渤黄海潮汐潮流精细化数值模拟及可视化预报系统

冯兴如 ，尹宝树 ，杨德周

（1.中国科学院 海洋研究所,山东青岛266071;2.中国科学院研究生院，北京100049；3.中国科学院海洋环流与波动重点实验室,山东青岛 266071）

渤黄海潮汐潮流精细化数值模拟及可视化预报系统

冯兴如1,2,3，尹宝树1，3，杨德周1，3

（1.中国科学院 海洋研究所,山东青岛266071;2.中国科学院研究生院，北京100049；3.中国科学院海洋环流与波动重点实验室,山东青岛 266071）

利用有限元海洋模式ADCIRC（Advanced Circulation Model）,建立了高分辨率的渤黄海二维潮汐潮流数值模型，该模型以M2，S2，K1，O1等8个分潮的水位作为驱动，模拟出了该8个分潮的潮汐潮流调和常数；利用该调和常数预报的潮位和二维平均潮流与实测资料相比，符合较好；利用模拟得到的潮汐潮流调和常数，以Matlab为平台，建立了能独立运行的可视化潮汐潮流预报系统,该系统可以预报渤黄海任意时刻、任意地点的潮位和平均潮流，并且可以查询渤黄海任意地点的部分潮汐特征值，该系统运行快捷，使用方便，可为海上作业提供环境预报服务。

ADCIRC模式；潮汐潮流预报系统；渤黄海

1 引言

潮汐潮流对人类在近岸的活动有着很大的影响，因此潮汐潮流的预报是一个海洋研究中重要而久远的话题。传统的方法一般采用潮汐潮流图表，这种方法只能预报有限站位，使用不方便，且不适合外海使用，因此开展区域海洋的微机化潮汐潮流预报系统就显得非常有必要。方国洪等[1]在2005—2006年期间通过同化高度计和沿岸站的资料，得到了分辨率为5'×5'的潮汐潮流预报产品，该预报产品覆盖了我国近海各海区，可预报任意时刻和地点的潮汐潮流；中国海洋大学开发的Chinatide[2]潮汐预报软件，可以对中国近海各海区和日本海的一部分进行潮汐预报，其分辨率也是5'×5'。但是近岸地形和岸线复杂，5'×5'的分辨率有时不能满足要求，因此在近岸开展更高分辨率的潮汐潮流数值模拟及预报系统的开发就非常有意义。

非结构网格的海洋模式能够对岸线复杂，地形变化剧烈的海域进行高分辨率的模拟，因此其越来越多地被用来进行近岸和河口的数值研究。例如，王培涛等[3]利用基于三角形网格的ELCIRC(3D Eulerian-Lagrangian Circulation)海洋模型，对黄渤海的温带风暴潮进行了高分辨率的数值模拟；冯兴如等[4]利用有限体积海洋模式FVCOM（Finite Volume Coast and Ocean Model）对龙口海域的潮汐潮流进行了精细的数值研究。本文首先利用非结构网格的有限元海洋模式ADCIRC（Advanced Circulation Model）[5]模拟得到渤黄海近岸高分辨率的潮汐潮流调和常数，然后基于这些调和常数，以matlab为平台开发了一套可视化的潮汐潮流预报系统。

2 ADCIRC模式简介及设置

ADCIRC是美国北卡罗来纳州大学开发的有限元海洋模式，该模式可以采用笛卡尔坐标，也可以采用球坐标，有二维和三维两种运行方式。该模式采用三角形网格，易于拟合边界，可以对岸线复杂的海域进行高分辨率的数值模拟。二维ADCIRC模型采用沿水深积分的时均连续方程和运动方程,其表达式为:

其中,t为时间,x和y分别为x轴和y轴方向，ζ为从平均海平面起算的水位高度，U和V分别表示x和y方向垂向平均流速，H为总水深，f为科氏力系数，Ps为表面大气压力，ρ0为水密度，g为重力加速度，(η+γ)表示牛顿潮势和固体潮作用，τsx和τsy表示表面风应力和波浪辐射应力的x和y向分量，τbx和τby、Dx和 Dy、Bx和 By分别代表底部切应力、扩散项以及斜压梯度的x和y向分量。

