黄河口及其邻近海域水深和岸线变化对M2分潮影响的数值研究*1

2014-08-24王永刚魏泽勋方国洪陈海英高秀敏

海洋科学进展 2014年2期

王永刚，魏泽勋，方国洪，陈海英，高秀敏

(1.国家海洋局第一海洋研究所，山东青岛 266061； 2.海洋环境科学和数值模拟国家海洋局重点实验室，山东青岛 266061；3.中国科学院海洋研究所，山东青岛 266071)

王永刚1,2，魏泽勋1,2，方国洪1,2，陈海英3，高秀敏1,2

黄河口及其邻近海域水深和岸线的演化显著地影响着该海区的潮波系统。本研究收集到了1972年及2002年水深及岸线数据。在此基础上，基于ROMS模式建立了渤海海域潮波数值模式，模式采用正交曲线坐标，在黄河口及其邻近海域水平分辨率优于500 m，其它海域水平分辨率优于2 km。模式首先模拟了2002年M2分潮潮波状况，并利用实测资料进行了检验，在此基础上进一步模拟了1972年M2分潮潮波状况。对比分析表明1972—2002年黄河口外M2分潮无潮点向东北方向迁移约30 km；期间莱州湾西侧M2分潮振幅明显增强；莱州湾M2分潮迟角呈现由前进波向退化的旋转潮波系统转变的趋势。

黄河口；M2分潮；数值模拟

黄河三角洲地区是我国东部沿海资源富集和发展潜力巨大的地区之一，2009-11-23国务院正式批复《黄河三角洲高效生态经济区发展规划》，黄河三角洲地区的发展上升为国家战略，成为国家区域协调发展战略的重要组成部分。临海产业是黄河三角洲地区经济发展的重要组成部分，海上油气开发、临港物流、海洋渔业等产业将为黄河三角洲打造一个沿岸经济增长极。研究并掌握海洋环境及其变化特征，能够为科学合理地开发和利用海洋资源提供基础数据，为防灾、减灾提供科技支撑。

潮波运动是黄河口及邻近海区海洋动力过程的主要组成部分，研究该海区的潮波运动是了解该海区海洋动力环境的基础。但受黄河口水深和岸线演变的影响，黄河口及邻近海区的潮波运动产生显著地变迁，特别是M2分潮的无潮点位置随着该海区的冲淤变化而不断变动[1]。一般来说在无潮点附近潮差较小，从海洋工程的角度在设计高水位和设计低水位方面将体现一定的优越性，但在无潮点附近往往表现为强潮流区，这又需要在海洋工程设计中充分考虑强流对其的影响。可见无潮点位置的确定无论是对海洋动力环境还是对海洋工程都有重要的影响。因此，对黄河口及其邻近海区潮波的研究多集中在M2分潮无潮点位置的确定上。自Ogura[2]首次提出黄河口外存在M2分潮无潮点以来，多位学者开展了与该无潮点相关的研究工作[3-12]①方国洪.关于中国近海潮汐潮流分布的若干有待进一步研究的问题. 1986: 12-20.，这些研究均支持黄河口外M2分潮无潮点存在的事实，但不同的研究工作给出的无潮点位置尚存在一定的差异。这些差异不仅源自研究方法本身的差异，由水深岸线变化所引起的潮波系统差别也是各研究成果差异的重要原因之一。部分学者开展了水深、岸线变化对M2分潮无潮点位置的影响研究。这些研究或通过观测资料分析或借助数值模式来进行，在观测资料分析方面主要采用的是1990年以前的资料，而且资料多集中在局部海区，未覆盖整个黄河口及其邻近海区；而在数值模拟方面所采用的水深和岸线资料中最近的资料是1992年的[12]，对于水深和岸线变化剧烈的黄河口区域，此类资料很难刻画目前黄河口及其邻近海区的潮波特征。而且在数值模式方面已有的研究表明黄河口及其邻近海区的水平分辨率最高为2.0 km，这样的分辨率无法在数值模式中细致地刻画黄河口岸线分布情况，而岸线分布会对潮波的反射具有直接影响，从而影响模拟得到的无潮点的位置。另外，已有的数值研究多采用仅覆盖黄河口邻近海域的区域模式，开边界与黄河口距离有限将导致开边界条件的人为设定影响黄河口邻近海域的模拟结果。因此有必要进一步开展资料整理和分析工作，并借助高分辨率数值模式研究黄河口及其邻近海区潮波特征，为该海区的海洋工程开发及防灾、减灾提供科技支撑。

