大亚湾和大鹏湾两个相邻海湾潮波浅水变形的异同分析

2020-04-25管卫兵曹振轶何天祺

海洋学研究 2020年3期

李嵩，管卫兵*,4，曹振轶，何天祺，杨昀

(1.卫星海洋环境动力学国家重点实验室,浙江杭州 310012;2.自然资源部第二海洋研究所，浙江杭州 310012;3.上海交通大学海洋学院，上海 200240;4.南方海洋科学与工程广东省实验室(珠海),广东珠海 519080)

0 引言

大亚湾是中国南海重要海湾，地处广东省东南、珠江口东面，西与大鹏湾接壤，东和红海湾毗邻，海岸曲折多变，是浅水分潮研究的热点区域。杨国标[1]通过水文测验资料分析了大亚湾海区的潮流性质、运动形式以及余流特征，认为大亚湾潮流受浅水效应影响显著。吴仁豪等[2]通过HAMSOM模型模拟了大亚湾海域的潮汐、潮流和余流，结果表明大亚湾海域潮流以不正规半日潮为主，湾内余流呈夏季小、冬季大的特点。王聪等[3]利用ECOM-si模型研究大亚湾余流，结果表明潮致余流是影响大亚湾水交换能力的重要因素，并且风场对水交换有重要影响。武文等[4-5]利用实测资料和FVCOM模型对大亚湾潮波系统进行了研究，结果表明，六分之一日潮在大亚湾内快速增长并与M2、M4分潮相互影响在湾内形成潮位和潮流“双峰”现象。刁希梁等[6]同样利用FVCOM模型研究了大亚湾海域潮位“双峰”现象的生成机制，得出M6分潮的异常增长是引起这一现象的主要原因，而引起M6分潮异常增长的原因是共振效应，同时非线性二次底摩擦的作用是M6获得能量的最根本原因和控制因子。

大鹏湾与大亚湾毗邻相接，有着几乎相近的水平尺度，但其潮波的浅水变形现象未被很好地关注。本文利用较长时间序列的实测资料，分析大亚湾和大鹏湾潮汐水位的“双峰”现象，并基于SCHISM模型构建较之于武文等[4-5]模型区域更大的高分辨率水动力模型，旨在进一步消除边界效应的基础上，更真实还原大亚湾及大鹏湾海域的潮汐动力过程，探究大亚湾和大鹏湾两个相邻海湾潮波浅水变形的异同及其影响因素。

1 数据分析与浅水分潮

1.1 数据分析

本文采用的地形数据主要依据中华人民共和国航保部2014年出版的海图岸线和水深，在湾外结合topo_30sec水深数据构建研究区域地形(图1a)。逐时潮位、流速实测资料来自于惠州海洋局。大亚湾内有6个潮位站：澳头综合潮位站、石化区综合潮位站、巽寮赤砂综合潮位站、巽寮综合潮位站、平海综合潮位站、港口综合潮位站(以下分别简称为澳头站、石化站、赤砂站、巽寮站、平海站和港口站)；4个潮流站为：鹅洲综合浮标站、喜来登酒店综合浮标站、桑洲综合浮标站(以下分别简称为鹅洲站、喜来登站、桑洲站)和1个实测潮流站位C4。大鹏湾内有2个潮位站：盐田港和高流湾(图1b)。

利用T_TIDE[7]数据包对巽寮站和赤砂站两个月(2019-04-01—2019-05-31)的潮位数据进行调和分析，得到35个分潮的调和常数，用这些调和常数预报潮位，与实测数据进行对比(图2)。结果表明，大亚湾确实存在潮汐水位“双峰”现象，在1 d中的2次高潮期间，都有明显的水位下降再上升的现象，而在低潮时并没有明显“双谷”现象(图2c和2d)。实测与回报之间存在误差可能是天气过程导致的亚潮波动引起的。

对高流湾和盐田港两个站进行同样的潮位数据处理，结果表明，在大鹏湾内，也存在潮位“双峰”现象，但强度远小于大亚湾。在大鹏湾1 d中的2次高潮里，未都呈现“双峰”水位的现象，仅较高水位的高潮表现出明显的潮位“双峰”现象(图3)。