本文采用的是二维球坐标系，模式的分辨率由渤黄海海中央的5'逐渐过渡到近岸的1'（见图1），一共61357个节点，117265个三角形网格。边界上采用M2,S2,K1,O1,N2,S2,P1，Q1共8个分潮的调和常数预报的水位作为驱动，边界上的调和常数来自NAO99潮汐模型[6]。 模式时间步长为10 s。

3 模式结果与验证

模式一共运行50天，采用后40天的数据进行调和分析。得到了和边界驱动对应的8个分潮的潮汐潮流调和常数。由于篇幅限制，本文只给出其中M2和K1分潮的同潮图（见图2），从图2可以看出，该模式成功模拟出了半日分潮M2在渤黄海的4个无潮点和全日分潮K1在渤黄海的2个无潮点，模式模拟的M2和K1的同潮图，同《渤海黄海东海海洋图集》[7]（水文）里相应的同潮图基本一致。

图1 模式计算网格

图2 M2，K1分潮同潮图，虚线为等振幅线，实线为等迟角线（格林威治迟角）

图3 观测点位置示意图

图4 水位模拟结果与实测结果对比图

图5 流速模拟结果与实测结果对比图

为了进一步验证模式结果，我们搜集了渤黄海四个观测点的一些实测的水位和流速资料，将这四个观测点分别标记为A，B，C，D，其位置见图3。这四个观测点的资料情况是：A，D两点仅有水位资料，B点仅有流速资料，C点既有流速又有水位资料。利用模拟的调和常数预报的潮位和平均潮流与实测资料的对比情况分别见图4和图5。

四个观测点的对比结果显示，调和常数预报的水位和流速与实测值的位相基本重合，水位绝对误差的平均值为15 cm，而利用NAO99资料预报的水位与上述实测水位的绝对误差平均值为17.8 cm，因此本文得到的调和常数在中国的近岸能更好一些；流速东分量绝对误差的平均值8.95 cm/s,流速北分量绝对误差的平均值为9.22 cm/s。我们认为，这些误差都在可以接受的范围内。模拟结果与实测结果的误差可能来源于开边界的的驱动、地形精度和模式参数的设置等。

4 可视化潮汐潮流预报系统的实现

为了快速方便地将模拟得到的潮汐潮流调和常数用来预报潮位和潮流，我们以Matlab为平台，开发了能独立运行，可视化的潮汐潮流预报系统，其界面见图6。该系统分为输入区、查询功能区和预报功能区。

4.1 系统工作原理

图6 渤黄海潮汐潮流预报系统界面

预报功能区工作原理为：系统根据用户在输入区输入的经纬度和时间信息，自动寻找和输入地点最近的网格点，得到该地点的潮汐潮流调和常数，然后自动调用t_tide[9]函数，预报所要求时刻的潮汐和平均潮流值，并显示在界面的相应位置。

4.2 系统使用方法

输入区的使用：在输入区，用户可以手动输入要预报的时间，经纬度。如果想自动输入当前时间，可以点“现在时间”按钮。

查询功能的使用：点击“查询”按钮，系统便会根据用户输入的经纬度查询该位置的潮汐类型、潮流类型、平均大的潮差或者平均大潮差。当潮汐类型为“正规半日潮”时只显示“平均大潮差”的结果，“平均大的潮差”显示为“无”，当潮汐类型为“正规半日潮”以外的类型时，只显示“平均大的潮差”的结果，“平均大潮差”显示为“无”。

预报功能的使用：点击“预报”按钮，系统会根据用户输入的经纬度和时间来预报该地点输入时刻的水位和潮流、流向，并把结果显示在相应的文本框里，其中流速方向的规定为：流向北为0°，东为90°，南为180°，西为270°。同时在界面的左下方，会显示输入时刻之后12小时的潮位变化曲线，在该曲线图里，会自动标出输入时刻之后的12小时里，出现最大和最小潮位的时刻以及对应的水位值。

