珠江口及邻近海域潮波数值模拟❋——I模型的建立和分析

丁 芮， 陈学恩❋❋， 曲念东

(1. 中国海洋大学海洋环境学院， 山东 青岛 266100； 2. 国家海洋局南海环境监测中心， 广东 广州 510300)



珠江口及邻近海域潮波数值模拟❋
——I模型的建立和分析

丁 芮1， 陈学恩1❋❋， 曲念东2

(1. 中国海洋大学海洋环境学院， 山东 青岛 266100； 2. 国家海洋局南海环境监测中心， 广东 广州 510300)

采用无结构网格三维有限体积海洋模式FVCOM，基于高精度的水深和岸线资料，建立了覆盖珠江口及邻近海域的三维正压高分辨率数值模型。和验潮站实测资料以及前人研究的对比验证表明，该模型能较准确地再现珠江口及邻近海域的潮汐、潮流变化过程。研究发现，珠江口海域潮汐为不正规半日潮，潮型数大致介于1.1～1.3之间，M2分潮占主导地位。M2，S2，K1和O14个主要分潮向河口内传播时，等振幅线均偏西北-东南向，西侧振幅小于东侧，河口附近等位相线比陆架海域密，西侧相较于东侧更密。从湾口传播到湾顶，半日分潮历时约2h，全日分潮历时约1.3h。潮流呈东强西弱，且落急流速大于涨急流速，河口内潮流流速是陆架海域的1～2倍，最大可达到1m/s；在陆架海域半日分潮旋转潮流强于全日分潮，在珠江口内主要为西北-东南方向往复流，航道区潮流最大。欧拉余流在河口内航道区形成南向流，在河口西侧浅滩处形成北向流，出现了余环流结构。此外，在航道区和深圳湾等区域形成较强余流涡旋结构。外海传入潮流能通量自南向北在珠江口内汇聚，在航道区呈现高值区，最大可达10KW/m。

珠江口；潮汐；潮流；数值模拟；FVCOM

珠江口水域大体可分为黄茅海、磨刀门和伶仃洋三部分[1]，包含虎门、蕉门、洪奇门、横门、磨刀门、鸡啼门、虎跳门及崖门共8个珠江径流入海口门。珠江口海湾特指伶仃洋水域，该水域内有2条航道，其水深较深，对应着东，西深槽；另有东，中，西3个浅滩，地貌特征复杂。珠江年径流量在全国河流中居第二位。由于珠江口受到潮汐和径流的双重作用，所以对其潮汐潮流进行研究具有重要意义。

前人已对珠江口海域进行了颇多探究。在实测资料分析方面，吴俊彦和肖京国[2]根据700多个验潮站的潮汐资料，对包含珠江口海域在内的中国沿海港口的潮汐类型行了分析。Mao等[3]分析了1998年珠江口的潮流和潮汐等实测资料。宋晓飞等[4]通过对珠江口磨刀门水域包括潮位、径流量、海表水温、盐度、风速等参数在内的长期资料的整理和分析，探讨了其盐水入侵加强的原因。在数值模拟研究方面，随着数值模式和计算机技术的发展，海洋数值模型也在珠江口海域得到了广泛应用。韩保新等[5]用有限差分方法对珠江口海区的潮汐和潮流进行了数值模拟，并对若干质点进行了短时间的拉格朗日运动轨迹追踪，但囿于岸线、水深资料的准确性，未能细致体现珠江口海区潮汐潮流状况；王彪等[7]基于FVCOM模型，对珠江口及其邻近海域的潮汐进行了初步模拟；包芸等[6]采用三维斜压模型模拟了均匀西南风对珠江口近岸海域的影响，给出了有风和无风情况下珠江口海域的余流分布与盐度分布。

综上所述，由于所使用地形资料或计算资源的制约，前人对珠江口潮汐环流的数值研究分辨率仍然较低，难以刻画较细致的动力过程。本文基于三维有限体积海洋模式FVCOM，在珠江口及邻近海域建立了高分辨率水动力数值模型，对珠江口及邻近海域的潮汐、潮流以及余流的特征进行了验证和分析，为珠江口水交换研究等后续工作奠定了基础。