图2 大亚湾潮位实测与调和分析回报结果Fig.2 Observed and predicted water level in Daya Bay

图3 大鹏湾潮位实测与调和分析回报结果Fig.3 Observed and predicted elevation in Dapeng Bay

1.2 浅水分潮

前人研究认为潮汐“双峰”是浅水分潮叠加在天文分潮上形成的，起主要影响作用的分潮是M2、M4和M6的组合，其中M6的异常增长是导致潮汐水位“双峰”现象的根本原因[4-6]。本文对大亚湾内6个潮位站和大鹏湾内2个潮位站的潮位数据进行调和分析，得到上述M2、M4和M6分潮的调和常数(表1)。对比不同站位浅水分潮振幅的变化，可以看出在大亚湾，从湾口的平海站至湾顶的赤砂站，M4振幅增长了2倍多，增幅为202.57%；M6振幅增长了近8倍，增幅为773.08%，达到与M4振幅同一量级；而M2只有少许增长，增幅为19.32%。湾顶处，赤砂站的浅水分潮振幅大于澳头站和石化站，同时该站的迟角也较大，其原因可能是湾内东北部存在小海湾，浅水分潮在赤砂站仍然继续增长，而在西部的石化站和中部的澳头站达到极值。大鹏湾内2个潮位站的M2、M4和M6浅水分潮振幅较港口站均有所增大，但在2站之间差别不大，表明浅水分潮在大鹏湾内未出现明显的继续增长的趋势(表1)。

表1 大亚湾和大鹏湾潮位调和常数Tab.1 Tidal harmonic constants in Daya Bay and Dapeng Bay

为了验证大亚湾内M4和M6分潮异常增长对潮位“双峰”现象的影响，本文对赤砂站潮位数据分别作了3组处理：(1)在潮位回报时剔除M4和MS4分潮；(2)在潮位回报时剔除M6和2MS6分潮；(3)在潮位回报时剔除M4、MS4、M6和2MS6分潮(图4)。可以看到，单独剔除M4和MS4或M6和2MS6分潮时，仍出现潮位“双峰”现象，但信号有所减弱；同时剔除这两组浅水分潮时，潮位“双峰”现象则基本消失。剔除实验表明，M4、MS4、M6和2MS6分潮的异常增长，是大亚湾潮位“双峰”现象的主要成因。

图4 赤砂站剔除部分分潮的潮位回报Fig.4 Predicted elevation without using parts of shallow water constituents in Chisha station

2 模型构建与验证

2.1 SCHISM水动力模型简介

SCHISM(Semi-implicit Cross-scale Hydroscience Integrated System Model)[7-9]是在SELFE(Semi-implicit Eulerian-Lagrangian Finite Element)[10]模型基础上开发的一种基于非结构化网格的建模系统，旨在模拟包含溪流、湖泊、河流、河口、大陆架、海洋等多尺度的3D斜压环流。它使用基于Eulerian-Lagrangian算法的半隐式有限元和有限体积方法来求解Navier-Stokes方程，以模拟各种物理和生物过程。质量守恒通过有限体积传输算法来实施。SCHISM模型具有模拟海洋环流、海啸危害、波流相互作用、沉积物运输、生物地球化学、水质和溢油的模块。

2.2 模型配置

选用上文所述SCHISM模型构建正压水动力模型。模型计算范围东起碣石湾东部湾口(116°E)，西至深圳市西南珠江口(113.6°E)，南抵东沙岛以西21°N附近海域(图1a)。利用SMS(Surface-water Modeling System)在水平方向建立三角网格(图1a)，包含250 085个节点以及490 950个三角网格，空间分辨率最高达50 m，垂直分层共11层。本文在开边界使用15个分潮(K1、O1、P1、Q1、M2、S2、N2、K2、M4、MS4、M6、2MS6、SSA、MM、MF)作为潮驱动。水位和潮流分量的分潮调和常数(振幅、迟角)由水平分辨率1/16°的FES_2014(https://www.aviso.altimetry.fr/en/data/products/auxiliary-products/global-tide-fes.html)模型结果插值得到。底摩擦拖曳系数CD定义使用公式：

(1)

