中国近海潮波运动数值模拟

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大连附近海域潮汐潮流的三维数值模拟

大连附近海域潮汐潮流的三维数值模拟
李庆红;赵军方;张永刚
【期刊名称】《海洋测绘》
【年(卷),期】2003(023)002
【摘要】在POM的基础上,建立了一个σ坐标系下的三维斜压预报模式,采用细网格,考虑海底摩擦系数的影响,以实测资料为基础,对大连附近海域的潮汐潮流进行了数值模拟.从单点潮位验证、单点潮流验证、流场的变化规律等多方面的模拟情况看,预报结果具有很高的精度,可以为海洋测量和航海等工作提供三维实时的动态变化规律.
【总页数】5页(P48-52)
【作者】李庆红;赵军方;张永刚
【作者单位】海军大连舰艇学院,海洋测绘系,辽宁,大连,116018;海军大连舰艇学院,海洋测绘系,辽宁,大连,116018;海军大连舰艇学院,海洋测绘系,辽宁,大连,116018【正文语种】中文
【中图分类】P229
【相关文献】
1.流沙湾海域潮汐潮流的三维数值模拟和海域环境容量研究 [J], 张静;刘玉;马志华;孙省利
2.大连湾及附近海域潮流场数值模拟 [J], 韩康;张存智
3.基于FVCOM的泉州湾海域三维潮汐与潮流数值模拟 [J], 林作梁;朱学明;鲍献文;刘钦政
4.基于FVCOM的獐子岛附近海域三维潮汐潮流数值模拟 [J], 齐继峰;曹圣山;郭可采;杨德周;徐振华;尹宝树
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浙江近海潮汐潮流的数值模拟-海洋学报