1 模型建立与验证

1.1 模型配置

FVCOM模式采用非结构化三角形网格，提高了对复杂海岸线和海底地形的拟合程度，干-湿网格技术能较好地处理模型的边界运动，对于具有复杂地形和岸线的区域来说能更好地保证质量、动量的守恒性[8]。垂直方向上采用σ坐标可以较好地拟合海底地形变化剧烈的海域，这对于模拟像珠江口及邻近海域水深变化较剧烈的区域来说尤为重要。因此，用FVCOM模式对珠江口这样一个地形复杂、岛屿众多、滩涂密布、岸线不规则、潮差大的水域进行水动力模拟非常合适。

模型的计算区域为110.20°E～116.25°E，20.04°N～23.28°N，水平网格共有95627个三角形节点，184804个三角形单元，网格在珠江口海域尤其是航道区进行了重点加密，航道区分辨率最高可达50m，外海开边界处低至9km(见图1)。珠江口区域岸线和地形数据来NOAA/NGDC和ETOP1，并采用中华人民共和国海事局出版的海图予以了订正(见图2)。模型的径流数据来自《中国河流泥沙公报(2008)》[14]中高要，石角，博罗等水文站的月平均径流量；外海每个开边界网格点上的潮汐驱动由美国俄勒冈州立大学的全球潮汐同化数据(OTIS)计算所得八分潮(M2、S2、K1、O1、N2、K2、P1、Q1)预报水位经过订正后得到。模型内、外模时间步长分别设为12，2 s，模型验证试验的模拟时段为2008年1月1日—4月30日。

图1 计算区域及网格Fig.1 Model domain and mesh

(图中红点表示验潮站位置。Red nodes: tidal stations location.)图2 珠江口及邻近海域岸线与地形Fig.2 Model coastline and bathymetry around the Pearl River Estuary

1.2 模型验证

本文选取赤湾、珠江2个验潮站3个月的逐时水位资料，并搜集了研究海域内其他3个验潮站的振幅和迟角数据[9]，表1给出了5个验潮站的观测与计算所得振幅和迟角之对比，表2则给出了本研究与前人研究的振幅和迟角之对比。

由表1模型模拟结果与5个验潮站实测数据的对比可知，4个主要分潮的振幅误差均低于1cm，总体来看，所有振幅误差均小于2%。除大亚湾和香港站的K1迟角误差为1.68°和1.32°，汕尾站M2迟角误差3.15°以外，4个分潮的迟角误差也低于1°。从表2本研究计算所得振幅和迟角与前人的研究相比可知，本研究结果的准确度又有较大提高。因此，本文建立的珠江口海域高分辨率模型结果可信，能够较准确地再现整个研究海域的潮汐环流特征。

表1 4个主要分潮观测与计算调和常数对比

表2 本研究和前人研究所得调和常数对比

2 潮汐环流模拟结果分析

2.1 潮汐性质分析

图3 潮汐性质判别系数分布Fig.3 Distribution of molded tidal characteristics

2.2 河口区潮汐特征分析

为了分析珠江口及邻近海域潮汐的传播特征，绘制河口区4个主要分潮M2,、S2、K1、O1的同潮图见图4。

由图4可知，各分潮潮波在传播至珠江口附近时分为两支，一支继续西传，另一支则转为向北进入珠江口。各分潮在河口内等振幅线与等位相线走向大致平行，说明潮波在河口内的传播具有前进潮波的特征。同时，半日潮特征加强，且M2分潮占主导地位，其振幅为4个主要分潮中最大。

由于河口水面向北逐渐变窄，M2潮波传入河口后能量不断积累，导致振幅由南向北从45cm逐渐增大到70cm。口门处M2等振幅线偏西北-东南走向，说明口门处西侧振幅小于东侧振幅，这是由于口门东侧水深较深，是潮波主要的传播通道，振幅较大；西侧水深较浅，潮波能量被消耗，使振幅减小。等位相线随着潮波继续北传变密集，呈东北-西南走向，缘于河口内水深变浅和岸界阻碍作用使潮波速度减慢所致。东侧迟角小于西侧，表明东侧潮波传播较西侧快，缘于西侧浅滩使潮波的传播减慢。

