渤海示踪物输移扩散季节性变化的研究

孟庆佳，雷坤，刘瑞志

（1.环境基准与风险评估国家重点实验室中国环境科学研究院，北京100012；2.大气科学和地球流体力学数值模拟国家重点实验室 中国科学院大气物理研究所，北京100029）

1 引言

渤海是半封闭的内海，平均水深18 m，海区北面、西面和南面分别为辽东湾、渤海湾和莱州湾，渤海东面以渤海海峡与黄海相通（见图1）。关于渤海的潮汐和潮流，从20 世纪80年代起就开展了许多数值模拟研究工作，并取得了初步研究成果（沈育疆[1]，1980；Cao 等[2]，1989；赵保仁等[3]，1994；Yanagi等[4]，1994；叶安乐等[5]，1995；Kang等[6]，1998)。随着计算机技术的发展和计算能力的大幅度提高，国内外学者对渤海及黄海、东海的三维潮流进行了大量的数值模拟工作（Guo等[7]，1998；王凯等[8]，1999；Bao等[9]，2001；Zhang 等[10]，2006；朱学明和刘桂梅[11]，2012)。渤海环流由潮致余流、风生环流和热盐环流组成，大体是由高盐的黄海暖流余脉和低盐的渤海沿岸流所组成。近年来，随着渤海观测资料的增多和数值计算技术的发展，人们加深了对渤海环流结构的认识和理解，但仍存在争议。王辉等[12]（1993）用数值方法得到的渤海环流主体绝大多数是呈反时针方向的；赵保仁[3]（1994）由实测资料分析认为辽东湾、莱州湾为顺时针的环流结构，指出渤海湾则北部沿逆时针方向，南部沿顺时针方向的双环结构；Fang[13]（2000）认为渤海湾、莱州湾为逆时针方向，渤海中部为顺时针方向，渤海中部靠西岸一侧为逆时针，辽东湾北部为顺时针等多个涡旋组成；Wei 等[14]（2001）用三维的斜压模式HAMSOM 模拟了冬季和夏季的渤海环流，发现季风是渤海环流发生季节变化的主要原因，影响着渤海绝大部分海区的环流流型。万修全等[15]（2003）利用ECOMSED模拟了胶州湾的潮流和示踪物的分布及扩散规律。为更好的理解渤海季节环流和示踪物扩散规律，本文利用一个三维斜压海洋模式模拟研究渤海夏季和冬季的潮汐和环流情况，以及渤海示踪物的输运转移规律。

2 模式和数据

本文的数值模式采用Regional Ocean Mideling System（ROMS）的模型是由美国Rutgers 大学和UCLA 所共同开发的区域海洋模式系统，目前正在海洋研究领域得到广泛的应用。该模式基于三维非线性斜压原始方程，水平方向使用曲线正交的Arakawa 网格，垂直方向采用跟随地形可伸缩的S坐标系统，具有自由表面，可以模拟多种尺度的运动。ROMS 功能比较完善，除水动力模块外，还包含海冰模块、生态模块、沉积模块和数据同化模块等；具有封闭式、周期性、指示性、辐射和无梯度等多种边界条件；湍封闭模型也有多种混合方案。

本文模拟研究区域包括整个渤海，计算海区为37.0o—41.03oN，117.47o—122.3oE所覆盖的范围，水平分辨率2’×2’，网格数是122×146，垂向分10层，外模时间步长取为300 s，内模时间步长为60 s。模式考虑实际海底地形，模式的西、北、南边界取为闭边界，东边界为开边界，开边界位置设在远离渤海海峡的北黄海122°30′E断面（见图1），模式考虑8个分潮，分别为K1，O1，P1，Q1，M2，S2，N2 和K2（资料来源于http://volkov.oce.orst.edu/tides/TPXO 7.2.html），并通过潮水位和流速从开边界引入。根据前人的经验，将渤海的底摩擦设定为0.0012。模式所采用的强迫均为气候态资料，海气热通量、水通量和风应力数据采用COADS[Diaz等[16]，2002]的多年平均资料。温、盐初始条件数据取自WOA09资料多年夏季和冬季的温、盐场（http://www.nodc.noaa.gov/OC5/WOA09/pubwoa09.html）。图2 是模式在夏季（6—8月）和冬季（12—2月）的风应力强迫场，温、盐初始场的空间分布。从图中可以明显看到，渤海海域受季风影响显著，夏季为东南风，冬季为西北风。模式以300 s 时间步长从初始场模拟运行了90天，采用最后30天的潮波数据用于计算。

图1 渤海的地形图及模式分辨率（从西到东的星号标记分别是天津港附近海域、黄河口附近海域、莱州湾海域、秦皇岛港附近海域、渤海中部海域、辽东湾中部海域、烟台港附近海域、大连港附近海域、营口港附近海域）