第25卷第5期海洋学报Vol.25,N o.5 2003年9月ACTA OCEANOLOGICA SINICA September,2003浙江近海潮汐潮流的数值模拟陈倩1,2,3,黄大吉2,章本照1(11浙江大学力学系,浙江杭州310027;21国家海洋局第二海洋研究所浙江杭州310012;31国家海洋局海洋动力过程与卫星海洋学重点实验室,浙江杭州310012)摘要:用三维陆架海模式(HAM SOM)对浙江近海的潮汐、潮流进行了数值模拟,并采用网格嵌套和动边界技术对原模式作了改进,以提高计算的精度,改进后的模式在浙江近海的应用中被证明是成功的.沿岸50个潮位站计算与实测值的比较表明,加入动边界以后的小区域细网格计算较之粗网格以及未加动边界以前精度普遍提高,比较的均方差结果为:M2分潮振幅差416cm,相角差7114b;S2分潮振幅差510cm,相角差514b;K1分潮振幅差2125cm,相角差5176b;O1分潮振幅差1156cm,相角差515b,可见计算与实测符合良好.另外,选取了105个实测潮流点,比较了表层M2和K1分潮流调和常数分量U cos N,U sin N,V cos G,V sin G的实测值与计算值的偏差,结果表明计算与实测的符合程度较好.在此基础上,给出了各主要分潮的潮位同潮图、潮流同潮图、潮汐性质、潮流性质、潮流椭圆和潮流的运动形式等,发现4个主要分潮M2,S2,K1,O1在本区内均未出现无潮点;M2分潮流在29b18c N,122b46c E处有一个圆流点.此外还得到了一些有意义的结论,都与实测情况符合良好,从而对整个浙江沿海区域的潮汐潮流特性有了一个全面认识.关键词:数值模拟;网格嵌套;动边界;潮汐潮流;浙江近海中图分类号:P731123文献标识码:A文章编号:0253-4193(2003)05-0009-121引言浙江近海岸线曲折,地形复杂,港湾众多、岛屿星罗棋布.由北往南的主要港湾有杭州湾、宁波-舟山深水港、象山港、三门湾、乐清湾、温州湾等,均属强潮海区.沿岸和诸岛屿上设有一些验潮站和潮流测点.关于浙江沿岸各海区内潮汐潮流实测资料的研究已有不少成果,本文作者[1]也曾以多年来沿岸各潮位站观测资料以及海岸带和海岛调查的实测海流资料为依收稿日期:2002-09-25;修订日期:2002-12-10.基金项目:浙江省自然科学基金资助项目(499018);国家自然科学基金资助项目(40076010).作者简介:陈倩(1975)),女,浙江省舟山市人,国家海洋局第二研究所和浙江大学力学系联合培养博士,从事海洋动力过程研究.E-mail:dajih2001@10海洋学报25卷据,分析研究了整个浙江沿海区域的潮汐潮流特征,得到了一些规律性结论,但是实际观测既昂贵又费时,而且实测点有限,该海域的流场分布又较为复杂,因此要由点到面准确地掌握大面积潮位和潮流的分布变化规律,数值模拟计算仍不失为一种廉价而有效的研究手段.有关浙江近海各海区的数值模拟,前人已做过不少工作,曹德明等[2,3]用有限差分法对杭州湾的潮汐、潮流进行了二维数值模拟;李身铎等[4]采用R坐标下的三维数值模式模拟了杭州湾三维潮波运动;曹欣中等[5]做了宁波、舟山内海域的潮流场数值模拟计算;董礼先等[6]数值模拟了象山港水域的潮波运动;周大成[7]采用平面二维三角形单元显性有限元潮流模型对椒江河口大潮潮流特性进行了数值模拟;李孟国等[8]建立了时间二次插值的三角形网格显式差分数学模型,对瓯江口海区的潮流场进行了成功的模拟.但是,由于该区地形和岸线条件复杂,为提高数值计算的精度,绝大多数的计算工作是针对某局部海区进行的,极少把浙江近海作为一个整体进行数值计算,而且大多数的研究成果局限于某几点的潮位验证或某时刻的流场分布,未给出整个研究海域的潮分布规律(如各分潮的等振幅线和同潮时线等).也有许多模拟东海或渤海、黄海、东海的数值计算文章[9~11],但由于浙江近海只是其中很小一块区域,故其所提供的该区的潮汐潮流分布信息就不够细致.因此,把浙江近海作为一个整体,在较高精度下进行数值计算,并由此得到一系列规律性成果,是很有意义的,而且为了弄清潮汐潮流对物质输送和扩散以及浙江近海温度、盐度分布的影响,也需要把浙江近海作为一个整体来进行计算.本文采用三维陆架海模式对整个浙江海区的潮汐、潮流进行了数值模拟计算,并引入网格嵌套技术使得小区域内的细网格计算精度提高,引入动边界技术来处理露滩问题,使该区潮模拟更加真实可靠.本文用这两项技术对原有的HAMSOM模式进行了改进,改进后的模式被应用于浙江近海潮汐、潮流的三维数值计算中,经验证效果良好.在验证计算值与实测值符合良好的基础上,给出了各主要分潮的潮位等振幅线和同潮时线、潮汐性质、潮流等振幅线和同潮时线、潮流椭圆、潮流性质及潮流的运动形式.2数值模式及其应用211三维陆架海模式(HAMSOM)简介HAMSOM(H amburg shelf ocean model)是由德国汉堡大学海洋研究所Backhaus和他的同事们发展的三维斜压陆架海模式.自20世纪80年代初发展至今,模式已有了不少改进[12~15].下面对HAM SOM的框架及其特点作简要说明.HAMSOM是一垂向分层模式,控制方程建立在任一垂向层上.这是为简化数值计算,通过对原始三维运动方程和连续方程组进行层积分处理(即把相应的方程对模式的垂向某一层积分),得到层积分的连续方程、运动方程和温度、盐度方程[13],从而将三维问题转化为二维问题,层与层之间通过垂向动量交换联系起来.此外,针对限制时间步长的线性不稳定因子,采取相应的措施,使模式的时间步长不受稳定性限制:(1)科氏力项,在运动方程中通过对科氏力项引入一个稳定的二阶旋转矩阵来克服它在时间迭代过程中产生的线性不稳定[13];(2)外重力波项,对运动方程中的正压梯度力项和连续方程中的水平散度项,采用半隐式的差分格式,以克服由外重力波所引起的对稳定性的限制;(3)垂向黏性(扩散)项,对运动方程中的垂向黏性项和温度、盐度方程中的垂向扩散项,采用半隐式的差分格式,以克服该两项对稳定性的限制.通过以上处理并作进一步推导后,可以得到关于水位的椭圆型方程及输运量的三对角方程.用超松弛法可求解关于水位增量的椭圆型方程,从而得到下一时间步长的水位值,用追赶法可求解三对角方程得到水平输运量和水平流速分量,然后求解层积分方程,确定垂向流速场.由于本文仅探讨浙江近海的主要正压动力过程:潮汐和潮流,故采用HAM SOM 模式的正压模拟部分,对温度、盐度方程暂不考虑.212 模式的应用21211 计算海区和模式安排本计算海域为27b ~31b N,12011b ~12311b E 的整个浙江沿岸水域,区域地形如图1所示.