基于FVCOM的泉州湾海域三维潮汐与潮流数值模拟
基于FVCOM的杭州湾三维泥沙数值模拟
基于FVCOM的杭州湾三维泥沙数值模拟吴修广;刘光生;程文龙【摘要】应用FVCOM建立了三维潮流泥沙数学模型,根据实测水文资料,对杭州湾开展了三维潮流泥沙验证,结果基本满意.应用模型计算了杭州湾大潮期间涨落潮泥沙输运过程,通过平面、立面的泥沙分布特征,成功再现了杭州湾潮流泥沙的运动过程.尽管模拟精度达不到平面二维模型的水平,但为三维潮流泥沙模型在强潮河口湾的应用作了重要的探索,通过进一步完善模型参数及分析,模型可以应用于涉水建筑物对附近三维水沙影响的分析评估,可为强潮河口湾开发、水环境保护及生态建设等提供更加丰富的研究成果,具有广阔的应用前景.%The region across the Hangzhou Bay is one of the most economically developed areas in China. There are lots of projects constructed in the Hangzhou Bay, which change the transport of current and sediment in the water area. The sediment transport in the Hangzhou Bay, a huge tidal estuary, is very complicated due to the effects of river runoff, wave and tide. The cohesive sediment is reciprocating its motion under the force of tide flow which comes dominantly from the Yangze River. Although 2D model has succeeded in simulating tide and sediment transport in huge tidal estuaries, it can only provide the depth-averaged data in plane. With the hydraulic and coastal engineering construction, more precise research products are needed. In this paper, a 3D current and sediment model is established through FVCOM. The measured data of the current and sediment in the Hangzhou Bay are collected to test the model, and the simulating process is generally consistent with real data. The sediment transport with tide current duringspring tide period is simulated, then planar and vertical sediment distribution are obtained in the study. Although the precision is not as good as the planar 2D model, it is an important attempt to model 3D sediment transport in a huge tidal estuary. The model can be applied to analyze the engineering 3D effect on the territorial waters through ongoing improvement. There are broad application prospects in exploitation and protection of water ecology.【期刊名称】《水利水运工程学报》【年(卷),期】2011(000)004【总页数】11页(P86-96)【关键词】杭州湾;潮流泥沙;三维模拟;FVCOM【作者】吴修广;刘光生;程文龙【作者单位】浙江省水利河口研究院浙江省河口海岸重点实验室,浙江杭州310020;浙江省水利河口研究院浙江省河口海岸重点实验室,浙江杭州310020;浙江省水利河口研究院浙江省河口海岸重点实验室,浙江杭州310020【正文语种】中文【中图分类】TV148杭州湾是典型的强潮河口湾，潮波变形剧烈，潮流、泥沙运动复杂［1］.杭州湾两岸是我国经济最发达的地区之一，近年来大量的涉水工程建设改变了局部水域的潮流泥沙过程.目前针对杭州湾研究的数学模型一般有平面二维水流、泥沙模型，具有较高的精度并广泛应用［2］.但二维模型给出的沿水深平均的潮流、泥沙分布特征不能够完全反映钱塘江河口和杭州湾的水流、泥沙特点，特别是水流、泥沙的垂向分布［2－4］.在强潮河口水域，一方面由于地形地貌、工程几何形态尺度以及各种障碍物的影响，流态复杂;另一方面，径流、潮流、波浪以及风、柯氏力等因素是影响河口地区物质输运及沉积的主要动力条件，这些动力因子的单独或耦合作用增加了河口泥沙、盐分、污染物及热量输运研究的复杂性［5－6］.国际上对潮汐河口水动力数值模拟始于20世纪60年代后期.基于简化过的三维浅水方程，Leedertse(1973)开创性地在垂直方向采用固定分层法建立了河口、海湾三维潮流、盐度模型［7］.为了更好地模拟河床地形变化，研究人员将Phi1ips提出的坐标变换应用到河口与海岸三维模型中［8］.以Princeton大学Mellor为首的海洋动力环境数值模拟小组从20世纪80年代开始一直致力于三维数模的开发与应用研究，其代表性软件为POM，ECOM-SED.德国汉堡大学海洋研究所Backhaus等人研发的汉堡陆架海模式HAMSOM在世界许多陆架海上也得到广泛应用.Sheng建立了一般曲线坐标下的三维水动力学模型(CH3D)，该模型也采用S坐标系，水平方向的运动采用水平流速矢量的逆变分量来表示.荷兰Delft研究所建立起来Delft3D也得到了较广泛应用［6］.目前我国河口海岸三维数值模拟均采用国际上应用广泛的三维模型，主要有POM，ECOM，FVCOM等，其中POM应用时间最长、范围最广，几乎世界上各大海域都已应用［9］.各模型都有自身的特点和制约因素，虽然在国、内外不少河口海岸水域都取得过较好的计算精度，但在特定海域的应用均需很长时间来探索和调试，我国一些学者也在国外模型的基础上，根据我国海域特点开展了河口海岸水沙模拟及工程影响分析［10－13］.本文应用FVCOM建立了杭州湾三维潮流泥沙数学模型，根据实测水文资料，对杭州湾开展了三维潮流泥沙验证.应用模型计算了杭州湾大潮期间涨落潮泥沙输运过程，通过平面、立面的泥沙分布特征，成功再现了杭州湾潮流泥沙的运动过程.尽管模拟精度达不到平面二维模型的水平，但为三维潮流泥沙模型在强潮河口湾的应用作了重要的探索.1 数学模型1.1 模型控制方程式中:σ为垂向相对坐标;t为时间;ζ，D分别为潮位和动态水深;H为静态水深;u，v，ω分别为x，y，σ方向上的流速分量;Ci为非均匀泥沙i的浓度;S，T分别为盐度和温度;g为重力加速度;f为柯氏力参数(f=2Φsinφ，φ为纬度，Φ为地球自转角速度);ρ，ρ0分别为海水和淡水密度;q2，l分别为湍流动能和湍流宏观尺度;Km，Kh 分别为垂向涡黏系数和垂向热力扩散系数;Kq为湍流动能垂向涡黏扩散系数;wCi为非均匀沙i的沉速;^H为太阳短波辐射的垂向梯度项;Ps，Pb分别为剪切和浮力引起的湍流动能产生项;ε为湍流动能耗散率;~W为近似壁面函数.水平扩散项Fx，Fy，FCi，FT，FS，Fq，Fl的定义如下:其中:Am，Km为水平和垂向涡黏系数，由修正的Mellor和Yamada的2.5阶湍流闭合子模型计算.Ah，Kh分别为水平方向和垂向热力扩散系数:其中:C0为常数;Ωu为流速u，v控制体的面积;Ωζ为水位ζ控制体的面积;Pr为Prandtl数.1.2 边界条件(1)自由表面(σ=0)(2)海(河)床底部(σ=－1)底部泥沙边界: Kh式中:τDi为非均匀沙i的临界淤积切应力;τCi为非均匀沙i的临界冲刷切应力;M为冲刷系数;→τb为底部切应力当τb ＜τD i时，水中泥沙处于落淤状态，则ECi= αwCiCi(1 －τ/τDi);当τDi＜τb ＜τei时，床面处于不冲不淤状态，则ECi=0;当τb＞τei时，床面泥沙起动，则ECi=－M(τ/τei－1).(3)岸壁边界在海(河)岸边界，给定，其中Φ =［u，v，w，T，S，Ci，q2，q2l］(4)潮位、流量、悬沙边界河口上游边界给定潮位过程ζt(或者流量边界)和温度Tt，盐度St等的时间过程;外海边界给定潮位ζt，温度 Tt，盐度 St等的时间过程.入流时，Ci(x，y，z，t，本研究河流边界约0.5 kg/m3，湾口边界约2 kg/m3;出流时，图1 计算域及网格示意图Fig.1 Computing domain and mesh2 杭州湾三维模型率定和验证2.1 边界设定将杭州湾(上为盐官、下为芦潮港—镇海连线)剖分为如图1所示计算网格，共12 539个节点，20 335个单元，外模时间步长1 s，内模时间步长3 s.