本文首先介绍水深、岸线资料收集情况以及采用的潮波数值模式设置情况；然后对模拟得到的M2分潮调和常数与验潮站资料进行比较，检验模拟结果的可靠性；在此基础上分析水深岸线变化对黄河口及其邻近海区潮波的影响。

1 资料及数值模式介绍

首先开展了典型时期水深岸线收集、整理和分析工作。收集了中国人民解放军海军司令部航海保证部1977年出版的渤海及黄海北部海图(黄河口及其邻近海域1956—1972年期间测量，本研究以此水深代表1972年水深)、2005年出版的莱州湾海图(黄河口及其邻近海域2002年测量，本研究以此水深代表2002年水深)，对海图数据进行了数字化处理和基准面订正，提取了黄河口及其邻近海域不同时期的水深和岸线资料。结合渤海其它海域水深、岸线资料，融合得到了1972年及2002年水深岸线(图1)，用于潮波模式建立。收集了研究区域内的19个站位的验潮站资料(站位分布见图1a)，用于模式的检验。

图1 潮波模式地形图及验潮站位图Fig.1 The water depth and coastline and the locations of tidal gauge stations used in the tidal model

本研究基于ROMS模式来建立潮波数值模式，该模式是一个三维、自由表面和随地海洋数值模式，目前已经被广泛地应用于海洋研究的很多领域[13-14]。为了尽量降低开边界条件对黄河口邻近海域潮波模拟的影响，本研究选取的模拟区域为(117°30′E～122°30′E，37°00′N～41°00′N)。模式的水平网格采用正交曲线坐标，在黄河口及其邻近海域水平分辨率优于500 m，其它区域优于2 km，水平网格分布见图2。模式的开边界条件同Gao等的研究[15]。

图2 模式水平网格分布Fig.2 Distribution of horizontal grids of the model

2 模式结果

2.1 模拟结果检验

首先运行2002年水深岸线状况下的渤海海域M2分潮潮波数值模式，模式运行20个潮周期达到稳定后，对最后两个潮周期的模拟结果进行调和分析得到渤海海域M2分潮的同潮图(图3b)。由图可见，模拟得到的渤海海域M2分潮潮波分布特征与Gao等研究[15]的同化模式结果基本一致。M2分潮在渤海存在两个无潮点，分别位于黄河口附近和秦皇岛外海，同潮时线以逆时针方向绕无潮点旋转；M2分潮的振幅在辽东湾湾顶附近最大，可达130 cm，渤海湾湾顶次之，接近120 cm，莱州湾内潮汐振幅最小。

利用收集的19个验潮站资料对模拟结果进行了检验。表1为模拟结果与验潮站资料(站位见图1a)的比较，可见振幅最大偏差出现在龙口附近，为10 cm，迟角偏差较大的站位主要位于渤海湾(11站、14站和15站)。统计分析显示，模拟M2分潮的振幅绝均差为4.0 cm，迟角绝均差为4.6°。模拟结果与验潮站资料间的差异一方面可能源自模式模拟偏差。另一方面，模式模拟得到的是针对2002年水深岸线下的潮波状况，而本文收集的验潮站调和常数为多年资料调和分析结果(无法得到2002年潮汐调和常数)，鉴于水深岸线变化可能对部分验潮站调和常数存在影响，由此也会导致模拟结果与验潮站资料间的差异。考虑到本文主要关注于水深和岸线变化对潮波传播的影响，该模式在合理地模拟了渤海海域潮波的基础上，能够适用于本研究。

表1 M2分潮模拟结果检验Table 1 Validations of the results from the simulation of M2 tide component

图3 模拟得到的M2分潮同潮图Fig.3 The co-tidal charts for M2 tide component obtained by numerical simulation

