長(zhǎng)江口外海域三維水動(dòng)力模擬結(jié)果

PAGE6海洋科學(xué)集刊PAGE5王凱等：長(zhǎng)江口外海域三維水動(dòng)力模擬結(jié)果與觀測(cè)的比較第４９集海學(xué)科學(xué)集刊No.492008年８月STUDIAMARIANSINICAAug,2008*國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目，40576017號(hào)；國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展規(guī)劃項(xiàng)目子課題，2007CB411804號(hào)。收入日期：2007提１０月２０日。長(zhǎng)江口外海域三維水動(dòng)力模擬結(jié)果及與觀測(cè)的比較王凱(中國(guó)科學(xué)院海洋研究所)劉咪咪(中國(guó)科學(xué)院海洋研究所/中國(guó)科學(xué)院研究生院)施心慧(中國(guó)海洋大學(xué)數(shù)學(xué)科學(xué)學(xué)院)大面積的混濁水域是我國(guó)海洋環(huán)境的重要特征，長(zhǎng)江口外的混濁水海域就是其中具有典型性的海域。對(duì)這一海區(qū)及其周邊海域的水動(dòng)力觀測(cè)和研究工作一直不斷（丁文蘭，1983；Fang，1986；Choi，1980，1984；趙保仁等，1994；葉安樂等，1995；王凱等，1999）。王凱等（2007）對(duì)東海三定點(diǎn)的測(cè)流結(jié)果進(jìn)行了分析。這些研究成果，加深了人們對(duì)東海混濁水域水動(dòng)力狀況的了解和認(rèn)識(shí)。本文作者的研究范圍為119°E～125°E,25°N～34°N的東海海域。這一海域水文狀況復(fù)雜，黑潮從研究海域的東南角切入，從而伴生黑潮在臺(tái)灣東北部對(duì)陸架的入侵，形成陸架水與高溫高鹽的黑潮水之間的相互作用；臺(tái)灣暖流與浙江沿岸流系在本研究海域的并存，構(gòu)成夏季閩浙外海極強(qiáng)的溫度鋒面，是本海域重要的中尺度現(xiàn)象；長(zhǎng)江每年注入9×1012m3的淡水，也使長(zhǎng)江沖淡水現(xiàn)象顯得獨(dú)特而突出；長(zhǎng)江每年要向本研究海域輸入約5億t的泥沙，是本混濁水海域重要的陸源物質(zhì)。在這樣情況復(fù)雜的海域進(jìn)行水動(dòng)力環(huán)境要素的模擬和懸浮物輸運(yùn)的研究是一項(xiàng)極有挑戰(zhàn)性的工作。本文將對(duì)風(fēng)海流-潮流（含黑潮、長(zhǎng)江徑流等）水動(dòng)力模擬結(jié)果進(jìn)行分析，模擬的水位結(jié)果與沿岸驗(yàn)潮站的結(jié)果進(jìn)行比較，模擬的海流結(jié)果與2006年8月份的實(shí)測(cè)資料進(jìn)行比較，獲得令人滿意的結(jié)果。為下一步開展長(zhǎng)江口外海域三維懸沙濃度分布的數(shù)值模擬打下基礎(chǔ)。一、模型配置及觀測(cè)資料ECOMSED(EstuaryCoastalOceanModelandSEDiment-transportmodel)模式是由上世紀(jì)80年代中后期建立起來的河口、陸架和海洋模式（ECOM）發(fā)展而來的。ECOM模塊采用準(zhǔn)靜力近似和Boussinesq近似，帶有自由海面的海洋三維原始方程組。垂向使用sigma坐標(biāo)，以便于更好地?cái)M合出實(shí)際海域的海底地形；水平方向采用ArakawaC網(wǎng)格，并可適用于正交曲線網(wǎng)格系統(tǒng)以利于更好地刻畫出實(shí)際海域的岸形情況。垂向湍粘性系數(shù)采用Mellort等的湍封閉參數(shù)化方案計(jì)算（Melloretal.,1982），水平擴(kuò)散系數(shù)基于Smagorinsky（1963）參數(shù)化方案計(jì)算。該模式可適用于海灣、河口、近岸海區(qū)等淺水海域以及水庫(kù)和湖泊水動(dòng)力模擬。有關(guān)ECOMSED模式的詳細(xì)內(nèi)容可參該模式的用戶手冊(cè)(HydroQual,Inc.,2002)。計(jì)算區(qū)域范圍為119°E～125°E,25°N～34°N的東海海域，其西邊為岸界，南、北、東三面為開邊界。為了減少水動(dòng)力模擬在開邊界條件選取上的人為性，首先是在渤黃東海（西起大陸岸線，東至130°E；南起25°N，北至遼東灣底40°N）建立起1/6°經(jīng)緯度網(wǎng)格的海洋數(shù)值模式，作為本研究海域水動(dòng)力模型的大網(wǎng)格計(jì)算模型區(qū)域（圖１）（王凱等，1999；王凱等2001)。