式中：δb为底层计算单元的厚度(假设底层在SCHISM中得到充分的解决，底层计算单元在边界层内)；z0为底部粗糙度，取值0.005 m[11]；k0=0.4，是Von Karman常数。模拟采用冷启动，时间为2019年3月1日起至同年5月30日，时长共90 d，时间步长60 s。模型逐小时输出计算结果，取后60 d结果用于研究分析。

2.3 模型验证

2.3.1 调和常数验证

本文使用FOREMAN et al[12]提出的矢量误差公式处理实测数据和模型数据，进行调和常数验证。具体计算公式为：

(2)

式中：diff为矢量误差，a0和g0为实测数据调和常数(振幅和迟角)，am和gm为模型数据调和常数(振幅和迟角)。考虑到大亚湾和大鹏湾相同的地理区域和相似的水文环境，本文提取大亚湾内6个潮位站的水位数据的模拟结果进行调和分析，模型结果调和常数见表2，模型结果调和常数误差见表3。由表3可知，除港口站M4和M6的迟角数据误差较大，其他湾内站位数据的误差均较小，表明模型可以很好地模拟大亚湾湾内水文特征。由于港口站位于湾口转角处，可能是因地形模拟不精确导致了迟角误差较大。

表2 模式结果调和常数Tab.2 Simulated harmonic constants

表3 模式结果调和常数误差Tab.3 Errors of simulated harmonic constants

2.3.2 潮位验证

选取大亚湾内港口站、平海站、巽寮站、赤砂站和澳头站进行潮位验证(图5)，数据的验证时段取模型启动30 d后，2019-04-01—2019-05-30。各站模拟结果均再现了大亚湾内高潮水位双峰值的特征，尤其在大潮期间更为明显。从港口站—澳头站，随着站点位置从湾口向湾内深入，高潮水位双峰值的特征也愈发明显。本模型很好地反映出大亚湾附近海域的潮位变化。大鹏湾与大亚湾相邻，水文特征相似，可以认为模型对于大鹏湾潮位的模拟也是可信的。

图5 大亚湾内潮位验证结果Fig.5 Verification results of tide level in Daya Bay

2.3.3 潮流验证

因为小潮期非线性项、风场、气压场的作用更加显著，影响模拟效果，所以本文选取大潮期的大亚湾内C4站2015年1 d的实测资料对流速进行验证(图6)。模拟流速与实测流速基本吻合，流向变化趋势相同，认为模型可以还原大亚湾和大鹏湾附近海域的潮流特征。

通过对调和常数、潮位、潮流的验证，认为已设置的模型可以很好地模拟大亚湾和大鹏湾海域的水文特征。所构建的水动力模型是准确可靠的，可以用于后续研究。

图6 大亚湾内C4站潮流验证结果Fig.6 Tidal current verification results of C4 station in Daya Bay

3 结果与讨论

3.1 分潮特征

本文选取了代表半日分潮的M2分潮、代表四分之一日分潮的M4分潮、代表六分之一日分潮的M6分潮进行分析。

3.1.1 潮汐类型与潮流类型

在多种分潮的共同作用下潮汐会形成不同类型，以K1、O1和M2分潮振幅的比值K作为判断该地区潮汐类型的判据；以K1、O1和M2分潮的潮流椭圆长半轴的比值F作为判断潮流类型的判据：

K=(HK1+HO1)/HM2

(3)

F=(WK1+WO1)/WM2

(4)

具体判据如表4所示，根据公式计算的判据结果如图7所示。大亚湾和大鹏湾附近海域，以K值为2的等值线为分界，该等值线以东海域，K值在2～3之间，潮汐类型为不规则全日潮；以西海域，K值在1.5～2 之间，潮汐类型为不规则半日潮。研究区域F值基本分布在1附近，潮流类型表现为不规则半日潮流。

表4 潮汐类型与潮流类型判据Tab.4 Criterion of tidal type and tidal current type

图7 潮汐类型与潮流类型判据计算结果Fig.7 Calculation results of tidal type and tidal current type criterion (白色等值线表示潮汐类型判据K，填色表示潮流类型判据F。) (White contour lines represent tidal type criterion K, and color-filling represent tidal type criterion F.)

