基于FVCOM的象山港海域潮汐潮流与温盐结构特征数值模拟

基于FVCOM的象山港海域潮汐潮流与温盐结构特征数值模拟韩松林;梁书秀;孙昭晨【摘要】基于有限体积法的FVCOM模型，建立了象山港海域的三维潮汐潮流和温盐数值模型，计算中考虑了潮流、风、太阳辐射和径流因素的影响。

模拟结果与2009年的监测资料进行了对比验证，结果表明建立的模型可以模拟该海域的水流运动和温盐分布特征。

通过对数值结果分析得到了该海域的同潮图、潮流椭圆图、潮流性质和温盐分布等。

结果表明，象山港的潮汐属于非正规半日浅海潮；M2分潮流椭圆长轴从口门到湾顶逐渐减小，其走向与岸线的方向基本一致；狭湾内呈现往复流特征而口门外开阔海域呈旋转流特征。

湾口和湾顶部有着显著的温度差和盐度差，海水温度由湾口向湾顶部逐渐增大，盐度分布则正好相反。

狭湾内距离湾口不同位置的横向温度、盐度垂向分布结构特征各不相同。

%Based on the unstructured grid, finite⁃volume coastal ocean model (FVCOM), the hydrodynamic and temperature⁃salinity numerical model were established in Xiangshan Bay. The tidal current, wind, the solar radia⁃tion and river discharge were considered in the model. The comparison of the simulated results with the measured data about tide, tidal current, temperature and salinity showed that the model could simulate the hydrodynamic and the distribution of temperature⁃salinity structures. The co⁃tidal chart, the component tidal current ellipses were ob⁃tained from the result. The results show that the tide of Xiangshan Bay is mainly irregular semidiurnal shallow tide. The major axis of M2 tidal current component ellipse decreases from the mouth of the bay to the top and the direc⁃tion isparallel to the coastal line. The tidal current is rectilinear current in thefjord and rotary current at the outside of the bay mouth area. There are obvious temperature difference and salinity difference between the mouth and head of the bay. The temperature increases from the bay mouth tobay head and the salinity is just opposite. The vertical profile characteristic of temperature and salinity at different location in the fjord is different.【期刊名称】《水道港口》【年(卷),期】2014(000)005【总页数】8页(P481-488)【关键词】FVCOM;潮流;温盐;数值模拟;象山港【作者】韩松林;梁书秀;孙昭晨【作者单位】大连理工大学海岸及近海工程国家重点实验室，大连 116024;大连理工大学海岸及近海工程国家重点实验室，大连 116024;大连理工大学海岸及近海工程国家重点实验室，大连 116024【正文语种】中文【中图分类】TV143;O242.1象山港处于浙江北部沿海，北面紧靠杭州湾，南临三门湾，东侧为舟山群岛，纵深60 km，口门宽约20 km，港内宽3～8 km，是一个典型的狭长形半封闭海湾［1］。

港内自然环境优越，水产资源丰富，具有良好的港口资源、湿地资源和海洋生物等资源，是宁波市发展海洋经济的重要区域。

近20 a来，港内临港工农业、水产养殖业以及旅游业等发展迅速，极大地提升了区域经济发展水平。

但是随着海洋经济的迅猛发展，导致沿岸的工农业开发加剧、污水的过度排放和养殖业的不合理发展等，使象山港的海洋环境和生态系统受到了严重的威胁。

湾内水质富营养化严重，赤潮时有发生。

潮汐潮流运动是象山港的主要动力过程，是污染物、营养盐等输运的主要动力因素；温盐分布是海洋生态系统中重要的环境因子，是影响浮游动物、浮游植物生长生存的重要影响因素。

因此建立象山港海域的潮汐潮流和温盐模型，研究其分布特征，对海洋资源的开发和生态系统的保护以及进一步对生态系统的研究等具有重要的意义。

FVCOM模型是由UMASSD⁃WHOI联合开发的一个基于非结构网格的、有限体积的、三维原始方程的海洋模型［2］。

模型水平方向上采用非结构化的三角形网格，可对地形复杂的区域局部加密，以更好的模拟复杂的岸线以及岛屿；垂向采用σ坐标，有助于处理不规则的海底地形。

在潮间带，模型采用干湿网格技术考虑了潮滩对潮流的影响。

因此，利用FVCOM模型非常有利于模拟具有复杂岸线和地形的象山港海域。

对于象山港的潮流潮汐和温盐特征已有学者进行了一些研究，董礼先等［3］建立了潮波运动数值模型，研究了象山港内影响M4分潮的控制因子和机理；曹颖等［4］基于FVCOM模拟了温排水的扩散输运过程，朱军政等［5］应用该模型模拟了潮流盐度的时空分布；关于象山港海域水动力和温盐结构观测资料分析的研究较少，董礼先等［6］利用1981～1990年的实测水文资料象山港内的盐度分布和环流结构。