使用網(wǎng)格嵌套技術(shù)，獲得本研究混濁小區(qū)域1/20°經(jīng)緯網(wǎng)格分辨率的水動(dòng)力模式，大區(qū)通過內(nèi)插向小區(qū)域提供開邊界潮位信息，出入流（如東海黑潮等）信息，以便小區(qū)域能在比較客觀而經(jīng)濟(jì)的情況下獲得模擬所需的必要的水動(dòng)力開邊界條件。圖2a是本研究模擬海區(qū)的地形圖。水平網(wǎng)格分辨率3′×3′(圖2b)，垂向分為11層。計(jì)算中考慮了M2、S2、K1、O1共4個(gè)主要分潮。海面風(fēng)場(chǎng)采用Hellerman等（1983）月平均風(fēng)場(chǎng)。由于ECOM是一種半隱半顯的數(shù)值格式，受CFL條件限制確定的時(shí)間步長(zhǎng)為180s。模擬采用診斷計(jì)算，溫鹽設(shè)為常數(shù)。模擬中考慮了臺(tái)灣以東的黑潮（29Sv，1Sv=106m3/s,下同）及長(zhǎng)江徑流（0.09Sv）等出入流的情況，模式運(yùn)行在有風(fēng)海流-潮流（包括黑潮，長(zhǎng)江徑流圖1大小區(qū)網(wǎng)格嵌套圖等）的環(huán)境條件下。另外，在模式調(diào)試過程中發(fā)現(xiàn)ECOM模型在借助Foreman（1977）的潮汐程序時(shí)（即ptide.f子程序），有一個(gè)小地方需要注意。即在“熱啟動(dòng)”方式下沒有將實(shí)際計(jì)算域的緯度信息傳遞到Foreman的子程序中，而只能使用Foreman子程序提供的缺省緯度值。當(dāng)使用“熱啟動(dòng)”調(diào)試程序時(shí)，就會(huì)與從“冷啟動(dòng)”開始一直算出來的結(jié)果有些許差異，這在實(shí)際應(yīng)用中需稍加留意。圖2計(jì)算域地形和網(wǎng)格圖（a）模擬海區(qū)的地形圖；（b）水平網(wǎng)格分辨率2006年8月1日～8日，中國(guó)科學(xué)院海洋研究所應(yīng)用“科學(xué)三號(hào)”科考船，在長(zhǎng)江口外東海域進(jìn)行為期8d的海洋綜合調(diào)查，并在三個(gè)站點(diǎn)進(jìn)行了25h連續(xù)海流觀測(cè)，連續(xù)站站名和位置分別是S1站（122°51.881′E，32°0.187′N），S2站（122°54.972′E，31°0.099′N），S3站（122°29.932′E，31°15.261′N）（圖２中“▲”符號(hào)所示）。在每一個(gè)連續(xù)測(cè)流站分表中底三層用三臺(tái)ALECELECTRONICS公司的COMPACTEM海流計(jì)同步觀測(cè)（王凱等，2007）。海試期間天氣以晴好為主，多為1級(jí)海況，因此在模擬中可使用Hellerman等（1983）夏季月平均風(fēng)場(chǎng)作為海試期間的風(fēng)場(chǎng)條件。二、水動(dòng)力模擬結(jié)果的驗(yàn)證與分析1.潮位驗(yàn)證模擬獲得的M2、S2、K1、O1四個(gè)主要天文分潮的同潮圖（圖3）。與沿岸20個(gè)驗(yàn)潮站（圖2a中“●”符號(hào)所示）的相應(yīng)四個(gè)天文分潮的調(diào)和常數(shù)比較，模擬所得M2、S2、K1、O1振幅誤差的絕對(duì)平均值分別為：6.72cm、3.67cm、3.25cm、2.42cm；遲角誤差的絕對(duì)平均值分別為：5.23°、7.21°、6.63°、4.67°（表1）。模型給出的潮汐結(jié)果與實(shí)際符合良好，成功描述本研究海區(qū)的潮汐特征。圖3模擬所得M2、S2、K1、O1同潮圖表1計(jì)算調(diào)和常數(shù)與沿岸驗(yàn)潮站的誤差表序號(hào)站名位置E(°)N(°)M2S2K1O1ΔhΔg(cm)(°)ΔhΔg(cm)(°)ΔhΔg(cm)(°)ΔhΔg(cm)(°)1呂四121.5832.124.512.39.311.5-6.813.0-8.52.02新昌鎮(zhèn)121.7731.70-3.711.80.011.72.73余山122.2331.42-6.66.9-4.912.4-2.83.7-5.41.74十滧121.7831.4711.2--0.9-8.7-8.4-12.55高橋121.5831.37-4.5-14.6-2.3-14.3-3.0-12.6-5.4-12.76寧波121.5729.8811.0-1.9-2.3-0.4-1.4-11.5-3.2-11.27下大陳121.9028.4511.6-4.7-10.8-7.7-4.1-0.5-3.50.08披山121.5228.10-0.1-2.1-7.2-8.1-3.9-2.3-2.22.39坎門121.2828.085.3-2.7-4.5-4.9-3.4-0.2-1.63.610北麂121.1527.551.5-2.5-5.5-11.7-4.3-7.5-2.42.211沙埕120.4