中国主要入海河流冲淡水扩展特性联合数值模拟研究

严 棋， 吴 辉， 朱建荣

(华东师范大学 河口海岸学国家重点实验室, 上海 200062)

中国主要入海河流冲淡水扩展特性联合数值模拟研究

严 棋， 吴 辉， 朱建荣

(华东师范大学 河口海岸学国家重点实验室, 上海 200062)

本研究建立了一个涵盖渤、黄、东和南海的数值模型，综合考虑多种动力因子，模拟研究了中国主要入海河流的冲淡水扩展机制和扩展范围.数值实验结果表明，冲淡水对外海盐度的影响有着明显的地域差异.在渤海区域，虽然淡水汇入量较小，但由于该区域为半封闭海域且水深较浅，冲淡水不易往外部海域扩展，因此使该区域盐度常年低于32psu,表现为低盐状态.同样的，黄海由于自身半封闭的地形，外加上大量长江冲淡水的汇入，也处于低盐状态，盐度常年低于33psu.东海盐度变化主要取决于长江冲淡水扩展的范围，具有显著的季节性变化.北南海区域，在琼州海峡以东，珠江冲淡水控制着外海盐度的变化.由于珠江冲淡水离岸扩散较弱，故该低盐度区常年被50 m等深线所包裹.在琼州海峡以西，红河冲淡水控制着外海盐度变化.

冲淡水扩展； 中国主要河流； 海域盐度； 数值模拟

0 引 言

渤海、黄海、东海和南海为围绕着中国大陆的边缘海域，它们接纳了众多的入海河流.这些河流在邻近海域产生了或大或小的冲淡水，其扩展规律和背后的动力机制长久以来都是中国边缘海域科学研究的一个焦点问题.冲淡水流入外海的同时，也带来了大量的泥沙、营养盐和污染物等物质，对该海域的泥沙沉积、环流结构、水团组成、海洋生产力等有着巨大的影响.因此，研究中国主要入海河流冲淡水的扩展规律具有重要的意义.

以往不少学者已对中国一些河流的冲淡水进行了研究.其中研究最为深入的为长江冲淡水.长江为流入西北太平洋的最大河流，其径流量位居世界第三，仅次于亚马逊河和刚果河.冬季，长江冲淡水受北风影响，沿岸向南扩展[1,2].相反的，夏季长江冲淡水由于受到偏南风的影响，主要向东北扩展，并可到达济州岛附近海域[1-6].最近的研究进一步表明，受到潮致余流的影响，部分长江冲淡水常年沿苏北海岸北上扩展，使得该区域盐度较低[7].除了以上3种主要的扩展途径之外，由于受到环流，潮汐，风应力的影响，长江冲淡水也会展现出相应的不同扩展机制[4,8-11].珠江作为中国径流量排名第二的大河，年平均径流量约为11 500 m3/s，其冲淡水的扩展，同样引起了国内外学者的广泛研究.与长江冲淡水一样，珠江冲淡水的扩展机制也存在着明显的季节性差异.夏季，珠江冲淡水为典型的表层平流冲淡水，大多数冲淡水聚集于表层，并向东扩展[12-14].冬季，珠江冲淡水为底层平流冲淡水，沿岸向西扩展[12,14,15].对于中国河口其他冲淡水的扩展，也有许多的观测与研究[16-19].

然而，目前国内外对于中国边缘海域冲淡水的研究主要针对单个河口，尚未做综合研究.由于该区域存在的季风和陆架环流等动力因素贯穿了整个海域，以及各河口入海口在地理位置上的相近，大大增加了各河口冲淡水相互作用的可能性.此外，对于中国主要河口冲淡水对外海盐度的整体影响，研究较少.该区域存在的入海河口众多，除了长江，珠江两大河流外，黄河，闽江，鸭绿江等中型河流也常年向海域汇入大量的淡水.尤其对于渤海而言，由于其半封闭的地理条件，入海冲淡水在湾内聚集，使得渤海总体盐度较低.因此，我们把中国边缘海域作为一个整体来研究，建立一个包含中国主要入海河口的数值计算模型，综合考虑潮汐，陆架环流，季风，海气热通量等动力因素，模拟研究冲淡水的整体扩展机制，并讨论冲淡水对外海盐度的影响.

