北部湾三维潮流数值模拟
( 9) ( 10) ( 11)
( 12) ( 13) ( 14) ( 15) ( 16)
S M ( 1 + 6A G M - 9A 1A 2G H ) - S H ( 12A G H + 9A 1A 2G H ) = A 1( 1 - 3C 1 ) , S q= 0. 20,
2 1
2 1
在正压环流中 , 海水密度为常数 , 在式( 13) 中 , G H = 0. A 1 、 A 2、 B 1、 B 2、 C1 、 E 1、 E 2 为经验常数, 其 值由试验所得 , ( A 1, A 2 , B 1 , B 2 , C 1) = ( 0. 92, 0. 74, 16. 6, 10. 1, 0. 08) , ( E 1 , E 2 ) = ( 1. 8, 1. 33) . 1. 3 边界条件 动力学边界条件为 : 在自由表面上满足 K M 5u 5v 0 , = (S ax , S ay , R→ 0, Q D 5R 5R 对于纯天文潮 , S a = 0; 在近海底处满足 K M 5u 5v 2 2 1/ 2 z D 5R, 5R = C ( u + v ) ( u , v ) , R→- 1, 式 ( 18) 中, k2 , 0. 002 5 , ( 19) ln ( z / z 0) k 是卡门常数 , k = 0. 4; z 0 是海底粗糙度 , 在潮流模拟中 z 0 可取为 0. 002～ 0. 01m ; z 是离海底 最近网格与海底的距离 . 垂直边界条件满足 X( 0) = X( - 1) = 0. ( 20) C z = m ax
前 言
北部湾是南海的主要海湾. 由于潮流是海洋资源开发、 海洋工程发展及海洋环境管理中必 须考虑的动力因素 , 因此研究北部湾潮流的空间结构具有重要意义. 迄今 , 已有一些北部湾的 二维潮波研究 [ 1, 2] , 但三维潮波研究尚不多见 [ 3] , 且尚未深入探讨三维潮波的空间结构特征. 在 其他海域的三维潮波研究中 , 窦振兴等[ 4] 采用 Sig ma 坐标系下的三维模型, 克服了固定分层模 型[ 5] 在浅水部分垂直方向分辨率很低的缺点 , 在应用中获得了良好的效果, 但在数值方法上, 以往 Sigma 坐标系下的三维模型[ 4, 6] 都采用过程分裂法 , 先用二维模型求解快过程—— 表面 重力波——获得一个自由表面, 再用三维模型求解慢过程—— 内重力波—— 获得三维流场 . 过 程分裂法有较好的计算精度, 但计算量较大, 程序也较复杂. 本文采用分裂算子法1, 2) , 不须要 将三维潮流中的快过程与慢过程分开 , 可直接求解自由表面及速度场. 应用本模型对北部湾 K 1、 M 2 分潮做了 6 层模式的模拟, 潮波系统的模拟结果与观测值符 合较好 . 并获得了潮流空间结构特征 .
