長(zhǎng)江口杭州灣及鄰近海區(qū)潮汐潮流場(chǎng)三維數(shù)值模擬

1、第3期2001年9月華東師范大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)Journal of EastChina Normal University (Natural Science)No. 3Sep.2001文章編號(hào):1000- 5641 (2001) 03 - 0074- 11長(zhǎng)江口杭州灣及鄰近海區(qū)潮汐潮流場(chǎng)三維數(shù)值模擬楊隴慧，朱建榮，朱首賢（華東師范大學(xué)河口海岸國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200062）.衣 r ：- . ,| -摘要：把長(zhǎng)江河口、杭州灣及鄰近海區(qū)作為整體，應(yīng)用三維高分辨率非正交曲線網(wǎng)格河口海洋模式，模擬了 4個(gè)主要分潮M2 ,S2 ,K1 ,01。在長(zhǎng)江口外半日分潮 M2從東南方向傳入長(zhǎng)江口和杭

2、州灣，全日分潮K1 ,O,從北向南傳播。這4個(gè)分潮的振幅在長(zhǎng)江口南支向上游逐漸減小，但因杭州灣和長(zhǎng)江口北支呈喇叭狀，而向上游逐漸增加。計(jì)算潮差變化過(guò)程和實(shí)測(cè)值基本一致,4個(gè)分潮潮位振幅和位相的計(jì)算值與驗(yàn)潮站觀測(cè)值相比，誤差大部分在10%以內(nèi)。結(jié)合1996年2 3月長(zhǎng)江河口現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)，考慮了徑流的作用，三維數(shù)值模擬了計(jì)算域內(nèi)流場(chǎng)。結(jié)果表明，即使在斜壓效應(yīng)不太明顯的口門(mén)內(nèi)，流速在垂直方向存在著明顯的差異，上層流速明顯大于下層流速；潮流具有不對(duì)稱性，由于徑流的作用，落潮時(shí)間明顯大于漲潮時(shí)間，落潮流大于漲潮流，但在象北支漲潮槽中，漲潮流反而比落潮流大。模擬岀的以上結(jié)論與觀測(cè)結(jié)論較為一致。關(guān)鍵詞：長(zhǎng)江河口

3、 ；杭州灣；潮汐潮流；三維數(shù)值模擬中圖分類號(hào):P736.211文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A0引 言長(zhǎng)江是我國(guó)第一大河，河口地形復(fù)雜，三級(jí)分汊四口入海（南支和北支，南槽和北槽，南港 和北港），口門(mén)附近存在水下沙壩（圖1）。長(zhǎng)江河口的動(dòng)力過(guò)程也十分復(fù)雜，影響因子有徑流、潮流、波浪、密度流等，其中潮汐潮流在這個(gè)系統(tǒng)中起著重要作用14。長(zhǎng)江河口是中等強(qiáng)度的潮汐河口，口外是正規(guī)半日潮，口內(nèi)是非正規(guī)半日潮。南支的潮差范圍從口門(mén)到上游逐漸減小?？陂T(mén)附近的中浚測(cè)站的多年平均潮差為2.66米，最大值是4.62米。黃浦江附近的吳淞站潮差是2.21米。由于北支的河槽呈喇叭狀，所以其潮差大于南支，并且由口門(mén)向上游逐漸增大。潮流在口

4、門(mén)內(nèi)作往復(fù)運(yùn)動(dòng)，在口門(mén)外為旋轉(zhuǎn)流。通常，由于長(zhǎng)江河口徑流作用，落潮流速度大于漲潮流的速度。長(zhǎng)江口門(mén)外潮波傳播方向大約為305度。杭州灣因?yàn)槔刃危瑢儆趶?qiáng)潮差海灣5,6。以往對(duì)長(zhǎng)江河口 、杭州灣的數(shù)值研究在計(jì)算區(qū)域的確定上大都是分開(kāi)的，模式較為簡(jiǎn)單，如垂向平均的二維模型，網(wǎng)格大都為鋸齒狀矩形網(wǎng)格。我們知道，長(zhǎng)江口緊鄰杭州灣，物收稿日期:2000 - 10基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（49876002）、上海市曙光計(jì)劃項(xiàng)目（99SG12）、上海市青年科技啟明星計(jì)劃項(xiàng) 目（99QMH1404）、國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目（49736220）作者簡(jiǎn)介：楊隴慧（1975-），女，碩士研究生.loumal