027.1712.7-3.60.3-7.6-3.1-2.80.0-5.912西臺(tái)120.7027.008.3-4.9-0.411.4-3.4-2.3-0.6-6.113三沙120.1726.9712.7-1.01.2-5.3-3.4-1.1-0.1-3.814閩江口119.65-3.63.7-4.5-15海壇島119.8525.47-5.4-7.6-5.311.7-4.6-16南日島119.4725.270.05.6-3.9-3.5-2.8-7.8-1.70.417梯吳119.031.6-2.32.810.1-0.1-1.518基隆121.750.5-0.1-1.94.7-0.46.819淡水121.4325.180.73.520黃尾嶼123.6825.93--11.3--2.6平均絕對(duì)誤差6.725.233.677.213.256.632.424.672.海流驗(yàn)證海流模擬所得結(jié)果是同時(shí)考慮了風(fēng)海流，潮流，黑潮及長(zhǎng)江徑流共同作用的結(jié)果。圖4是一幀海流模擬瞬時(shí)的深度平均流場(chǎng)結(jié)果，從該圖上可以發(fā)現(xiàn)黑潮，潮流等流場(chǎng)形態(tài)（由于夏季風(fēng)較弱，風(fēng)海流不是太明顯）。圖5是與2006年8月海試時(shí)段相吻合的模擬海流過程曲線與觀測(cè)所得表、中、底層海流過程的對(duì)照?qǐng)D。三測(cè)站的潮流性質(zhì)F=（ＷK1+ＷO1）/ＷM2(W為流速)，經(jīng)計(jì)算在S1，S2和S3站分別為0.45、0.35、0.59，說明該海域基本屬于正規(guī)半日潮流區(qū)，而且該海域以北向流為主(王凱等，2007)。從圖5(a)～(c)可以看到模擬所得S1，S2和S3站在表、中、底各層的流速與實(shí)測(cè)符合良好，其中在S1站表、中、底三層的北分量流速和東分量流速的相關(guān)系數(shù)均大于0.75,在S2站均超過0.83,S3站各層的相關(guān)系數(shù)也基本大于0.75，除了底層?xùn)|分量的結(jié)果為0.49?？紤]到這一海域是以北分量海流為主，底層流速又相對(duì)較弱，因而在S3站底層?xùn)|分量流速模擬結(jié)果的這一差異，不足以影響到整個(gè)海流模擬的效果?？偲饋碚f，模擬所得的海流結(jié)果（包括潮流，風(fēng)海流，黑潮，長(zhǎng)江徑流等）體現(xiàn)出本研究海域的實(shí)際海流狀況。表2給出了模擬海流與觀測(cè)之間誤差的方差和相關(guān)系數(shù)。圖4風(fēng)海流-潮流（含黑潮，長(zhǎng)江徑流）深度平均海流模擬瞬時(shí)圖S1（北S1（北分量）*****觀測(cè)計(jì)算表層(5m)中層(10m)底層(28m)*****觀測(cè)計(jì)算S1（東分量）表層(5m)中層(10m)底層(28m)圖5連續(xù)站表中底層海流模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)的對(duì)照?qǐng)D表2模擬海流結(jié)果與06′海試實(shí)測(cè)結(jié)果的比較表站位誤差的方差相關(guān)系數(shù)UVUVS1站表層4.473.680.760.86中層3.763.060.810.89底層2.562.690.750.79S2站表層4.515.880.830.95中層4.055.700.840.87底層1.651.960.940.97S3站表層5.084.030.750.88中層4.603.460.780.93底層6.371.970.490.96本文作者借助ECOMSED模式,建立起長(zhǎng)江口外東海域三維水動(dòng)力數(shù)值模型，獲得了較符合實(shí)際的風(fēng)海流-潮流（含黑潮，長(zhǎng)江徑流等）的模擬結(jié)果，為下一步在如此復(fù)雜的長(zhǎng)江口外海域開展三維懸沙濃度分布的數(shù)值模擬打下基礎(chǔ)。參考文獻(xiàn)丁文蘭.1983.東海潮汐和潮流特征的研究.海洋科學(xué)集刊，21:135～148王凱等.1999.渤海、黃海、東海M2潮汐潮流的三維數(shù)值模擬.海洋學(xué)報(bào)，21(4)：1～13王凱等.2001.渤、黃、東海夏季環(huán)流的三維斜壓模型.海洋與湖沼,32(5):551～560王凱等.2007.東海三定點(diǎn)周日海流觀測(cè)的準(zhǔn)調(diào)和分析.海洋科學(xué)，31(8):18～25葉安樂等.1995.渤黃東海潮波數(shù)值模擬.海洋與湖沼，26（1）：63～69趙保仁等.1994.渤、黃、東海潮汐潮流的數(shù)值模擬.海洋學(xué)報(bào)，16(5)：1～10ChoiBH．1980.AtidalmodeloftheYellowSeaandtheEasternChinaSea，KoreaOceanResearchandDevelopment．