海洋要素计算及预报

K M U Fx D VD UVD V 2 D V gD 2 0 ' ' D ' K M V d ' Fy fUD gD o t x y y D y D y '
二．数值分析
（1）POM 模型简介
POM 是 Princeton Ocean Model 的简称,是由美国普林斯顿大学大气和海洋科学实验 室 Alan Blumberg 和 George L. Mellor 研制发展起来的一类海洋数值计算模式。其 主要特征为： （1）垂直方向的σ坐标变换。 （2）水平网格采用正交曲线坐标和 ArakawaC 差分格式。 （3）水平时间差分采用显格式，而垂直差分为隐格式 （4）自由表面可以模拟水位变化。 （5） 垂直和水平方向的混合扩散分别采用 2.5 阶的 Mellor-Yamada 湍流闭合模 式和 Smagorinski 模式。 （6） 内外模态分别处理速度较慢的内重力波和速度较快的外重力波以提高整个 模式计算效率。

K K q q 2l E1 M D D Dq3 g U 2 V 2 ( ) ( ) E K Fl W 3 H o B1
7.海面条件，
8.海底条件
（3）模拟过程
关键词:POM 模型，风海流，渤海，数值模型，物理海洋
一．背景概括
1.1 渤海地理位置
渤海位于北纬 37°7′～41°N，东经 117°35′～121°10′E 之间，深深的嵌入中国 大陆内部，仅以渤海海峡与北黄海相通，属于内陆海，可分为以下几部分。 辽东湾 位于长兴岛与秦皇岛一线以北。处于两条大断裂之间的地堑型凹陷，中部地势 平坦，东西两侧比较复杂。 渤海湾和莱州湾 是渤海西、 南部的两个凹陷区， 之间被黄河三角洲隔开。 地形平缓单调。 渤海海峡 位于辽东半岛南端的老铁山角与山东半岛北端的蓬莱角之间，南北宽约 106 公里。海峡北部的老铁山水道，是黄海海水进入渤海的主要通道。由于过水断面窄，束水流 急，海底被冲刷出一条 U 形深槽。 中央盆地 位于辽东湾、渤海湾、莱州湾和渤海海峡之间，是一个北窄南宽、近似三角形 的盆地，中部低而东北部稍高，构造上是一个地堑型凹陷。
五．参考文献
[1]. 窦振兴，张存智，张砚峰. 渤海风海流的数值计算[J]. 海洋学报(中文版). 1986 (05)：527-533. [2]. 王宗山，龚滨，李繁华，等. 黄渤海风海流的数值计算[J]. 黄渤海海洋. 1992 (02)：12-18. [3]渤海环流季节变化及机制分析研究_毕聪聪
渤海冬季水平流场第 3 层
渤海冬季水平流场第 4 层
渤海冬季水平流场第 5 层
渤海冬季水平流场第 6 层渤海冬季水平流场第 7 层来自渤海冬季水平流场第 8 层
渤海冬季水平流场第 9 层
结果分析：
比较夏、 冬第 1 层水平流场图， 渤海夏季风海流比相应的冬季的风海流要弱， 主要原因是由于夏季风的强度低于冬季风，流场方向基本与风场方向一致。 冬季 风在近岸水域形成了独特的带状沿岸流， 自渤海湾西部大致沿着等深线走向逆时 针流动，经过莱州湾到达渤海海峡。随着层数的增加，流向基本向表层流向的右 方偏移，第六层水平流场图，出现了较明显的转流现象，流速出现最小值，流向 基本与第一层流向垂直这在平均水生情况下尤为明显。 在底层第九层水平流场图，流向基本反向，流速普遍减弱，这在平均水深的 情况下更为明显；而在实际水深情况下，底层流速的最大值甚至超过了表层，这 是中下层存在补偿流的显著证据。 渤海环流的基本形态与渤海的岸线、地形，潮波系统有关，同时受到风、沿 岸径流、海表面热通量及淡水通量等有明显季节变化的因素的影响,总环流结构 发生改变,产生了较有规律的年内变化。
1.2 渤海海洋要素简介
（1）水深
渤海整个海区水深较浅，平均深度只有 20 米左右，但是中部深度较大，最深处达 70 多米。 （2）风场 渤海盛行季风，冬夏季风风向交替，是以亚欧大尺度天气系统为背景。冬季主要受制于 大陆高压，高空槽后的冷空气频繁南下造成本区较强的偏北风，每年十月持续到次年三月， 平均风力 4-5 级，6 级以上强风出现频率多达 20%以上。夏季，渤海季风受我国东南部低压 和西北太平洋高压的控制，形成了 7-8 月份偏南风，平均风力 3 级，6 级以上强风频率约占 15%[1]。但是对于中、小尺度的边缘海，海面风不仅决定于大尺度系统而且还受海陆分布和 地形的很大影响，特别是像渤海这样深入大陆的内海，地方风效应尤为显著。
3.2 根据海水深度情况，画出从表层到底层的流速矢量图
夏季（38.917°N,119.1663°E）点流速矢量图
冬季（38.917°N,119.1663°E）点流速矢量图
夏季（38.917°N,119.583°E）点流速矢量图
冬季（38.917°N,119.583°E）点流速矢量图