盐官和芦潮港、镇海均给定逐时潮位、悬沙边界条件.2.2 潮流验证潮位采用2005年8月大潮期间，澉浦、乍浦、金山、临海浦闸等4个潮位站实测资料进行验证，潮流采用同期澉浦―临海浦闸水域布设的2条垂线大潮同步实测水文资料进行验证，悬沙验证点的位置同潮流验证点.测流点位的具体位置参见图1.潮位验证结果见图2，高、低潮位误差均较小、相位误差基本小于30 min.潮流验证结果见图3，计算表层、底层涨落急流速、流向及相位，均与实测基本吻合.图2 潮位验证Fig.2 Comparison of calculated and measured spring tide elevations图3 流速、流向过程验证Fig.3 Comparison of the calculated and the measured spring tide currents at SW01 and SW032.3 悬沙验证悬沙浓度验证结果见图4，图中分别给出了大潮期间，2个验证点各层的悬沙浓度过程线，以及大潮期间，验证点的垂向悬沙浓度.图4 测点SW01和SW03各层大潮悬沙浓度验证Fig.4 Comparison of the calculated and the measured spring tide concentrations of suspended load at SW01 and SW03通过计算值与实测值的比较发现，悬沙浓度较低时，计算与实测基本吻合，悬沙浓度较高时，误差较大，但整体趋势基本一致.同时可见，数学模型采用的物理参数和计算参数基本合理，计算方法可靠，能够有效模拟杭州湾三维潮流和悬沙运动.3 杭州湾三维潮流及悬沙模拟外海潮波传入杭州湾后，由于受到喇叭口平面形态的压缩以及水深变浅、底摩擦作用，潮波逐渐由前进波变为驻波性质，属浅海非正规半日潮海区.通过澉浦断面后，表现为涌波特性.3.1 潮流模拟计算作为强潮河口，水体在垂向掺混强烈，不存在明显分层，表层流速相对较大，底层流速较小，本节给出了不同分层平面流场图，通过比较可以看出钱塘江河口及杭州湾水域的三维水动力特性.杭州湾是一个典型的喇叭状河口湾，湾宽(南北两岸堤距)从湾顶的16.5 km到湾口展宽为98.5 km，其间的乍浦—庵东断面宽32.2 km，金山—四灶浦断面宽45.5 km，且杭州湾北岸为贴岸深槽，南岸为宽阔边滩，中间地形较平坦，杭州湾的这个特有地形使得潮流进入湾内之后，在不同的断面呈现出不同的特性，南北岸差别也很大，本文通过6个断面立面的流场图来说明这一现象.3.1.1 分层流速图5给出了杭州湾水域表层和底层涨落急时刻潮流流场.总体来看，杭州湾的涨、落潮流速较大，大潮期涨潮流速一般在2.5～4.0 m/s，落潮流速达2.0～3.5 m/s之间，涨急流速较落急流速大，潮流流速由湾口向湾顶逐渐增大;通过对比各分层的流速来看，水体在垂向掺混强烈，不存在明显分层，表层流速相对较大，底层流速较小，流速的差别不大，一般在20%以内，这也是钱塘江河口杭州湾作为强潮河口海湾的固有特性.图5 表层和底层的涨急、落急流场Fig.5 Maximum flood and ebb current fields at the surface and bottom layers3.1.2 垂向平均流速图6给出了杭州湾水域垂向平均涨急、落急时刻的流场图.垂向平均的流场图基本上与各个分层的流场图一致，这主要是由于杭州湾流场不存在明显分层引起的.从垂向平均的流场图能够更清晰地发现:杭州湾的潮流方向基本与岸线平行，以往复流为主;涨潮时，湾口处北面的潮流沿着岸线方向进入湾内，湾口处南面的潮流直接向西进入湾内，两股潮流汇合于金山与王盘山之间的水域，然后继续向西挺进，到达乍浦后，受岸线约束逐步向西南转移.落潮流向基本与涨潮流向相反.图6 垂向平均涨急、落急流场Fig.6 Vertical averaged maximum flood and ebb current field3.1.3 断面流速为分析杭州湾局部深潭水域垂向三维环流特点，本文绘制了澉浦道罗山深潭和乍浦深潭2个局部断面在1个大潮周期内时间间隔为1 h的流速矢量场过程，立面流矢图是指截取断面处的流速矢量在该断面上的投影速度矢量.断面位置如图7所示，断面S1在道罗山深潭宽约1.9 km，断面S2在乍浦深潭宽约6.0 km.由于这2个断面深潭很深，特别是在道罗山深潭断面在涨、落潮过程中出现明显的立面环流，说明深潭水域在强潮汐作用下依然存在较强的立面环流，见图8.图7 局部深潭断面位置Fig.7 Local deep pools section position图8 断面S1和S2的12个时刻断面流速分布Fig.8 Velocity distribution in sections S1 and S2 at 12 hours3.2 悬沙模拟计算3.2.1 分层悬沙表层和底层的悬沙浓度分布如图9.可见，海宁至尖山河段的悬沙浓度比较高，一般在3.0～6.0 kg/m3，主要是由于该河段涨落潮流速大造成的;另外一个悬沙高浓度区位于杭州湾南岸庵东滩地，2.5～4.0 kg/m3，主要是由于潮流对滩涂的冲刷引起的，随着潮涨潮落，这一高浓度区在杭州湾的南岸来回摆动，使得杭州湾南岸的悬沙浓度整体高于杭州湾北岸的悬沙浓度;另外，由于涨潮流速较落潮流速大，所以涨急时刻的悬沙浓度较落急时刻的悬沙浓度大.图9 表层和底层泥沙浓度分布(单位:kg/m3)Fig.9 Sediment concentration distribution of flood and ebb at the surface and bottom layers3.2.2 断面悬沙分布图10给出了一个潮周期12 h乍浦断面(宽约30 km)的立面悬沙浓度分布.从断面的悬沙浓度分布图可清晰看出，悬沙浓度由底至水面逐渐升高，南岸的悬沙浓度明显高于北岸.图10 乍浦断面的12个时刻泥沙浓度分布Fig.10 Sediment concentration distribution in Zhapu section at 12 hours4 结语本文成功应用FVCOM建立了三维潮流泥沙数学模型，并对杭州湾开展了三维潮流泥沙验证.模拟了杭州湾大潮期间涨落潮泥沙输运过程，通过平面、立面的泥沙分布特征，成功再现了杭州湾潮流泥沙的运动过程.同时初步开展了泥沙模拟计算，但由于模型本身的局限性，泥沙计算结果仍不是非常理想.今后的研究工作中，将进一步优化模型的泥沙模块，在不断的调试中，针对杭州湾开展悬沙验证和在局部冲淤计算中开展一些前期研究.完善后的模型，有望应用于杭州湾局部三维水流结构和泥沙输运特征的分析研究，以及涉水工程建设对工程水域水流泥沙和局部冲淤变化的研究.参考文献:［1］韩曾萃，戴泽蘅，李光炳.钱塘江河口治理开发［M］.北京:中国水利水电出版社，2003.(HAN Zeng-cui，DAI Ze-heng，LI Guang-bing.Regulation and exploitation of Qiantang estuary［M］.Beijing:China Water Power Press，2003.(in Chinese))［2］吴修广.强潮河口三维水流泥沙湍流数学模型研究［R］.杭州:浙江省水利河口研究院，2011.(WU Xiu-guang.Research on 3D mathematical model of turbulent flow and sediment of strong tidal estuary［R］.Hangzhou:Zhejiang Institute of Hydraulics＆ Estuary，2011.(in Chinese))［3］吴修广.浙江近海三维潮流、水质数学模型开发及应用研究［R］.杭州:浙江省水利河口研究院，2011.(WU Xiu-guang.Research and application of 3D mathematical model of tidal flow and water quality in Zhejiang offshore ［R］.Hangzhou:Zhejiang Institute of Hydraulics＆ Estuary，2011.(in Chinese))［4］谢东风，潘存鸿，吴修广.基于FVCOM模式钱塘江河口涌潮三维数值模拟研究［J］.海洋工程，2011，29(1):47-52.(XIE Dong-feng，PAN Cun-hong，WU Xiu-guang.Three-dimensional mathematical model of tidal bore in Qiantang based on FVCOM［R］.The Ocean Engineering，2011，29(1):47-52.(in Chinese))［5］LIN B L，FLACONER R A.Modeling sediment fluxes in estuarine water using a curvilinear coordinate grid system［J］.Estuarine，Coastal and Shell Science，1995，41(4):413-428.［6］李孟国.海岸河口泥沙数学模型研究进展［J］.海洋工程，2006，24(1):139-154.(LI Meng-guo.A review on mathematical models of sediment in coastal and estuarine waters［J］.The Ocean Engineering，2006，24(1):139-154.