经向和纬向水平网格均取1c ,纬线(x 方向)上网格的大小由纬度来校正,垂向取8层,这是为反映岛屿间水道或海峡通道地形的剧烈变化而设置.从上向下各层的厚度分别为10,20,30,40,50,75,100,150m.时间步长取5m in.陆地边界取法向流速为0;开边界潮位给定,包含5个主要分潮(M 2,S 2,N 2,K 1和O 1),由大区域模式(渤海、黄海、东海,如图2)提供.开边界处流速的边界条件根据Orlanski 辐射条件来确定.图1 区域地形(等值线单位:m)及实测比较点的位置图2 大、小计算海区及网格示意图在模式应用过程中,由于研究海域的特殊性,将引入两项数值技术,即网格嵌套和动边界技术.21212 引入网格嵌套技术为小区提供开边界条件浙江近海是个相对于渤海、黄海、东海等较小的海域,且沿岸地形复杂,岸线曲折.为了得到反映该区特征的数值计算结果,更好地刻划岸线以及尽可能反映影响因素(如江河入海径流),都希望把网格划分得足够细,但是小区域的开边界条件往往难以给定,因为研究区域小,115期陈倩等:浙江近海潮汐潮流的数值模拟开边界可能引入误差的影响就比较大,为减小此误差,又希望把计算海域尽量扩大.如果在扩大海域下采用单一的细网格,将会增加计算量,因此我们引入网格嵌套技术来解决这一矛盾,即对外部大区域用粗网格,对内部小区域用细网格分别进行计算,其中大区的计算结果为小区提供所需的开边界条件,这样既保证了小区域计算精度,又可避免开边界上过大的误差影响.本文取24b~41b N,117b~131b E的整个渤海、黄海、东海为大区域,经向和纬向水平网格都取10c,小区域即浙江沿岸海域的大小计算海区如图2所示.开边界上潮位边界条件为F=E5i=1H i cos(R i t-g i),(1)式中,i从1到5分别表示5个主要分潮M2,S2,N2,K1和O1.小区域计算中,开边界上的调和常数由大区的计算结果经线性插值得到[16~18].图3浙江近海的潮滩示意图21213引入动边界模拟潮滩涨落浙江沿岸河口、港湾众多,滩地广泛分布.图3为浙江近海的潮滩示意图,其中黑色区域为潮滩.潮滩沙脊等随着潮位的涨落时而淹没时露出,相应水域的面积也随之增大或减小.为正确模拟这类变化的水域,我们引入动边界技术.本文将采用水位判别法[17~23].在计算过程中,随时对滩地网格点作状态判别,根据该时刻某点的瞬时水深判断其是否淹没,以确定该点是否参与计算.对于所有的潮滩点,由于最大可能的瞬时水深都不超过10m(实测最大潮差为8193m),故垂向仅有一层,我们可以把它当作二维问题来讨论.对于平面上任一潮滩点(i,k),瞬时水深h i,k= D i,k+F i,k,其中D i,k,F i,k分别为(i,k)点的滩地高程及潮位.由于算法的限制,对动边界的判别指标往往不能以单元水深为0来确定,而需要引入一个富裕水深D0(本文中取D0=011m)来保证求解的稳定性.落潮过程中,F i,k<0,当h i,k[D0时,认为该点干出,不参与计算,且令其流速为0;反之,则认为该点淹没,参与计算.涨潮过程中,水边界线随潮位的上升向高滩推进,则计算网格点增多.因新增网格点原无潮位值,故取其周围4点(i+1,k),(i-1,k),(i,k+1),(i,k-1)中已淹水的诸点潮位的平均值:F i,k=(F i+1,k E i+1,k+F i-1,k E i-1,k+F i,k+1E i,k+1+F i,k-1E i,k-1)(E i+1,k+E i-1,k+E i,k+1+E i,k-1),(2)式中,E i,k=1水点,0陆点.涨潮时,F i,k>0,当h i,k\D0时,认为该点淹没,参与计算,反之不参与计算.12海洋学报25卷3 计算结果及与实测的比较根据潮汐调和分析理论,分离主要分潮调和常数所需的最短潮位时间序列为15d,在实际应用中,常用1个月的潮位时间序列以获得较好的结果.计算的初始条件为:当t =0时,u =v =w =F =0,其中u,v 分别为水平流速的东分量和北分量,w 为垂向流速,F 为未扰动海面上的潮高.潮汐和潮流模拟时,模式共运行了32d,在2d 内模式已由零初始状态完全建立起来,模式产生的水位和流速数据每隔1h 进行储存,后30d 的逐时数据用于分析计算潮汐和潮流的调和常数,这里我们用最小二乘法来计算7个主要分潮(M 2,S 2,N 2,K 1,O 1,M 4和MS 3)的调和常数.为了验证计算结果的可靠性,我们从历史观测资料中挑选出50个有代表性的沿岸水位站,其位置如图1中空心五角星所示.此外,选出105个潮流比较点,其位置如图1中实心圆点所示.通过比较模拟计算与实测点的调和常数来验证计算的可靠性.表1为50个潮位站上4个主要分潮调和常数之差值(该值为实测减模拟所得)的均方差比较.为验证网格嵌套和动边界技术应用的效果,我们分别列出了10c 固定边界、1c 固定边界、1c 动边界3种情况下的均方差.由表1可见,计算与实测都符合较好.M 2分潮振幅差值中有82%的站点1c 细网格的计算精度优于10c 粗网格,1c 动边界的计算精度又优于1c 固定边界;10%的站点1c 固定边界效果最好,1c 动边界其次,10c 粗网格最差;另外8%的站点1c 动边界计表1 50个潮位站上4个主要分潮调和常数的模拟与观测之差值的均方差比较M 2S 2K 1O 1$H /cm$g /(b )$H /cm $g /(b )$H /cm $g /(b )$H /cm $g /(b )10c812110160817010167310010100210781701c615081786120719221688100118071151c 动边界41607114510051402125517611565150算结果最好,10c 粗网格次之,1c 固定边界最差.其他分潮的振幅、相位差统计结果与此皆相差不大.因此,综合来看,应用了网格嵌套和动边界技术之后,各点的计算精度普遍得到提高,效果明显.在下面的讨论中,我们将仅以1c 动边界情况下所得的模拟计算结果作为研究对象.图4a,b 分别为50个潮位站上4个主要分潮(M 2,S 2,K 1,O 1)调和常数的振幅和相角的实测值(x 轴)与计算值(y 轴)的对比结果,图中的点均分布在第一象限的角平分线附近,表明计算值与观测值比较一致.浙江近海潮流的数值模拟虽然是在三维的HAMSOM 模式下进行,但除近海底外,潮流的垂向变化都较小,因此仅以表层的潮流特征来讨论.图5a,b 分别给出了105个测流站表层M 2,K 1分潮流调和常数分量U cos N ,U sin N ,V cos G ,V sin G 的实测值(x 轴)和计算值(y 轴)的对比结果.