5、 Electronic Publishing HoitsYhi#華東師范大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版）2001 年120120.5 12112S 122.5 123 123.5 124 124.5 125Lonitude(* E)圖1長(zhǎng)江河口、杭州灣及鄰近海區(qū)水深圖（實(shí)心圓點(diǎn)為1996年2-3月觀測(cè)點(diǎn)，實(shí)心菱形為潮位站）Fig. 1 The bathmetryof the Changjiang estuary, Hangzhou bay and their adjacent sea (Thefilled circles are the sitesof field measurement, the fi

6、lled diamonds are the gauging stationS質(zhì)交換頻繁，若分開(kāi)計(jì)算，邊界條件很難給出，也將影響計(jì)算域內(nèi)計(jì)算結(jié)果。在長(zhǎng)江口攔門(mén)沙區(qū)域,存在著鹽水楔現(xiàn)象，斜壓效應(yīng)明顯，表層流因徑流作用向海，底層流因密度分布不勻引起的壓強(qiáng)梯度力作用而向陸，流速、流向垂向變化明顯不同，這要求采用三維模式；長(zhǎng)江河口、杭州灣岸線和底形復(fù)雜，對(duì)動(dòng)力過(guò)程具有直接的強(qiáng)迫作用，這需要高分辨率曲線網(wǎng)格來(lái)擬合岸界；長(zhǎng)江河口、杭州灣受多種動(dòng)力因子作用，其相互作用是非線性的，又咸淡水混合產(chǎn)生的斜壓 效應(yīng)明顯，這要求采用非線性和斜壓模式；因河口淺水和潮流作用，河口存在著強(qiáng)烈的混合作用，垂向湍流渦動(dòng)粘滯和擴(kuò)散

7、系數(shù)是隨時(shí)間和空間變化，這要求模式采用湍流閉合模型。以往垂向平均二維模式不能重構(gòu)流場(chǎng)、鹽度和溫度等的垂向變化，也完全忽略了垂向混合過(guò)程?；谝陨侠碛?，我們建立了一個(gè)三維的、高分辨率曲線網(wǎng)格的、非線性的、斜壓的、原始方程湍流 閉合的長(zhǎng)江口、杭州灣和鄰近海區(qū)河口海洋數(shù)值模式，研究此區(qū)域的動(dòng)力過(guò)程。本文給出長(zhǎng)江口、杭州灣和鄰近海區(qū)的潮汐潮流模擬結(jié)果，并做動(dòng)力分析。1三維數(shù)值模式因長(zhǎng)江河口、杭州灣岸線和底形十分復(fù)雜，為更好地模擬和預(yù)報(bào)河口和海岸動(dòng)力過(guò)程，模式網(wǎng)格線恰當(dāng)?shù)財(cái)M合岸線和航道顯得十分重要。Chen等8和Zhu等9 基于Blumberg和Mellor的三維海洋環(huán)流模式【7，發(fā)展了一個(gè)非正交坐標(biāo)變