(in Chinese))［7］JAMES W，EID B.A three-dimensional model of Hamilton harbor incorporating spatial distribution of transient surface drag［J］.Canadian Journal of Civil Engineering，1978，5:479-488.［8］PHILLIPS N A.A coordinate system having some special advantagesfor numerical forecasting［J］.Journal of Meteorology，1957，14(2):184-185.［9］CHEN C S，LIU H D.An unstructured grid，finite-volume，three-dimensional，primitive equations ocean model:application to coastal ocean and estuaries［J］.Journal of Atmospheric and Oceanic Technology，2006，20:159-186.［10］刘光生，吴修广，程文龙.乐清湾航道工程三维潮流数值模拟及大风天骤淤计算［C］∥第十五届中国海洋(岸)工程学术讨论会论文集，2011.(LIU Guang-sheng，WU Xiu-guang，CHENG Wen-long.3D tidal current numerical simulation and windy day sudden deposition calculation of Yueqing baywaterway engineering［C］∥Proceedings of Fifteenth Session of the China National Marine(Coastal)Engineering Symposium，2011.(in Chinese)) ［11］GUO Q C，JIN Y C.Modeling sediment transport using depth-averaged and moment equations［J］.Journal of Hydraulic Engineering，1998，125(2):1262-1269.［12］LU Yong-jun，LI Hao-lin，DONG Zhuang，et al.Two-dimensional mathematical model of tidal current and sediment for Oujiang Eastury and Wenzhou Bay［J］.China Ocean Engineering，2002，16(1):107-122. ［13］LI Da-ming，LI Bing-fei，ZHANG Hong-ping.Application of the sediment mathematical modeling on planned project of Lingdingyang Bay ［J］.Transactions of Tianjin University，2002，8(4):285-290.。
闽江河口三维潮流数值模拟及特性分析
闽江河口三维潮流数值模拟及特性分析夏泽宇;蔡辉;谭亚【摘要】基于FVCOM (Finite-Volume Coastal Ocean Model)模型,建立了闽江河口区域精细化的三维潮流数值模型.对模型的海底摩阻系数的选取进行讨论,得出Koutitas公式更为合理的结论.采用该模型对闽江口的潮汐、潮流特征进行分析,得出以下结论:闽江外海潮波自东南至西北向近岸区域传播,水道内潮流有明显的往复流性质;熨斗岛北部和东部区域,潮流多以旋转流为主;闽江北支水道以落潮流为主,河口区域三维流场在侧向支流影响区域分层不明显.%Based on the FVCOM(Finite-Volume Coastal Ocean Model) model,a detailed 3D tidal current numerical model of Minjiang Estuary area is established.The selection of subsea drag coefficient is discussed,and the conclusion of Koutitas formula is more reasonable.The tidal and tidal current characteristics of Minjiang Estuary are analyzed by using this model.It is concluded that:Minjiang tidal wave spreads from the southeast to the northwest to the estuary area,and the flow within the channel has obvious reciprocating flow characteristics.Tidal current mostly tend to rotating flow-based in north and east of the Yundou island.The north branch of the Minjiang river is dominated by falling tide,and the 3D flow field in estuary area is not obvious in the influence area of lateral tributaries.【期刊名称】《水运工程》【年(卷),期】2017(000)006【总页数】9页(P57-64,91)【关键词】FVCOM模型;潮流;闽江河口;摩阻系数【作者】夏泽宇;蔡辉;谭亚【作者单位】河海大学港口海岸与近海工程学院,江苏南京210098;河海大学港口海岸与近海工程学院,江苏南京210098;河海大学港口海岸与近海工程学院,江苏南京210098【正文语种】中文【中图分类】U652.7闽江是福建省第一大江，全长559 km，是典型的山溪性河流，多年平均径流量达629亿m3，也是福建省最大的水系，流域面积60 992 km2。
基于FVCOM的南海北部海域潮汐潮流数值模拟
基于FVCOM的南海北部海域潮汐潮流数值模拟杨万康;尹宝树;杨德周;徐振华【期刊名称】《海洋科学》【年(卷),期】2013(000)009【摘要】A high resolution hydrodynamic model was established using an unstructured triangular grid, FVCOM(finite-volume coastal ocean model)to study the tides and tidal currents of the northern South China Sea. The simulation results were in good agreement with observation data. According to the simulation results, the tidal and tidal currents characteristics of M2, S2, K1, O1 was analyzed. With the application of high resolution triangular gird, the characteristics of tide and tidal currents around the Dongsha Islands were computed exactly and analyzed in detail. The simulated tidal constituents were more accurate than previous study. The results showed that the areas between the Shenquan Port and the Jiazi Port were dominated by regular diurnal tide and the Zhujiang River Estuary was expressed irregular semi-diurnal tide. The tidal characteristic of other areas were irregular diurnal tide. The continental shelf area was dominated by rectilinear, while the area near continental slope was characterized by strong rotary current. The shelf break area is the boundary between irregular diurnal and irregular semi-diurnal tidal currents. Dongsha areas were dominated by irregular diurnal tidal currents in which the currents rotate clockwise .The distributions of the maximum possible currentvelocities were paralleled with the depth. The possible velocity was especially high around the Dongsha Islands and the maximum velocity could reach 70 cm/s near the Taiwan Strait. For the northern South China Sea, the tidal motion was maintained by the ocean tides from the the Bashi Channel, which were divided into three different forms out of the northern South China Sea; The maximum residual current appeared on the west of the Taiwan Strait, which flowed into the Taiwan Strait from south to northat a speed of 6 cm/s. The coastal residual current flowed along the China Shore from east to west.