渤黄海潮汐潮流精细化数值模拟及可视化预报系统
WAVEWATCH_模式在渤海海浪预报的应用与检验
LI Yan，HUANG Zhen，ZHANG Jun-f en g，et a l〃 Applicati o n and v eri f icati o n of sea w a v e fo reca st b y WAVEWATCH III m o del in the B o-hai S e a of China［J］〃 J o urnal of M e te o r o l ogy and En v ir o nment，2014，30( 1): 23 － 29〃W AV E W A TC H III模式在渤海海浪预报的应用与检验李燕1黄振1张俊峰1吴文杰2张彩凤1赵钱飞1( 1. 大连市气象局，辽宁大连116001; 2. 庄河市气象局，辽宁庄河116400)摘要: 大连黄海、渤海海浪数值预报系统采用WAVEWATCH III 模式进行海浪预报，预报产品包括48 h 内浪高、周期和浪向的逐3 h 预报，并可对其进行检验。
结果表明: WAVEWATCH III 模式对渤海中部浪高模拟较好，浪高预报TS为71. 7 % ，对近岸海区浪高模拟相对较差。
个例检验表明，浪高最大值模拟较好，模拟浪高最大值出现的时间与实况基本吻合，浪高变化趋势预报也较好。
WAVEWATCH III 模式对两个周期个例进行检验，预报误差最低可达0. 17 s，预报效果较好。
关键词: 海浪预报; 浪高; 周期中图分类号: P731. 33 文献标识码: A d o i: 10〃 3969 / j〃 issn〃 1673-503X〃 2014〃 01〃 004引言大连地区三面环拥渤海、渤海海峡和黄海北部，特殊的地理位置及地形，使大连地区每年因海浪、风暴潮造成的海洋灾害损失非常严重［1 －4］。
因此做好目前由于海洋资料极度缺乏，因此对海浪数值预报的检验一直是一个较大的难题，有限的实况资料限制检验的空间和时效，因此需要较多的检验客观定量反映模式预报的水平，发现预报模式运行中存在的问题，为改进模式业务应用提供可靠的依据大连地区及黄渤海海浪预报是关系到国计民生的一件大事。
黄渤海精细化温带风暴潮数值预报模式研究及应用
家 海 洋 环 境 预 报 中 心 网 站发 布 ，供由 美 国 俄 勒 冈 州 Ｏｒｇ ｎ Ｈｅｌ ＆Ｓ ｉ ｃ ｅ ｏ ａ ｈ ｃｅ ｅ ｔ ｎ
Ｕ ｉｅｓ ｙ的 Ｏ ｃｏ ｌ ｆ ｃｅ ｃ＆Ｅ ｇｎ ｅｉｇ的 ｎｖ ｒｉ ｔ ＧＩ ｈ ｏ ｏ ｉ ｅ ｎ ｉｅｒ Ｓ Ｓ ｎ ｎ
更 加 高效准 确 的数值 预报 技术 。
暴 潮数 值 预报 模 式 投 人 业 务 运 行 ，其 次 是 美 国在 ２ 世 纪 ９ 年 代 初 也建 立 了温 带风 暴 潮 数值 预 报 模 Ｏ ０
式 并 业务 化应 用 。我 国在 “ 五 ” 间 ，于福 江 等 】 十 期
２ 高分辨数值预报模 式
球 位 于 中 、高 纬 度 的 国家 ，在 西 北 太 平洋 沿 岸 国 家 中我 国是 最 易遭 受 温带 风 暴 潮灾 害 的 国家 。我 国海 岸 线 漫 长 ，南 北 纵 跨 温 热两 带 。在 春 、秋 季
节 ，渤 海 和 黄 海 北 部 是 冷 暖 空 气 频 繁 交 汇 的 地
中图分 类 号 ：７ １文献 标 识码 ： 文 章编 号 ：０ ３０ ３ （ ０ ０ ０ —０ １０ Ｐ３ Ａ １０ ．２ ９ ２ １ ）４ ０ ０ —８ 增 加 。究 其 原 因 ，主 要 与 大 背 景 下 的气 候 变 化 有
渤海海洋环境立体监测与动态评价可视化系统原型的设计与实现的开题报告
渤海海洋环境立体监测与动态评价可视化系统原型的设计与实现的开题报告一、研究背景渤海是我国最大的半封闭海湾，其海洋环境对周边地区的经济发展和生态环境具有重要影响。
近年来，随着工业、农业和城市化进程的加快，渤海海洋环境面临着越来越严峻的挑战。
为了保护渤海的生态环境和促进区域经济可持续发展，对渤海海洋环境进行立体监测和动态评价是必要的。
然而，传统的海洋环境监测方法主要依赖于定点采集数据，容易出现监测点遗漏等问题。
同时，由于采集数据的种类繁多，数据量庞大，传统的数据处理方式也面临着很大的挑战。
因此，需要一种高效、实时、全面的海洋环境监测方法和数据处理系统，以提高渤海海洋环境监测和评价的精度和效率。
二、研究目的和意义本项目的研究目的是设计和实现一种渤海海洋环境立体监测与动态评价可视化系统原型，旨在解决传统海洋环境监测方法所存在的问题，提高渤海海洋环境监测和评价的精度和效率。
具体研究目标包括：1. 设计并实现一套渤海海洋环境立体监测系统，包括遥感卫星、浮标、探测器等设备，实现对渤海海洋环境的全方位、实时、高分辨率监测；2. 实现对渤海海洋环境的数据采集、处理和储存，包括地理信息、环境参数等数据，提高数据处理的效率和精度；3. 基于收集到的数据和监测结果，建立渤海海洋环境动态评价模型，定期生成渤海海洋环境报告，为政府决策和公众服务提供参考；4. 设计并实现一套可视化系统，将渤海海洋环境监测结果以图像、地图等形式展现出来，方便用户观察和分析。
本项目的意义在于将现代信息技术与海洋技术相结合，为保护渤海生态环境和促进区域经济可持续发展提供重要支持。