Institute(KORDI)，Rep.80～102ChoiBH．1984.Athree-dimensionalmodeloftheEastChinaSea[A]．IchiyeT.Ed．OceanHydrodynamicsoftheJapanandEastChinaSeas(ElsevierOceanographySeries)，209～224FangGuohong.1986.TideandtidalcurrentchartsforthemarginalseasadjacenttoChina.C.J.Oceanol.Limnol．4(1)：1～16Foreman,M.G.G..1977.Manualfortidalheightsanalysisandprediction.Pac.Mar.Sci.Rep.77～10.Inst.forOceanSci.,Sidney,B.C.,CanadaHydroQual,Inc.2002.AprimerforECOMSEDUsersManual,188.（/ehst_ecomsed.html）Hellermanetal.1983.Normalmonthlywindstressovertheworldoceanwitherrorestimates.J.Phys.Oceanogr.,13:1093～1104Melloretal.1982.Developmentofaturbulenceclosuremodelforgeophysicalfluidproblems..ReviewsofGeophysicsandSpacephysics,20:851～875Smagorinsky,J.1963.Generalcirculationexperimentswiththeprimitiveequations,I.TheBasicExperiment.Mon.WeatherRev.,91:99～164

ATHREE-DIMENSIONALHYDRODYNAMICSIMULATIONINTHEOFFSHORENEARTHECHANGJIANGESTUARY——ACASESTUDYCOMPAREDWITHOBSERVATIONSWangKai1，LiuMimi1，2(1InstituteofOceanology,ChineseAcademyofSciences,Qingdao266071)(2GraduateschooloftheChineseAcademyofSciences，Beijing100039)ShiXinhui3(3CollegeofMathematics,OceanUniversityofChina,Qingdao266003)ABSTRACTBaseonECOMSEDmodel,athree-dimensionalhydrodynamicmodelisdevelopedintheoffshoreareaneartheChangjiangEstuaryintheEastChinaSea.Thismodelisdrivenbytideandwind,aswellasinflowandoutflowcurrentssuchasKuroshio,Changjiangrunoff.Thehorizontalresolutionis1/20°.Therehas11layersontheverticaldirection.Thenumericalresultsof4mainconstituentsoftide(M2,S2,K1,O1)andcurrentsareingoodagreementwithobservationdata.Comparedwith20gaugestations,themeanabsoluteerrorbetweenthecalculatedM2tidalamplitudeandtheobservedonesisonly6.72cm;themeanabsoluteerrorofphased-lagis5.23°.ForS2,themeanabsoluteerrorsofamplitudeandphased-lagare3.67cmand7.21°,respectively.Themeanabsoluteerrorsofamplitudeandphased-lagforK1are3.25cmand6.63.ForO1,themeanabsoluteerrorofcalculationandobservationisrelativelysmall,amplitudeis2.42cmandphased-lagis4.67°.ThenumericalresultsofcurrentarealsocomparedwithobservationdatameasuredduringAug.,2006intheEastChinaSea.Thecorrelationcoefficientofcurrentbetweensimulation