8、換模式8，9。這個(gè)模式耦合了 Mellor和Yc2mada的2.5階湍流閉合模型，以提供隨時(shí)間和空間變化的垂向湍流混合參數(shù)。我們?cè)贑hen等發(fā)展的模式的基礎(chǔ)上，建立了一個(gè)長(zhǎng)江口 、杭州灣及鄰近海區(qū)三維高分辨率非正交曲線網(wǎng)格湍 流閉合數(shù)值模式（限于篇幅，不再給出原始方程組，初始和邊界條件方程），研究此區(qū)域動(dòng)力過(guò)程。圖2為計(jì)算區(qū)域和曲線網(wǎng)格 ，北支上游的分辨率大約為 300m,長(zhǎng)江口附近為2-3km，南邊 界和東邊界附近為5 - 6km。垂向方向采用 b坐標(biāo)系,使水淺處能享有和水深處相同的分辨 率。垂向分11層，垂向分辨率在長(zhǎng)江口附近大約是1m,東南水深最深處大約為8m。模式時(shí)間步長(zhǎng)取為180s。

9、=:SihH需廖葢日游係”.iniihifiEfi-H；： : = = = :X：iiiiiiiUiiii=!= = = =上i蒔帀門(mén)衛(wèi)弁黔騎訐話噩詣?lì)A(yù);詣沖祁和j ETniii? Es = = r=!-：-rF：=:：E：=?:-= = =-Ua-s一-：=二-1J-r-J-T三 r 三 * T一二.二二-:=Ei=:H =-1=7=3-=!=r-R=i9辿uHiiu-_-E = EgpHffi-b-4:s-=-!-二 ht- -e =eXTX二 - !IH IU- El【良二-?=二 ;*=:;- -=小-.Erl*i=五=_=: 疋唐= zTr. -hbi 二 Huffinl%-Z-3Z

10、-一Flwras9zlw=ll一 “圣：lHSEu-cm勇亠il”=2fi一=H“:=H.EIEH-z*-z-sx=-Er;-t-=s=云 _i= -z-3=_ - = _zUTi：31.5 -31 -30.5 -3029.5 -29120 120.5 121 121.5 122 122.5 123 123.5 124 124,5 125Longitude* E)圖2計(jì)算區(qū)域和網(wǎng)格Fig. 2 The model domain and grids2模擬結(jié)果和分析本文對(duì)4個(gè)主要分潮M2 0,K1,O1作數(shù)值模擬。邊界條件由4個(gè)分潮的調(diào)和常數(shù)振幅和 位相合成給出。由靜止開(kāi)始，積分7天，流場(chǎng)穩(wěn)定以后

11、，繼續(xù)積分一個(gè)月，用最小二乘法作潮汐 潮流調(diào)和分析，輸出結(jié)果進(jìn)行分析。我們整理和分析了長(zhǎng)江口和杭州灣27個(gè)驗(yàn)潮站的數(shù)據(jù)，這里僅給出三條港、楊林站和中浚站潮位計(jì)算值與觀測(cè)值的比較（圖3）。在長(zhǎng)達(dá)半個(gè)月的計(jì)算中，模式均較好地體現(xiàn)了潮位的變化過(guò)程。從模擬的4個(gè)分潮的等振幅線和同潮時(shí)線分布看出（圖略），長(zhǎng)江口的潮波深受東海前進(jìn)潮波系統(tǒng)的影響，半日分潮M2、S2在口門(mén)外從東南向西北傳播 全日分潮K1、O1從北向南傳播。它們?cè)谙蛭鞯膫鞑ブ惺艿介L(zhǎng)江口內(nèi)和杭州灣內(nèi)的 海岸限制而沿岸向西傳播。進(jìn)入口門(mén)后由于河槽的約束，傳播方向基本上與河槽軸線一致。潮波進(jìn)入長(zhǎng)江口后，受科氏力的作用，潮汐振幅是垂直與潮波傳播方向上