S2分潮等振幅线和等位相线与M2分潮的分布相似，口门以北的振幅介于17～27cm之间，不足M2分潮的一半；迟角则比M2分潮的大，说明其潮波传播速度比M2分潮的慢。半日潮波从口门传播到湾顶，M2分潮历时小于2h(口门至湾顶位相差约40°)，而S2分潮历时约为2h(口门至湾顶位相差约60°)。

(左：振幅(单位：m)； 右：迟角(单位：(°)。Left: co-amplitude (in m)；Right: co-phases (in deg).)图4 珠江口海域4个主要分潮同潮图Fig.4 Co-tidal lines for four principal constituents in the Pearl River Estuary

K1分潮振幅在口门以北介于36～39cm，东侧振幅较大，西侧振幅较小，东侧潮波传播较快。O1分潮等振幅线与等位相线与K1分潮分布相似，O1分潮振幅介于30～35cm，比K1分潮振幅小20%左右。对全日潮来说，从口门传播到湾顶，K1和O1分潮历时均约1.3h(湾口至湾顶位相差为20°)。

至于模型在珠江口外陆架南海北部的结果(图略)，本文得出的结论与前人的研究发现基本一致[11-12]，在此不再叙述。

2.3 潮流结果分析

2.3.1 潮流空间分布 为了阐述研究海域潮流空间分布随时间的变化，本文给出了珠江口海域模型在涨急和落急两个标志性时刻的垂向平均流场图(见图5，箭头代表流速，背景色标代表流速量值)。若下文没有特别提出，所提流速均为垂向平均流速。

涨急时刻，潮流方向主要沿河道逆流北上，珠江口外潮流流速较小，大部分都在0.4m/s以下，潮流向湾内汇聚，在大濠岛分为两支向北流动。河口内潮流流速比口门外陆架海域流速大，基本都在0.5m/s左右；东、西航道区流速介于0.5～0.8m/s之间。涨潮流在淇澳岛和内伶仃岛分别偏向西北、东北，而后继续北上。潮流分布总体上呈东强西弱，在航道区较大，在西侧浅滩处较小。

落急时刻，潮流分布在珠江口内依旧呈东高西低，东、西航道及其临近区域出现流速大小介于0.7～1m/s之间的高值区，最大流速出现在航道区，此由地形作用和径流下泄共同作用所致；在口门处，潮流流速减弱至0.4m/s以下。落潮流途经淇澳岛和内伶仃岛时分别偏向西南、东南向，之后继续南下。与涨急时刻的流速相比，落急流速在河口内有不同程度的加强，尤以航道区最为显著，这是因为径流汇入潮流时会加强总落潮流速但抑制总涨潮流速以及涨落潮不对称的影响。此外，模型计算结果表明，一个潮周期之内落潮历时比涨潮历时多半小时左右，径流下泄使落潮历时长于涨潮历时。Mao等[3]亦通过分析珠江口海域的实测数据得出过类似结论。

(左：涨急； 右：落急。Left: maximum flood； Right: maximum ebb.)图5 珠江口海域潮流分布图Fig.5 Distribution of tidal current in the Pearl River Estuary

2.3.2 潮流椭圆分布 选取模型模拟结果第11～第50天的逐时流速进行潮流调和分析，得到4个主要分潮在口门外陆架海域及珠江口海域的潮流椭圆分布(见图6、7)。

由图6可知，4个分潮M2、K1、S2、O1的潮流振幅依次减小。在口门外陆架海域，4个分潮潮流椭圆旋转方向的分布有所不同。以M2分潮为例，在河口东侧大致沿114.2°E为界，界线东侧以顺时针旋转为主，西侧以逆时针旋转为主，但界线西侧珠江口门附近海域则为强的顺时针旋转流。其他分潮也有旋转方向随区域而不同的特征，这里不再详述。