3 渤海水动力数值模拟

3.1 潮流场

图3 给出了模拟的当前海平面背景下M2、S2、K1和O1分潮波的同潮图。M2、S2潮波系统的分布特征大致相似：在渤海有两个旋转潮波系统，无潮点分别位于秦皇岛外海和黄河口附近外海。潮波经渤海海峡进入渤海，沿逆时针方向传播；一支向北，左旋形成以秦皇岛外海为中心的辽东湾潮波系统；另一支向西，左旋形成以老黄河口为中心的潮波系统。受科氏力的作用，同潮时线绕其无潮点作逆时针旋转；振幅在辽东湾顶达到最大值，约为120 cm。K1、O1潮波系统分布特征也相似：在渤海有一个旋转潮波系统，无潮点位于渤海海峡附近。最大振幅出现在渤海湾，K1 分潮振幅比O1 分潮大。模式模拟结果与前人一致（Fang[17], 1986；Yanagi 等[4]，1997；Guo 和Yanagi[7]，1998；Bao 等[18]，2000，Liu等[19]，2003；Fang等[20]，2004）。

3.2 环流

图4是模拟的渤海夏季表层和深度平均的环流图。从图中可见，渤海夏季存在着多个涡旋结构：辽东湾中部的逆时针涡环、渤海海峡北部的逆时针涡环以及渤海中部的顺时针流环。深度平均流与表层流的结构基本一致，但多涡旋结构更加显著，同时，夏季水体主要从表层流出渤海，在深层流入渤海。赵保仁等[3]（1994）指出渤海湾的环流应该是双环结构。在本文的模拟结果中，在渤海湾内也能看到这种流动的态势，呈南一北向配置，北面的涡环较强。在渤海海峡外黄海海域存在着一个逆时针向的涡旋，范围较大，几乎占据了整个渤海海峡-黄海海区。北岸有一支沿岸流流入渤海，流幅较窄，流速较大，达10 cm/s，在渤海海峡北部汇入了逆时针大涡旋。

图2 渤海夏季和冬季的风应力强迫场以及温、盐初始场的空间分布

冬季渤海海温最低，风速最大，上下混合非常充分，因此密度梯度较小，从而渤海冬季的环流情况主要受风应力和潮汐动力影响。图5是冬季深度平均的环流场，如图所示，渤海冬季流场特别是深度平均流场由多个涡旋组成，最明显的就是渤海中部存在的一个顺时针的大涡旋，它应该是风生补偿流在地形诱导下形成的。渤海湾和莱州湾的流场则主要为气旋式的涡旋所占据，并且靠近岸边一侧，流速偏大，形成一股较明显的沿岸流。在渤海海峡的流动为北进南出，冬季渤海总体环流基本表现为风海流。

4 示踪物输运迁移

针对港口污染和海上突发性污染事件，我们模拟了不同港口和海域处水体示踪物的输运迁移过程，我们在渤海典型港口和海域选取了9 个区域进行水体示踪剂的释放，利用模式进行跟踪模拟，9个

区域分别是辽东湾中部海域、营口港附近海域、秦皇岛港附近海域、天津港附近海域、黄河口附近海域、莱州湾海域、烟台港附近海域、大连港附近海域以及渤海中部海域，具体位置如图1所示。

本模式所用的示踪物（Tracer），为被动示踪剂，相当于海水染色剂，其不改变海水的动力学性质，不影响动力场，只示踪海水的运动，其可以代表一切溶于水的示踪物浓度。本文主要考虑示踪物输运扩散的季节性特点，因此，潮流的影响和作用基本忽略。

4.1 夏季

图6 是模式稳定后，渤海夏季水体示踪物输运迁移过程分布图（每5天的示踪物分布）。从图中可以看出水体示踪物的输运迁移主要受局部流场的影响显著。营口港附近水体示踪物主要沿岸自东向西输运，主要扩散范围局限于辽东湾北部沿岸海域，并且在75 天后示踪物输运到葫芦岛附近海域时，浓度显著降低。辽东湾中部海域水体受局地的逆时针流场影响，自葫芦岛南部海域沿岸向西南方向扩散，大部分水体示踪物受辽东湾逆时针环流的影响北上至原海域，但浓度已经显著降低。秦皇岛港口附近海域大部分水体示踪物主要沿岸向南流向渤海湾，并且最终与天津港附近的水体汇合集中于渤海湾的北部沿岸海域。天津港附近水体示踪物主要在渤海湾北部海域聚集。黄河口东营港附近大部分水体示踪物在渤海湾南部海域聚集，小部分水体受渤海湾北部逆时针环流影响流出渤海湾，不过浓度已显著降低。莱州湾内流速较小，水体示踪物大都在莱州湾内输运，主要集中于莱州湾西南部沿岸海域。渤海海峡外附近为逆时针流场，北进南出，因而大连附近水体很快（10天内）流向渤海内部，而烟台附近的则在15 天左右流出渤海进入黄海。渤海中部海域水体主要受顺时针流场影响，在渤海中部流动，大约55天后与辽东湾中部水体示踪物汇合后北上，部分示踪物受沿岸流向南流动，在渤海中北部海域形成西南-东北走向的狭长带状分布。