%基于非结构三角形网格的FVCOM (finite-volume coastal ocean model )数值模型,对南海北部海域的潮汐、潮流进行了精细化数值模拟研究,并根据模拟结果详细分析了M2, S2, K1, O1分潮的潮汐和潮流特征。
海口湾人工填海前后冲淤演变数值模拟
海口湾人工填海前后冲淤演变数值模拟张航飞;曾维特;吴多誉;张东强;王晓林【摘要】为了解近年南海明珠项目、葫芦岛、秀英港扩建工程等人工填海工程对海口湾冲淤变化的影响,基于FV-COM海洋数值模型,对研究区人工填海前后潮流场、波浪场及冲淤变化进行了数值模拟.人工填海后,综合各条件下的冲淤情况,海口湾受潮流和波浪共同作用大部分区域处于淤积状态,年淤积量预测值为01.～10.m;白沙角等局部区域处于侵蚀状态,年冲刷量预测值为01.～03.m;受海口湾人工填海工程的影响,秀英港航道的水动力条件减弱,对通航条件改善有利,需加强航道的水深监测和定时的清淤工作;在南海明珠人工岛南侧波影区泥沙堆积会形成向海的舌状的突出体,其两侧海岸形成侵蚀后退带,需人工补沙等措施以保证岸线稳定.【期刊名称】《海岸工程》【年(卷),期】2019(038)002【总页数】10页(P105-114)【关键词】人工填海工程;海口湾;冲淤变化;FVCOM;数值模拟【作者】张航飞;曾维特;吴多誉;张东强;王晓林【作者单位】海南省地质综合勘察院 ,海南海口570206;海南省地质调查院 ,海南海口570206;海南省地质调查院 ,海南海口570206;海南省海洋地质资源与环境重点实验室 ,海南海口570206;海南省地质综合勘察院 ,海南海口570206;海南省地质综合勘察院 ,海南海口570206;海南省地质调查院 ,海南海口570206【正文语种】中文【中图分类】P714+.6目前,我国南部海域以海南自由贸易试验区为中心,借势国家政策,成为当前中国海洋旅游最热板块。
随着经济建设的迅猛发展,沿海地区的用海需求越来越大,围填海活动在给地方经济注入活力的同时,也带来了一系列环境问题[1-2],改变了原有的海洋动力环境。
海口湾人工填海建设项目必定会导致其附近海域的潮流、波浪、泥沙冲淤状况的改变,为保护海洋环境,将人造工程建设造成的影响降到最低,有必要对海口湾的冲淤变化进行研究。
基于 FVCOM的台湾海峡三维潮汐与潮流数值模拟研究
基于 FVCOM的台湾海峡三维潮汐与潮流数值模拟研究王道生;刘晓东;庄海东【期刊名称】《应用海洋学学报》【年(卷),期】2016(035)004【摘要】A 3-D hydrodynamic model is established used an unstructured triangular grid known as the finite-volume coastal ocean model (FVCOM)to resolve the irregular coastline and bathymetry in the coastal regions.The simula-ted results are in good agreement with the long-term observed data and reproduce the distribution features of the tide and tidal currents in Taiwan Strait.The distributions of co-tidal charts and tidal ellipse on the surface layer for 4 major constituents (M2、S2、K1 、O1 )are obtained by T_tide toolkit.The results show that the southward and north-ward tidal waves of M2 tide from the Pacific into Taiwan Strait converge between Penghu Islands and south of Taiwan Shoal in the direction of NE—SW and the maximum amplitude is 2.45m and it appeared in the areas of Xinghua bay and Meizhou Bay.K1 constituent incoming wave propagates from northeast to southwest toward the South China Sea,the amplitude of which in the right side of forward direction is 0.05m higher than the left's.There exists a di-viding line on which the ellipticity of constituent tidal is zero in Taiwan Strait.The line direction is NE—SW,at the upper part of which the direction of rotation is counterclockwise,the lower is clockwise.Four major tidal cur-rents to themajor axis of the ellipse are in NE—SW direction and in the nearshore region and the discontinuous ter-rain such as Taiwan Shoal are in NW—SE direction,while in Penghu Channel they are in N—S direction.The ma-jor axes of 4 tidal currents in the Taiwan Shoal are large and the corresponding trend is also large due to the influ-ences of local shallow depth.%基于 FVCOM海洋数值模式，采用非结构三角形网格较好地刻画了台湾海峡复杂的岸线边界及海底地形，建立了台湾海峡的三维潮汐潮流数值模型．模拟结果同长期观测资料符合良好，较好地反映出台湾海峡内潮汐、潮流运动的变化状况和分布特征，利用T＿tide 工具包进行水位潮流调和分析给出了M2、S2、K1、O1四个主要分潮的同潮图、表层潮流椭圆分布．分析表明，M2分潮由台湾岛南北两端传入台湾海峡，两支潮波在澎湖—台湾浅滩南缘相遇，呈NE—SW 向倾斜，振幅最大值为2.45m，出现在福建省湄洲湾、兴化湾一带．K1分潮潮波由东北向西南传入，并向南海传播，传播方向上右侧振幅较左侧大0.05m．台湾海峡存在一条分潮潮流椭圆率为0的分隔线，该分隔线大致呈 NE—SW 走向，分隔线上半部分潮流椭圆旋转方向为逆时针方向，下半部分为顺时针方向．四个主要分潮潮流椭圆长轴基本呈 NE—SW 走向，但在台湾浅滩表层潮流椭圆长轴方向为 NW—SE 向，澎湖水道呈 N—S 向．台湾浅滩处四个分潮的潮流椭圆均较大，对应的潮流也强，可能受当地水深较浅的影响．【总页数】8页(P491-498)【作者】王道生;刘晓东;庄海东【作者单位】厦门蓝海天信息技术有限公司，福建厦门 361008;厦门蓝海天信息技术有限公司，福建厦门 361008;厦门蓝海天信息技术有限公司，福建厦门361008【正文语种】中文【中图分类】P731【相关文献】1.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2.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3.基于FVCOM的台湾海峡三维潮汐与潮流数值模拟研究 [J], 王道生;刘晓东;庄海东;4.基于FVCOM的廉州湾及周边海域三维潮汐潮流数值模拟（英文） [J], 宋德海;鲍献文;张少峰;张春华;5.基于FVCOM的廉州湾及周边海域三维潮汐潮流数值模拟 [J], 宋德海; 鲍献文; 张少峰; 张春华因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