1 模型方法介绍

我们采用的数值模型为ECOM-si[20]，其来源于普林斯顿海洋模型POM[21]，并采用HSIMT-TVD平流格式[22]求解温盐输送方程.模型模拟范围包括渤海、黄海、东海、南海，及西北太平洋和日本海的部分区域(见图1).地形数据采用ETOPO2 (http://www.ngdc.noaa.gov).模型在垂向上采用非均匀的σ层，共16层.在水平方向上采用曲线正交网格，i方向网格数为510，j方向网格数为362.水平分辨率在沿岸地区为6～8 km，在开边界处为19～20 km.

网格开边界位于图1绿色区域的内边缘位置，温盐边界条件的资料来源于月平均的SODA数据(Simple Ocean Data Assimilation, http://iridl.ldeo.columbia.edu/SOURCES/CARTON-GIESE/SODA/)，精度为0.5°×0.5°，动力边界条件为陆架环流及潮流的叠加.

Vnormal=Vshelf current+Vtidal current.

(1)

环流边界条件的资料来源为全球月平均SODA数据，精度为0.5°×0.5°.为了得到潮流边界条件，先用水位调和常数资料(来源于NaoTidedataset,http://www.miz.nao.ac.jp/)运行模型，开边界取在图1中绿色区域的外边缘位置.将模型计算得到的绿色区域内边界处法向流速存储下来，再进行调和分析，得到潮流边界的调和常数.从而由公式(2)计算出每个时刻的边界潮流值.

(2)

该方法在我们先前的研究中[4]得到了成功的应用.

温盐初始场的资料来源于月平均的SODA数据.海气热通量则是由大气相对温度、海气温差、风速、短波辐射、大气压强和云量等利用块体公式[23]计算得到.上述资料均来源于NCEP(NationalCentersforEnvironmentalPrediction,http://www.ncep.noaa.gov/).

模拟研究的中国主要河流如图1所示，红点为各河口位置，即为径流通量边界位置，模式中径流边界的大小详见表1，单位为m3/s.因红河径流量较大，并且能影响中国南部海域，故在本研究中也考虑了红河冲淡水的影响.模式先运算5个模型年以达到稳定状态，然后将第6年的结果输出分析.

注：左图绿色边界为外海动力边界位置，包括潮流边界，环流边界及温盐边界；红色字体和点分别为加入模拟计算的河流及径流边界的位置；右两图分别为长江口及珠江口的网格图图1 模型模拟区域范围Fig.1 The domain and mesh of the model

2 模型验证

2.1 潮汐

表1 中国主要河流月平均径流量Tab.1 The monthly river discharge of the major rivers in China m3·s-1

潮汐作为海洋最常见的现象之一，对于近海水动力结构有着巨大的影响，同时也直接影响着冲淡水的扩散范围和强度[4,9,11].因此，正确地模拟潮汐这一动力因子，是模拟研究冲淡水扩展机制的必要条件之一.本模型利用40个已有潮位站点的数据进行验证，其中东海潮位站点16个，南海潮位站点8个，黄渤海潮位站点为16个.图2所示为主要半日潮(M2)及主要全日潮(K1)的潮汐振幅误差图.M2在渤海，黄海，东海及南海的振幅平均误差分别为13.4 cm，18.8 cm，9.7 cm和5.4 cm.相较于该四个海域的实际平均振幅值(渤海:79.6 cm；黄海:109.2 cm；东海:131.2 cm；南海:44.9 cm)，误差较小.此外，M2在渤海，黄海，东海及南海的相位平均偏移角度值为25，18.8，16，3.9.K1的振幅误差较大，但是关于模型的关键区域即东海，仍具有较小的误差.总的来讲，由于模型模拟区域较大，潮汐验证在四个海区都存在一定的误差，尤其是渤海及黄海，误差较大，使得模型不足以准确地预报水位变化过程(风暴潮等).然而，潮汐对于冲淡水的扩展主要体现在潮汐混合及其余流输送的作用上[4,7]，模式目前的精度已可以刻画这些过程，因此我们并没有继续进一步调节潮汐边界条件.