测点均匀分布于计算海区.由图可见,计算值与实测值符合较好.误差统计分析表明,对M 2分潮流来说,两者偏差绝对值小于10cm/s 者占93%,最大偏差为1617cm/s;对K 1分潮流来说,两者偏差绝对值小于3cm/s 者占97%,最大偏差为4159cm/s.135期陈倩等:浙江近海潮汐潮流的数值模拟图4 模拟与实测各主要分潮M 2,S 2,K 1,O 1调和常数之比较图5 模拟与实测分潮流分量U cos N ,U sin N ,V cos G ,V sin G 之比较a.M 2分潮流,b.K 1分潮流4 计算结果的讨论411 同潮时线和等振幅图图6a,b,c,d 分别为主要半日分潮M 2,S 2和主要全日分潮K 1,O 1的同潮时线和等振幅线图,由图可见,M 2,S 2分潮同潮时线的走向基本一致.在M 2同潮图中,250b 同潮时线以三门湾为顶点,呈八字形向两旁伸展.图中S 2的300b 同潮时线类似分布.同潮时线的这一分布特征表明:半日潮波进入陆架后,由东南向西北挺进,首先在三门湾口附近达到高潮,然后分南北两支传播.K 1,O 1分潮的等振幅线图大致相似,两者的振幅都是由东向西略有增大,但增幅很小.同潮时线分布表明,K 1分潮由东北向西南传播;O 1分潮以西北-东南向传入本海域,在三门湾附近传向渐变为东北-西南.在本海域内,各分潮都没有出现无潮点.14海洋学报 25卷图6潮位的同潮时线和等振幅线a1M2分潮, b.S2分潮, c.K1分潮, d.O1分潮等振幅线/cm;同潮时线/(b)155期陈倩等:浙江近海潮汐潮流的数值模拟412 潮汐类型潮汐类型是根据潮型数F =(H K 1+H Q 1)/H M 2来划分的,它反映了日分潮与半日分潮的相对重要性.根据值的大小,一般可把潮汐分为4种类型,即规则半日潮(010<F [015)、不规则半日潮(015<F [210)、不规则日潮(210<F [410)和规则日潮(F >410).由图7a 可见,浙江近海以半日分潮为主.大部分海域内F [015,为正规半日潮,如浙北的杭州湾以及浙中、浙南的沿岸海域;小部分地区015<F [210,为非正规半日潮,主要分布在甬江两侧并连及舟山群岛部分海区.其产生原因是由于潮波变形,H M 2减小,而H Q 1和H K 1基本不变,故比值增大.图7 潮型数(F )a.潮位,b.表层潮流413 潮流的同潮时线和等振幅图图8a,b 分别给出了M 2,K 1分潮流表层合成流等振幅线和同潮时线的分布.由图可见,M 2,K 1分潮流等振幅线的分布显示,在本海域内存在几个明显的强流区.浙北的杭州湾和舟山群岛诸水道内潮流最强,M 2分潮流的振幅可达120cm/s 以上,这是由于潮流受地形影响显著.由于杭州湾的喇叭口地形,定海、岱山、嵊泗等海区的一些狭长水道,潮流通道的截面较小,故潮流速很强.另外,在三门湾、温州湾等港湾区,潮流振幅随近岸距离的减小而有明显增强趋势,这种变化趋势主要是由海区的水深条件、岸线和地形等因素造成的.M 2分潮流在29b 18c N,122b 46c E 处有一个圆流点,这与文献[11]中所得结果一致.同潮时线的旋转方向为反时针旋转.16海洋学报 25卷图8 潮流的同潮时线和等振幅线(表层)a 1M 2分潮, b.K 1分潮等振幅线/cm,等潮时线/(b )图9 M 2分潮流旋转率K 的分布(表层)414 潮流类型和潮流的运动形式潮流类型的划分标准与潮汐类型相类似.根据我国5港口工程技术规范6[24]的规定,采用(W O 1+W K 1)/W M 2作为指标,其中W O 1,W K 1,W M 2分别为O 1,K 1,M 2分潮流的椭圆长轴.由图7b 可见,绝大部分海域表层潮流F 值在012左右,均小于015,故浙江近海基本都属于正规半日潮流区.潮流的运动形式由潮流的椭圆旋转率K 来描述.K 值为潮流椭圆的短轴与长轴之比.当K 值大于0125时,潮流表现出较强的旋转性,而当其小于0125时,潮流表现为往复流.K 值前面的正负号表示潮流的旋转方向,正号为左旋,负号为右旋.由于本区域内半日潮流具有支配地位,因此我们给出M 2分潮流旋转率K 的分布来表征潮流的旋转特征,如图9所示.由图可见,在沿岸的港湾、河口水域及潮汐通道等处,潮流运动由于受地形、边界条件的制约,往复流的性质非常明显,K 的绝对值多小于012.外海或离岸较远且较宽敞的海区K 175期陈倩等:浙江近海潮汐潮流的数值模拟的绝对值大于014,呈旋转流态,如大目洋、三门湾、温州湾外海等.从旋转方向上看,大多数站点的K 为负号,呈右旋,这是由于地球自转效应产生的结果.另外,杭州湾口、浙闽交界水域各有一明显左旋区,这是潮波干涉区的影响所致.415 潮流椭圆图10a,b 分别给出了5c 为间隔的计算点上主要半日分潮M 2和主要全日分潮K 1的潮流椭圆长短轴分布.潮流的椭圆长轴指示了最大流速和最大流速方向.由图可见M 2,K 1分潮流椭圆长短轴的分布较为相似.从南往北,流速渐增.远岸区域旋转性较强,流速较弱;近岸区域则多为往复流,流速较强.M 2分潮流椭圆长轴的分布比较规则,其变化与地形密切相关.本区东南海域椭圆长轴的走向为西北-东南,这显示了潮波的传入方向.潮波传入后分为两支,往北和往南的传播方向各不相同,这在椭圆长轴的走向上有所反映.往南的一支表现为椭圆长轴在浙南海区多为东-西走向,而往北一支潮波则表现为椭圆长轴由浙中的东北-西南走向渐变为浙北的西北-东南走向,进入杭州湾后,基本为东-西走向.在港湾区或河汊水道处,椭圆长轴的方向一般与岸线或港湾水道走向相一致.K 1分潮流椭圆长轴之走向,在三门湾以北区域多为西北-东南,从三门湾往南渐变为东北-西南走向.在近岸区域,椭圆长轴的方向与岸线平行.图10 潮流椭圆长短轴分布图(表层)a.M 2分潮流,b.K 1分潮流5 小结本文用三维陆架海模式对整个浙江近海的潮汐和潮流进行了三维数值模拟,并针对浙江近海岸线曲折、潮滩广泛分布等地形特点,引入网格嵌套和动边界技术以提高计算的精度.改18海洋学报 25卷进后的HAM SOM 模式被成功地应用于该区的潮流数值模拟中,通过与实测点调和常数的比较,验证了这两项技术引入原模式后的良好效果,计算精度普遍得到提高.这是HAMSOM 模式首次应用于浙江近海的潮汐、潮流计算,该模式在研究陆架海动力学上有着独特的优越性.模式在应用过程中根据实际需要所作的改进也被证明是成功的,这使得该模式得到进一步的完善.改进后的模式可以嵌套用于局部更小区域的精细计算,也可以处理边界变动的问题.除模式的改善和成功应用外,本文将浙江近海作为一个整体进行数值计算并得到了一批反映规律的研究成果.