2.2 水深岸线变化对潮波影响的模拟

基于建立的2002年水深岸线状况下的渤海海域M2分潮潮波数值模式，在模式参数设置不变的情况下，把模式水深岸线替换为1972年情况(图1a)，模拟得到了1972年水深岸线状况下的渤海海域M2分潮(图3a)。图3a和图3b差异主要体现在黄河口及其邻近海域。首先黄河口外无潮点的位置向东北方向发生了显著变迁；另外，随着黄河口岸线向东侧延伸，莱州湾西侧潮波振幅明显增强，而渤海湾湾顶的振幅则呈减弱趋势，对渤海中部及辽东湾的影响不显著。图4为变化最为显著的黄河口及莱州湾海域局部放大后的M2分潮同潮图。伴随着1976年黄河由渔洼改道由清水沟流路入海，黄河口迅速向外海延伸，最大淤进约40 km[16]，这期间该海域的潮波系统也发生了显著的变化。模拟得到的1972年M2分潮无潮点位置为(118°55′48″E，38°03′36″N)，2002年该无潮点向东北方向移动至(119°06′00″E，38°14′24″N)，迁移距离约30 km。莱州湾西侧M2分潮的振幅由1972年的60～70 cm增加至70 cm以上，甚至超过80 cm。同潮时线分布特征也发生了显著的变化，黄河口向外海延伸后莱州湾海域M2分潮呈现由前进波向退化的旋转潮波系统转变的趋势。

图4 黄河口及莱州湾海域M2分潮同潮图Fig.4 The co-tidal charts for M2 tide components in the Yellow River Estuary and the Laizhou Bay

本文所构建的1972年和2002年水深岸线情况下的潮波模式均采用统一的网格和开边界条件，因此无潮点的迁移主要由水深和岸线变化所致。本文通过数值试验进一步分析水深变化和岸线变化对潮波传播影响的贡献。数值试验以2.1节构建的2002年潮波模式为基础，在2002年水深情况下采用1972年岸线组成试验情景，模拟试验情景下潮波。模拟结果表明，在该情景条件下黄河口及其邻近海域M2分潮潮波特征与2002年模拟结果比较相近，黄河口外M2分潮无潮点向西南偏移，但偏移量不大，可见水深的变化对黄河口及其邻近海域M2分潮变化起着决定性作用。

3 讨论

本研究数值分析了水深岸线变化对黄河口及其邻近海域M2分潮的影响，对比黄河口及莱州湾海域局部放大后的M2分潮同潮图(图4a和图4b)可见，在本研究所采用的各代表年份水深岸线情况下，黄河口外M2分潮无潮点呈向东北方向迁移的趋势。乐肯堂等[1]和郝琰等[12]均数值研究了岸线变迁对M2分潮无潮点位置的影响。在郝琰等[12]的研究中涉及了与本研究同期的模拟结果，其研究结果表现为1968—1992年M2分潮无潮点位置向东南移(向东移2′，向南移2′)，其研究还预测2010年M2分潮无潮点位置较1968年沿纬向东移10′。本研究显示1972—2002年M2分潮无潮点向东北移(向东移10′，向北移8′)。不同研究间的差异主要源于以下几个方面：

1)模式模拟区域及水平分辨率不同。乐肯堂等[1]和郝琰等[12]均为(118°10′E～119°40′E，37°12′N～38°40′N)，水平分辨率分别为2.968 km和2.0 km。本研究为了尽量降低开边界条件对黄河口及其邻近海域的影响，模拟区域为整个渤海，开边界条件取在122°30′E，在重点关注海区水平分辨率优于500 m，以便于更好地刻画岸线变化情况。通过对比模拟得到的各时期渤海海域M2分潮同潮图(图3和图5)可见，水深岸线的变化不仅影响黄河口邻近海域的M2分潮潮波系统，还会对渤海湾和莱州湾内的潮波系统产生影响，因此利用较大区域模式比如覆盖整个渤海海域来研究黄河口及其邻近海域水深岸线变化对潮波的影响更为合理。

2)模式所采用的水深和岸线存在差异。乐肯堂等[1]和郝琰等[12]采用的水深岸线源自相关海域的内部资料或内部报告，而本研究所用的水深岸线主要源自海司航保部出版的海图。水深和岸线的不同也是导致研究结果存在差异的原因之一。

