统及物质输运路径的重要变化。本文基于FVCOM数值模式,建立了黄河三角洲及邻近海域三维高分辨率潮汐、潮流及拉格朗日粒子追踪数值模型。通过与环渤海长期验潮站的潮汐调和常数、黄河三角洲临时潮位站和测流站的实测资料对比,模型结果验证良好,能较好反映黄河三角洲及邻近海域潮汐、潮流运动特征,并获得了2019年M₂分潮无潮点位置。通过设置1980年、2019年黄河三角洲岸线自然演变、海堤建设及相应水深地形变化的5个数值实验,结果表明：在人类活动与自然演变共同驱动下,黄河三角洲海域的M₂分潮无潮点向东南方向移动,主要影响因素为水深。黄河口向海延伸和海堤丁坝建设导致的岸线变化,对无潮点位置影响较小,但在该凸出岸段两侧形成余流流涡,使得黄河入海物质在莱州湾内停留时间变长,向渤海输运扩散的时间推迟。     

苏北废黄河三角洲侵蚀后退过程及其对潮流动力的影响研究

以苏北废黄河三角洲及其毗邻海域的南黄海旋转潮波为研究对象,在恢复黄河北归以来苏北废黄河三角洲海岸不同发育阶段岸线位置和水下地形的基础之上,通过所建立的潮波数学模型,研究了在苏北废黄河三角洲不同演变阶段南黄海潮波运动的特征及其变化。研究表明:在1855年黄河北归前,由于废黄河口岸线向外突出20余千米且有宏大的水下三角洲,由北向南传播的潮波受到阻挡,处在其南侧的辐射沙脊区水动力相对较弱;随着江苏海岸线后退,废黄河口水下三角洲夷平,由北向南传播的潮波变得更加顺畅,南黄海旋转潮波得到不断加强,辐射沙脊北部的西洋水道及中南部的烂沙洋水道、小庙洪水道深槽区水动力随着废黄河三角洲的侵蚀后退,平均流速和最大流速均表现为增大的趋势。     

一个高分辨率的长江口台风风暴潮数值预报模式及其应用

利用河口海岸海洋模式(ECOM-Si)建立了一个适用于长江口区风暴潮的数值预报模式.该模式采用对岸线有较好拟合能力的自然正交水平坐标系统和能分辨较复杂海底地形的垂直σ坐标系统.模式考虑了长江口径流量对风暴潮的影响,部分地考虑了天文潮和风暴潮非线性相互作用对风暴增水的影响.风暴潮预报的大气强迫场用模型气压场和模型风场.利用所建立的模式对长江口区台风风暴潮进行了8个个例模拟,模拟增水与实测增水的峰值相比较,平均绝对误差不足10cm.利用本研究建立的模式,就气象因子对风暴潮位的敏感性进行了数值试验.试验结果表明,台风中心气压降低(升高)20hPa可导致约100cm的风暴潮位升高(或降低).台风最大风速半径误差对台风增水的变化影响也较显著.试验还表明,长江径流量增加1倍(减半),可以造成风暴潮的平均增加25cm(减小13cm).天文潮位相变化对风暴增水的影响数值试验表明,当台风暴潮与天文潮在不同位相相互作用,可使风暴潮位最大增加达70cm或减小90cm.     

铁山湾内天文潮对风暴潮水位的影响研究

作为半封闭狭长海湾,铁山湾受风暴潮灾害的影响较为严重。根据多年观测资料和数值模型对铁山湾内的风暴潮水位特征进行了研究。观测资料表明海湾内风暴潮峰值水位受天文潮相位影响较为显著,然后基于ADCIRC风暴潮模型和1409号“威马逊”台风参数,定量评估了天文潮对风暴潮水位的影响。模拟结果表明当考虑天文潮作用时,会显著提高模拟结果精度,然后通过数值实验研究了风暴潮与不同相位天文潮相互作用时的水位变化特征。数值实验结果表明天文潮-风暴潮相互作用引起的非线性水位在涨潮阶段不明显,在高潮位时非线性水位达到负值最大;在落潮时达到正值最大。风暴潮增水峰值由于受到这种非线性效应的影响,在高潮位时数值最小。海湾内非线性作用要远大于外部,非线性效应越强,总水位峰值相对于天文潮高潮位的延迟时间也就越长。     

长江口咸潮入侵变化特征及成因分析

本文基于海洋站潮位观测数据、海平面变化影响调查信息以及长江口水文站径流量数据等,重点分析了2009?2018年长江口咸潮入侵的变化特征及其影响因素,分析结果表明:(1)长江口咸潮入侵季节变化特征明显。咸潮一般从每年的9?10月开始入侵,翌年4?5月结束。3月咸潮入侵次数最多,达12次。2009?2018年,长江口咸潮入侵次数和咸潮持续时间均呈下降趋势,2009年长江口咸潮入侵次数最多,达13次,时间均发生在10月至翌年的4月;咸潮持续时间年际变化较大,2011年咸潮入侵持续时间最长,累计为55 d。2015?2018年,咸潮入侵次数和入侵持续时间均明显减少,2018年没有监测到咸潮入侵过程。(2) 1?4月,长江口处于季节性低海平面期,且同期径流量少,但是受东亚季风影响,持续的增水过程使得增减水?径流量综合影响指数明显偏高,其中1月、2月、3月的影响指数分别为1.5、1.9和1.6,该时段长江口的咸潮入侵过程主要受增减水的影响。5?7月,长江口径流量明显增加,海平面?径流量综合影响指数均小于0,径流的作用强于海水上溯。8月,长江口径流量开始下降,虽然季节海平面较高,但是长江口呈现明显的减水过程,海平面?径流量和增减水?径流量的综合影响指数分别为0.1和?1.6,基本不会发生咸潮入侵。9月,长江口处于季节高海平面期,并且以增水为主,海平面?径流量和增减水?径流量的综合影响指数较大,分别为1.2和1.0,易发生咸潮入侵。10月、11月长江口海平面?径流量的综合影响指数分别为1.5和0.8,径流影响弱于海水上溯,易发生咸潮入侵。(3) 2009?2018年发生的48次咸潮入侵过程有2/3恰逢天文大潮。在某些年份长江口沿海基础海平面偏高,若持续增水恰逢天文大潮,则加剧咸潮入侵的影响程度。     

黄河夺淮期间淮河入海河口动力、地貌与演变机制

根据历史文献资料,对黄河夺淮期间淮河入海河口的动力条件,地貌特征及其演变机制进行了研究。结果表明,历史埋藏因大量多泥潲黄河径流汇入,淮河河口径流量,输沙星增大量多泥潲但不同时期输泛滥生又受黄河下游反复进行的淌程淤积的影响的有变化,淮河品是中等强度的潮汐河口,其往复潮流和沿岸流系统家利于入海泥沙扩散,淮河口呈上窄下宽的喇叭口形,口门内、外侧分别发育有大规模拦门潲及水下三角洲,河口估中道具有典型的弯曲     

风暴潮灾与月相

本文以实测资料为依据,统计分析了风暴潮灾、风暴潮、登陆台风、天文高潮等与月相的关系。统计资料表明,登陆台风和台风风暴潮发生在大(小)潮期的次数相对较多,略大于平均数,但它们与月相没有明显的因果关系,它们相对于月相的分布大致上是随机的,如果台风在天文大潮期间登陆,台风引起的暴潮与天文潮叠加后成灾的概率明显增大,但也不一定成灾;成了灾的,往往是风暴潮峰值适逢当日的天文高潮所致。