12、向右遞增，潮差北岸大于南岸，向上游逐漸減??；杭州灣由于喇叭形，其潮振幅向西增大。在四個(gè)主要分潮中，M2 最大,S次之,K1次小，O1最小。表1為M2分潮振幅和位相計(jì)算值與觀測(cè)值比較，誤差大多數(shù)10%以內(nèi)。沈家門(mén)、龍山的誤差比較大，因?yàn)樗鼈兏浇垒^深，又有一些小島嶼，而我們的網(wǎng)格無(wú)法體現(xiàn)這些變化。高橋站位的誤差也大，原因是站位凹進(jìn)在岸線內(nèi)。在長(zhǎng)江口外主要為旋轉(zhuǎn)流，進(jìn)入長(zhǎng)江口門(mén)后轉(zhuǎn)變?yōu)橥鶑?fù)流；杭州灣基本上是往復(fù)流。長(zhǎng)江口外M2、S2橢圓要素的長(zhǎng)軸方向大致是西北-東南,K1、01的長(zhǎng)軸方向大致是西南-東北，但在口內(nèi)四個(gè)分潮方向與河軸平行（圖略）。M2 ,S2 ,K1 ,O1潮流橢圓長(zhǎng)短軸的分布在垂

13、直方向上都自表層向底層減 1994-2010 China Acadeinic Jourtial Electronic Publishing I louse. A31 rights reserx ed- httpTAvwwqiIcdel第3期楊隴慧，等：長(zhǎng)江口杭州灣及鄰近海區(qū)潮汐潮流場(chǎng)三維數(shù)值模擬77小,表層的旋轉(zhuǎn)性比底層強(qiáng)，底層往復(fù)性強(qiáng)，這主要由底摩擦作用造成的Timc（h）1日計(jì)算水位值（虛線）與觀測(cè)值（實(shí)線）比較5545352 5 150 3$433.52B51JQ4.3FALO.C3.C41.O.4 2 1 oEH盅 S（a:三條港;b :楊林站；c :中浚站）Fig. 3 Compar

14、ison of the calculated results with observed data 15 ,Feb ,1996 to 1 , Mar, 1996.The dashed line is the calculated results, the solid line is observed data（a: Santiaostation; b: Yanglin station; c:Zhongjun statior）在長(zhǎng)江口潮位的模擬值在小潮時(shí)段與實(shí)測(cè)值存在偏差，因?yàn)槟Ｐ椭羞€未考慮密度流，風(fēng)生流,潮灘等影響因子。長(zhǎng)江口外的潮差的大小主要有天文因素控制，而口內(nèi)的潮差除受天文因素制約外，還

15、受到上游徑流和河段地形等影響，小潮時(shí)其他因子的影響比大中潮時(shí)大；并且模型只考慮了 M2,S2,K1,O1四個(gè)分潮，沒(méi)有考慮淺水分潮，但實(shí)際上潮波進(jìn)入長(zhǎng)江河口后，因水深變淺及徑流作用的加大，逐漸發(fā)生變形，淺水分潮明顯增大。1996年2月曾對(duì)長(zhǎng)江河口進(jìn)行過(guò)多船同步觀測(cè)，本文針對(duì)此次觀測(cè)，考慮徑流量和潮汐潮流作用，模擬三維流場(chǎng)的分布。限于篇幅，本文選取在空間分布上具有代表性的4個(gè)測(cè)站，北支1C、南支上游2、北港3B、南港4B（見(jiàn)圖1）。圖4、7分別為測(cè)站1C、2、3B、4B上、下層 流速、流向計(jì)算值與觀測(cè)值的比較。因底摩擦的作用，流速在垂直方向存在著明顯的差異，上層流速明顯大于下層流速，處于南北港的

16、測(cè)站 4B、3B尤為明顯。測(cè)站4B上層的最大流速為110cm/s ,下層的最大流速僅60cm/s。潮流具有不對(duì)稱性，由于徑流的作用，落潮時(shí)間明顯大于漲潮時(shí)間。測(cè)站4B、3B落潮時(shí)間一般為7小時(shí)，漲潮時(shí)間為5小時(shí)。落潮流歷時(shí)與漲潮流歷 時(shí)的差值由口門(mén)向里增大。處于南支的測(cè)站2落潮時(shí)間一般為8小時(shí)，漲潮時(shí)間為4小時(shí)。長(zhǎng)江口落潮流一般大于漲潮流，但在象北支漲潮槽中，漲潮流反而比落潮流大。流場(chǎng)的以上空D 1994-2010 China Acadeink Jcuitial Electronic PublishiniAl rights reserved, http:tiki.tie第3期楊隴慧，等：長(zhǎng)江口