图2 近海站位潮汐振幅验证结果Fig.2 The verification results of the tidal amplitude offshore

2.2 环流场

中国边缘海域具有较为复杂的环流结构，包括黑潮、黄海暖流、台湾暖流、对马暖流、南海环流、沿岸流等.这些环流对冲淡水扩展起着携带运输的作用，大大增加各河口冲淡水相互交叠和作用的可能性.正确模拟外海环流水动力条件，是研究冲淡水扩展机制的关键因素之一.从1906年至今，众多学者针对中国边缘海域环流已进行了一系列的研究，并对环流的运动机制及形态有了具体及准确的结论，为验证该模型的环流场提供了较为可靠的依据.对模型输出的第6年结果进行季节平均处理，得到图3和图4，即夏季(6—8月)和冬季(12—2月)模拟研究区域表层的温度及环流状态.与之前研究结果相似，该模型较好地模拟了中国边缘海域的环流状态.如图所示，模型较好地模拟出了包括黑潮，台湾暖流，沿岸流，对马暖流等重要环流现象.在琉球海沟处常年稳定存在的黑潮，给该区域带来较为温暖的水体，使得该区域温度较高.由于季风作用，在冬季有一分部黑潮流入吕宋海峡参与南海环流.夏季骤然增加的台湾暖流以及秋冬北下的闽浙沿岸流，都在模型中有较好的展现.另外温度场也和实际情况相符.从夏季温度场可以看到明显的闽浙上升流和环黄海的潮致锋面，与实际情况相符[24].

南海环流的主要驱动因素为盛行于该海域的季风.冬季南海盛行东北风，夏季盛行西南风.相应的，南海环流具有明显的季节性差异：冬季，从台湾海峡和吕宋海峡开始，海水南流，经广东近海、中南半岛沿岸和巽他陆架，通过卡里马塔海峡而进入爪哇海；夏季，从爪哇海开始，海水北流，经卡里马塔海峡进入巽他陆架，在沿中南半岛北上，经过广东近海而流入台湾海峡和吕宋海峡.总的来说，冬季南海呈一个气旋式环流，夏季则呈现为一个反气旋式环流.由图四可见，模型能较好的模拟南海环流的特性.除此之外，该模型还较好地模拟了南海的中尺度涡旋，南海暖流，广东沿岸流等.从该模型模拟的温度场可以直接看出，在越南东岸海域、吕宋西北海域及湛江东南海域至珠江口一带出现了不同强度和大小的上升流，这和前人观测研究结果一致[24].

图3 模型模拟区域夏季表层环流场及温度场Fig.3 The shelf currents and temperature on the sea surface in summer

图4 模型模拟区域冬季表层环流场及温度场Fig.4 The shelf currents and temperature on the sea surface in winter

由上述验证结果表明，该模型能较好地模拟中国边缘海域的潮汐及陆架环流状态，为进一步模拟冲淡水的扩散机制提供了坚实的基础.

3 冲淡水扩展模拟结果

我们对数值模拟得到的盐度进行月平均处理，并分别取2月，5月，8月及11月作为代表月，来表征冬季，春季，夏季及秋季的盐度分布特征(见图5和图6).

3.1 冲淡水形态

冲淡水是由外海高盐水和径流淡水混合而成，所以在盐度上小于外海盐水.因此，近海海域盐度场可以直观地显示出冲淡水的扩展范围及其强度.如图5，图6所示，由于长江及珠江具有较大的径流量，其冲淡水的扩展较为明显；而红河、黄河年平均径流量远小于长江及珠江，但由于两者位于半封闭海域，其冲淡水的扩展也极为显著.