同时，该系统的设计和实现也为其他海洋环境监测项目提供了经验和方法，有助于促进海洋环境监测和研究的发展。
三、研究内容和方法1. 系统需求分析和设计根据渤海海洋环境监测的需求，进行系统设计，包括硬件、软件及用户界面设计等。
2. 环境数据采集和处理使用遥感卫星、浮标、探测器等设备对渤海海洋环境数据进行实时、全方位的监测。
渤海湾温带风暴潮数值预报模型
渤海湾温带风暴潮数值预报模型李大鸣;徐亚男;白玲;解以扬;吴丹朱;何乃光【摘要】To decrease economical losses and environmental pollutions, a numerical model for extratropical storm surge, cogenerated by forces of tide and wind is established, and continuous and fast calculating mode is achieved. Regional nesting method is adopted in this model, open boundary conditions are provided by harmonic analysis, the wind process distributed in time and space is provided by meco-scale models (MM5). The model adopts alternating direction implicit (ADI) for solving equations with explicit and implicit scheme alternately, and the method of local-deepening and water range reducing is to deal with lateral boundary. Based on those conditions, the latest three storm surge processes are simulated by the above-mentioned numerical model, and good results are achieved with the comparisons between the simulated values and observed data, especially on peak value of water elevation. It is proved that the model is of high value to forecast the storm surge for Bohai Bay and can predict surge height in this area.%为减少港区经济损失,降低环境污染,建立了海洋潮波动力和风应力场联合作用的温带风暴潮数值预报模型,实现了连续、快速达到一定精度要求的运行模式.模型采用大小嵌套模型模式,以多分潮调和分析提供海洋水边界条件,以MM5风场计算成果形成时空分布风应力场过程,模型主体网格采用ADI差分格式进行显隐交替计算,浅水变动岸边界采用局部深槽、缩小水域的活动边界处理方法.模型预报并验证了渤海湾海域近期3次风暴潮过程,预报的潮位过程、增水过程与实测值进行比较,潮位过程吻合较好；增水过程在峰值处比较接近,其他各处趋势基本一致；表明该模型在渤海湾海域温带风暴潮预报模拟中具有应用价值,可以用来预报该海区的风暴潮过程.【期刊名称】《天津大学学报》【年(卷),期】2011(044)009【总页数】7页(P840-846)【关键词】风暴潮;预报模型;风应力场;调和分析;渤海湾【作者】李大鸣;徐亚男;白玲;解以扬;吴丹朱;何乃光【作者单位】天津大学建筑工程学院暨港口与海洋工程教育部重点实验室,天津300072;天津大学建筑工程学院暨港口与海洋工程教育部重点实验室,天津300072;天津大学建筑工程学院暨港口与海洋工程教育部重点实验室,天津300072;天津市气象科学研究所,天津300074;天津市气象科学研究所,天津300074;天津市气象科学研究所,天津300074【正文语种】中文【中图分类】P456.7;TV139.2渤海湾海域是中国渤海三大海湾之一，位于渤海西部，海底地形大致自南向北，自岸向海倾斜，属风暴潮灾害的多发区和严重区．其灾害多发生在盛夏台风活动季节和春秋过渡季节[1]．渤海湾中有丰富的石油储藏(大港油田、冀东南堡油田)，湾内有天津新港，每年因为风暴潮灾害经济损失达亿元以上，因此建立适用于渤海湾海域的风暴潮数值预报系统，对减少港区经济损失，降低由溢油扩散及污染源引起的环境污染有重要的经济效益和环境效益．研究表明在温带风暴潮过程中，气压场与波浪场较风应力场在渤海湾海域的影响有限[2-3]，可以在此区域忽略；但由于渤海湾为 3面环陆的半封闭性海湾，岸线较长且地形复杂，温带风暴潮数值预报模型的建立仍具有一定难度．笔者所建立的嵌套模型采用多分潮调和分析方法解决了海域开边界处理问题，提高了渤海湾海域模型空间网格的分辨率，并应用显隐交替的有限差分格式(alternating direction implicit，ADI)对风暴潮控制方程离散求解，采用局部深槽、缩小水域的计算模式处理了动态浅水岸边界，提高了模型计算的稳定性．