南黄海西部初夏潮致－风生环流的数值模拟＊

于晓杰，娄安刚，张学庆

（中国海洋大学环境科学与工程学院，山东青岛266100）

南黄海西部初夏潮致－风生环流的数值模拟＊

于晓杰，娄安刚，张学庆

（中国海洋大学环境科学与工程学院，山东青岛266100）

基于有限体积方法的海洋数值模式FVCOM，计算了南黄海西部六月份潮致余流及风生环流，分析了潮致余流、初夏风生环流各自的环流结构，得出六月份该区域风生环流占主导，偏南风的作用较为显著，潮致余流相对较弱。最后将风和潮汐进行耦合计算，得出该区域初夏的环流结构，表层海水大体为由南至北的流动，说明该区域风力为主要驱动力。计算结果与流速及环流实测资料吻合较好，为进一步研究浒苔的漂移轨迹等奠定了动力基础。

黄海西南部；夏季；FVCOM；潮致余流；风生环流

自2008年起，连续3a六月份在青岛近海海域发生了大规模浒苔繁殖，引起了人们对南黄海西部环流结构的特别关注。过去对黄海夏季环流的研究，多集中在黄海中部的黄海冷水团的环流结构，认为夏季黄海海表受太阳辐射的影响，海表温度升高，逐渐形成温跃层，阻碍了热量向下传输，导致黄海底部形成黄海冷水团，进而形成了以黄海冷水团为中心的气旋式环流。然而对南黄海西部近岸的环流结构没有做详细的研究，而且缺乏实测资料，一般笼统地认为此处的海流与黄海热盐环流的流向一致［1－4］，即南向流。然而Naimie［5］认为夏季黄海中、东部以斜压环流为主，西部以风、潮为主，斜压效应相对较弱。LIU［6］也以Rmke（随深度变化的平均动能占总平均动能的比率）和Reke（随深度变化的平均涡动能占总涡动能的比率）为依据，说明南黄海东部的热盐环流比西部强很多。刘志亮［7］、衣力［8］、李德萍［9］、张苏平［10］根据浒苔的漂移方向，认为风力是浒苔在海洋中移动的主要强迫力。

为了了解南黄海西部近岸的环流结构，本文采用FVCOM模型研究南黄海西部六月份的潮致余流和风生环流。

1 计算海域及数值模式

1．1 模型介绍

本文采用国际上先进的FVCOM海洋数值模式，该模式是由美国麻州大学海洋科技学院陈长胜教授的科研组建立的，采用有限体积数值离散方法求解三维水动力原始控制方程组，结合了有限元方法拟合岸界的灵活性和有限差分方法的较高计算效率和计算速度的优点［11］。

模式的水平方向采用不规则三角形网格，可以对地形较复杂区域进行局部加密；垂直方向上采用σ坐标系，有助于处理变化显著的底地形；水平方向采用显式差分格式，垂向采用隐式差分格式，后者保证了模式的垂向高分辨率；采用时间分裂算法，其中，二维的外模方程基于CFL条件和重力外波波速，时间步长较短，而三维的内模方程是基于CFL条件和内波波速，时间步长较长，可以节省计算时间；边界条件采用比较先进的干湿网格运动边界条件。模式的控制方程参考［11］。

1．2 模型配置

计算域包括南黄海西部山东半岛右侧的海域（119．19°E～123°E，32．9°N～37°N），利用SMS软件生成具有可变分辨率的三角形网格，包括38 420个网格，19 674个节点，其中最小网格间距为0．2km，最大为6．5km；垂向采用σ坐标，共分7个不均匀层，表层最薄，△σ值为0．055，以使各物理量更接近海表的物理场。

由于该区域为半日潮海区，故选取M2分潮作为开边界的潮强迫条件，采用TPXO7．2（Tide Model Driver）预测的2009年6月1整月的水位做开边界的驱动条件。对底摩擦系数［12］进行内插，插值到计算域内所有网格上，并通过多次比较模拟分潮的振幅与实测振幅的数值试验，得到适合该模型的底摩擦。为了保证计算的稳定，边界水位从0开始逐渐增加，4个潮周期后达到正常变化。计算域网格及水深分布如图1与图2。

图1 计算域网格设置Fig．1 Meshes in the computed area

图2 计算域水深分布与验证点（★）Fig．2 Depth distribution and validated points in the computed area

图3 南黄海西部2009年6月份风应力分布Fig．3 Wind stress distribution in the western part of south Yellow Sea in June，2009