17、杭州灣及鄰近海區(qū)潮汐潮流場(chǎng)三維數(shù)值模擬#間分布、時(shí)間變化與實(shí)測(cè)結(jié)果基本一致第3期楊隴慧，等：長(zhǎng)江口杭州灣及鄰近海區(qū)潮汐潮流場(chǎng)三維數(shù)值模擬#第3期楊隴慧，等：長(zhǎng)江口杭州灣及鄰近海區(qū)潮汐潮流場(chǎng)三維數(shù)值模擬79Time（h）3OJ&Jllmow目)puQds lumoup口.2芯七 P JU-enQJ-pK巴 Jnu第3期楊隴慧，等：長(zhǎng)江口杭州灣及鄰近海區(qū)潮汐潮流場(chǎng)三維數(shù)值模擬#第3期楊隴慧，等：長(zhǎng)江口杭州灣及鄰近海區(qū)潮汐潮流場(chǎng)三維數(shù)值模擬81圖41996年3月11日11時(shí)至14日8時(shí)測(cè)站1C（水深5. 78m）流速流向計(jì)算值（虛線）與實(shí)測(cè)值（實(shí)線）比較（a:上層1. 156m流速;b :下層4.

18、624m流速；c:上層1. 156m流向;d :下層4. 624m流向）Fig. 4 Comparison of calculated results and observed data at station 1C （5. 78m） from 11 ,Mar,1996 to 14 , Mar , 1996. The dashed line is the calculated results, the solid line is observed data（a: current speedat upperlayer b : current speedat lower layerc: curren

19、t direction at upper layer d: current direction at lowerlayer）20 3D +0 50 60 70 8(1 50 1QQ HQ 12(? 130 140 15Q 160 170 18Q 190 20QTiiD&(b)圖51996年3月5日16時(shí)至13日16時(shí)測(cè)站2(水深18. 94m)流速流向計(jì)算值(虛線)與實(shí)測(cè)值(實(shí)線)比較(a:上層1. 894m流速;b :下層17. 046m流速;c:上層1.894m流向;d :下層17. 046m流向)Fig. 5 Comparison of calculated results and ob

20、served data at station 2 (18. 94m) from 5 ,Mar,1996 to 13 , Mar , 1996. The dashed line is the calculated results, the solid line is observed data(a: current speed at upper layer b: current speed at lower layerc: current direction at upper layer d: current direction at lower layer) 19942010 China Ac

21、ademic Jo Lift ia! Llectrcnic Publish in IIchj 曲 A i ights reserved, http:. c tik i第3期楊隴慧，等：長(zhǎng)江口杭州灣及鄰近海區(qū)潮汐潮流場(chǎng)三維數(shù)值模擬83Time（h）圖61996年3月9日8時(shí)至12日8時(shí)測(cè)站3B （水深11.5m）流速流向計(jì)算值（虛線）與實(shí)測(cè)值（實(shí)線）比較（a:上層1.15m流速;b :下層10. 35m流速；c:上層1. 15m流向;d :下層10. 35m流向）Fig. 6 Comparison of calculated results and observed data at statio

22、n 3B （11. 5m） from 9 ,Mar,1996 to 12 , Mar , 1996. The dashed line is the calculated results, the solid line is observed data（a: current speedat upperlayer b : current speedat lower layerc: current direction at upper layer d: current direction at lower laye15010050圖71996年3月11日10時(shí)至13日8時(shí)測(cè)站4B （水深10. 37m）流速流向計(jì)算值（