国内外学者已经发展了多种风暴潮预报模式[4]，早期美国的Jelesnianski等[5]发展了 SPLASH(special program to list amplitudes of surges from hurricane)模式，后在该模式的基础上美国发展了新的 SLOSH(sea，lake and overland surges from hurricanes)模式来预报海上、陆上、湖上的台风风暴潮；Blumberg[6]发展了POM(Princeton ocean model)模式，该模式可以计算小尺度河川的水理运动，也可以模拟大尺度海洋、海岸的水位与流场的变化．在国内，李艳芸等[7]在风暴潮预报模式于渤海海域中的应用研究中，采用COHERENS(coupled hydrodynamic-ecological model for regional and shelf seas)三维多功能大陆架水动力数学模型模拟了热带风暴下渤海的增水过程；于福江等[8]建立了球坐标系下的温带风暴潮模式，对渤海湾一次特大风暴潮过程进行了数值模拟．但连续、快速的温带风暴潮预报模型的研究，特别是对多个例风暴潮过程预报的数学模型研究还需要做大量的工作．笔者自主创建温带风暴潮预报模型，与气象部门合作，已应用于对渤海湾海域长系列天文潮、风暴潮、风暴潮增水的长期、连续、快速预报计算，在大模型网格10 km×10 km，小模型网格1 km×1 km，模拟3,d的72 h风暴潮过程，在现行一般配置的个人计算机上只需运行5 min．笔者选择了近期预报的3次渤海湾风暴潮过程，模拟结果与实际观测进行比较，表明该模型对渤海湾风暴潮过程预报具有一定的实际应用价值．1 数值模型建立的理论基础1.1 水动力数学模型的控制方程温带风暴潮是由大气强迫力(风场、气压)作用于海面造成的海水水位与潮流的剧烈变化．因为渤海湾是平均水深只有18 m的3面环陆的浅海，地形变化复杂，气压对风暴潮过程的影响较小[9]，只考虑风应力场和潮汐作用．模型采用直角坐标系，假定沿水深方向的动水压强分布符合静水压强分布，将三维流动的基本方程沿水深平均积分即可得到沿水深平均的平面二维流动的基本方程[10]．以风应力、水流与海底的摩擦应力[11]为主要影响因子，水动力数学模型控制方程为式中：ξ为增水位；h为平均水深；H为全水深，H＝ξ+h ；u、v分别为x、y方向上流速分量；τx,s、τy,s分别为x和y方向的海面风应力；f为柯氏系数．模型岸边界条件为：v n = 0 (n为边界法线方向)．模型水边界条件为： =0；ξ=ξ(t)(ξ(t)为已知的边界潮位变化过程)．1.2 方程离散求解采用 ADI方法对方程进行离散求解，差分的交错网格为正方形网格，网格线分别平行于x轴和y轴，间距为Δ x = Δy =Δs ．在时间段内，ξ在点(,)ij上，u在点上，隐式求解方程为在点(i , j+ )上，v的显式求解方程为在时间段内，ξ在点(,)ij上，v在点上的隐式求解方程为在点(i + ,j)上，对u显式求解方程为1.3 风场的预报模式模型驱动力风场采用 MM,5模式[12-14]计算成果．MM,5以 NECP资料中的0.5×0.5格距的 GFS资料做背景场，中心点位置选在 41.1,N，118.2,E处．模型网格分辨率9,km，利用探空和地面观测资料对背景场进行修正，从而得到 10,m 风场作为风暴潮的主要驱动力；模型能够预报连续 72 h的逐时风场．将计算得到的经纬度坐标下的风场数据插值到直角坐标系下的模型模拟区域的格点内．模型中风应力计算则采用应用较广泛的公式式中：W为海面10,m风速；aρ为空气密度，取为1.226,kg/m3； DC 按经验取为2.6×10-3．1.4 调和分析方法模型计算区域是整个渤海与部分黄海，开边界为青岛港(35.43,N，119.58,E)到韩国西岸港口HAMPYEONG MAN(35.15,N，126.35,E)的连线，对此边界进行了多分潮调和分析计算．根据验潮站 1 a的潮位实测资料，采用Sa、SSa、Mm、Mf 等 35个分潮[14]，见表 1(部分分潮)．最后 1列为调和分析计算成果．表1 调和分析中采用的部分分潮参数Tab.1 Chon-tide schedule in harmonic analysis分潮代号分潮名称分潮角速度/((°)·h-1)Sa 太阳年分潮 10.041 SSa 太阳半年分潮 10.082 Mm 太阴月分潮 10.544 Mf 太阴半月分潮 11.098Q1 主要太阴椭率日分潮 13.399 O1 主要太阴日分潮 13.943 M2 主要太阴半日分潮 28.984 P1 主要太阳日分潮 14.959 M1 副太阴椭率日分潮14.492 K1 太阴太阳合成日分潮 15.041 J1 二阶太阴椭率日分潮15.585 ς2 主要太阳半日分潮 30.000 2N2 二阶太阴椭率半日分潮27.895µ2 太阴变移半日分潮 27.968 N2 主要太阴椭率半日分潮 28.440周期/平太阳时相对振幅系数8,766.230 1c0.009 4,382.880 110.002 4,661.309 110.003 4,327.859 110.003 4, 326.868 112.949 4, 325.819 115.692 4, 312.421 100.000 4, 324.066 116.067 4, 324.841 110.064 4, 323.934 120.000 4, 323.098 111.152 4, 312.000 135.775 4, 312.905 112.494 4, 312.872 113.011 4, 312.658 119.063各分潮的调和常数即振幅与迟角的展开公式[15]为式中：0a为基准面的平均海平面高度；0V u+ 为分潮的天文初相角； jH、 jg为分潮振幅与迟角；j、m为分潮序号与总数；jσ为分潮角频率；jf为平均振幅的订正系数；t为时间．