渤海岸线地形变化对潮波系统和潮流性质的影响❋

孟 云, 娄安刚❋❋, 刘亚飞, 张栋梁

(1.中国海洋大学环境科学与工程学院，山东 青岛 266100； 2.国家海洋局北海分局预报中心，山东 青岛 266061)



渤海岸线地形变化对潮波系统和潮流性质的影响❋

孟 云1, 娄安刚1❋❋, 刘亚飞1, 张栋梁2

(1.中国海洋大学环境科学与工程学院，山东 青岛 266100； 2.国家海洋局北海分局预报中心，山东 青岛 266061)

采用有限体积近岸海洋模型FVCOM，基于渤海2004和2014年的岸线地形数据，构建渤海2个年份的三维潮汐潮流数值模式；通过数值模拟研究，探讨了渤海岸线地形变化对潮波系统和潮流性质的影响。数值模拟结果表明：岸线地形变化后，半日分潮潮时在渤海湾、莱州湾和渤海中部东南海域提前，在辽东湾和渤海中部西北海域滞后；振幅在渤海湾及辽东湾增大，在莱州湾及渤海中部减小；位于秦皇岛和黄河口的半日分潮无潮点位置分别向西南和东南方向移动。渤海绝大部分海域全日分潮潮时提前，振幅增大，位于渤海海峡的全日潮无潮点位置向东移动。潮流性质系数在莱州湾增大，在渤海其他大部分海域减小，渤海规则半日潮流海区范围略有增加，不规则半日潮流海区范围相应减少。

潮波系统；潮流性质；岸线变化；渤海；数值模拟

渤海位于37°07′N～41°N,117°35′E～121°10′E区域，总面积约7.7万km2，是嵌入中国北部大陆的半封闭型浅海[1]，仅通过渤海海峡与黄海相通。自2004年以来，由于渤海沿岸各省市大力发展海洋经济[2]，海岸带的开发建设规模和强度逐年增长，至2011年，天津滨海新区、曹妃甸工业区等大规模涉海工程的开发建设以及辽宁“五点一线”经济带、山东半岛蓝色经济区的大型围填海活动均已成型[2-3]。至2010年末，渤海围填海总面积为415.23km2[4]，人工岸线的逐年攀升加之海岸带的自然演变作用，必然会导致渤海岸线形态和沿岸地形的不断变化[5]，进而引起海洋动力条件、生态环境的连锁反应[2,6]。

潮波运动是渤海最主要的海洋动力过程[7]，对海洋环境起重要的控制作用，探讨岸线地形改变对渤海潮波系统和潮流性质的影响，是进一步研究渤海海洋动力环境变化的基础。尽管前人针对渤海潮波、潮流开展了大量数值研究工作[8-13]，确定并修正了渤海同潮图的基本形态和潮流性质系数分布，然而目前基于渤海岸线和地形变化对潮波系统及潮流性质影响的研究鲜见报道。

本文通过改进三维海洋数值模式FVCOM(An Unstructured Grid Finite-Volume Coastal Ocean Model)，建立渤海2004年和2014年高分辨率潮汐潮流数值模型(其中2004年的岸线地形是渤海大规模围填海之前的岸线地形，2014年的岸线地形为渤海的最新岸线地形)，根据数值模拟结果探讨岸线地形变化对渤海潮波系统和潮流性质的影响。

1 数值模式和计算配置

1.1 模型简介

FVCOM模式已被广泛应用于海湾[14-18]、河口[19-20]的数值模拟研究，其原始基本方程组详见文献[21-22]。该模式采用有限体积离散法，综合了有限元法局部加密、易拟合岸界和有限差分法模式简单、计算效率高的优点，并能够保证研究海域的质量、能量和动量守恒[22]。模式在水平方向采用三角形网格，垂直方向采用sigma坐标，可精确地描述渤海复杂海岸线和海底地形的变化。

1.2 模型计算配置

1.2.1 计算域和模型设置 计算范围为渤海海域，模型利用SMS(Surface Water System)软件生成三角形网格，并在近岸、岛屿附近海域进行加密。2004年和2014年对应的计算网格，除在岸线地形有变化的海域不同外，与其它的海域相同，其中在沿岸附近海域的水平网格最大距离1500m，最小距离不大于400m，以2014年为例，图1给出了计算域的网格设置及其在曹妃甸和滨海新区的局部放大图。模型在垂向按sigma坐标均分为5层，采用内、外模态分离法求解，外模、内模时间步长分别取0.3和3s，数值模拟15d稳定后输出计算值。

图1 模型计算域及网格设置(2014)