从图中可以看出，针对9大区域的示踪物影响，在夏季示踪物经过80 天输运扩散后，浓度显著降低，示踪物主要集中于渤海湾、莱州湾西南部、渤海中北部海域以及秦皇岛港附近海域。其中渤海湾最为严重，既有天津港口附近的水体示踪物，又有秦皇岛港和东营港的示踪物，且不易流出渤海湾，示踪物可长时间停留在渤海湾。莱州湾西南部比较严重，由于流速小，莱州湾内的污染聚集与此，不宜与外海域进行交换。秦皇岛港南部海域也比较严重，为示踪物的汇，这可能与地形有关，沿岸南向流受地形影响变弱，使得示踪物在此聚集，不宜向外交换。此外，渤海中北部也是示踪物的聚集地，此处示踪物大都是从渤海中部漂流而来，小部分由辽东湾中部漂流。

4.2 冬季

图7 是模式稳定后，渤海冬季水体示踪物输运迁移过程分布图（每5 天的示踪物分布）。对比图6可以看出渤海水体示踪物在冬季和夏季的输运存在很大不同。营口港水体示踪物主要沿岸自北向南流动，50 天后在长兴岛附近聚集，同时浓度显著降低。辽东湾中部水体呈顺时针沿岸流动，一直至长兴岛北部，大部分示踪物经过100 天左右重新进入顺时针环流。秦皇岛附近海域的水体主要在秦皇岛港附近海域循环流动，还有一些示踪物受沿岸流的影响沿岸向北流动，这些示踪物在约40天后与辽东湾的示踪物汇合，部分进入辽东湾顺时针环流，流向辽东湾北部，另一部分继续沿岸北上，在约80 天后到达葫芦岛附近。渤海中部海域大部分在渤海中部循环流动，但还有小部分示踪物进入秦皇岛逆时针环流，从而影响秦皇岛附近海域。天津港附近水体逆时针沿岸向南流动，在渤海湾南部营口港附近向北流动再次进入渤海湾。东营港附近水体示踪物的分为两支，一支与天津港的水体示踪物汇合进入渤海湾，另一支沿岸向东南流向莱州湾，并与莱州湾的水体汇合在湾内沿岸扩散，并长时间聚集。莱州湾内部水体示踪物大部分主要在湾内流动，与东营港漂流而来的水体示踪物聚集于莱州湾南部沿岸。渤海海峡外北端为西向流，中南部为逆时针环流，大连港水体示踪物很快流入渤海海域，烟台水体示踪物在10 天左右流出渤海，进入黄海。

从图中可以看出，针对9大区域的示踪物影响，在冬季示踪物经过80 天输运扩散后，浓度显著降低，示踪物主要集中于渤海湾南部入口处、莱州湾、辽东湾东北部沿岸、以及秦皇岛港附近海域。冬季渤海三大湾沿岸海域均受到不同程度的污染，不过与夏季存在不同。渤海湾主要是南部沿岸海域受到污染严重，莱州湾内海域示踪物不宜流出莱州湾，同时受到东营港的水体示踪物影响严重，使得莱州湾内海域和沿岸海域均受到严重污染。辽东湾的污染主要是由辽东湾中部的示踪物引起的，示踪物并没有在某处海域聚集，而是随着海流不断漂流，但辽东湾东北部沿岸海域受到污染较为严重。秦皇岛的水体示踪物在冬季的影响与夏季不同，主要影响附近沿岸及其北部海域，甚至可以影响到葫芦岛附近海域。

5 结论

（1）本研究所用ROMS模拟的潮汐结果在渤海的应用是较成功的，同前人一致，结果可信。M2、S2潮波系统的无潮点分别位于秦皇岛外海和黄河口附近外海，振幅在辽东湾顶达到最大值，约为120 cm。K1、O1 潮波系统的无潮点位于渤海海峡附近，最大振幅出现在渤海湾，K1分潮振幅比O1分潮大；

（2）渤海夏季和冬季存在着多个涡旋结构，特别是在渤海中部存在一个顺时针大涡旋。夏季，渤海湾的环流是双环结构，呈南北向配置，北面的涡环较强。冬季环流主要受风场、潮余流影响，低温水体带来的强烈混合也会产生影响；

（3）水体示踪物的输运迁移在夏季和冬季都主要受局部流场的影响显著，且经过大约80天输运扩散后，浓度显著降低。夏季示踪物主要集中于渤海湾、莱州湾西南部、渤海中北部海域以及秦皇岛港附近海域，冬季主要集中于渤海湾南部入口处、莱州湾、辽东湾东北部沿岸、以及秦皇岛港附近海域。

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