夏季（38.500°N,119.583°E）点流速矢量图
三．实验结果以及分析
3.1 夏，冬季从表层到底层的水平流场图
渤海夏季水平流场第 1 层
渤海夏季水平流场流第 2 层
渤海夏季水平流场第 3 层
渤海夏季水平流场第 4 层
渤海夏季水平流场第 5 层
渤海夏季水平流场第 6 层
渤海夏季水平流场 8 层
渤海水平流场第 9 层
渤海冬季水平流场第 1 层
渤海冬季水平流场第 2 层
（7）包含海水热力学方程
垂向 sigma 坐标系 （2）控制方程：
1.连续方程
DU DV 0 x y t
水平 Arakawa C 网格
2.海水运动方程 UD U 2 D UVD U gD 2 fVD gD o t x y x
选取渤海冬夏季风场分别为夏季为南风 5m/s，冬季为西北风 8m/s，模拟 时间 5 天，海水分为 9 层，其中 1 层作为海表面，9 层作为底层，分别模拟 计算渤海冬夏季海水从表层到底层的流场、海表面高度场， 并假定平均水深下的 渤海冬夏季海水从表层到底层的流场，利用 matlab 软件处理数据作图，包括： 实际水深下渤海冬夏季海水从表层到底层的水平流场，三点处冬、夏季 Ekman 螺旋线示意图；18m 平均水深下渤海冬夏季海水从表层到底层的水平流场图； 渤海冬夏季理想风场作用下的海面高度分布示意图，并以此作对照分析。
3.3 夏季和冬季理想风场作用下的海面高度分布图
夏季海面平均高度分布图
夏季海面实际高度分布图
冬季海面平均高度分布图
冬季海面实际高度分布图
结果分析：
从实际高度分布可以看出，夏季水体输运整体自南向北输运，与风向一致， 水体在渤海北部堆积，水位升高，而在渤海南部水位降低，但从数值来看，水位 变化并不明显。 冬季也有相似的现象， 水体自西北向东南方向输运， 与风向一致。 这说明水体输运主要受海面风场影响。
夏季（38.500°N,119.583°E）点流速矢量图
结果分析：
海面风力对海水的搅拌混合，使风的动量通过海面传给表面的海水后， 因海 水的粘滞性，依次传给下层的海水，使下层海水也流动起来。由于地转偏向力的 作用，在北半球，埃克曼漂流的表面流速，偏于风向右方 45°。表层以下的海 水随着深度的增加，流向不断右偏，流速也不断减小。以上六图在水平面上的投 影便称为埃克曼螺线。 以上六图中，夏季很好的与埃克曼理论相吻合，流速随水深主机逐渐减小， 并且方向发生改变， 而在冬季出现了下层流速没有逐渐减小的现象。 反而在中下 层有增强的趋势，此现象能说明下层可能存在一股补偿流。
四．总结 1.渤海环流情况，春冬季有明显的变化，冬季强夏季弱。 2.渤海环流上层受风应力影响，中层受地转偏向力影响，底层具有补偿流。 3.渤海地区从表层到底层流速的变化趋势基本与 Ekman 理论吻合， 在冬季底 层会受到补偿流的影响，使得中下层流速增大。 4.在理想风场下渤海内部水体输送较弱，冬季强于夏季，传输方向受风场影 响较大，整体水体输送仍以黄海向渤海输送为主。
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0
' ' D ' d ' D x '
6.湍流混合长度方程 v q 2lD Uq 2lD Vq 2lD q 2l
t x y
2 Dq3 q 2 D Uq 2 D Vq 2 D q 2 K q q 2 2 K M U 2 V 2 2 g D ( ) ( ) K H B l Fq t x y D o 1
基于 POM 的渤海冬夏季 风海流数值模拟报告
学院：海洋学院 专业：海洋科学 姓名：贺芊菡 学号：1429205 指导老师：刘浩
摘要：利用 POM 模型以及给定的渤海冬季西北风（8m/s） ，夏季南风（5m/s） 风场,模拟渤海冬夏理想风场下的风海流场，海面高度分布情况，画出冬季和夏 季两个季节从表层到底层的水平流场图； 根据水深任取点画出从表层到底层流速 矢量端的连线；针对某一断面（等纬度） ，画出该断面的流速矢量图结合物理海 洋知识进行分析。
3.温度方程 TD TUD TVD T K H T R FT t x y D 4.盐度方程 SD SUD SVD S K H S FS t x y D 5.湍流动能方程
3.4 等经度断面的流速矢量图
夏季纬度为 38.417°的断面流量矢量图
冬季纬度为 38.417°的断面流量矢量图
结果分析： 等纬度断面的流速分布图中我们可以看出，水体流速随深度的增加而减小， 夏季 流速比冬季较强些。冬季与夏季水体传输方向相反。水体流速方向受地形影响， 会沿着地形传输。 随着深度的增加，可以发现箭头也逐渐趋于水平化。这说明在中下层水体 传输主要以水平传输为主，而在表层存在水平与垂直方向的传输。