计算风生环流采用QuikSCAT的2009年6月份的月平均风应力资料，将东分量和北分量分别插值到计算网格上，得到整个计算域网格的风场数据。计算域风应力分布如图3，风应力大小在0．02～0．07N／m2之间，且以偏南风为主。

本文未考虑温盐的变化，全场温盐值统一，分别是18．0（°）和35．0。

2 黄海西南夏季环流各成分分析

为了分析潮汐、风在南黄海西部夏季环流中各自所起的作用，分别计算了潮致余流和风生环流，计算时间分别为30d。结果表明，南黄海西部夏季六月份主要以风生环流为主，潮致余流相对较弱。

2．1 潮致余流

计算所得M2分潮等振幅线与同潮时线如图4所示。M2分潮在该区域有1个无潮点（121．5°E，34．5°N），在江苏外海。受科氏力的影响，同潮时线绕该无潮点作逆时针方向旋转；振幅在连云港附近达到最大，约为160cm。这些均与［13－15］的结果较一致。

图4 计算域M2同潮图Fig．4 Co－tidal chart of M2in computed area

图5 南黄海西部表层潮致余流Fig．5 Surface tidal residual current in the domain

图5与图6为南黄海夏季M2分潮的表层与底层的潮致余流，从图中可以看出，表层与底层的余流结构基本一致。江苏东部为东北向流，表层流速约为1．5cm／s，底层流速在0．4cm／s左右；在江苏省北岸表层有一气旋式涡旋，流速在1．0～1．5cm／s左右，底层转为向东的沿岸流，流速＜0．7cm／s；山东半岛东北角有一股西南向流流入计算域，表层流速在1．6cm／s左右，底层在0．6cm／s左右；其他区域的流速较小，表层在0．2cm／s左右，底层小于0．1 cm／s，主要为由近岸流向深海的东向流。

图6 南黄海西部底层潮致余流Fig．6 Bottom tidal residual current in the domain

图7 南黄海6月份表层风生环流Fig．7 Surface wind induced current in domain in June

图8 南黄海6月份底层风生环流Fig．8 Bottom wind induced current in domain in June

2．2 风生环流

在风应力作用下，南黄海西部表层和底层的风生环流结构如图7、图8所示，由图可以看出，表层风生流较强，流速大约为8～12cm／s，沿岸处基本为沿岸流动，深水区域为北－东北向流动，与风向有大概45°的偏角，与Ekman风生流理论基本一致。底层流的结构相对表层较为复杂，江苏东岸基本为西北向流；中间区域有一股从东向西流向青岛胶州湾的西北向流，该流在到达胶州湾后转为东北向沿岸流，并在山东省东北角流出计算域，在这股西北向流的右侧有几个不明显的气旋和反气旋的小漩涡，整个底层的流速较小，在1～2cm／s。

相对于潮致余流来说，风生环流较强，这说明了风生流在南黄海夏季（6月份）环流中占主要成分，对南黄海西部夏季环流形态的结构分布起重要作用。

3 潮致－风生环流

将潮汐和风进行耦合计算30d，取最后20d的结果进行分析，得到的表层、底层以及深度平均的环流结构如图9～11所示。

图9 南黄海6月份表层风生－潮致环流Fig．9 Surface wind－tidal induced current in the domain in June

图10 南黄海6月份底层风生－潮致环流Fig．10 Bottom wind－tidal induced current in the domain in June

由图可以看出，表层海水由南至北基本为北－东北向流动，近岸流速在5～7cm／s之间，深海区域为10 cm／s左右。底层环流结构较为复杂，江苏东岸为北向流，流速在1．5cm／s左右，该流与青岛以南的一股流速约为0．4cm／s的南向流在120°E，34．6°N附近形成一气旋式的涡旋；在计算域中间区域有一股从东向西流向胶州湾的流，流速约为0．7cm／s，其与山东半岛东北侧的南向流在121．2°E，35．8°N附近形成一反气旋涡旋。深度平均环流主要为自南向北的北向流，流速在1．5～4．5cm／s之间，在36°N附近转为东向流流出计算域。

图11 南黄海6月份深度平均风生－潮致环流Fig．11 Depth average wind－tidal induced current in the domain in June

收集了沿岸几处测流点的实测流资料，分别位于A21、B9、L5站，具体位置与测流时间如图2（★）及下表1所示，通过对比表层的潮流、风与潮流耦合计算的流速流向和实测流速流向（图12～14）可以看出，当流向接近风向右侧45°左右时，耦合流速比单纯潮流速大；当流向与风向右侧45（°）相反时，风对潮流有减小作用。总体上潮与风耦合的流与实测流资料更加吻合。但因为本文采用的风应力资料属于月平均资料，只代表气候尺度的概念，对天气尺度的观测资料还有差别，故有一定的误差。