本文给出了全区范围内4个主要分潮M 2,S 2,K 1,Q 1的潮汐同潮图,发现在本海域内,这4个分潮都没有出现无潮点;给出了M 2,K 1分潮潮流同潮图,发现M 2分潮流在29b 18c N,122b 46c E 处有一个圆流点,K 1分潮流在该区内无圆流点;此外还得到了潮型数F ,M 2分潮流椭圆率K 和潮流椭圆的分布规律.以上模拟结果都与实测情况[1]符合良好,而模拟结果由于不受实测点的限制,因此更全面、完整.参考文献:[1] 陈倩,黄大吉,章本照.浙江近海潮汐特征的研究[J].东海海洋,2003,21(2):1)12.[2] 曹德明,方国洪.杭州湾潮汐潮流的数值计算[J].海洋和湖沼,1986,17(2):93)101.[3] 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hou310012,China;2.Second I nstitute of Oceanography,State Oceanic A d ministration,Hangz hou310012,China;3.K ey L aboratory of Ocean Dynamic Proc esses and Satellite Oceanogra-p hy of S tate Oce a nic A d ministration,Hangz hou310012,China)Abstract:By means of three-dimensional baroclinic primitive equation model)))Hamburg shelf o cean model (HA M SOM),the tide and tidal cur rents in the seas adjacent to Zhejiang are simulated.Fur thermore,the original model is impro ved by two numerical technologies)))nested g rid and mov ing boundary method,which are intro-duced to increase the computat ional precision.T he impro ved mode is proved to be successful while it is applied to the seas adjacent to paring the computed values w ith t hose of50tidal observ ator ies,it is found that the computat ional precision w ith fine gr ids and moving boundar y is gener ally higher t han that with coarse gr ids or fix ed boundary.T he root-mean-square values of comparativ e results show that t he difference betw een the simulated and t he observed amplitudes of M2constituent is only4.6cm,the differ ence of phase-lags is7.14b;the difference of amplitudes and phase-lags of S2constituent are5.0cm and5.4b;the difference of amplitudes and phase-lags of K1 constituent ar e2.25cm and5.76b;the difference of amplitudes and phase-lags of O1constituent are1.56cm and 5.5b.T hese indicate that the computational r esults agree with the observed ones very well.I n addition,105current stat ions are chosen,and the difference between the calculated and the observed harmonic co nstant,U cos N,U sin N, V cos G,V sin G of M2and K1component curr ents at surface layer is compared,and the results also show a goo d a-gr eement.Based on these results,the co-amplitude and co-phase lag lines of the main co mponent tides,the type of t ide,tidal current ellipse,the type and the mov ing mode of tidal current ar e given.It is found that the four main constituents M2,S2,K1,O1have no tide-fr ee points in this ar ea;and the M2co mponent current has o ne current-amphidromic point at29b18c N,122b46c E.In addition,some meaning ful results are concluded,and ag ree w ith the observed ones w ell.T hereby,a thorough kno wledg e of the character istics of tides and t idal currents is got in the w ho le coastal zone of Z hejiang Prov ince.Key words:numerical simulation;nested gr id;mo ving boundary;tides and tidal cur rents;seas adjacent to Zhejiang。