水东湾潮流特征分析及三维数值模拟
水东湾潮流特征分析及三维数值模拟冯少金【摘要】基于水东湾海域利用现状及水环境综合整治工作的迫切需要,对其海洋水文要素开展野外调查,以清晰理解其潮流特征,并据此进行潮流三维数值模拟.调查结果显示,水东湾观测期间的实测潮差在2.6～2.9 m之间,平均潮差约2.8m,湾口潮差最大,湾顶海域潮差最小,涨潮历时略长于落潮,属不正规半日潮;各观测站位的最大流速相差较大,最高值出现在湾口深槽,为134 cm/s,最低值出现在湾顶浅海海域,为31 cm/s,最大流速水平分布基本上呈现为从湾口向湾顶递减态势.模拟结果显示,水东湾内潮流基本沿潮汐通道呈往复流动,涨潮流向介于280°～300°之间,流速在0.28 ～1.36m/s范围内变化;落潮流向介于128° ～180°之间,流速在0.56 ～ 1.44 m/s范围内变化,流矢受地形限制显著.%In view of the status quo for comprehensive improvement of the Shuidong Bay water environment,the field investigation of hydrological elements is carried out to understand the characteristics of tidal current with three-dimensional numerical simulation.The result shows that the measured tidal range is between2.6 ～ 2.9m,the average tidal range is about 2.8m.The tidal range of bay mouth is the highest and it is the lowest around the top of the bay.The flooding time is slightly longer than the ebb tides and it is the irregular semidiurnal tide.The maximum flow velocity of each observation stations varies widely.While the highest value 134cm/s is in the deep trough,the lowest value 31 cm/s is in shallow sea area.Basically the distribution of the maximum flow velocity in horizontal direction is descending from the mouth to the top of bay.The simulation results show that the tidal currentof Shuidong Bay is reciprocating flow along the tidal channel.The flood current between 280° ～300°,current velocity changes within 0.28 ～1.36m/s.And the ebb flow between 128° ～180°,current velocity changes within 0.56 ～ 1.44m/s.Flow vector is affected significantly by topography.【期刊名称】《应用海洋学学报》【年(卷),期】2017(036)003【总页数】8页(P333-340)【关键词】海洋水文学;FVCOM;数值模拟;潮流;潮汐;水东湾【作者】冯少金【作者单位】广东海洋大学数学与计算机学院,广东湛江524088【正文语种】中文【中图分类】P731水东湾地处茂名南部，为半封闭的海湾，湾口口门狭窄，湾内水域宽阔，面积约为32 km2.湾内海底地形复杂，深槽分布显著，滩涂面积大.其中，湾口处深槽水深均大于10 m，湾中部水东岛两侧深槽水深约达6 m，湾顶部分多为浅滩，水深较浅.湾内受地形掩护，波浪较小，海洋动力环境以潮流作用为主[1].近十年来，受海水养殖业快速发展冲击，水东湾内挖塘、围网、筑坝养殖等乱象丛生，直接改变湾内潮流形态，水体交换能力急剧下降，水质环境恶化，淤积严重[2].随着我国海洋生态文明建设的向前推进，水东湾综合整治工作势在必行.因此，有必要就水东湾的潮流特征进行分析，并借助三维数值模拟技术研究其潮流过程，为后续的清淤行动和自然港湾风貌的恢复提供理论参考.本研究以野外观测数据为依据，分析水东湾的潮流特征，并基于三维潮流数值模拟技术，应用FVCOM海洋模式，研究水东湾的潮流过程.1 水东湾潮流特征分析1.1 潮流观测站位为获得水东湾的潮流观测数据，于2015年10月19～20日(大潮期)进行了海洋水文野外调查，主要内容有潮汐水位以及潮流流速、流向等水文要素，并沿垂向分为表层、中层和底层共3个观测层次(0.2H、0.4H、0.8H，H为水深)，观测时段共25 h(2015年10月19日10：00至20日10：00)，观测频率为1h.本次潮流野外调查共布设5个观测站位(V1-V5)，具体如图1所示.图1 水东湾潮流观测站位分布Fig.1 Distribution of tidal current observation stations in Shuidong Bay1.2 潮流观测结果及特征分析本次水东湾海洋水文调查各观测站位的潮位时间序列见图2，各观测站位的潮流流速、流向时间序列如图3～ 7所示，潮流特征统计如表1所示.图2 2015年10月水东湾各观测站位潮位时间序列Fig.2 Time series of each tidal observation stations in Shuidong Bay in October 2015图3 2015年10月水东湾V1站潮流流速、流向时间序列Fig.3 Time series of current velocity and direction of station V1 in Shuidong Bay in October 2015图4 2015年10月水东湾V2站潮流流速、流向时间序列Fig.4 Time series of current velocity and direction of station V2 in Shuidong Bay in October 2015图5 2015年10月水东湾V3站潮流流速、流向时间序列Fig.5 Time series ofcurrent velocity and direction of station V3 in Shuidong Bay in October 2015图6 2015年10月水东湾V4站潮流流速、流向时间序列Fig.6 Time series of current velocity and direction of station V4 in Shuidong Bay in October 2015图7 2015年10月水东湾V5站潮流流速、流向时间序列Fig.7 Time series of current velocity and direction of station V5 in Shuidong Bay in October 2015表1 水东湾潮流特征统计Tab.1 Statistics of tidal current characteristicin Shuidong Bay站位最大流速流速/cm·s-1流向发生时刻说明V164241°2015-10-20 08:00中层涨潮流速V231318°2015-10-20 08:00表层涨潮流速V3119286°2015-10-19 20:00表层涨潮流速V478345°2015-10-19 20:00表层涨潮流速V5134147°2015-10-20 03:00表层落潮流速从水东湾海洋水文调查结果可知，各观测站位实测的潮差在2.6～2.9 m之间，平均潮差约为2.8 m，观测期间最大潮差出现在湾口位置(V5站)，最小潮差出现在湾顶位置(V1站)；涨潮历时长于落潮历时；在一日内出现两次高潮和两次低潮，潮高和潮时日内不等，属不正规半日潮[3].从水东湾各观测站位的实测潮流结果可知，最大流速的最高值出现在水东湾湾口深槽(V5站)的表层落潮流速，流速为134 cm/s，流向为147°；最大流速的最低值出现在湾顶浅海海域(V2站)的表层涨潮流速，流速为31 cm/s，流向为318°.同时，各观测站位最大流速相差较大，其中水东湾湾口深槽(站位V5)流速最高，湾内深槽处(V3站)的流速次之，湾顶浅海海域(V2站)的流速最低，最大流速水平分布基本上呈现为从湾口向湾顶递减态势.从潮流和潮位的对应关系也可知，各站位潮流的转流发生在高潮和低潮时刻附近，最大流速出现在高潮和低潮的中间时刻，潮波主要呈驻波性质.总的来说，水东湾除湾口和湾内深槽水深较深、流速较大之外，其余部分海域水深较浅，潮流的分层不明显，各层流速相差不大，表层流速略大于中底层流速.从流向上看，潮流流向与水道地形基本一致，在湾口和湾内呈NW—SE走向，受地形约束显著.