1.5 动态浅水岸边界处理ADI差分计算模式要求整个计算域应保持在水深以下，对浅水岸边界的露滩、淹没变化应是连续、稳定过程．本文采用局部深槽、缩小水域的活动边界处理方法，当全水深接近0.1 m时，在浅水网格区全水深保持为 H 10 = 0 .1m ，保持流量、流速不变，流量为变化后的水域宽度 SB为2 风暴潮数值预报模型的应用及结果分析图1 模型计算区域范围及嵌套模式示意Fig.1 Computed domain and setup of nesting domain模型采用嵌套网格模式如图1所示，网格剖分为正方形网格[16]，其中第 1套网格构成的大模型空间步长为10 km，模型范围涵盖整个渤海及部分黄海海域，模型计算域跨度为117°38'47"E至126°32'38"E，35°18'5"N至40°50'43"N，计算结果包括部分黄海及渤海的潮流与潮位过程，为第2套网格提供海洋开边界条件；第 2套网格构成的小模型空间步长为 1,km覆盖整个渤海湾，岸边界网格更加精细化，为实现岸边界的浅水动态处理提供了条件，模型网格见图2．大模型网格总数为78×61，计算时间步长 60,s；小模型网格总数121×161，计算时间步长10,s，其中图2(b)的标记点为渤海湾内的主要港口和地区，包括塘沽、曹妃甸、黄骅港等，模型以塘沽为验证点，计算了3次典型的风暴潮过程，验证结果表明，所建风暴潮数值预报模型可应用于渤海湾地区的风暴潮预警预报系统.图2 黄渤海区域与渤海湾网格划分示意Fig.2 Mesh grid of Yellow-Bohai Sea and Bohai Bay2.1 调和分析结果验证由 2002年青岛港实测潮位资料计算出 35个分潮的调和常数，以此分别计算选定的3个不同时段的青岛港潮位过程，将计算结果与实测资料对比验证如图 3所示．对比曲线表明，应用调和分析方法具有可行性．韩国西岸港口HAMPYEONG MAN的潮位资料采用潮位软件提供，模型以青岛港潮位过程为主，考虑韩国西岸港口潮位过程修正，确定大模型计算域的开边界条件．图3 青岛港潮位调和分析验证Fig.3 Comparison and analysis of tidal level in Qingdao Harbor2.2 风场模式计算结果分析图4 2007-08-12 14:00黄渤海海域与渤海湾风速分布Fig.4 Distribution of wind speed of Yellow-Bohai Sea and Bohai Bay at 2 pm Aug 12th, 2007渤海湾为3面环陆的内海，风暴潮过程受风场影响最为显著，尤其受到东风与东北风的作用后海面水位抬高显著．模型预报的渤海湾 3次典型风暴潮过程分别为070812次、090415次和090509次，风场在渤海湾的分布主要呈东北偏东风形势．如图 4所示，渤海湾 070812次风暴潮受自身海域气旋影响较小，而受黄海海域气旋影响显著，从而导致潮位超过警戒水位；影响 090415次风暴潮过程的风场是东北大风，风速最大达到 21.29,m/s；090509次风暴潮过程直接受当日的7级偏东大风影响，导致塘沽验潮站的风暴潮潮位超过警戒水位．警戒水位预设为4.7,m．2.3 数值模拟结果图5 风暴潮潮位过程曲线Fig.5 Tidal level process curves of storm surge将已建立的风暴潮数值预报模型应用到渤海湾，调试验证了渤海湾 070812次风暴潮、同时对风暴潮090415次、090509次进行了预报检验．图 5与图 6给出了计算潮位与实测潮位过程和计算增水值与实测增水值的曲线对比验证．从潮位的变化趋势看，070812次风暴潮计算潮位与实测潮位拟合一般相关系数为 0.93，同时 090415次、090509次预报的风暴潮潮位与实测潮位符合程度较高相关系数分别为0.96和 0.97(见表 2)；从增水过程变化趋势看，对 3次风暴增水的峰值能够较好地模拟出来．070812次风暴潮实测最高潮位 4.83,m，增水 0.86,m，而模型预报结果显示塘沽最高潮位达 4.96,m，增水 1.38,m，与实测值较为接近；090415次风暴潮受冷空气与气旋影响，塘沽验潮站测得该日6∶00发生4.94,m大潮，增水为 1.84,m，模型提前 2日计算得到 4月 15日6∶00风暴潮最高潮位为 5.08,m，计算增水达到1.94,m；090509次风暴潮受南下冷空气影响，风力最高达 7级，实际观测塘沽站最高潮位 4.95,m，增水1.27,m，模型提前2日计算结果及误差分析如表2所示，模型模拟潮位峰值的平均相对误差为 0.024，增水峰值的平均相对误差也在允许的范围内．