这些研究使我们对象山港的水动力及温盐特征有一定的了解，但是对于象山港海域考虑多种驱动因素下的水动力特征和温盐结构分布展开的分析研究还相对较少，而水动力和温盐的模拟是建立生态系统模型的基础，因此有必要对其进行进一步研究。

本文采用非结构化的三角形网格，建立了象山港海域的三维潮流和温盐模型，综合考虑潮流、风、太阳辐射和径流等因素作用的影响，对象山港海域潮汐、潮流和温盐分布进行了数值模拟。

通过对数值结果分析给出了主要分潮的同潮图和潮流椭圆图，温度、盐度的表、底层分布及狭湾内横向、纵向的温盐垂向分布，并结合近期现场实测潮位、流速和温盐数据资料讨论了它们的分布特征，为进一步了解象山港海域的水动力以及温盐分布特征提供参考，也为下一步对该海域物质输运及生态系统研究奠定基础。

1.1 模型方程模型控制方程包括连续性方程、动量方程、温盐扩散方程和密度方程。

σ坐标下的控制方程如下式中：t是时间；D是总水深；ζ为水位；u，v，ω分别为σ坐标下x,y和σ方向的速度分量，σ取值从海底处的-1到海表面处的0；g为重力加速度；ρ为海水密度；ρo为水体参考密度；f为科氏参数；Fx，Fy，FT和FS分别是水平向动量、温度和盐度扩散项。

T为海水温度，S为海水盐度；Ĥ̂是水体吸收的太阳辐射；Km和Kh分别为垂向紊动粘性系数和热扩散系数，模型中国采用修正的MY-2.5湍流闭合模型［7］求解。

海表面和底部速度边界条件为式中：(τsx,τsy)和(τbx,τby)分别为海表面风切应力和海底摩擦切应力在x和y方向上的分量。

海表面和底部温盐边界条件为式中：Qn(x,y,t)为表面净热通量，包括短波辐射、长波辐射、感热和潜热通量四部分；SW(x,y,0,t)是海表面处短波辐射通量；cp为海水比热系数；P∧和E∧分别为降雨和蒸发量；AH为水平热扩散系数；α是海底地形的坡度；n为垂直于坡度轴线方向。

模型采用模式分裂法求解，二维外膜中的控制方程在三角形单元积分后，通过改进的四阶龙格库塔进行求解；三维内膜的动量方程求解采用一种简单的显式和隐式相结合的方法，其中速度的局地变化采用一阶精度的前差格式积分。

对流项采用二阶精度的迎风显式格式求解，垂向扩散项采用隐式求解。

具体离散求解可以参考文献［8］。

1.2 模型设置模型计算范围为象山港全域（29°24′～29°50′N，121°23′～122°05′E），包括象山港狭湾、佛渡水道和牛鼻山水道，如图1所示。

开边界取为两段，分别为湾口东北侧的郭巨镇—六横岛连线和东南侧的爵溪镇—台门连线。

象山港湾内岸线曲折，岛屿众多，为了更好地拟合复杂的地形条件，对岛屿和岸线以及水深变化剧烈的区域进行了加密，计算网格见图2。

水平分辨率在岛屿和岸线周围为约80 m，在湾口部为400 m左右，水平网格单元数为18 645，网格节点数为9 958，垂直向均匀分为11个σ层。

开边界水位由杭州湾大模型提供［9］，该模型边界由实测潮位提供，并在大范围内验证良好。

模型中考虑风、径流、潮流和密度流的共同作用，其中风、空气温度、相对湿度、净短波辐射采用NCEP每隔6 h平均的再分析资料，净热通量采用文献［10］中公式计算。

径流考虑了凫溪河、颜公河和墙头排水口等淡水的注入，流量采用文献［11］中的径流量数据，入海口位置见图1。

2.1 潮汐潮流特性分析采用2009年6～7月乌沙山站连续15 d的实测潮位资料和0916、0917、0918、0919四个测流站（图1）大潮期和小潮期连续25 h实测海流资料与模型计算结果进行了比较，以验证模型的精度及可靠性。

图3和图4分别给出潮位、潮流流速流向的验证结果。

从图中可以看出，乌沙山潮位的计算值与实测值吻合程度较好；除个别时刻外，计算得到的流速和流向与实测值相对误差较小。

流速沿水深递减，表层流速最大，底层最小，底层流速约为表层的50%。

由潮位计算结果经潮汐调和分析得到象山港M2分潮的同潮图（图5）。

潮汐的类型可以通过不同分潮的振幅比和判断。

象山港海域F均大于0.5，除靠近外海的牛鼻山水道外，G均大于0.04，属于非正规半日浅海潮。

M2分潮在潮位中占主导地位，其次是S2分潮；狭湾内的M2分潮振幅HM2均在1.3 m以上，由湾口的1.3 m逐渐增到湾顶部的1.7 m，湾口M2分潮的迟角与湾顶只差4°；狭湾内浅水分潮作用明显，M4分潮振幅HM4由从口门处的0.1 m增到湾顶的0.5 m。