夏季，由图5，图6比较可得，长江、珠江、红河及黄河冲淡水的主体都聚集于表面，为典型的表层平流冲淡水，尤其对珠江及红河而言，该现象更为显著.冬季，冲淡水的垂向变化不明显，为典型的底层平流冲淡水.

在渤海及北黄海区域，由于鸭绿江、辽河及海河的径流量较小，故图5，图6并不能直观地反映出上述冲淡水的扩展.而黄河冲淡水在该海域的扩展较为明显.黄河冲淡水出口门以后，由于受到科氏力的作用，常年集中于莱州湾，并和长江冲淡水一样，呈现出夏季往东北偏转的特性，和朱兰部等人[16]的结果一致.

在东海区域，长江冲淡水的扩展途径和文献[7]的研究结果一致.夏季，由于盛行风向为偏南，受风生Ekman效应的作用，长江冲淡水出口门后，先向南偏转，继而转向东北.冲淡水聚集于表层，表层扩展强烈，但主体仍旧限制于50 m等深线以内.由于受到南风及潮致Stokes漂流输送的作用，有一部分长江冲淡水沿苏北沿岸向北扩展[7].冬季，由于盛行风向为偏北，风生Ekman输送方向为向岸，因此长江冲淡水被压缩在近岸区域并沿闽浙海岸向南扩展，表底层差异不大.由于受风生Ekman输送、科氏力及斜压梯度力的作用，向南扩展的长江冲淡水被限制于50 m等深线以内.由于潮致Stokes漂流输送方向不变，以往的研究[7]表明在大潮期间，其作用要大于风生余流.因此，冬季仍存在一部份长江冲淡水沿苏北沿岸向北扩展；由于受长时间较强北风的影响，其扩展强度减弱.

注：箭头表征风场图5 中国边缘海域表层盐度场Fig.5 Sea surface salinity in four seasons

在南海区域，珠江及红河冲淡水的扩展也具有明显的季节性变化.受偏西南的季风及背景环流的影响，夏季珠江冲淡水向东扩展，离岸距离为50 m以内，和惯常情况下冲淡水往口门右侧(北半球)刚好相反.到台湾海峡附近，由于受背景流系的作用，部份珠江冲淡水进入台湾海峡；并且有理由相信，珠江冲淡水会随着台湾暖流一直进入到东海海域或者更远的地方.冬季，珠江口附近盛行沿岸的东北风，冲淡水沿岸向西南方向扩展，一直到雷州半岛，并且有可能通过琼州海峡进入北部湾.红河口位于北部湾，由于北部湾半封闭的地形，红河冲淡水在北部湾的扩展也较为明显.夏季，红河冲淡水受季风及环流作用，向东扩展，并沿岸线直至琼州海峡.冬季，其冲淡水向西扩展，而冬季径流量较小，故其冲淡水主体不明显.

3.2 冲淡水对海域海盐度影响

如之前所讲，由于研究区域存在的季风和陆架环流等动力因素贯穿了整个海域，以及各河口入海口在地理位置上的相近，使得各河口冲淡水存在相互交汇及影响的可能性.图5和图6均有力地证明了上述观点.由图可见，由于各河口冲淡水的共同作用，使得中国近海区域常年处于低盐度状态.

注：箭头表征风场图6 中国边缘海域底层盐度场Fig.6 Bottom salinity in four seasons

东海盐度的变化主要取决于长江冲淡水，虽然钱塘江，瓯江及闽江淡水都流入东海，但由于径流量过小，对东海盐度的影响并不明显.由于长江冲淡水的扩展呈季节性变化，故东海盐度也相应地呈季节性变化.虽然流入东海的淡水数量巨大(主要是长江)，但冲淡水很容易被台湾暖流等陆架环流携带传往外部海域(如日本海)，因此整个东海的盐度和黄海相比要高得多.这表明海域的地形和动力特征对冲淡水的分布有着重要的影响.