水东湾各站位中层潮流玫瑰图如图8所示，从图8可知，水东湾海域各观测站位最大流速的涨、落潮流路与水道地形有良好的匹配关系，流向基本与湾内深槽水道一致，流矢受地形约束明显，且基本与岸线或水道平行，各观测站位均呈现出较显著的往复流特征；而各观测站位最小流速方向相对来说较无规律，一方面由于最小流速能量较小，难以保持惯性运动，另一方面是由于复杂的海底地形和底摩擦引起的.湾口各观测站位的涨落潮流基本呈NW—SE向运动；而湾内因受深槽和大洲岛地形的影响，涨落潮流一分为二，一股潮流继续维持NW—SE向运动，另一股潮流则向W偏转为W—E向运动.图8 水东湾各观测站位中层潮流玫瑰图Fig.8 Middle tidal current rose chart at each observation stations in Shuidong Bay1.3 余流特征分析水东湾各观测站位欧拉余流统计如表2所示，从表中可以看出，水东湾内地形复杂，水道、浅滩复杂分布，但湾内余流场分布较为有序，流路规律也显著.最大余流速度为11 cm/s，最小余流速度为0 cm/s，均值约为3 cm/s，余流场水平分布基本呈现从湾口向湾顶递减的态势；除观测站位V4表层余流流向基本指向湾内，其余各观测站余流流向均指向湾外，表明水东湾物质运输朝湾外进行，有利于湾内物质的稀释.整体而言，各站位表、中、底层余流值变化基本一致.表2 水东湾欧拉余流统计Tab.2 Euler residual current statistics in Shuidong Bay站位表层中层底层流速/cm·s-1流向流速/cm·s-1流向流速/cm·s-1流向V13251°1284°1235°V21138°1150°092°V311283°7275°7253°V42321°2251°20°V52176°571°3168°2 水东湾潮流过程模拟2.1 FVCOM海洋模式基于水东湾滩涂宽阔、复杂的岸线及海底地形，其潮流三维数值模拟应用FVCOM 海洋模式建立模型.FVCOM是美国马萨诸塞大学海洋科技研究院和伍兹霍尔海洋研究所联合开发的海洋模式.该模式综合了有限差分和有限元模型的优点，应用方程的积分形式和先进的计算格式，对具有复杂地形岸界的计算能更好地保证质量守恒；采用无结构化非重叠的水平三角形网格，在拟合复杂边界与进行局部加密等方面表现尤为突出，并在垂直方向使用坐标变换，能更好地拟合复杂海底地形；带有三维的干湿网格处理模块，方便近岸滩涂等变边界问题的计算；主要控制方程包括动量方程、连续方程、盐度扩散方程、温度扩散方程、状态方程等[4-6]，具体如下.(1)(2)(3)(4)(5)(6)ρ=ρ(θ,S)(7)式(1～7)中：x、y和z分别为笛卡尔坐标系中东、北和垂直方向的坐标；u、v和w是x、y和z 3个方向上的速度分量；θ是位温；S为盐度；ρ为密度；P为压力；f为科氏参数；g为重力加速度；Km为垂向涡动黏性系数；Kh为热力垂向涡动摩擦系数.Fu、Fv、Fθ和Fs分别代表水平动量、温度和盐度扩散项[7].在数值求解上，FVCOM海洋模式将计算域划分为互不重叠的非结构三角形网格，采用有限体积法进行数值求解.求解的过程应用模态分裂技术，以二维外模式计算潮波的物理过程，如自由表面的水位和垂向平均的水平流速分量；以三维内模式计算潮流的垂直结构，如三维速度、紊动变量及物质输运浓度等[8-9].2.2 模型设置模型网格覆盖水东湾及其附近海域，空间范围为21°16′59.475″～21°32′12.877″N，110°53′29.561″～111°20′11.954″E，如图9所示.平面网格共有单元(三角形)39 154个，节点数20 207个，岸线在水东湾内部及湾口处加密，最小分辨率约为30 m，能较好地拟合水东湾内部复杂的岛屿岸线和地形特征.模型垂向采用σ坐标，共分6层，各层的比例分布为0.00、0.08、0.20、0.40、0.60和0.85.计算时间步长为0.5s，外海开边界由OTIS(OSU Tidal Data Inversion Software)提取6个分潮调和常数(S2、M2、N2、K1、O1、Q1)计算水位，地形水深取自航保部2013年出版的海图资料.入海河流主要有陈村河、那行村河、西湖河和寨头河等，其径流量按照2015年10月19日实测值给出，分别为0.25、0.45、1.20、1.50 m3/s.模拟时段为2015年10月1～30日[10].2.3 模型验证水东湾潮流模型采用2015年10月19日10：00时至2015年10月20日10：00时3个潮流观测站(V1、V3和V5)的实测海流数据(中层：0.4H，H为水深)进行率定和验证，潮流观测站位分布见图1.水东湾潮流实测值与计算值对比过程线见图10～12，由潮流验证结果可以看出，模拟潮流过程与实测值变化趋势基本一致，流速平均绝对误差均小于5.0 cm/s，流向与实测值吻合较好，模拟误差在可接受范围.整体来说，此次模拟效果令人满意，模拟结果基本上能反映水东湾的涨落潮流变化过程.2.4 潮流过程模拟结果及特征分析模拟区域涨、落潮过程结果显示，模拟区域外海流速较近岸海域低，近岸海域以水东湾口门处流速值最高，博贺湾口门处流速次之；落潮流速较涨潮流速高，表层流速较底层流速高[11-12].水东湾涨、落潮过程流场见图13～16，结果显示，水东湾为半封闭式海湾，总面积约32 km2，湾口口门狭窄，沿岸河流短小.受地形掩护，湾内波浪较小，湾内海洋动力环境以潮流动力作用为主，潮汐类型属不规则半日潮.水东湾内潮流基本沿潮汐通道呈往复流动，为不正规半日往复潮流，涨潮表层流向介于280°～300°之间，流速在0.28～1.36 m/s范围内变化；落潮表层流向介于128°～180°之间，流速在0.56～1.44 m/s范围内变化；表层落潮流速较涨潮流速高.涨潮底层流速在0.08～0.55 m/s范围内变化，落潮底层流速在0.13～0.77 m/s范围内变化；底层流向变化范围与表层流向变化范围基本一致；表层流速较底层流速高.图9 模拟范围及模型网格Fig.9 Simulation range and the model grid图10 2015年10月水东湾V1站垂向中层流速、流向实测值和模拟值的比较Fig.10 Comparison of vertical flow velocity， measured flow value and Simulation value at station V1 in Shuidong Bay in October 2015图11 2015年10月水东湾V3站垂向中层流速、流向实测值和模拟值的比较Fig.11 Comparison of vertical flow velocity， measured flow value and Simulation value at station V3 in Shuidong Bay in October 2015图12 2015年10月水东湾V5站垂向中层流速、流向实测值和模拟值的比较Fig.12 Comparison of vertical flow velocity， measured flow value and Simulation value at station V5 in Shuidong Bay in October 2015图13 水东湾表层涨潮过程流场Fig.13 Surface flood tide current in Shuidong Bay图14 水东湾表层落潮过程流场Fig.14 Surface ebb tide current in Shuidong Bay图15 水东湾底层涨潮过程流场Fig.15 Bottom flood tide current in Shuidong Bay图16 水东湾底层落潮过程流场Fig.16 Bottom ebb tide current in Shuidong Bay涨潮时，外海潮水沿汊道深槽经口门注入湾内，受湾口潮汐通道狭窄地形影响，流路相对集中，流向呈NW向.涨潮潮流进入湾内后，受湾内地形限制，潮流主体部分由西北向西偏转，然后向湾顶挺进；另一部分潮流沿潮汐通道绕经大洲岛后再向西偏转流向湾顶.而落潮时，潮流运动与涨潮相反.其中，受地形限制，湾口涨落潮流基本呈NW—SE向运动，湾内涨落潮流流向逐渐转为E—W向；湾内潮汐通道流速较大，浅滩区流速较小.由于水东湾浅水潮波不对称，以及涨落潮水位变率的差异，导致了涨、落潮流速的不对称分布，平均流速和垂线平均最大流速基本呈现落潮大于涨潮，尤其在主潮汐通道内更是落潮流占优势，有利于湾内物质向湾外输运[13].3 结论随着我国海洋生态文明建设的全面实施，人们对海洋环境保护意识的日渐增强，规范、合理使用海域受到地方政府部门的高度重视，近岸港湾水环境的综合整治工作也将全面展开.为清晰理解水东湾潮流特征，对其进行了海洋水文野外调查.观测期间，水东湾平均潮差约为2.8 m，湾口深槽最大流速为134 cm/s，湾顶浅海最大流速为31 cm/s，最大流速水平分布基本上呈现为从湾口向湾顶递减态势，涨潮历时略长于落潮，属不正规半日潮.基于FVCOM海洋模式的模拟结果显示，水东湾内潮流基本沿潮汐通道呈往复流动，涨潮表层流向介于280°～300°之间，流速在0.28 ～1.36 m/s范围内变化；落潮表层流向介于128°～180°之间，流速在0.56 ～1.44 m/s范围内变化；涨潮底层流速在0.08 ～0.55 m/s范围内变化，落潮底层流速在0.13～0.77 m/s范围内变化；底层流向变化范围与表层流向变化范围基本一致；落潮流速较涨潮流速高；表层流速较底层流速高；湾内潮汐通道流速较大，浅滩区流速较小；流矢受地形限制显著.