4 结语

本研究通过模拟1972年和2002年M2分潮在渤海海域的分布特征，分析了黄河口及其邻近海域水深岸线变化对M2分潮影响，结果显示：

黄河口及其邻近海域水深和岸线变化对黄河口外M2分潮无潮点位置影响显著，1972—2002年该无潮点向东北方向迁移约30 km；

1972—2002年莱州湾西侧M2分潮的振幅明显增强，多数海域增强可达10 cm；莱州湾M2分潮同潮时线分布特征也发生了显著的变化，黄河口向外海延伸后莱州湾海域M2分潮呈现由前进波向退化的旋转潮波系统转变的趋势。

由于本研究收集的1972年和2002年的水深资料源自不同比例尺海图，且海图水深采样精度低于模式水平分辨率，本研究所用的水深与同期实际水深可能存在一定的差异，由此会部分影响模拟结果的准确性比如无潮点的具体位置，但本研究所给出的潮波变化趋势，即无潮点迁移规律、迟角和振幅的变化特征等还是可靠的。另外，模拟结果体现的黄河口水深岸线变化对邻近的莱州湾和渤海湾均有影响，表明利用渤海海域模式来研究黄河口及其邻近海域水深岸线变化对潮波的影响较小区域模式(仅包含黄河口及其邻近海域的模式)更为科学合理。

[1] LE K T, LIU X Q, SHI J X. A numerical study on the effect of the changes of the Huanghe River Estuary on the tidal waves movement in its adjacent sea area[J]. Studia Marina Sinica, 1995,(00):33-46. 乐肯堂，刘兴泉，史久新.黄河口的变迁对邻近海区潮波运动影响的数值研究[J].海洋科学集刊,1995,(00):33-46.

[2] OGURA S. The tides in the northern part of the Hwang Hai[J]. Japanese Journal of Astronomy and Geophysics, 1936, 14(1): 27-55.

[3] SHEN Y J. Numerical computation of tides in the East China Sea[J]. Journal of Shandong College of Oceanology, 1980, 10(3): 26-35. 沈育疆.东中国海潮汐数值计算[J].山东海洋学院学报,1980,10(3):26-35.

[4] FANG G H, YANG J F. A two-dimensional numerical model of the tidal motions in the Bohai Sea[J]. Oceanologia et Limnologia Sinica, 1985, 16(5): 337-346. 方国洪，杨景飞.渤海潮运动的一个二维数值模型[J].海洋与湖沼,1985,16(5):337-346.

[5] SHI M C, ZHAO J P. The analysis of hydrographical characteristics in the nontidal region M2near the Delta of the Huanghe River[J]. Journal of Shandong College of Oceanology, 1985, 15(1): 127-136. 侍茂崇，赵进平.黄河三角洲半日潮无潮区位置及水文特征分析[J].山东海洋学院学报,1985,15(1):127-136.

[6] FANG G H. Tide and tidal current charts for the marginal seas adjacent to China[J]. Chinese Journal of Oceanology and Limnology, 1986, 4(1): 1-16.

[7] HUANG Z K. Tidal waves in the Bohai Sea and their variations[J]. Journal of Ocean University of Qingdao, 1991, 21(2): 1-12. 黄祖珂.渤海的潮波系统及其变迁[J].青岛海洋大学学报,1991,21(2):1-12.

[8] LIU A J, LI K P, HUANG Y C. Location of amphidromic point in the Yellow River Estuary adjacent sea area[J]. Acta Oceanologica Sinica, 1991, 13(4): 576-580. 刘爱菊，李坤平，黄易畅.黄河口邻近海域无潮点的确定[J].海洋学报,1991,13(4):576-580.

[9] DOU Z X, YANG L W, OZER J. Three-dimensional numerical modeling of tidal currents in the Bohai Sea[J]. Acta Oceanologica Sinica, 1993, 15(5): 1-15. 窦振兴，杨连武，OZER J.渤海三维潮流数值模拟[J].海洋学报,1993,15(5):1-15.

[10] ZHANG Z H, WU H D. Numerical computation of tide and tidal current in the Bohai Sea[J]. Marine Forecasts, 1994, 11(1):48-54. 张占海，吴辉碇.渤海潮汐和潮流数值计算[J].海洋预报,1994,11(1):48-54.