3.1.2 分潮振幅与迟角

以分潮振幅来表示分潮强度，以迟角来展示其传播过程。M2分潮沿岸线自东北向西南传播，在湾外，同振幅线分布均匀，振幅自东南向西北逐渐增大；在大亚湾和大鹏湾内，同振幅线均呈现平行于湾顶岸线的特征，振幅增长变化不大(图8a)。M4分潮传播方向自东向西，在湾外，同振幅线平行岸线分布，离岸越近振幅增长越剧烈。在大亚湾内，M4分潮传播从平行于岸线转为垂直于湾顶岸线方向，呈明显的右旋趋势，在赤砂站以东振幅达到极值。在大鹏湾内，M4分潮传播方向呈明显左旋趋势，在高流湾以西振幅达到极值，该值小于大亚湾内振幅极值(图8b)。M6分潮在湾外振幅很小，M6分潮存在2个无潮点，在(21.975° N，114.425° E)附近，潮流逆时针旋转；在(21.475° N， 114.480° E)附近，潮流顺时针旋转。在远离海岸的区域M6分潮振幅很小；在近岸湾外，自东向西，M6分潮振幅先降低后增加；在两个海湾的湾口处振幅出现明显增加；进入海湾后，在大亚湾内的增长明显强于大鹏湾内(图8c)。

在大亚湾内3个分潮的传播方向均以自南向北为主，在东北部的湾顶的小海湾内转为自西向东；在大鹏湾内传播方向均以自东向西为主。3个分潮在海湾内呈现出相似的传播过程和增长趋势，其中M4分潮和M6分潮在大亚湾内的增长明显强于在大鹏湾内的增长。

图8 计算区域M2(a)、M4(b)和M6(c)分潮的振幅和迟角Fig.8 Amplitude and phase of M2(a), M4(b) and M6(c) (图中填色表示振幅，单位：m；白色等值线表示迟角，单位：°。) (Filled contour represents amplitude，uint: m. White contours represent phase, unit: °.)

3.1.3 分潮潮流椭圆

潮流运动形式用潮流椭圆短轴和长轴之比(旋转率)来表示，比值的绝对值越小，表明潮流往复性越强；绝对值越大，表明潮流旋转性越强。正值表示潮流呈逆时针旋转，负值表示潮流呈顺时针旋转。

M2分潮，在湾外，潮流椭圆分布均匀，椭圆长轴相对垂直于同振幅线，旋转率绝对值小于0.3，以往复流为主。在115°E以东海域，旋转方向以顺时针方向为主，在115°E西海域，旋转方向以逆时针方向为主。进入大亚湾后，M2分潮潮流流速增大，旋转性降低，呈现出强的往复流性质，椭圆长轴呈南北向。在大鹏湾西部湾口，M2流速增加，旋转率增大，进入大鹏湾后，潮流仍以往复流为主，但流速没有明显增加(图9a)。M4分潮，在湾外，潮流椭圆呈明显的逆时针旋转流分布特征，在大亚湾东侧湾口和大鹏湾西侧湾口，旋转率绝对值增大，旋转性更明显。在两个湾内，M4分潮潮流椭圆的分布与M2分潮类似，与湾外相比，流速相对增大，往复流特征更显著(图9b)。M6分潮，在湾外，潮流以旋转流为主，分别在(21.4°N,114.5°E)和(22°N,114.4°E)有一顺时针旋转中心和逆时针旋转中心，位置与无潮点基本吻合。在近岸海域，潮流椭圆旋转率减小，在大亚湾和大鹏湾湾口转为往复流；进入湾内，潮流椭圆的分布与M2分潮类似，流速急剧增大，往复流特征更加明显(图9c)。

3个分潮在大亚湾和大鹏湾内都表现出强的南北往复流性质，各分潮流速大小为M2>M4>M6.，其中M4、M6分潮流速在湾内比湾外有明显增加。

图9 M2(a)、M4(b)和M6(c)分潮的潮流椭圆及旋转率分布Fig.9 Ellipse track and eccentricity of M2(a), M4(b) and M6(c) (黑色椭圆表示潮流形态，填色表示旋转率。) (The black ellipses represent the flow pattern, and the color-filling represents the rotation rate.)