研究还发现，在某些区域，若半日潮有明显的旋转潮流，全日潮对应的旋转潮流则较小。杨万康[11]研究过南海北部陆架区的潮流时，亦曾得出类似结论。

由图7可知，珠江口海域潮流流速显著大于口门外陆架区域潮流流速。在珠江口海域，M2分潮以往复流为主，潮流椭圆长半轴有平行于岸界或者航道等深线的趋势；潮流流速在航道区最大可达约60cm/s；由于西部浅滩的阻碍作用，珠江口西侧海域的潮流流速小于东侧海域。K1在珠江口海域的潮流流速也以往复流为主，流速最大值约为30cm/s。S2、O1潮流椭圆分布分别与M2，K1相似，但量值均小于后者。总体来说，珠江口海域潮流以往复流为主，除在大濠岛附近局部潮流椭圆为东北-西南方向以外，大部分海域潮流椭圆为西北-东南方向；以淇澳岛、内伶仃岛和深圳湾的连线为界，潮流运动在北部基本上为逆时针而南部为顺时针。此外，M2潮流椭圆长轴大约是其他3个分潮长轴的2倍多，与Mao等[3]从实测资料分析所得出的结论一致。

(红色表示逆时针；蓝色表示顺时针。Red: counterclockwise； Blue: clockwise.)图6 陆架海域4个主要分潮潮流椭圆分布Fig.6 Tidal current ellipse for four principal constituents in offshore sea

2.4 珠江口海域余流分析

欧拉余流指空间每一点上的净流动，定义为一定时段内所有经过该空间点上的质点的速度矢量在该时段上的平均，它主要由非线性底摩擦效应引起，与局部地形密切相关，一般采用潮流场的时间平均场来描述。Euler余流的计算表达式为：

其中:VE为欧拉余流;Vi为流速;N为流速个数。

拉格朗日余流一般由潮波方程中的非线性作用及海底海岸摩擦所造成的。由于其表示的是潮波的净位移，故对物质输运

至关重要。拉格朗日余流的计算表达式为：

VL=VE+VS。

本文取模型开始积分10d后连续25h的逐时流速结果计算得到了在潮汐径流作用下珠江口海域的欧拉余流场，斯托克斯漂流及拉格朗日余流场(见图8)。

图8中箭头表示余流的大小和方向，背景场为余流的涡度场。可见，斯托克斯漂流涡度的值比欧拉余流的小一到两个量级，也就是说，计算所得的拉格朗日余流的涡度大小和特征基本与欧拉余流一致。不过，由于岸界的非线性作用，斯托克斯漂流在沿岸和岛屿处的余流涡旋有所加强。除非特别说明，本节对潮致余流的分析均使用欧拉余流。

由于珠江口及邻近海域岸线和地形复杂，岛屿众多，研究海域呈现出大小、强弱不等的多涡旋余流结构。在伶仃洋外岛屿分布区，珠江口航道区，深圳湾内，淇澳岛及内伶仃岛周围，大濠岛附近，均存在较强的涡旋结构；在大鹏湾、大亚湾和珠江口沿岸存在较弱涡旋结构。上述涡旋结构会影响珠江口及邻近海域的水交换和物质输运。

在潮汐和径流的双重驱动下，磨刀门和珠江口内4大口门存在较强的余流，内伶仃岛与深圳湾之间、大濠岛与香港主岛之间也是余流高值区。航道区有较强的余流向外海流动，余流经过大濠岛时分为两支，一支继续顺着航道向南流动，另一支从大濠岛与香港主岛之间流向外海；西侧浅滩存在较弱的余流向河口内流动，与前述航道区的南向余流形成了一个环流结构。这是由于潮汐与地形的非线性相互作用，在浅滩处产生上溯余流所致。