北南海的情况和东海类似，虽然有巨量的淡水注入，但其盐度较黄海显著要高.盐度的变化则主要取决于珠江及红河.珠江径流量较大，但由于珠江冲淡水被限制于50 m等深线以内，故在琼州海峡以南，外海低盐度区较小.而在琼州海峡以西，由于红河径流量具有明显的月季变化，故在冬季，该海域盐度较高，而当夏季，红河冲淡水增加，并受北部湾半封闭地形的影响，表层盐度急剧减小.

4 总 结

为了模拟中国沿海主要河口冲淡水的扩展机制，并讨论冲淡水对外海盐度的影响.本文把中国边缘海域作为一个整体来研究，建立一个包含中国主要河口的数值模型，并综合考虑了潮汐、陆架环流、季风、海气热通量等动力因素，使得冲淡水的模拟具有关联性及完备性.我们输出第六个模拟年的模拟数据，并对潮汐水位，环流及温度场状态进行验证，结果较为符合实际情况.通过盐度场，分析河口冲淡水的扩展机制，并讨论各河口冲淡水对外海盐度的影响.

冲淡水扩展形态较为明显的为长江，珠江，红河及黄河冲淡水.受盛行风向的影响，夏季为表层平流冲淡水，冬季则转为底层平流冲淡水.长江冲淡水除了夏季转向东北，冬季沿岸南下外，还存在第三种扩展途径，即沿苏北沿岸北上.珠江冲淡水夏季往东扩展，冬季沿岸向西扩展，冲淡水被限制于50 m等深线内.

冲淡水对外海盐度的影响有着明显的地域差异.在渤海区域，虽然淡水汇入量较小，但由于该区域为半封闭海域且水深较浅，故盐度对冲淡水的响应强烈，使得该区域盐度常年处于32psu以下.同样的，黄海由于半封闭的地形，外加上长江冲淡水的汇入，使该区域盐度也常年处于33psu以下.东海盐度变化主要取决于长江冲淡水，具有季节性变化.北南海区域，在琼州海峡以东，珠江冲淡水控制着外海盐度的变化，由于珠江冲淡水离岸扩散较弱，故该低盐度区域常年被50 m等深线所包裹.在琼州海峡以西，红河冲淡水控制着外海盐度变化.由于夏季红河径流量较大，红河表层冲淡水在北部湾内扩展强烈，使得北部湾表层盐度较低；冬季由于红河径流量较小，北部湾水体均处于较高盐度值.

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(责任编辑 李万会)

Numerical simulation on the major river plumes in China seas

YAN Qi， WU Hui， ZHU Jian-rong

(StateKeyLaboratoryofEstuarineandCoastalResearch,EastChinaNormalUniversity,Shanghai200062,China)

A large domain model has been developed to simulate the major river plumes in the China seas, which takes into account the multiple dynamic factors. The results shows that different sea area responses differently to the river plumes. In Bohai Sea, due to its semi-enclosed topography that restricts the water mass exchange with outer area, the sea salinity keeps low, though the received runoffs are generally small. The Yellow Sea is also semi-enclosed, plus a large amount of the Changjiang River freshwater extends into the sea, the salinity there is also low in most times. The salinity in East China Sea varies seasonally along with the extension of the Changjiang River plume. In the Northern South China Sea, the Pearl River plume dominates the sea salinity variation in the east of the Qiongzhou Strait. As the offshore extension of the Pearl River is limited, the low salinity area is smaller than that in other seas. In the west of the Qiongzhou Strait, the Red River plume controls sea salinity variation.

plume extension; major rivers in China; sea salinity; numerical modeling

1000-5641(2015)04-0087-10

2014-09

国家重点基础研究发展规划(2011CB409801)；河口海岸学国家重点实验室科研业务费 (2013RCDW01)

严棋，男，硕士研究生，从事河口海岸动力学研究.E-mail：yanqi12390@126.com.

吴辉，男，副教授，研究方向为河口海岸学.E-mail：hwu@sklec.ecnu.edu.cn.

P731.2

A

10.3969/j.issn.1000-5641.2015.04.010