xy x y y x
( 23)
( 24)
( 25) f ( x , y , R, t ) = f , ( x , y , R, t) = f , ( x , y , R, t ) . 变量分布在交错网格上, 其相对位置如图 1 所示 . 在对方程进行离散时, 先将动量方程( 2) 、 ( 3) 分裂成如下形式: Du
22
海洋学报 19 卷
1 基本方程组
1. 1 潮流动力学方程组 北部湾是一个较小的海湾, 海平面可用笛卡尔直角坐标系表明, 垂直方向采用 R 坐标变 换 , R= ( z - G) / ( H + G) , H ( x , y ) 为平均海平面到海底的距离 , G( x , y , t) 为海面升降, 在 z = G 时 , R= 0, 在 z = - H 时 , R= - 1, 在 R 坐标系下, 正压环流的控制方程组可写为 5G 5uD 5uD 5w + + + = 0, ( 1) 5t 5x 5 y 5R 5uD 5u2D 5uvD 5uw 5G + + + + 5t 5x 5y 5R f v D gD 5x 5 K M 5u 5 5u 5 5u 5 v = 5R + 5x 2A M D 5x + 5y A M D 5y + 5x , ( 2) D 5R 5uD 5uv D 5v 2D 5vw 5G + + + + + 5t 5x 5y 5R f uD gD 5y 5 K M 5v 5 5v 5 5u 5v = 5R + 5t 2A M D 5y + 5x A M D 5y + 5x , ( 3) D 5R 式中, D 为水深 , D = H + G; f 为科氏力系数 , A M 为水平方向紊动粘滞系数 ; K M 分垂直方向紊 动粘滞系数, X 为坐标变换后产生的一个垂向速度 , 实际上, 它垂直于 Sigma 分层, 三维笛卡尔 直角坐标系中的垂向速度 X 与 Sig ma 坐标系中的速度场有如下关系 : 5D 5 G 5 D 5G 5D 5G ( 4) X= w - u R 5x + 5x - v R 5y + 5y - R 5t + 5t . 1. 2 紊流封闭方程 许多三维模型都将垂直紊动粘滞系数 K M 取为常量 , 实际上垂直紊动粘滞系数是随水深 变化的 . 叶安乐[ 7] 在探讨潮流椭圆长轴方向随深度变化的特征时发现 , 最大流速方向对 K M 的 取值是敏感的 , 不同的 K M 值选用可得取截然不同的结论 ; 叶安乐[ 8] 也发现潮流最大流速发生 时刻随深度的变化率也受 K M 值的大小影响; 沈育疆等[ 9] 在模拟中将 K M 取为常量得出了一 个过厚的摩擦影响层, 因此将 K M 取为常量不能完全真实的反映潮流的铅直结构. 本文采用近 年来应用效果很好的紊流封闭模型[ 10] 计算垂计紊动粘滞系数 2 5q 2D 5uq 2 D 5vq 2D 5Xq 2 5 K q 5q2 2K M 5u2 + + + = + + 5v 5t 5x 5y 5R 5R D 5R D 5R 5R 2g 5Q 2Dq 2 5 5q 2 5 5q2 + 0K H + DA H + DA H , ( 5) Q 5R A1 5x 5x 5y 5y 5q 2lD 5uq 2l D 5vq 2D 5w q 2l 5 K q 5q 2l E 1lK M 5u 2 5v 2 + + + = + + 5t 5x 5y 5R 5R D 5R D 5R 5R 3 2 2 lE 1g 5Q Dq 5 5 q l 5 5q l + KH W+ DA H + DA H , ( 6) Q 0 5 R B1 5 x 5x 5y 5y 2 0 为参 考密度 , Q 0 取为 式 中 , q / s 为紊流动 能; l 为紊流宏观 尺度 ( t urbulence macr oscale) ; Q
摘 要 模型以经 Sig ma 坐标变换后具有自由表面的三维非线性 Nav ier-St okes 方程为 基本方程 , 以分裂算子法剖分动量方程 , 用全隐差分格式求解连续方程得到自由表面 , 最 后计算完整的速度场 . 此外, 采用紊流封闭模型求解垂直方向紊动粘滞系数, 准确获得了 摩擦影响层的潮流结构. 应用本模型计算了北部湾的潮波运动, 重现了 K 1、 M 2 分潮潮波 系统并揭示了潮流的空间结构特征 . 关键词 三维模型 紊流封闭模型 北部湾潮流ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
x y x n+ 1/ 2 = DR K M + Dx 2 A M D Dx ( u) + Dy { A M D [ Dy ( u ) + Dx ( v ) ] } , R( u ) x D D x ( Du) n+ 1 - D n un+ 1/ 2 n+ 1 = - gD Dx ( G) , $t
A H 为水平方向的物质扩散系数, 垂向紊动粘滞系数 K M 和垂向扩散系数 K H 、 K q 分别由下列 公式确定 K M = lqS M , K H = lqS H , K q = lqS q, SM 、 S H、 S q 为稳定性函数 ( st abilit y f unct ion ) , S M 、 SH、 S q 由下列方程组求解: 2 2 2 1/ 2 l 5u 5v , G M = q 2D 5R + 5R g 5Q 0 5 R, q DQ S M ( 6A 1A 2G M ) + S H ( 1- 2A 2 B 2G H - 12A 2A 2G H ) = A 2, GH= l
第 19 卷 第 2 期 1997-03
海 洋 学 报 ACT A OCEANOL OGICA SINICA
V o l. 19, N o. 2 M arch, 1997
北部湾三维潮流数值模拟
夏华永 殷忠斌 郭芝兰 陈 明 剑
( 广西海洋监测预报中心 , 北海 ) ( 广西科委 , 南宁 )
本文于 1996-01-02 收到 , 修改稿于 1996-08-02 收到 . 1) W ang J. L A M yasak and R G In gram . A t hree di mens ional num erical sim ulat ion of Huds on Bay summ er circulation . J. p. o. , 1994 ( in pr ess ) . 2) W ang J and M Ikeda. O n st abilit y of f init e dif feren ce schem es for inert ial os cill at ions in ocean general circulation model s. Sub mit ted to Int ern at ional J. N umo M et hods in Fluid s, July, 1994.