1.2.2 岸界和水深资料 2004年和2014年的渤海岸线分别取自美国陆地资源卫星Landsat7 ETMSLC-off和Landsat8 OLI_TIRS的遥感图像数据。图2给出了2个年份的渤海岸线，并标注了岸线变化的主要海域。2004年的水深数据摘自中国人民解放军海军司令部航海保证部2006年出版的天津港、成山角至大连港海图和2005年出版的辽东湾海图；2014年水深数据摘自中国人民解放军海军司令部航海保证部2014年出版的天津港、成山角至大连港海图，2014年出版的渤海湾海图和2014年出版的辽东湾海图。在收集所得岸线、水深的遥感和海图资料的基础上，结合围填海调查数据，修正了同期的岸线地形资料。基于两套岸线地形数据，分别数值模拟了2004年和2014年的潮汐、潮流。

1.2.3 开边界条件 开边界取烟台-大连连线(37°36′N,121°26′E～38°49′N,121°24′E)，调和常数是利用从烟台、大连长期验潮站资料得到的调和常数，并结合渤黄海水文图集同潮图以及OTIS(OSU Tidal Inversion Software)的数据插值，经反复调试验证计算机程序而得，开边界输入方程为：

ξci=Hcicos(ωcit-gci)，ci:M2，S2，K1，O1。

式中：ξci为ci分潮的水位；Hci为ci分潮振幅；ωci为分潮角速度；gci为ci分潮位相。

采用零初始条件，对渤海4个主要分潮进行数值模拟，其中半日潮计算30个潮周期，全日潮计算15个潮周期，输出最后1个潮周期的计算结果，用于调和分析。

图2 渤海岸线及观测站分布Fig.2 Coastline and observation stations in the Bohai Sea

1.3 模型验证

利用渤海沿岸16个验潮站资料[23]，对在2004年岸线、地形条件下的数值模拟结果进行验证。图3直观显示了潮汐调和常数计算值与观测值的比较结果，M2、S2、K1和O1分潮振幅的平均绝对误差Mean Absolute Error (MAE)分别为4.61、2.12、2.29和1.02cm，迟角的MAE分别为5.77°、7.95°、4.99°和4.79°，可见模型的潮汐模拟结果精度较高。由于2011年后渤海岸线地形变化不大，为进一步检验模型的潮流计算结果，选取图2所示渤海5个连续测流站2011—2012年的潮流观测资料，对2014年岸线、地形条件下的潮流数值模拟结果进行检验。限于篇幅，仅给出A站(2011年5月10日)和D站(2012年1月14日)的表层潮流玫瑰验证图(见图4)，其他3个站位的验证结果与A、D站位验证结果相似。由图4可见，潮流的模拟值与观测值吻合良好，流速、流向变化趋势一致。因此，本文建立的渤海潮汐、潮流模型是正确的。

基于2004年和2014年两套岸线、地形数据，进行的潮汐、潮流数值模拟，由于采用相同的动力参数、边界条件和时空步长，故2个年份下的数值模拟结果能够说明岸线地形变化的影响。

(图中所绘直线经原点且斜率为45°，数据点到该直线距离越小则计算结果愈佳。The straight lines in the figure pass through the origin with the slop of 45°, The shorter the distance from points to the line, the better the result is.)

图3 潮汐调和常数计算值与观测值对比
Fig.3 Comparison between simulated and observed harmonic constants

图4 A、D站表层潮流玫瑰图验证Fig.4 Validation of surface current roses at A and D station

2 数值计算结果与讨论

对潮汐、潮流的数值模拟结果进行调和分析[24-25]，计算出2004与2014年各分潮潮汐、潮流调和常数。图5为各分潮同潮图，图6、7为M2和K1分潮的迟角振幅变化分布，图8为2个年份潮流性质系数和潮流类型的分布。下面从各分潮同潮时线偏转、振幅大小变化、无潮点位置移动和潮流性质分布4个方面探讨渤海岸线地形变化对其潮汐、潮流的影响。

2.1 潮波同潮时线偏转

由图5(a)、(b)所示2个年份M2、S2分潮的同潮图可知，半日分潮同潮时线的偏移规律相似。随着渤海岸线地形的变化，位于秦皇岛海域半日分潮无潮点的同潮时线，整体向西南方向平移，辽东湾内的同潮时线发生顺时针偏转；位于黄河口海域的半日分潮无潮点的同潮时线向东南方向平移，渤海湾内的同潮时线发生逆时针偏转，莱州湾内的同潮时线顺时针偏转。同潮时线的偏转致使半日分潮在渤海湾、莱州湾和渤海中部东南海域的潮汐位相提前，在辽东湾和渤海中部西北海域的位相滞后。