长江口杭州湾及邻近海区潮汐潮流场三维数值模拟

文章编号:1000-5641(2001)03-0074-11长江口杭州湾及邻近海区潮汐潮流场三维数值模拟杨陇慧,　朱建荣,　朱首贤(华东师范大学河口海岸国家重点实验室,上海　200062)摘要:把长江河口、杭州湾及邻近海区作为整体,应用三维高分辨率非正交曲线网格河口海洋模式,模拟了4个主要分潮M 2,S 2,K 1,O 1。

在长江口外半日分潮M 2、S 2从东南方向传入长江口和杭州湾,全日分潮K 1,O 1从北向南传播。

这4个分潮的振幅在长江口南支向上游逐渐减小,但因杭州湾和长江口北支呈喇叭状,而向上游逐渐增加。

计算潮差变化过程和实测值基本一致,4个分潮潮位振幅和位相的计算值与验潮站观测值相比,误差大部分在10%以内。

结合1996年2—3月长江河口现场观测,考虑了径流的作用,三维数值模拟了计算域内流场。

结果表明,即使在斜压效应不太明显的口门内,流速在垂直方向存在着明显的差异,上层流速明显大于下层流速;潮流具有不对称性,由于径流的作用,落潮时间明显大于涨潮时间,落潮流大于涨潮流,但在象北支涨潮槽中,涨潮流反而比落潮流大。

模拟出的以上结论与观测结论较为一致。

关键词:长江河口;　杭州湾;　潮汐潮流;　三维数值模拟中图分类号:P736.211 文献标识码:A0　引言长江是我国第一大河,河口地形复杂,三级分汊四口入海(南支和北支,南槽和北槽,南港和北港),口门附近存在水下沙坝(图1)。

长江河口的动力过程也十分复杂,影响因子有径流、潮流、波浪、密度流等,其中潮汐潮流在这个系统中起着重要作用[1～4]。

长江河口是中等强度的潮汐河口,口外是正规半日潮,口内是非正规半日潮。

南支的潮差范围从口门到上游逐渐减小。

口门附近的中浚测站的多年平均潮差为2.66米,最大值是4.62米。

黄浦江附近的吴淞站潮差是2.21米。

由于北支的河槽呈喇叭状,所以其潮差大于南支,并且由口门向上游逐渐增大。

潮流在口门内作往复运动,在口门外为旋转流。

中国近海潮汐数值模型及可视化应用研究的开题报告

中国近海潮汐数值模型及可视化应用研究的开题报告开题报告一、选题背景：潮汐是海洋中的一种规则的周期性运动。

由于潮汐对于海洋与海岸地区的生态系统、天气和气候、海洋交通运输、海洋工程等方面均具有重要的影响，因此研究潮汐运动及其规律对于海洋学和海洋经济的发展至关重要。

中国近海作为全球最大的沿海国家，近海潮汐数值模型及其可视化应用研究具有重要意义。

本研究将通过对中国近海潮汐现状、数值模型及可视化应用的分析，对中国近海潮汐运动及规律进行深入探究，为海洋相关领域的研究和应用提供科学依据。

二、研究目的和意义：本文旨在开展对中国近海潮汐数值模型及可视化应用的研究，具体目的包括：（1）了解中国近海潮汐现状；（2）研究中国近海潮汐数值模型，探究潮汐运动规律；（3）开发潮汐数值模型的可视化应用，方便用户快速准确地了解潮汐情况及变化。

本研究的意义在于：（1）为海洋相关领域的研究提供科学依据；（2）为海洋资源开发、海域利用、海洋环境保护等领域的决策提供科学支持；（3）推进中国近海潮汐数值模型及可视化应用领域的发展。

三、研究内容：本文将主要开展以下研究内容：1. 中国近海潮汐现状分析，包括中国沿海主要港口的潮汐现象、潮周期、潮高、潮差等内容，并绘制潮汐图、潮位表以及潮流图等。