5 总结与未来工作展望

本文开发的潮汐潮流预报系统具有近岸高分辨率，运行快捷方便等特点，可以为海上作业提供海洋环境预报和查询服务，未来的工作主要集中在：（1）搜集更多的实测数据，不断改善模式模拟的结果；（2） 重点区域再加密，在一些重要的港口和城市进行分辨率更高的模拟；（3） 将模式从二维发展到三维，使系统可以预报任意时刻和深度的潮流；（4） 外拓模式的开边界，以保证边界上调和常数的准确性。

致谢：感谢美国北卡罗来纳州大学提供ADCIRC模式源代码。

[1]方国洪,魏泽勋,王永刚.我国潮汐潮流区域预报的发展[J].地球科学进展,2008,23(4):331-336.

[2]李孟国,郑敬云.中国海域潮汐预报软件Chinatide的应用[J].水道港口,2007,28(1):65-68.

[3]王培涛,董剑希,赵联大等.黄渤海精细化温带风暴潮数值预报模式研究及应用[J].海洋预报,2010,27(4):1-8.

[4] 冯兴如,杨德周,尹宝树.FVCOM在龙口海域潮汐潮流模拟中的应用研究[J].海洋科学,2010,34(6):94-99.

[5]Luettich R A,Hu J S,Westerrink J J.The development of the direct stress solution technique for three-dimensional hydrodynamic models using finite elements[J].International Journal for Numerical Methods in Fluids,1994,(19):295-319.

[6]Matsumoto K,Takanezawa T,Ooe M.Ocean tide Models Developed by Assimilating TOPEX/POSEIDON Altimeter Data into Hydrodynamical Model:A Global Model and a Regional Model around Janpan[J].Journal of Oceanography,2000,56:567-581.

[7]海洋图集编委会.渤海黄海东海海洋图集(水文)[M].北京:海洋出版社,1993.429-432.

[8]方国洪,郑文振,陈宗镛等.潮汐和潮流的分析和预报[M].北京:海洋出版社,1986.216-233.

[9]Pawlowicz R,Beardsley B,Lentz S.Classical tidal harmonic analysis including error estimates in MATLAB using T_TIDE[J].Computers and Geosciences,2002,28:929-937.

Refined simulation and establishment of a tide and tidal current forecasting system in the Bohai Sea and the Yellow Sea

FENG Xin-gru1,2,3,YIN Bao-shu1,3,YANG De-zhou1,3

(1.Institute of Oceanology,the Chinese Academy of Sciences,Qingdao 266071 China;2.Graduate School,the Chinese Academy of Sciences,Beijing 100049 China;3.Key Laboratory of Ocean Circulation and Wave,the Chinese Academy of Sciences,Qingdao 266071 China)

A refined two-dimensional tide and tidal current model is built based on the finite element ocean model ADCIRC(Advanced Circulation Model).The model is forced by 8 tide constituents of M2,S2,K1,O1,etc,and the corresponding 8 tide harmonic constituents are calculated using the model result.The tide and tidal current forecasted by the calculated harmonic constituents agrees well with the observation.A visual tide and tidal current forecasting system which can be operated independently is established based on Matlab.The system can forecast the tide and depth-integrated tidal current in the Bohai Sea and the Yellow Sea.Some of the tide characteristics also can be shown through the system.The tide and tidal current forecasting system can be operated fast and conveniently and provide forecasting service for the offshore operation.

ADCIRC model;tide and tidal current forecasting system;Bohai Sea and Yellow Sea

P731

A

1003-0239（2011）04-0065-05

2010-11-01

中科院创新项目（KZCX2-YW-BR-215-3）；中科院创新项目群（KZCX2-YWQ07-01）；国家“908”补充调查项目（908-01-BC12）；“908”“风暴潮灾害对沿海地区社会经济发展综合评价”（908-02-03-02）

冯兴如（1984-），男，博士研究生，主要从事浪流相互作用研究，E-mail:fengxingru07@qdio.ac.cn