上述结果表明，建立的风暴潮数值预报模型能够对渤海湾海区风暴潮进行较为准确的预报，可以用来对该地区风暴潮进行预报．但是，该模型在模拟增水峰值出现的时间上与实测值存在误差，其原因是多方面的：在对天文潮进行非线性模拟时，由于缺失水边界实测资料采用调和分析方法，虽然考虑了 35个分潮的作用，但以青岛港的潮位值来代替整个水边界的潮位值，可能导致峰值与相位的偏差；在本文所建立的风暴潮预报模型中，近岸地形采用的是20世纪90年代资料，这与实际近岸地形分布可能存在一定偏差，从而造成计算模拟误差，但是随着预报经验的增加和资料的不断收集完善，可望减小预报误差．图6 风暴潮增水验证曲线Fig.6 Tidal rising process curves of storm surge表2 塘沽站风暴潮潮位及增水值误差分析Tab.2 Error analysis on tidal leveland tidal rising of storm surge at Tanggu station风暴潮次号比较项目观测值/m 计算值/m 相对误差相关系数070812 最大增水 0.86 0.930.081 0.93最高潮位 4.83 5.04 0.043 090415 最大增水 1.84 1.940.054 0.96最高潮位 4.94 5.08 0.028 090509 最大增水 1.27 1.380.087 0.97最高潮位 4.95 4.96 0.0023 结论(1)渤海湾温带风暴潮数值预报模型，采用大小嵌套模型模式，以多分潮调和分析提供海洋边界条件，以MM5风场计算成果形成时空分布风应力场过程，模型主体网格采用 ADI差分格式进行显隐交替计算，实现了连续、快速达到一定精度要求的风暴潮预报运行模式，为渤海湾温带风暴潮数值预报提供了可靠的研究手段．(2)渤海湾属浅海类型海湾，岸滩地形变化复杂，本文中提出浅水变动岸边界的计算模式，在 ADI差分格式连续计算中，采用局部深槽、缩小水域的活动边界处理方法，增加了模型计算的稳定性，提高了模型模拟风暴潮在岸滩附近增水计算的能力．(3)本研究建立的海洋潮波动力和风应力场联合作用的温带风暴潮数值预报模型，预报并验证了渤海湾海域近期 3次风暴潮过程，预报潮位过程、增水过程与实测值进行比较，潮位过程吻合较好；增水过程在峰值处比较接近，平均相对误差较小，其他各处趋势基本一致，表明该模型在渤海湾海域温带风暴潮预报模拟中具有一定的应用价值，可以用来预报该海区的风暴潮过程．【相关文献】［1］李大鸣，徐亚男，宋双霞，等. 波浪辐射应力在渤海湾海域对风暴潮影响的研究[J]. 水动力学研究与进展A辑，2010，25(3)：374-382.Li 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-渤海海峡潮流能高分辨率数值估算_吴伦宇
３． ２ 主要分潮同潮时线图
］ ７ ８ － ， 渤、 黄、 东海的潮波运动较早便有许多数模研究论文 ［ 这些工作得出了各主要分潮潮波的基本运动 规
律， 总的来说各分潮同潮时线的基本面貌是一致的 ， 后期的工作主要是利用各种方法将实测资料包括验潮站
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海 洋 科 学 进 展
３ １卷
９］ 和卫星遥感资料同化到数值模式中 ， 从而提高数值模拟的精度பைடு நூலகம்， 例如王永刚等 ［ 在数值模式中使用了松弛 同
动力分析以及国内郑志南的方 法 ， 众多各有利弊的方法并存也说明了潮流能资源评估的复 Ｆ ＡＲＭ、 Ｆ Ｌ ＵＸ、 各种方法最终实际上确定了一个可开发量与总蕴藏量的比例系数 。 例如基于 Ｆ 杂性 。 但简单来说 ， Ｌ ＵＸ 方 ） 法， 美国 Ｅ 计划将比例系数取为 １ Ｐ Ｒ Ｉ的 Ｔ Ｉ Ｓ Ｅ Ｃ（ Ｔ ｉ ｄ ａ ｌ Ｉ ｎ—Ｓ ｔ ｒ ｅ ａ ｍ Ｅ ｎ ｅ ｒ Ｃ ｏ ｎ ｖ ｅ ｒ ｓ ｉ ｏ ｎ ５％ 。 也就是说潮流 ｇ ｙ 能的实际可开发量比蕴藏量要小了近一个量级 。 渤海海峡是渤 、 黄海之间的潮流通道 ， 散布于其中的大大小小的岛屿将 海 峡 分 割 成 了 诸 多 水 道 ， 因此这 里是长江口以北的中国海域潮流能资源最为丰富的区域 ， 另外这里受山东半岛 的 掩 护 ， 波 浪 也 较 小， 适合电 站的建设 。 对渤海海峡的潮流能资源进行估算首先要对渤海海峡的潮流状况有所认识 。 目前我们掌握了老 铁山水道南部以及长山水道两个锚系站一个月的海流资料 ， 但相对整个渤海海峡来说资料仍缺乏 ， 用仅有的 资料难以勾勒出渤海海峡的潮流分布整体状况 ， 为此本研究建立了一个高分辨率的潮流模型 ， 通过两个海流 利用模式结果对渤海海峡的潮流以及潮流能状况进行了分析 。 测站的资料对模式进行可靠性验证之后 ，
渤海潮流、潮能通量和耗散的数值模拟