余流继续南下流入外海过程中受到科氏力和地形的共同作用，余流南下流入外海过程中转为西向流动，直到横琴岛以西海域；大万山岛以西余流流速大于大万山岛以东。

(左：欧拉余流；中：拉格朗日余流；右：斯托克斯漂流。Left: Eulerian residual current; Middle: Lagrangian residual current; Right: Stokes drift.)图8 珠江口海域余流分布Fig.8 Residual current field in the Pearl River Estuary

2.5 珠江口海域潮流能通量分析

为了分析珠江口海域潮汐能的分布和传播，本文通过计算一个潮周期内的潮流能通量来分析潮流能量量值的分布以及潮流能量的传播方向[12,16]：

U=vH,

(1)

P=ρg。

(2)

其中:P为潮流能通量;ρ为密度;g为重力加速度;U为体积输运矢量;v为流速;H为水深;ζ为水位;<>代表时间平均。

图9给出了珠江口海域潮流能通量的分布，其中箭头代表潮流能通量方向，背景色标代表量值。由图可知，潮流能通量由外海向珠江口内汇聚。在珠江口东侧大鹏湾西南沿岸，潮流能通量沿着岸线自东向西北传播至珠江口大濠岛以南时分为两支，一支转向东北侧的水道，另一支继续向西北运动至大濠岛西侧转而北上。

在河口内，潮流能通量主要呈北向传播，淇澳岛北上至蕉门之间有向西和西南方向的流动，潮流能通量绕淇澳岛呈逆时针旋转；在珠江口东、西航道区由于水深较深且流速较大，在该处形成了潮流能通量高值区。

图9 珠江口海域潮流能通量水平分布Fig.9 Horizontal distribution of tidal energy flux in the Pearl River Estuary

潮流能通量的量值在沿岸浅水处较小，如大鹏湾，大亚湾，深圳湾内，淇澳岛附近，并随着水深增大而增大。

珠江口外侧陆架区，潮流能通量大体呈东南-西北向运动，一部分在河口附近转为北向进入河口，余部继续向西北运动至磨刀门附近。

3 结论

本文基于无结构网格海洋模式FVCOM，考虑8个主要分潮、径流等影响，通过对珠江口及邻近海域高精度的水动力数值模拟，细致验证和分析了珠江口潮汐环流及余流的特性。主要结论如下：

(1)与5个验潮站的实测数据对比前4个主要分潮振幅和迟角的误差均低于2%，较前人的模式准确度有了大幅提高，说明模型能够较准确地刻画珠江口及邻近海域的潮汐环流等水动力特征。

(2)珠江口海域潮型数大致介于1.1～1.3之间，潮汐类型为不正规半日潮。

(3)在珠江河口海域，潮波的传播具有前进潮波的特征。在前4个主要分潮中，M2分潮占主导地位，振幅最大。总体上，4个主要分潮向河口内传播时，由于河口向北逐渐变窄，潮波传入河口能量不断积累，使振幅逐渐变大。等振幅线偏西北-东南向，这是由于东侧水深较深，是潮波传播主要通道而西侧浅滩会引起能量损耗。同时，河口区等位相线比口门外陆架海域的密集，这是因为河口水深变浅与岸界阻碍使传播速度减慢；其分布东侧稀疏西侧密集，说明东侧潮波传播较快。潮波从湾口传播到湾顶，半日分潮历时约2h，全日分潮历时约1.3h。

(4)4个主要分潮在浅海陆架区以旋转流为主，且每个分潮在不同位置都有一条界线，界线以东为顺时针旋转流，以西为逆时针旋转流。半日分潮在浅海陆架区有明显的旋转潮流，全日分潮在同一区域的旋转潮流较弱。在珠江河口内以往复流为主，潮流流速是陆架海域的1～2倍，最大可达到1m/s，受地形和径流影响，航道区(水深最大)流速最大，西侧浅滩处流速较小，潮流总体上呈东强西弱，并且落急流速大于涨急流速，落潮历时长于涨潮历时。潮流椭圆倾斜的方向基本为西北-东南，潮流椭圆长半轴有平行于岸界或者航道的趋势；河口内以淇澳岛、内伶仃岛和深圳湾的连线为界，潮流运动基本上在北部为逆时针而在南部为顺时针。M2潮流椭圆长轴大约是其他3个分潮长轴的2倍。