水东湾潮流三维数值模拟结果可为其即将开展的海域综合整治工作提供理论参考，具有实际意义.参考文献：[1] 杨留柱，刘宏坤，任杰，等.水东湾近岸海域双向射流系统初步研究[J].中山大学学报:自然科学版，2011， 50(2):116-119．[2] 秦福寿，杨泽君，姚姗姗，等.茂名市水东湾综合整治工程对水沙动力影响模拟研究[J].中国港湾建设，2014(3):51-56．[3] 汪晋三，罗振浩.水东港码头环境影响评价[J].中山大学学报(自然科学)丛论，1986，8(3):171-209．[4] 郑沛楠，宋军，张芳苒，等.常用海洋数值模式简介[J].海洋预报，2008，25(4):108-120．[5] 姜晓晖，文先华.蓬莱海域的潮汐潮流特征分析[J].水道港口，2011，32(2):144-148．[6] 綦梦楠.厦门湾及邻近海域潮汐潮流数值模拟与预报研究[D]. 青岛:中国海洋大学，2014．[7] 靖春生，朱学明，鲍献文，等.基于FVCOM的厦门湾及其周边海域三维潮流数值模拟[J].台湾海峡，2011，30(1):103-113．[8] 熊伟，刘必劲，孙昭晨，等.宁波舟山近海三维潮汐潮流数值模拟[J].水道港口，2011，32(6):399-407．[9] 林作梁，朱学明，鲍献文，等.基于FVCOM的泉州湾海域三维潮汐与潮流数值模拟[J].海洋学报，2013，35(1):15-24．[10] 杜利霞.典型弯道水流中的水沙二相流三维数值模拟研究[D].乌鲁木齐:新疆农业大学，2013[11] 李冬，刘璟，韩桂军，等. POM海洋模式的并行算法[J].海洋通报，2010，29(3):329-333．[12] 宋倩，胡松.海洋模式FVCOM2.6并行计算性能TAU分析[J].计算机工程与科学，2011，33(12):87-93．[13] 杨天文.潮流自适应仿真模拟关键技术研究[D]. 南京:南京师范大学，2014．。
胶州湾高分辨率三维风暴潮漫滩数值模拟
胶州湾高分辨率三维风暴潮漫滩数值模拟曹丛华;白涛;高松;徐江玲;曹雅静;吴玲娟;赵鹏【期刊名称】《海洋科学》【年(卷),期】2013(000)002【摘要】基于海表气压项改进的FVCOM(Finite-Volume Coastal Ocean Model)海洋模式，研发胶州湾高分辨率三维风暴潮漫滩数值模式(JS-FVCOM).利用 JS-FVCOM 模式通过对天文潮、台风强度和径流3要素的不同组合，共设计了5个试验，分别进行风暴潮漫滩模拟实验.分析各试验结果得到如下结论：(1)随着台风最大风速的增加，风暴潮增水迅速增加，当综合水位超过防潮堤高程后增水速度明显减慢.海水淹没范围和淹没深度受综合水位超防潮堤高程时间影响明显.(2)在入海河流的河口区，当洪水位与高潮位相遇时，由于高潮位的顶托作用，洪水下泄不畅，造成综合水位上升明显，极易发生海水漫溢现象.JS-FVCOM 的模拟结果清楚地再现了海水漫堤的淹没过程，可为紧急情况下的人员疏散提供科学的基础数据.%Based on FVCOM (Finite-Volume Coastal Ocean Model) ocean model with improved sea surface atmosphere item, the high resolution 3D storm surge and inundation numerical model (JS-FVCOM) was developed in the Jiaozhou Bay, which has a much finer resolution especially in the Dagu River Estuary, where the grid sizes equal to about 20 m. Besides, by adopting MPI calculating method, the calculating time can be further reduced, which can satisfy the need of practical operation. With different combinations of three essential factors such as astronomic tides, typhoon intensity and river flux, five numerical experimentations were designed tosimulate the process of storm surge. The results show that 1)the storm surge increases rapidly with the increase of typhoon intensity, however, it starts to decrease significantly when the water level is higher than the dike;2)in tidal estuary, where the flooding encounters high tide, the floodplain will happen easily;3) the JS-FVCOM model can successfully simulate the process of the storm surge with reasonable flooded coverage and water level, which can provide scientific and credible simulation data for the emergency response work, such as risk assessment of storm surge and staff evacuation.【总页数】8页(P118-125)【作者】曹丛华;白涛;高松;徐江玲;曹雅静;吴玲娟;赵鹏【作者单位】国家海洋局北海预报中心，山东青岛 266033; 山东省海洋生态环境与防灾减灾重点实验室，山东青岛 266033;国家海洋局北海预报中心，山东青岛266033; 山东省海洋生态环境与防灾减灾重点实验室，山东青岛 266033;国家海洋局北海预报中心，山东青岛 266033; 山东省海洋生态环境与防灾减灾重点实验室，山东青岛 266033;国家海洋局北海预报中心，山东青岛 266033; 山东省海洋生态环境与防灾减灾重点实验室，山东青岛 266033;国家海洋局北海预报中心，山东青岛 266033; 山东省海洋生态环境与防灾减灾重点实验室，山东青岛266033;国家海洋局北海预报中心，山东青岛 266033; 山东省海洋生态环境与防灾减灾重点实验室，山东青岛 266033;国家海洋局北海预报中心，山东青岛266033; 山东省海洋生态环境与防灾减灾重点实验室，山东青岛 266033【正文语种】中文【中图分类】P731.21【相关文献】1.渤海湾西部风暴潮漫滩数值模拟 [J], 李勇;田立柱;裴艳东;王福;王宏2.渤海局部海域风暴潮漫滩的数值模拟 [J], 史峰岩;孙文心3.胶州湾多分潮漫滩数值模拟研究 [J], 高大鲁;魏泽勋;华锋4.街区尺度风暴潮漫滩数值模拟 [J], 张露;傅赐福;董剑希;于福江5.复式断面三维漫滩水流的数值模拟 [J], 张明亮;沈永明;吴修广;郑永红因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
基于FVCOM的泉州湾海域三维潮汐与潮流数值模拟
８ ． Ｏ ｍ 向湾 内增加 至 ８ ． ８ ｒ ｎ 。湾 内潮流 类型为规则半 日潮流 ， 落潮最 大流速 大 于涨潮最大流 速 ， 北乌礁 水道为 强流 区， 表层最 大可能潮流 流速 为 ２ ． 转流形 式为主 ， 湾
内的潮流运 动 以往复流 形式为 主， 长 轴走 向主要 沿着 水道 方 向， 与等 深 线和 海岸 线平行 ； 四个 分 潮流 表 层最大流速分 别为 １ ． ４ ｍ／ ｓ ， ０ ． ５ ８ ｍ／ ｓ ， ０ ． １ ２ ｍ／ ｓ ， ０ ． １ ０ ｍ／ ｓ 。余 流流速 大小与潮流 强弱有 密切 的联
ＡＣＴＡ ＯＣＥＡＮＯＩ ＯＧＩ ＣＡ Ｓ Ｉ ＮＩ ＣＡ
林作梁 ， 朱学 明， 鲍献文 ， 等． 基于 Ｆ Ｖ Ｃ Ｏ Ｍ 的泉 州 湾 海域 三维 潮 汐 与潮 流数 值 模 拟 ［ Ｊ ］ ．海 洋 学 报 ， ２ ０ １ ３ ， ３ ５ （ １ ） ： １ ５ —２ ４ ．