渤海潮流、潮能通量和耗散的数值模拟孟云;谢蓉【摘要】基于渤海最新岸线地形数据,利用有限体积近岸海洋模型(Finite-Volume Coastal Oceon Model,FVCOM)对M2、S2、K1和O1等4个分潮进行数值模拟,分析渤海潮流的特性,讨论最新岸线地形下渤海各海区的潮能通量和耗散.结果表明:渤海潮流以半日潮流为主,M2、S2、K1和O1等4个分潮的最大流速分别为120 cm/s、45 cm/s、38 cm/s和30 cm/s;半日潮能输入渤海之后分成3支,向北涌入辽东湾,向西输入渤海湾,向西南传至莱州湾;全日潮能输入渤海之后大致沿逆时针方向传输,在海峡内形成“北进南出”的格局.传入渤海的M2、S2、K1和O1等4个分潮的净潮能通量分别为4.242 0 GW、0.399 2 GW、0.517 0 GW和0.254 8 GW,其中,输入3个海湾的潮能均以M2分潮为主,其次为S2分潮和K1分潮,O1分潮的潮能最小.传入渤海的4个主要分潮的总潮能有49.23％耗散在渤海中部海域,27.21％耗散在辽东湾,其次是渤海湾,莱州湾的潮能耗散最少.【期刊名称】《上海船舶运输科学研究所学报》【年(卷),期】2019(042)001【总页数】8页(P70-77)【关键词】潮能通量;潮能耗散;岸线变化;渤海;有限体积近岸海洋模型【作者】孟云;谢蓉【作者单位】中海环境科技(上海)股份有限公司,上海200135;中海环境科技(上海)股份有限公司,上海200135【正文语种】中文【中图分类】P7430 引言渤海是嵌入我国北部大陆的半封闭型陆架边缘海域，由辽东湾、渤海湾、莱州湾和渤海中部海域组成，通过渤海海峡与黄海相通。
关于渤海潮动力机制的研究，OGURA[1]确定了渤海同潮图的基本形态；此后随着计算机技术的发展，国内外相关学者[2-6]对渤海潮流进行了大量数值模拟研究。
目前对渤海潮汐和潮流的基本特征已有较为全面的认识，但对其潮能通量和耗散的研究较少。
浙江近海海域潮波数值模拟的开题报告
浙江近海海域潮波数值模拟的开题报告一、课题背景海洋是一个广阔的空间，而浙江近海海域是国内较为繁忙的港口之一，船只和人员的活动密集，海域内的潮汐现象及海浪波动也极容易受到人类活动的干扰及其变化。
因此，通过对浙江近海海域的潮波进行数值模拟，有助于提高对该地区潮汐海浪的认识，加深对自然现象的理解，同时也能更好地规划海洋工程、航行等方面的活动，保障安全。
二、研究目的本研究旨在通过数值模拟技术，研究浙江近海海域的潮波现象，预测该地区潮汐海浪的变化规律，以便为实际工程和航行提供更准确的参考依据。
三、研究内容（1）研究浙江近海海域的潮波数值模拟技术及方法，了解潮汐海浪的形成机制和影响因素。
（2）对浙江近海海域的地理地貌、海底地形进行研究分析，收集相关水文气象数据。
（3）运用计算流体力学(Computational Fluid Dynamics, CFD)数值模拟软件，建立浙江近海海域的潮波数值模型，进行数值模拟和仿真。
（4）分析浙江近海海域潮波的变化规律、影响因素，并对数值模拟结果进行验证和修正。
四、预期成果（1）研究浙江近海海域的潮波现象，深入了解潮汐海浪的形成机制和变化规律。
（2）开发出浙江近海海域的潮波数值模拟系统，预测出潮汐海浪的变化情况，为实际工程和航行提供可靠的参考依据。
（3）通过模拟结果的分析，提出改善该地区潮波海浪的建议和方案，为海上交通和安全提供保障。
五、研究难点（1）模型建立：模型的建立不仅需要考虑到研究区域的地理和气象条件，还需要整合多种专业知识，对模型参数精准处理。
（2）数据采集：数据的准确性和全面性会对模型的准确性产生影响。
如何获取数据、如何筛选数据成为难点。
（3）数值模拟：通过仿真出潮波变化规律也面临诸多困难，如对水流动力学的分析、数值方法选取等。
渤海湾三维变动边界潮流数值模拟
位 于 渤 海 西 部 的 内海 域
渤 海湾 ． 涂 广 阔 ， 深 较 浅 ． 坡 很 缓 ， 面 面 积 随 潮 水 涨 落 滩 水 岸 水
变 化 显 著 。对 这 一 海 域 流 场 进 行 数 模研 究 时 ． 不考 虑 潮 滩 的 水 交 换 采 用 固 定 边 界 处 理 ， 计 若 乓 算 结 果 不能 真 实 地 反 映 海 湾 的 水 动 力特 点 。 海 区 以 往 的 流 场 研 究 多 采 用 固定 边 界 进 行计 该 算， 而 变 动 边 界 模 型 对 渤 海 湾 进 行 精 细研 究 仍 不 多 见 王 泽 良等 。 用 正方 形 网格 为 ！Ｏ ０ 。 采 ０ ｍ 的窄 逢 法 变 动 边 界二 维 模 型 取 得 可 喜 成 绩 ， 而 迄 今 对 渤 海 湾 流 场 研 究 的 三 维 模 型 中 以 较 高 然 的空 间 分 辨 率 并 采 用 变 动 边 界 的 精 细研 究 ． 未 见有 报 道 在 变 边 界 的 三 维 模 型 方 面 ， 仍 张 美 等 应 用方 法 简 单 适 用 复 杂 地 形 的 千湿 网格 法 ， ｒ字 湾 、 州湾 应 用 中获 得 成 功 在 胶 本 渤 海湾 三 维 变 动 边 界 潮 流 模 型 是 基 于现 今 国 际 海 洋 界 较 为流 行 的 河 口 、 架 和 海 洋 模 陆 式 （ ＣＯＭ 模 型 ） ， 突 破 其 为 固 定 边 界 模 型 的 局 限 ， ｒ引 入 下湿 网格 法 变 边 界 处 理 技 术 Ｅ 一 并 做 改进 。它 充分 考 虑 了渤 海 湾 广 阔 浅 滩 地 形 特 点 ． ４ ０ ×６ ０ 的 网格 分 辨 率 ． 细 研 究 以 ８ｍ ２ｍ 精 勃海 湾 ＾ 分 潮 潮 流 场 的 三 维 潮 流 场 时 空 分 布 特 陛， 算 结果 与 实 测 值 符 合 良好 计