3.2 数值实验

在上述水动力模型分潮数据的基础上，为研究底摩擦对浅水分潮的影响，设计了两个实验，实验1：底部粗糙度z0取为0.001 m；实验2：底部粗糙度z0取为0.01 m。为研究大亚湾和大鹏湾不同水深、地形坡度对浅水分潮的影响设计了两个实验，实验3：将大亚湾和大鹏湾的水深都设置为10 m，即大亚湾的平均水深；实验4：将大亚湾和大鹏湾的水深都设置为15 m，即大鹏湾的平均水深。在实验3和实验4中，将2个海湾的水深用平均水深替代，以去除原海湾的地形坡度。将模型分潮数据作为控制实验结果。

3.2.1M2分潮

4个实验中，改变底摩擦强度、水深和地形条件，M2分潮的振幅、迟角和潮流均没有发生明显改变，仅在湾内有很小变化(图略)，表明底摩擦和湾内地形对M2分潮的影响都很小，并且M2分潮不是造成大亚湾和大鹏湾水文差异的主要因素。

3.2.2M4分潮

与模型结果(图8b)相比，M4分潮，在湾外，振幅和迟角未产生明显变化；在湾内，振幅出现变化。实验1(z0=0.001 m)，M4分潮进入2个海湾后振幅有小幅度增加，如赤砂站振幅增加了3.68%(图10a)；实验2(z0=0.01 m)，M4分潮进入湾内后振幅则呈小幅度减少，如赤砂站减少了2.29%(图10b)。当底部粗糙度z0较小，潮汐能转化成潮流时的损耗较小，从而导致实验1中M4分潮振幅大于实验2。当水深与坡度发生改变时，实验结果变化明显。对比图8b和图10c、10d，在大鹏湾内，M4分潮振幅剧烈增长，在湾顶从0.1 m左右均匀增长到实验3中的0.15 m左右(图10c)；实验4中湾顶振幅增长到0.14 m左右(图10d)，分潮的传播方向也从自东向西为主变为自南向北为主。而在大亚湾内，实验3中振幅有小幅度减小，以赤砂站为例减少了5.58%(图10c)，表明其原本的地形坡度更有利于M4分潮的增长；实验4中当水深增加，振幅大幅减少，以赤砂站为例减少了17.7%(图10d)，可能与共振条件被破坏有关。

图10 M4分潮的振幅和迟角(填色表示振幅；白线表示迟角)Fig.10 Amplitude and phase of M4 (图中填色表示振幅，单位：m；白色等值线表示迟角，单位：°。) (Filled contour represents amplitude，unit: m. White contours represent phase, unit: °.)

M4分潮的潮流大小对底部粗糙度和地形的响应与振幅类似，改变粗糙度带来较小的潮流改变，改变地形和水深使得潮流大小、方向均产生明显变化(图11)。与控制实验相比(图9b)，在实验1中流速增大(图11a)，实验2中流速减小(图11b)。在实验3中，M4分潮的潮流流速在两个湾口都表现为流速增大；在大鹏湾内流速增大；在大亚湾内流速减小，潮流椭圆长轴方向呈顺时针旋转，以喜来登站为例旋转了5.47°(图11c)。在实验4中，大亚湾湾内流速减小更加明显，以喜来登站为例最大流速减小了45.9%，潮流椭圆长轴方向顺时针旋转了7.69°(图11d)。

图11 M4分潮的潮流椭圆及旋转率分布Fig.11 Ellipse track and eccentricity of M4 (黑色椭圆表示潮流形态，填色表示旋转率，a(d分别表示实验1(4。) (The black ellipse represents the flow pattern, and the color represents the rotation rate; a(d are experiment 1(4.)