(5)由于地形和岸线的作用，在伶仃洋外岛屿分布区，珠江口航道区，深圳湾内，淇澳岛及内伶仃岛周围，大濠岛附近均存在较强的涡旋结构，这些涡旋结构会影响珠江口及邻近海域的水交换和物质输运。在河口内，由于潮汐与地形的非线性相互作用以及径流下泄，在航道区会有向南的流动，而在河口西侧浅滩处会有向北的流动，形成一个环流结构；同时在磨刀门和珠江口内四大口门区，内伶仃岛与深圳湾之间、大濠岛与香港主岛之间产生余流高值区。余流南下进入外海时，受科氏力作用大部分向西流动，且大万山岛以西流速大于大万山岛以东。

(6)外海传入的潮流能通量大部分自南向北在珠江口内汇聚，未进入河口的能通量向西和西北方向运动，淇澳岛周围潮流能通量呈逆时针旋转。由于水深较深且流速较大，在珠江河口东，西航道区形成潮流能通量高值区，量值最大可达10kW/m，在大鹏湾，大亚湾，深圳湾内，淇澳岛附近潮流能通量量值较小，在0～1kW/m之间。

致谢：本研究由“珠江口及临近海域高精度潮汐-环流数值模拟系统的开发”课题和“全球大洋中尺度涡旋预报和南中国海内孤立波预报系统研发”共同资助。在研究过程中，史军强同学提出了有益的建议，国家超级计算济南中心提供了千万亿次“神威蓝光”计算平台,在此一并表示感谢。

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责任编辑 庞 旻

Three-Dimensional High-Resolution Numerical Study of the Tide and Circulation in the Pearl River Estuary and Its Adjacent Waters Part I: Model Building and Analysis

DING Rui1, CHEN Xue-En1, QU Nian-Dong2

(1.College of Physical and Environmental Oceanography, Ocean University of China, Qingdao 266100， China; 2.South China Sea Environmental Monitoring Center, SOA, Guangzhou 510300， China)

Based on an unstructured grid and finite-volume coastal ocean model (FVCOM), including highly accurate coastline and bathymetry data, a three-dimension model with high resolution is constructed in the Pearl River Estuary and its adjacent sea area to reproduce tides, tidal currents and residual currents. The comparison between observations and numerical modeling indicates that the computing results fit the measured values well. More elaborate co-tidal charts and pictures of tidal current ellipse of the four principal tide constituents as well as figures of tides, tidal currents and residual currents illustrate characteristics of tides and circulation in the research areas. The results show that there is mixed semidiurnal tide existing in the Pearl River, and the tide-type factor ranges from 1. 1 to 1. 3. In the estuary, the tidal amplitude in the east side is higher than that in the west side, and the tide in the east propagates more quickly than that in the west; the tidal currents is mainly northwestern and southeastern with a rectilinear-current motion, and the maximum current velocity appears in the channel; the residual current in the channel flows towards the south, influenced by drainage of the runoff, while in the western shoal of the estuary, it flows towards the north, where a structure of circulation emerges. The tidal energy flux propagating from open sea, the maximum of which appears in the west and east channel of the estuary, mostly converges in the Pearl River Estuary, and circles counterclockwise around Qi’ao Island.

Pearl River Estuary; tide; tidal current; numerical simulation; FVCOM

海洋公益性行业科研专项“小型阵变频高频地波雷达数据的开发和应用”(201205032-2)；“海底管道探测技术集成及风险评估技术研究与示范应用”(201305026-3)；“海洋站生态环境长期综合观测系统集成技术研究与示范”(201505007)资助

2015-03-08；

2015-04-20

丁 芮(1990-)，女，博士生。E-mail：aadingrui@126.com

❋❋通讯作者： E-mail：xchen@ouc.edu.cn

P731.24

A

1672-5174(2015)11-001-09

10.16441/j.cnki.hdxb.20150064