2. 中国近海潮汐数值模型研究，综合采用数值模拟、观测数据等方法，建立中国近海潮汐数值模型，并对模型进行验证和丰富实验。

3. 潮汐数值模型可视化应用开发，通过对潮汐数值模型的可视化处理，开发出一款潮汐数值模型可视化软件，方便用户快速准确地了解潮汐情况及变化。

四、研究方法：1. 文献资料法：通过对近年来与中国近海潮汐数值模型及其可视化应用相关的文献、报告、资料等进行收集、整理和分析，进一步掌握国内外有关研究现状和发展趋势。

2. 数值模拟法：采用数值模拟方法，建立中国近海潮汐数值模型，研究潮汐运动规律。

3. 统计分析法：对中国沿海主要港口的潮汐数据进行统计分析，查明潮汐的周期、潮高、潮差等特征。

南海北部内潮与非线性内波：观测与数值模拟研究

南海北部内潮与非线性内波：观测与数值模拟研究基于水文观测和数值模拟研究了南海北部内潮和非线性内波现象，主要内容有：吕宋海峡的测流观测与线性内波配极关系的比较；南海北部非线性内波背景环境及运动学参数的地理特征及其季节变化；中尺度涡旋对内孤立波传播影响的数值模拟；南海北部陆坡区内孤立波极性转换的数值模拟和吕宋海峡双屋脊上内波产生的数值模拟。

1.吕宋海峡内潮的观测分析鉴于吕宋海峡观测流的稀少，开展了该海域的海流锚定观测。

运用统计和经验正交函数分析方法研究了观测流特征。

谱分析和能量计算均显示全日潮和半日潮为主要的能量频带，近惯性频率峰值仅出现在斜压分量。

在66m以浅，显著分潮和近惯性频率分量都基本符合线性内波能量一致性关系式E+(ω)/E-(ω)=(ω-f)~2/(ω+f)~2；在其它观测深度，并非所有的主要分潮都满足上述关系。

正压潮和内潮均为混合潮，潮日不等现象明显。

全日分潮平行与垂直于陆架方向的分量几乎相等；而半日分潮垂直于陆架方向分量远大于平行于陆架方向分量；M2和S2潮垂向结构主要表现为第一模态，而K1和O1潮则接近于第二模态；在主温跃层附近，它们的短轴与长轴之比与比值f/ω接近。

2.南海北部非线性内波背景环境及运动学参数的地理特征及其季节变化从遥感图像的统计分析表明，南海北部内波呈现显著的季节变化。

基于海洋再分析资料研究了南海北部的层化特征和非线性内波运动学参数的地理分布特征和季节变化。

南海北部季节性密度跃层从2月开始出现，最大浮力频率约在20m；它在6-7月达到最强，自8月开始减弱，在10月消退。

在8-11月出现另一较深的密度跃层，最大浮力频率约在80m，冬季大致在120m。

季节性密度跃层在4-9月十分明显，在8-10月出现双跃层现象，而在冬季仅出现较弱的第二密度跃层。

在1-3月和10-12月深水区最大浮力频率值要大于浅水区，而在5-9月情况则相反。

浮力频率最大值所在深度随季节变化显著，冬季最深；6-7月则最浅。

渤、黄、东海海域9711号风暴潮数值模拟

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中图分类号：Ｐ３７２文献标识码：Ａ文章编号：１０—９２２０）６０１—０５０１６３（０８０—０５００
风暴潮是由于台风周围的风推动产生的，风暴潮在大洋或开阔海面上引起的水面异常升高一般不大，当耦合天文潮向岸行进到近岸时由于地形的影响，这种水面异常升高往往会急剧增加，引起灾害发生。早期的风暴潮数值模拟为纯风暴潮模型，往往采用辐射边界条件而不考虑天文潮与风暴潮的非线性相互作用关系。景庸等…于２世纪８汪００年代末，以Ｍ２潮作外海边界开始考虑天文潮对风暴潮的影响。分９年代末，周旭波和孙文心【采用Ｍ２２０２Ｊ、Ｓ、Ｋ１Ｏ１４个天文分潮作为外海开边界研究长江口风暴和共潮增水，指出台风过境时所造成的风暴潮增水过程中含有潮波成分，只有采用考虑了风暴潮与天文潮的非线性相互作用的模式才能更精确地模拟出风暴潮增水过程。风暴潮的发生海域一般是跨多个经纬度的，其数值模拟计算域的球面特征明显，但国内采用球面坐标系研究风暴潮的模型并不多见，较多的是在笛卡尔坐标系基础上采用纬度修正。本文建立了以整个东中国海（３７２．。Ｎ一４．。Ｎ；１７。Ｅ一１１１１２１．５３．。Ｅ）为计算域，采用６个天文分潮为控制边界的球面坐标系４

南海西北部陆架潮频内波生成过程的数值模拟

南海西北部陆架潮频内波生成过程的数值模拟我国南海海水运动复杂、海底地形多变,是内波的多发区域。

目前关于南海内波的报道、观测和研究主要集中在Luzon海峡到南海东北部东沙群岛附近海域。

2005年4月16日始,中国科学院海洋研究所和中国海洋石油总公司联合在海南
岛东部的文昌站进行了为期近半年的连续定点海洋调查,观测资料清楚地表明,
这一海域陆架上长期存在着比较规则的潮频内波现象。