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基于FVCOM的泉州湾海域三维潮汐与潮流数值模拟林作梁;朱学明;鲍献文;刘钦政【摘要】Based on a finite-volume coastal ocean model (FVCOM) , adopting an unstructured triangle grid, a three-dimensional tide and tidal current numerical modeling with high resolution (26 m) is applied to Quanzhou Bay. The simulated results agree well with the observed data from two tide-gauges and three continuing current stations , and reproduce the distribution features of the tide and tidal currents in the Quanzhou Bay famously. The distributions of co-tidal charts and tidal ellipses on the surface layer for four major constituents (M2 , S2, K1 ,O1) are obtained. What's more, the distributions of the maximum probable tidal range and tidal currents velocity and tidal residual currents on the surface and bottom layers are obtained, too. By analyzing, the maximum tidal amplitude and phase-lag range for the four constituents are 219 cm and 19°,85 cm and 25°,26 cm and 12°,26 cm and 9°, respectively. The tidal wave is anti-clockwise standing wave in the east area of Shihu Port, but it is advancing wave in the west area of Shihu Port. The maximum probable tidal range increases from 8. 0 m at the mouth of the bay to 8.8 m inside of the bay. The type of tidal currents is regular semi-diurnal currents inside of the bay, and the maximum velocity of ebbing is larger than flooding. The velocity in the channel of Beiwujiao is stronger than any other area, and the maximum probable tidal-current velocity is 2. 4 m/s on the surface layer. The flow is rotating with anti-clockwise mainly at the mouth of thebay, while rectilinear flow is mainly inside of the bay, such as estuaries and channels. And the directions of major axes are along with channels direction mainly, or paralleling with isobaths and coastlines. The maximum tidal current velocities for the four major constituents are 1. 4 m/s,0. 58m/s, 0. 12 m/s,0. 10 m/s on the surface layer, respectively. Tidal residual currents velocity is closely related to tidal currents, the maximum velocities on the surface layer, the middle layer and the bottom layer are 26 cm/s, 20 cm/ s, 16 cm/s, respectively. All of them are coming into the bay from north and going out of the bay from south.%基于FVCOM海洋数值模式,采用非结构的三角形网格和有限体积法,建立了泉州湾海域高分辨率(26 m)的三维潮汐、潮流数值模型.模拟结果同2个验潮站和3个连续测流站的观测资料符合良好,较好地反映了泉州湾内潮汐、潮流运动的变化状况和分布特征,给出了M2、S2、K1、O14个主要分潮的同潮图、表层潮流椭圆分布,以及模拟区域内最大可能潮差、表层最大可能潮流流速和潮余流分布.分析表明,4个分潮的最大潮汐振幅和迟角差分别为219 cm和19°,85 cm和25°,26 cm和12°,26 cm和9°；石湖港以东海域的潮波为逆时针旋转的驻波,以西海域为前进波；最大可能潮差由湾口的8.0m向湾内增加至8.8m.湾内潮流类型为规则半日潮流,落潮最大流速大于涨潮最大流速,北乌礁水道为强流区,表层最大可能潮流流速为2.4 m/s;湾口潮流运动以逆时针方向的旋转流形式为主,湾内的潮流运动以往复流形式为主,长轴走向主要沿着水道方向,与等深线和海岸线平行；四个分潮流表层最大流速分别为1.4 m/s,0.58m/s,0.12 m/s,0.10 m/s.余流流速大小与潮流强弱有密切的联系,表、中、底层最大余流流速分别为26 cm/s,20 cm/s,16 cm/s,三者在水平方向基本呈北进南出的分布形态.【期刊名称】《海洋学报（中文版）》【年(卷),期】2013(035)001【总页数】10页(P15-24)【关键词】泉州湾;潮汐;潮流;FVCOM;潮余流【作者】林作梁;朱学明;鲍献文;刘钦政【作者单位】泉州市环境监测站,福建泉州362000;国家海洋环境预报中心国家海洋局海洋灾害预报技术研究重点实验室,北京100081;中国海洋大学海洋环境学院,山东青岛266100;国家海洋局海洋减灾中心,北京100194【正文语种】中文【中图分类】P731.231 引言泉州湾地处福建省东南沿海，台湾海峡西侧沿岸的中部，海域总面积211.24 km2，包括围垦面积45.70 k m2，滩涂面积84.84 k m2；海岸线总长229.61 km［1］。
湾的西侧和北侧分别有晋江和洛阳江两条河流注入，在湾内汇合后，于东侧湾口入海，属于典型的河口半封闭型海湾。
近年来，泉州湾海洋经济发展迅猛，沿岸形成了后渚、石湖、崇武等多个作业区，修建了数十个生产性泊位；在晋江河口南侧和洛阳江口两侧的滩涂上分布有众多海水养殖区；在湾口北侧有盐场10个，盐业资源丰富；湾内湿地面积广阔，占海湾总面积96%左右；还分布有大坠岛、青山湾等旅游区。
然而，随之而来的环境问题也日益凸出，如海湾湿地保护与周边日益增长的经济建设所需用地的矛盾，沿岸作业区和旅游区产生的污染物排放，两条河流携带大量泥沙进入湾内而造成的河口及航道严重淤积等都对当地的海洋经济可持续发展产生了严重影响。
对于泉州湾这样以潮动力占主导作用的海湾，开展湾内潮汐、潮流等水动力方面的数值模拟与研究工作对海洋环境保护和社会经济可持续发展都非常重要。
目前，有关泉州湾海域内潮汐、潮流的相关研究还很少，如刘浩和尹宝树［2］建立了一种适应二维POM模型特点的干／湿点数值处理方法，数值模拟了泉州湾的潮汐潮流，给出了一个潮周期内4个特征时刻的垂直平均流场分布，但该文采用矩形网格，水平分辨率309 m，未能较好的拟合海岸线，也难以很好的分辨狭窄河道内的水动力状况。
鲍献文等［1］建立了具有较高分辨率（50 m）的三维数值模型，主要是针对海湾内进行围填海规划的10种设计工况造成的纳潮量、水交换率、泥沙冲淤等海洋环境的变化进行了评价；而该项工作也采用矩形网格，尽管分辨率较高，但仍不能较好的拟合湾内复杂的海岸线边界，对湾内的水动力环境特征也没能展开详细的分析与讨论。
本文基于FVCOM海洋数值模式，采用非结构的三角形网格，充分发挥其能够较好地拟合海岸线边界和海底地形的优点，对泉州湾内潮汐、潮流的变化情况进行了高分辨率的数值模拟。
同时，根据数值模拟结果给出了M2、S2、K1、O1 4个主要分潮的同潮图和表层潮流椭圆、最大可能潮差、最大可能潮流流速及潮余流场的分布，并讨论了它们的分布特征，为进一步了解泉州湾海域的水动力特征提供参考，也为泉州湾的水交换及物质输运研究奠定基础。
2 模式和计算配置2.1 FVCOM模式介绍泉州湾海域平均潮差大于4 m，最大可达6 m［3］，高潮线和低潮线之间存在较大的滩涂面积，也正是海水养殖、湿地的主要区域。
Zheng和Chen等［4］通过对Satilla River Est uary进行数值模拟实验指出，干／湿过程的处理在河口区潮流数值模拟中起到重要作用，如忽略这一过程模拟所得潮流振幅将会减小50%。
李希彬［5］、李真［6］采用 FVCOM 模式分别对湛江湾和罗源湾海域进行数值模拟，通过对比发现若模型中不考虑滩涂的存在，模拟所得大潮时海湾纳潮量比考虑滩涂时分别减小24.2%和56.45%。
为了能够较好的再现泉州湾的潮汐、潮流分布特征，在水动力模型中必须考虑海水涨、落潮对滩涂“淹”和“露”的过程，采用具有可变边界模拟能力的数值模式。
为此，本文采用基于三维原始方程组的FVCOM（Finite Volu me Coastal Ocean Model）海洋数值模式［7］。
该模式在水平方向采用非结构的三角形网格，垂直方向采用σ坐标系统，能够较好的拟合复杂、曲折的海岸线边界和海底地形；采用有限体积法能很好的结合有限元法和有限差分法的优点，更好的保证了质量、动量和能量的守恒性。