4个实验的结果表明，地形和水深是造成大亚湾和大鹏湾以M4分潮为代表的四分之一日分潮变形的重要因素，底部粗糙度影响不大。

3.2.3M6分潮

对比控制实验(图8c)，M6分潮在湾外最明显的变化是无潮点位置的改变，以及随之而来的振幅分布的改变(图12)。无论是对于底摩擦的改变还是地形水深的改变，较之M2分潮与M4分潮，M6分潮都更为敏感。不同的底摩擦强度下(在实验1,2中)，无潮点相对位置发生变化，但总体传播形式不变。在地形坡度对潮波的阻挡作用被大大削弱后(实验3、4中，湾内水深设为等深)，无潮点位置发生了改变，在实验3中，偏北的无潮点向北移动了近0.2个纬度(图12c)，在实验4中，两个无潮点距离进一步拉大(图12d)，表明了潮波在湾外的传播方向发生了变化。同样，在湾口附近海域，M6分潮从原来的自东南向西北传播变为自东向西传播。

图12 M6分潮的振幅和迟角Fig.12 Amplitude and phase of M6 (图中填色表示振幅，单位：m；白色等值线表示迟角，单位：°。) (Filled contour represents amplitude，unit: m. White contours represent phase, unit: °.)

随着无潮点位置的改变，M6分潮在湾外的潮流形态也发生了改变(图13)，随着两个无潮点的东移和相互远离，原本计算区域南部的强顺时针旋转流中心东移(图13d)。在湾口附近海域，潮流旋转率增大，旋转性增强，在大亚湾和大鹏湾湾口中间区域出现明显的正旋转率中心(图13c,13d)。

图13 M6分潮的潮流椭圆及旋转率分布Fig.13 Ellipse track and eccentricity of M6 (黑色椭圆表示潮流形态，填色表示旋转率，a(d分别表示实验1(4。) (The black ellipse represents the flow pattern, and the color represents the rotation rate; a(d are experiment 1(4.)

M6分潮在两个海湾内的变化十分剧烈(图14)。M6分潮振幅和流速受到底摩擦的影响(图14a、14b)与M4分潮类似(图11a、11b)，底部粗糙度的减小使得潮汐能量向M6分潮转移过程中的损失减少，振幅增大，流速增加，但未导致潮流流向的明显改变。

当改变水深和地形，M6分潮变化明显：实验3中的大亚湾和实验4中的大鹏湾都是保持原有平均水深不变而去除地形影响，对比这两部分结果与控制实验(图14c、14d、14e)，实验3中大亚湾内M6分潮减弱，湾顶振幅由原来的15 cm左右降至10 cm左右，流速减小；实验4中大鹏湾M6分潮增强，湾顶振幅由原来的5 cm左右增强至8 cm左右，流速增大。实验4中的大亚湾和实验3中的大鹏湾是不仅去除了地形影响还改变了平均水深，对比这两部分结果与控制实验，实验4中大亚湾内M6分潮减弱更加明显，湾顶振幅降至7 cm左右，流速大大减小；实验3中大鹏湾内M6分潮振幅变化不明显，流速有一定程度增加。

图14 海湾内M6分潮的振幅、迟角和潮流椭圆Fig.14 Amplitude, phase and ellipse track of M6 in bay (图中填色表示振幅，单位：m；白色等值线表示迟角，单位：°；填色表示振幅；白线表示迟角；黑色椭圆表示潮流形态；a(d分别表示实验1(4，e表示控制实验。) (Filled contour represents amplitude，unit: m. White contours represent phase, unit: °; Color represents amplitude; The white line represents the late Angle; The black ellipse represents the tidal current shape; a(d are experiment 1(4, e is control experiment.)

改变底摩擦、地形坡度和水深等条件后，大鹏湾内分潮传播方向不变，始终以自东向西为主，大鹏湾内地形有东浅西深的特点(图1b)，即水深变浅的方向与分潮传播方向相反。在不改变大鹏湾容水量的情况下，当去除地形坡度后，大鹏湾内M6分潮迅速增强(图14d、14e)。而大亚湾内，当仅去除地形坡度(实验3)，原本自南向北的传播继续保持，当去除坡度同时加大水深(实验4)，潮波传播明显转为与湾外分潮传播方向相似的自东向西传播。大亚湾内水深变浅方向同分潮传播方向相同，在去除水深水平变化的情况下，M6分潮在大亚湾内减弱(图14c、14e)。由此可知分潮传播方向与水深变浅方向不一致，是限制M6分潮在大鹏湾内增长的主要因素。