[11] YE A L, MEI L M. Numerical modeling of tidal waves in the Bohai Sea, the Huanghai Sea and the East China Sea[J]. Oceanologia et Limnologia Sinica, 1995, 26(1): 63-70. 叶安乐，梅丽明.渤黄东海潮波数值模拟[J].海洋与湖沼,1995,26(1):63-70.

[12] HAO Y, LE K T, LIU X Q. A numerical prediction of the tidal characteristics in 2010 off Yellow River Delta[J]. Marine Sciences, 2000, 24(6): 43-46. 郝琰，乐肯堂，刘兴泉.黄河三角洲海区2010年潮波分布特征的数值预测[J].海洋科学，2000，24(6)：43-46.

[13] SONG Y, HAIDVOGEL D B. A semi-implicit ocean circulation model using a generalized topography-following coordinate system[J]. Journal of Computational Physics, 1994, 115 (1): 228-244.

[14] HAIDVOGEL D B, ARANGO H G, HEDSTROM K, et al. Model evaluation experiments in the North Atlantic Basin: Simulations in nonlinear terrain-following coordinates[J]. Dynamics of Atmosphere and Oceans, 2000, 32: 239-281.

[15] GAO X M, WEI Z X, WANG Y G, et al. Data assimilation of tides in the Bohai Sea using the adjoint method[J]. IEEE, 2011, 2: 1081-1084.

[16] YIN Y H, ZHOU Y Q, DING D. Evolultion of modern Yellow River Delta coast[J]. Marine Science Bulletin, 2004, 23(2)：32-40. 尹延鸿，周永青，丁东.现代黄河三角洲海岸演化研究[J].海洋通报，2004，23(2)：32-40.

ANumericalStudyontheEffectofChangesinWaterDepthandCoastlineonM2TidalComponentNeartheYellowRiverEstuary

WANG Yong-gang1,2, WEI Ze-xun1,2, FANG Guo-hong1,2, CHEN Hai-ying3, GAO Xiu-min1,2

(1.FirstInstituteofOceanography,SOA, Qingdao 266061, China;2.KeyLabofMarineScienceandNumericalModeling,SOA, Qingdao 266061, China;3.InstituteofOceanology,ChinaAcademyofSciences, Qingdao 266071, China)

Based on the data of water depth and coastline collected in the area near the Yellow River Estuary in 1972 and 2002, the effects of variations in water depth and coastline on M2tidal component in the study area are studied and a tidal wave numerical model, which uses the orthogonal curvilinear coordinates, is established for the area of the Bohai Sea on the basis of ROMS model. The horizontal resolution of this model is superior to 500 m in the Yellow River Estuary and its adjacent areas and to about 2 km in other areas. The M2tidal wave system in the study area in 2002 is firstly simulated based on the model and the results thus obtained are examined with the measured data. Then, the M2tidal wave system in 1972 is simulated with the same model. Comparison of the two numerical results indicates that the amphidromic point of M2in the area out of the Yellow River mouth moved about 30 km northeastward in the period from 1972 to 2002. During this period, the amplitude of M2tide component at the western side of the Laizhou Bay intensified obviously and the phase lag of the M2in the bay showed a trend of transforming from progressive waves to a degraded amphidromic system.

the Yellow River Estuary; M2tide component; numerical simulation

June 3rd, 2013

2013-06-03

国家科技支撑计划——渤海水交换与环境容量评价技术研究(2010BAC69B01)；国家自然科学基金——渤海海峡水交换及其机制研究(40976016)；海洋公益性行业科研专项经费——山东半岛蓝色经济区建设的海洋空间布局优化技术体系及决策服务系统应用示范(201205001)；国家海洋局第一海洋研究所基本科研业务费专项——黄河口及其邻近海域潮波系统及其变迁的分析和数值研究(2010G07)

王永刚(1977-)，男，内蒙古赤峰人，博士，副研究员，主要从事潮汐潮流和海洋环流方面研究.E-mail:ygwang@fio.org.cn

(王燕编辑)

P731.23

1671-6647(2014)02-0141-07