文献［7］中有一站点C（120．85°E，34．99°N），具体位置见图2（★），该站点的实测的夏季26d（2003年166～192d）的ADP海流观测资料显示，这里几乎全部深度上都存在着北向流，最大流速8cm／s。图15为该点模拟的环流流速、流向随深度变化的曲线。由图可以看出，表层流速最大，接近8cm／s，随水深增加逐渐减小；流向从表层的20（°）（与北向夹角）至底层的40（°）左右，随水深先右偏后稍微左偏。与文献［7］中结果比较接近，再次验证了本文模拟的环流结构的准确性。

表1 测流点位置及测流时间Table 1 Current observation position and time

图12 A21点潮流、风与潮流耦合模拟的流速、流向值与实测值比较Fig．12 Comparison of tidal、tidal－wind and observation in current speed and direction in A21

图13 B9点潮流、风与潮流耦合模拟的流速、流向值与实测值比较Fig．13 Comparison of tidal、tidal－wind and observation in current speed and direction in B9

图14 L5点潮流、风与潮流耦合模拟的流速、流向值与实测值比较Fig．14 Comparison of tidal、tidal－wind and observation in current speed and direction in L5

图15 C点6月潮致—风生环流流速与流向随水深变化图Fig．15 Wind－tidal circulation current speed and direction variance with the depth in point C in June

4 结论

本文采用FVCOM模型模拟南黄海西部6月份的潮致余流、风生环流，通过分析各因子对环流的作用，得到如下结论：

（1）表层与底层的潮致余流结构基本一致。江苏东部流为东北向流；在江苏省北岸表层有一气旋式涡旋，底层转为向东的沿岸流；山东半岛东北角有一股西南向流流入计算域；其他区域的流速较小，主要为由近岸流向深海的东向流。

（2）表层风生流较强，沿岸处基本为沿岸流动，深水区域为北－东北向流动，与风向有大概45（°）的偏角，与Ekman风生流理论基本一致。底层流的结构相对表层较为复杂，江苏东岸基本为西北向流；中间区域有一股从东向西流向胶州湾的西北向流，该流在到达胶州湾后转为东北向沿岸流，并在山东省东北角流出计算域，在这股西北向流的右侧有几个不明显的气旋和反气旋的小漩涡。

相对于潮致余流来说，风生环流较强，这说明了风生流在南黄海夏季（6月份）环流中占主要成分。

最后将风与潮结合计算该区域的环流结构，有以下特点：

表层海水由南至北基本为北－东北向流动。底层环流结构较为复杂，江苏东岸为北向流，该流与青岛以南的一股南向流在120°E，34．6°N附近形成一气旋式的涡旋；在计算域中间区域有一股从东向西流向胶州湾的流，与山东半岛东北侧的南向流在121．2°E，35．8°N附近形成一反气旋涡旋。深度平均环流主要为自南向北的北向流，在36°N附近转为东向流流出计算域。

通过比较计算域内3点的实测流速以及一点的实测环流结构得知，本文模拟的环流比较接近实际情况，为以后进一步研究浒苔的漂移轨迹等奠定基础。

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Numerical Simulation of Tidal－Wind Induced Circulation in the Western Part of South Yellow Sea in Early Summer

YU Xiao－Jie，LOU An－Aang，ZHANG Xue－Qing
（College of Environmental Science and Engineering，Ocean University of China，Qingdao 266100，China）

Based on the finite－volume ocean numerical model－FVCOM，the tidal residual current and wind－induced current in the southwest of the Yellow Sea in June are simulated．Each of the two current structure is analyzed．The result shows that the wind－induced current is the dominant part，and the impact of the south wind is predominant．The tidal residual current is relatively weaker．Then the tide and wind are co－computed，and the circulation is basically south－north structure，which indicates that wind is the main force in the sea．The simulated results agree well with the observational data in current and circulation structure．All of these establish a dynamic foundation for the further study in the track of Hutai，etc．

southwest of the Yellow Sea；summer；FVCOM；tidal residual current；wind－induced current

P722．5

A

1672－5174（2011）05Ⅱ－403－06

渤海海域溢油污染预测预警技术项目（2008－311－200－055）；国家海洋局公益性专项（200805011）资助

2010－11－30；

2011－01－12

于晓杰（1986－），女，硕士生，主要从事海洋环境动力学方向研究。E－mail：yxj2005678＠163．com

责任编辑 庞 旻