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渤黄海潮汐潮流精细化数值模拟及可视化预报系统冯兴如;尹宝树;杨德周【摘要】A refined two-dimensional tide and tidal current model is built based on the finite element ocean model ADCIRC (Advanced Circulation Model). The model is forced by 8 tide constituents of M2, S2, Kl, Ol, etc, and the corresponding 8 tide harmonic constituents are calculated using the model result. The tide and tidal current forecasted by the calculated harmonic constituents agrees well with the observation. A visual tide and tidal current forecasting system which can be operated independently is established based on Matlab. The system can forecast the tide and depth-integrated tidal current in the Bohai Sea and the Yellow Sea. Some of the tide characteristics also can be shown through the system. The tide and tidal current forecasting system can be operated fast and conveniently and provide forecasting service for the offshore operation.%利用有限元海洋模式ADCIRC (Advanced Circulation Model),建立了高分辨率的渤黄海二维潮汐潮流数值模型,该模型以M2,S2,K1,O1等8个分潮的水位作为驱动,模拟出了该8个分潮的潮汐潮流调和常数；利用该调和常数预报的潮位和二维平均潮流与实测资料相比,符合较好；利用模拟得到的潮汐潮流调和常数,以Matlab为平台,建立了能独立运行的可视化潮汐潮流预报系统,该系统可以预报渤黄海任意时刻、任意地点的潮位和平均潮流,并且可以查询渤黄海任意地点的部分潮汐特征值,该系统运行快捷,使用方便,可为海上作业提供环境预报服务.【期刊名称】《海洋预报》【年(卷),期】2011(028)004【总页数】5页(P65-69)【关键词】ADCIRC模式;潮汐潮流预报系统;渤黄海【作者】冯兴如;尹宝树;杨德周【作者单位】中国科学院海洋研究所,山东青岛266071;中国科学院研究生院,北京100049;中国科学院海洋环流与波动重点实验室,山东青岛266071;中国科学院海洋研究所,山东青岛266071;中国科学院海洋环流与波动重点实验室,山东青岛266071;中国科学院海洋研究所,山东青岛266071;中国科学院海洋环流与波动重点实验室,山东青岛266071【正文语种】中文【中图分类】P731潮汐潮流对人类在近岸的活动有着很大的影响，因此潮汐潮流的预报是一个海洋研究中重要而久远的话题。
传统的方法一般采用潮汐潮流图表，这种方法只能预报有限站位，使用不方便，且不适合外海使用，因此开展区域海洋的微机化潮汐潮流预报系统就显得非常有必要。
方国洪等[1]在2005—2006年期间通过同化高度计和沿岸站的资料，得到了分辨率为5'×5'的潮汐潮流预报产品，该预报产品覆盖了我国近海各海区，可预报任意时刻和地点的潮汐潮流；中国海洋大学开发的Chinatide[2]潮汐预报软件，可以对中国近海各海区和日本海的一部分进行潮汐预报，其分辨率也是5'×5'。
但是近岸地形和岸线复杂，5'×5'的分辨率有时不能满足要求，因此在近岸开展更高分辨率的潮汐潮流数值模拟及预报系统的开发就非常有意义。
非结构网格的海洋模式能够对岸线复杂，地形变化剧烈的海域进行高分辨率的模拟，因此其越来越多地被用来进行近岸和河口的数值研究。
例如，王培涛等[3]利用基于三角形网格的ELCIRC(3D Eulerian-Lagrangian Circulation)海洋模型，对黄渤海的温带风暴潮进行了高分辨率的数值模拟；冯兴如等[4]利用有限体积海洋模式FVCOM（Finite Volume Coast and Ocean Model）对龙口海域的潮汐潮流进行了精细的数值研究。
本文首先利用非结构网格的有限元海洋模式ADCIRC （Advanced Circulation Model）[5]模拟得到渤黄海近岸高分辨率的潮汐潮流调和常数，然后基于这些调和常数，以matlab为平台开发了一套可视化的潮汐潮流预报系统。