图5 M2、S2分潮同潮图Fig.5 Cotidal charts of M2 and S2 constituents

图6 M2分潮迟角的变化Fig.6 Changes of phase lag of M2 constituent

由图6可知，从变化量值上讲，M2分潮在无潮点附近的迟角变化最大，且较为复杂，既有增大区也有减小区。M2分潮的迟角在莱州湾和渤海湾的变化也较为显著，在莱州湾迟角减小15°～25°，自湾口至湾底的迟角减小量逐渐增加；在渤海湾迟角减小0°～20°，以无潮点为中心自湾口沿逆时针旋转的方向，迟角减小量增加。M2分潮在辽东湾和渤海中部大部分海域的迟角变化则相对不大，其变化量分别在0°～8°和-8°～8°之间。S2分潮迟角变化的分布(图略)规律与M2分潮类似，但由于波长及在浅海的能耗不同，在渤海部分海域的迟角变化量有所不同：S2分潮在渤海湾的迟角减小量为0°～13°，在莱州湾的迟角减小量为13°～18°。

由图7所示的2个年份K1、O1分潮同潮图可知，全日分潮同潮时线的偏移规律基本一致。随着渤海岸线地形的演变，位于渤海海峡附近全日分潮无潮点的同潮时线基本上整体向东平移，渤海大部分海域的同潮时线发生逆时针偏转。同潮时线的偏转导致渤海全日分潮潮时普遍提前，且在渤海大部分海域，以无潮点为中心顺着潮波旋转传播的方向，潮时的提前时间逐渐增加。

由图8可知，K1分潮在无潮点附近的迟角变化幅度最大，在无潮点北侧附近海域的迟角增加，南侧附近海域的迟角减小。K1在莱州湾的迟角减幅较大，渤海湾次之，辽东湾最小。O1分潮的迟角变化分布(图略)与K1分潮相似，但其迟角变化量相对K1分潮小。从变化量值上看，渤海岸线地形演变对全日分潮的影响比半日分潮的小。

2.2 潮波振幅变化

比较图7所示2个年份各分潮同潮图可知，同潮族中各分潮振幅的变化趋势基本一致，从振幅变化量值看，渤海岸线地形演变对半日分潮的影响大于对全日分潮的影响，尤其是对M2分潮产生影响最大。

由图9可见，岸线地形变化后，M2分潮在渤海湾和辽东湾的振幅增加，增量分别为2～13cm和0～5cm；

图9 M2分潮振幅的变化Fig.9 Changes of amplitode of M2 corstituent

在渤海湾和辽东湾内以各自的无潮点为中心在逆时针旋转方向上，振幅增量呈增加趋势。M2分潮在莱州湾减小量为5～10cm，且自湾口到湾顶的减小量逐渐增加；在渤海中部海域的振幅减小量在0～3cm之间，变化不大。S2分潮振幅的变化(图略)与M2分潮大致相似，但其变化量值相对较小，在渤海湾和辽东湾的最大增量分别为4.3和1.2cm，在莱州湾和渤海中部海域的最大减小量均小于2.0cm；由于S2和M2分潮无潮点位置的差异，S2分潮振幅增大和减小的区域也略有不同。

由图10可知，渤海岸线地形演变对全日分潮振幅的影响并不显著，K1分潮除在无潮点以东的渤海海峡区域的振幅减小外，其它海域振幅增加，最大减小值在0.8cm左右，最大增大值在1.2cm左右。O1分潮的振幅变化(图略)类似于K1分潮，但其变化量值更小，变化量小于1cm。

图10 K1分潮振幅的变化Fig.10 Changes of amplitode of K1 corstituent

2.3 潮波无潮点位置的变化

表1列出了2004年和2014年半日分潮M2、S2和全日分潮K1、O1的无潮点位置及其在岸线地形变化后的迁移距离。由表1和图5可知，同潮族分潮无潮点的迁移方向基本一致，但半日分潮无潮点的迁移距离较远。M2分潮和S2分潮位于秦皇岛附近的无潮点位置分别向西南方向迁移了7.69和8.57km；位于黄河口外无潮点位置分别向东南方向迁移11.86和7.57km。K1分潮和O1分潮在渤海海峡附近无潮点位置分别向东南偏东方向移动6.12和6.00km，移动的距离基本相同。

表1 2004年和2014年各分潮无潮点位置及其迁移距离Table 1 Position and migration distance of amphidromic point of each tidal component in 2004 and 2014

2.4 潮流性质变化

由各分潮东分量和北分量的潮流调和常数，计算出各网格点的潮流椭圆要素[24]，依据公式k=(WO1+WK1)/WM2(W为各分潮潮流椭圆半长轴长度)计算出各网格点上的潮流性质系数k，根据k值并依据潮流性质判别标准，绘制出2004和2014年的渤海潮流性质系数和潮流类型分布(见图11)。潮流性质判别标准为：