从航天图片和SAR卫星图片上捕捉到的信息来看,南海西北部陆架上(文昌
站附近海域)有些潮频内波并非从Luzon海峡传播而来,而极有可能是局地正压
潮与陆坡作用生成的。

本文用数值模拟的方法来证明这一观点。

首先,我们从Reynolds方程组出发,用差分方法和有限元方法建立了一个连续层结海水中正
压潮与海底地形相互作用生成潮频内波的二维非线性数值模式。

我们用该模式研究了正压潮流流经下降地形、上升地形、凸起地形、凹陷地形等几种典型的海底地形时生成内波的过程,探讨了该数值模式中各个参数对生成内波的影响。

然后,我们从文昌站海洋科学调查的温盐深数据资料中提取了该海区的密度、跃层厚度和强度等海洋环境参数;用调和分析法从海流流速、流向数据中提取了正压潮潮流成分及各潮流分量的速度、振幅、方向等与数值模式相关的信息。

我们把这些从实测资料中提取出的海洋环境和潮流信息应用到内波生成的非线性数值模式中,模拟了文昌站附近海域正压潮流与陆坡作用生成内波的过程。

模拟结果表明,南海局地潮流与陆坡作用足以生成能够被SAR捕捉到的大振幅内波。

从而我们可以断定,南海西北部陆架上有些潮频内波是天文潮与陆坡作用生成,然后传播到陆架上的。

广西近岸海域潮流数值模拟

广西近岸海域潮流数值模拟
广西近岸海域潮流数值模拟
采用有限元三角形网格的分步杂交方法,建立了广西近岸海域的二维潮流数值模型,计算值与实测资料符合较好.采用主要分潮组合输入,模拟了研究海域的平均潮潮流场.模拟结果表明:涨急时,潮流向为东北方向,最大涨潮流速为74 cm/s左右:落急时,潮流向为西南方向,最大落潮流速约100 cm/s,落潮流速大于涨潮流速.近岸区域潮流为往复流,离岸边越远潮流越接近旋转流.
作者：张燕孙英兰张学庆刘晓丹ZHANG Yan SUN Yinglan ZHANG Xueqing LIU Xiaodan 作者单位：中国海洋大学环境科学与工程学院,山东,青岛,266003 刊名：海洋通报ISTIC PKU英文刊名：MARINE SCIENCE BULLETIN 年，卷(期)：2007 26(5) 分类号：P731.2 关键词：潮流数值模拟广西近海有限元。

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中国近海潮波运动数值模拟
本文基于球面坐标系下的二维垂线平均潮波运动方程建立中国近海潮波数学模型，模型区域包括渤海、黄海、东海、南海、泰国湾和环台湾岛海域，网格尺寸2′×2′，网格数1175×955。

在考虑引潮力情况下，计算模拟了中国近海的复合潮波运动；并对分布于各个海域的281个潮位站的4个主要分潮
（M2、S2、K1、O1）潮位调和常数以及13个海洋预报站的潮流资料进行了验证，验证结果基本合理。

针对计算结果绘制了主要分潮包括浅水分潮（以M4为例）的潮汐同潮图和潮流同潮图，对中国近海潮汐和潮流分布即潮波运动进行了分析，并和前人的结果进行比较，结果基本吻合。

整个东中国海的潮波主要是太平洋潮波经台湾和九州之间的水道传入的协振波，南海的潮波主要是太平洋潮波经吕宋海峡传入的协振波。

东海和南海主要通过台湾海峡进行水量和潮能交换。

在东中国海基本以半日潮为主，尤其是
M2占优，而在南海基本以全日潮为主。

由于受到地形影响、边界的反射、地转偏向力和陆架浅海的摩阻作用，潮波在各海区或以前进波或以无潮点和圆流点为主要特征的旋转潮波系统组成了复杂的潮波系统。

在模型计算的基础上对台湾海峡的M2分潮的潮汐分布特征和传播机制进行了探讨。

认为台湾海峡的M2分潮主要是有北部的前进波和南部的前进驻波系统组成，由吕宋海峡进入的太平洋潮波和广东、福建沿海岸线的相互作用形成了南端前进驻波现象和北部地形边界的放大效应产生的潮能幅聚现象是台湾海峡M2分潮分布特征的主要原因。

海峡内的潮能消耗以南下的前进潮波为主，其传播到台湾浅滩位置。

另
外，本文在潮波数值模拟技术方面作了以下探讨： 1．利用相关分析讨论周期性函数的一阶差分离散误差和相对步长的关系，得到其中的拟合关系式；2．基于相关分析提出利用计算结果和实测资料的相关分析结果进行模型验证，和其它模型验证方法比较该验证方法具有简洁且可同时考虑振幅和相位误差的优点； 3．通过数学模型和原型的相关理论推导了二维潮波运动方程中曼宁系数的预估校正法。

数值试验和中国近海潮波数学模型的实际应用表明该方法科学有效，既可以节省人工调试的工作量，又能提高计算结果的精度。