ADCIRC是美国北卡罗来纳州大学开发的有限元海洋模式，该模式可以采用笛卡尔坐标，也可以采用球坐标，有二维和三维两种运行方式。
该模式采用三角形网格，易于拟合边界，可以对岸线复杂的海域进行高分辨率的数值模拟。
二维ADCIRC模型采用沿水深积分的时均连续方程和运动方程,其表达式为:其中,t为时间,x和y分别为x轴和y轴方向，ζ为从平均海平面起算的水位高度，U和V分别表示x和y方向垂向平均流速，H为总水深，f为科氏力系数，Ps为表面大气压力，ρ0为水密度，g为重力加速度，(η+γ)表示牛顿潮势和固体潮作用，τsx和τsy表示表面风应力和波浪辐射应力的x和y向分量，τbx和τby、Dx和Dy、Bx和 By分别代表底部切应力、扩散项以及斜压梯度的x和y向分量。
本文采用的是二维球坐标系，模式的分辨率由渤黄海海中央的5'逐渐过渡到近岸的1'（见图1），一共61357个节点，117265个三角形网格。
边界上采用M2,S2,K1,O1,N2,S2,P1，Q1共8个分潮的调和常数预报的水位作为驱动，边界上的调和常数来自NAO99潮汐模型[6]。
模式时间步长为10 s。
模式一共运行50天，采用后40天的数据进行调和分析。
得到了和边界驱动对应的8个分潮的潮汐潮流调和常数。
由于篇幅限制，本文只给出其中M2和K1分潮的同潮图（见图2），从图2可以看出，该模式成功模拟出了半日分潮M2在渤黄海的4个无潮点和全日分潮K1在渤黄海的2个无潮点，模式模拟的M2和K1的同潮图，同《渤海黄海东海海洋图集》[7]（水文）里相应的同潮图基本一致。
为了进一步验证模式结果，我们搜集了渤黄海四个观测点的一些实测的水位和流速资料，将这四个观测点分别标记为A，B，C，D，其位置见图3。
这四个观测点的资料情况是：A，D两点仅有水位资料，B点仅有流速资料，C点既有流速又有水位资料。
利用模拟的调和常数预报的潮位和平均潮流与实测资料的对比情况分别见图4和图5。
四个观测点的对比结果显示，调和常数预报的水位和流速与实测值的位相基本重合，水位绝对误差的平均值为15 cm，而利用NAO99资料预报的水位与上述实测水位的绝对误差平均值为17.8 cm，因此本文得到的调和常数在中国的近岸能更好一些；流速东分量绝对误差的平均值8.95 cm/s,流速北分量绝对误差的平均值为9.22 cm/s。
我们认为，这些误差都在可以接受的范围内。
模拟结果与实测结果的误差可能来源于开边界的的驱动、地形精度和模式参数的设置等。
为了快速方便地将模拟得到的潮汐潮流调和常数用来预报潮位和潮流，我们以Matlab为平台，开发了能独立运行，可视化的潮汐潮流预报系统，其界面见图6。
该系统分为输入区、查询功能区和预报功能区。
查询功能区工作原理为：利用模拟得到的潮汐潮流调和常数，根据公式（HK1，HO1，HM2分别是分潮K1,O1和M2的振幅）可以得到各个网格点的潮汐类型判别系数，根据公式（WO1，WK1，WM2分别代表O1，K1，M2分潮的潮流椭圆半长轴长度）可以得到各个网格点的潮流类型判别系数。
当K1，K2的值小于0.5时，潮汐和潮流的类型为正规半日潮；当K1，K2的值介于0.5和2.0之间时，潮汐和潮流的类型为不规则半日潮；当K1，K2的值介于2.0和4.0之间时，潮汐和潮流的类型为不规则全日潮；当K1，K2的值大于4.0时，潮汐和潮流的类型为正规全日潮；根据方国洪[8]提供的方法，当网格点潮汐类型为正规半日潮时，可以计算出该格点的平均大潮差，当网格点潮汐类型为不规则半日或全日潮和正规全日潮时，可以计算出该格点的平均大的潮差。
系统根据用户在输入区输入的经纬度信息，自动寻找和输入地点最近的网格点，在界面上显示该地点的潮汐潮流类型和相应的潮差特征值。
预报功能区工作原理为：系统根据用户在输入区输入的经纬度和时间信息，自动寻找和输入地点最近的网格点，得到该地点的潮汐潮流调和常数，然后自动调用t_tide[9]函数，预报所要求时刻的潮汐和平均潮流值，并显示在界面的相应位置。
输入区的使用：在输入区，用户可以手动输入要预报的时间，经纬度。
如果想自动输入当前时间，可以点“现在时间”按钮。
查询功能的使用：点击“查询”按钮，系统便会根据用户输入的经纬度查询该位置的潮汐类型、潮流类型、平均大的潮差或者平均大潮差。
当潮汐类型为“正规半日潮”时只显示“平均大潮差”的结果，“平均大的潮差”显示为“无”，当潮汐类型为“正规半日潮”以外的类型时，只显示“平均大的潮差”的结果，“平均大潮差”显示为“无”。
预报功能的使用：点击“预报”按钮，系统会根据用户输入的经纬度和时间来预报该地点输入时刻的水位和潮流、流向，并把结果显示在相应的文本框里，其中流速方向的规定为：流向北为0°，东为90°，南为180°，西为270°。
同时在界面的左下方，会显示输入时刻之后12小时的潮位变化曲线，在该曲线图里，会自动标出输入时刻之后的12小时里，出现最大和最小潮位的时刻以及对应的水位值。
本文开发的潮汐潮流预报系统具有近岸高分辨率，运行快捷方便等特点，可以为海上作业提供海洋环境预报和查询服务，未来的工作主要集中在：（1）搜集更多的实测数据，不断改善模式模拟的结果；（2）重点区域再加密，在一些重要的港口和城市进行分辨率更高的模拟；（3）将模式从二维发展到三维，使系统可以预报任意时刻和深度的潮流；（4）外拓模式的开边界，以保证边界上调和常数的准确性。