图11 2004和2014年渤海潮流性质系数和潮流类型分布

由图11可见，渤海潮流性质系数位于0.25～2.0之间，具有规则半日潮流和不规则半日潮流两种类型，在辽东湾、渤海湾和莱州湾呈规则半日潮流类型，在渤海中部海域基本呈不规则半日潮流类型。岸线地形变化后，潮流性质系数在渤海各海域的变化不同，辽东湾、渤海湾和渤海中部大部分海域k值减小，而莱州湾和渤海中部东南沿岸海域的k值增加。从计算的变化量值看，渤海中部k值变化最大，在-0.08～0.12之间，莱州湾和渤海湾次之，分别在0.02～0.08和0～0.05之间；辽东湾最小，在0～0.02之间。整体来看，渤海k值的变化较小。

另外，从图11可见，岸线地形变化后，辽东湾和渤海湾区域的规则半日潮流范围增大，而莱州湾区域的规则半日潮流海域范围减小，整体上渤海规则半日潮流海域范围增加1400km2，不规则半日潮流相应减小1400km2。

3 结论

近10年由于围填海引起的岸线地形变化对渤海潮波系统、潮流性质产生如下影响：

(1)分潮同潮时线发生偏移，且同潮族发生偏移的规律相似。半日分潮的潮时在渤海湾、莱州湾和渤海中部东南海域提前，在辽东湾和渤海中部西北海域滞后；在无潮点附近、莱州湾和渤海湾海域迟角变化最为显著；在莱州湾内自湾口到湾顶，以及在渤海湾内以无潮点为中心沿逆时针旋转的方向上，迟角减小量逐渐增加。全日分潮的潮时在渤海大部分海域提前，仅在海峡无潮点北侧小范围区域滞后；迟角变化量值相对半日分潮小。

(2)分潮振幅亦发生变化，且同潮族的变化亦基本一致。半日分潮的振幅在辽东湾和渤海湾增加，在莱州湾和渤海中部减小，其变化幅度在渤海湾和莱州湾最显著；以黄河口外无潮点为中心在渤海湾内沿逆时针旋转方向上，振幅增量逐渐增加，在莱州湾内沿顺时针旋转方向上，振幅减小量逐渐增加。全日分潮的振幅在渤海绝大部分海域增加，仅在无潮点东侧海峡区域减小；振幅变化量值远小于半日分潮。

(3)分潮无潮点的位置亦发生变化，同潮族分潮无潮点位置的移动方向一致。位于秦皇岛外的M2和S2分潮无潮点位置，向西南方向分别偏移了7.69和8.57km；位于黄河口外无潮点位置，向东南方向分别偏移了11.86和7.57km。位于渤海海峡附近K1分潮和O1分潮的无潮点位置，向东南偏东方向分别移动了6.12和6.00km。

(4)辽东湾、渤海湾和渤海中部大部分海域的潮流性质系数减小，莱州湾和渤海中部东南海域的潮流性质系数增加；渤海规则半日潮流海区范围增加了1400km2，不规则半日潮流海域相应减小了1400km2。

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责任编辑 庞 旻

Impact of Coastline and Topography Changes on Tidal Wave System and Tidal Current Character in the Bohai Sea

MENG Yun1, LOU An-Gang1, LIU Ya-Fei1, ZHANG Dong-Liang2

(1.College of Environmental Science and Engineering, Ocean University of China, Qingdao 266100, China; 2. North China Sea Marine Forecasting Center SOA, Qingdao 266061, China)

A numerical model was established based on FVCOM, to investigate the impact imposed on the Bohai Sea tidal wave system and tidal current character by coastline and topography changes from 2004 to 2014. The numerical simulation results indicated that tidal hours of semidiurnal constituents moved up in Bohai Bay, Laizhou Bay and southeastern of the central Bohai Sea while lagged behind in Liaodong Bay and northwestern of the central Bohai Sea. Tide amplitudes of semidiurnal constituents enhanced in Bohai Bay and Liaodong Bay while deceased in Laizhou Bay and the central Bohai Sea. The amphidromic points of semidiurnal constituents located in Qin Huangdao and Yellow River mouth moved southwestward and southeastward respectively. Tidal hours of diurnal constituents moved up and the amplitudes enhanced in most of the Bohai Sea,while the amphidromic point located in the Bohai Straits shifted eastward. The tidal current characteristic coefficient increased in Laizhou Bay while decreased in the rest of the Bohai Sea. The range of the regular semidiurnal current enlarged slightly while the irregular semi-diurnal current decreased correspondingly.

tidal wave system; tidal current character; coastline change; the Bohai Sea; numerical simulation

国家海洋局北海分局海洋科技项目(2015B07)资助

2015-01-20;

2015-04-22

孟 云(1991-)，女，硕士。E-mail:mengyunhuanke@163.com

❋❋通讯作者： E-mail:aglou@ouc.edu.cn

P731.21

A

1672-5174(2015)12-001-08

10.16441/j.cnki.hdxb.20150016