近70年胶州湾水动力变化的数值模拟研究
近70年胶州湾水动力变化的数值模拟研究陈金瑞;陈学恩【摘要】A three dimensional tide and tidal current system was established using unstructured triangular grids for Jiaozhou Bay,based on a Finite-Volume Coastal Ocean Model (FVCOM). With five different sets of coastlines and water depths in different decades,we compared the hydrodynamic changes of Jiaozhou Bay including tidal prism,tide and tidal currents as well as water exchange rate. The model results show that the tidal prism decreases gradually with the reducing of the water area of Jiaozhou Bay. To be more specif-ic,the tidal prism in 2008 reduces by 31. 5% compared with that in 1935,which is about 3. 9×108m3. The patterns of velocity fields in different decades are similar,however the velocity decreases. The multi-vortex pattern of the Eulerian residual currents remains with small changes of their positions and sizes. The stron-gest Eulerian residual current normally appears near Tuandao. The generaltrend of water exchange capaci-ty is decreasing. The averaged half-exchange time is 37. 0, 36. 7, 39. 2, 39. 7, 40. 8 d in 1935, 1966, 1986, 2000 and 2008,respectively%采用无结构三角形网格海洋模式FVCOM,基于胶州湾不同年代的岸线和水深地形条件,建立胶州湾及其邻近海域各年代的三维潮汐潮流数值模型,从数值模拟角度分析和比较胶州湾不同年代纳潮量、潮汐潮流、水交换率等水动力参数的变化.结果表明:随着胶州湾水域总面积不断缩小,纳潮量在逐渐减小,2008年全湾的纳潮量相对于1935年减少了31.5％,约合3.9×108 m3；海湾流场结构变化很小,流速呈减小趋势；胶州湾欧拉余流“团团转”的多涡结构基本保持不变,最大值都发生在团岛附近；海湾的水交换能力趋弱,对整个胶州湾水体的半交换时间进行海湾平均,不同年代5套岸线下海湾的水体半交换时间分别是37.0d,36.7d,39.2d,39.7d和40.8 d.【期刊名称】《海洋学报（中文版）》【年(卷),期】2012(034)006【总页数】12页(P30-41)【关键词】胶州湾;岸线变化;潮汐潮流;纳潮量;水交换【作者】陈金瑞;陈学恩【作者单位】中国海洋大学海洋环境学院,山东青岛266100;福建省海洋预报台,福建福州350003;中国海洋大学海洋环境学院,山东青岛266100【正文语种】中文【中图分类】P731.21 引言随着我国经济的迅速发展，沿海城市均将目光转向海洋。
大亚湾海域潮流和余流的三维数值模拟
中 图分 类 号 ：Ｐ ３ ７１ 文 献 标 识 码 ：Ａ 文 章 编 号 ：ｌ ｏ — ４ ０ ２ ０ ） ３０ １ － ６ ｏ ９５ ７ （ ０ ７ ０ － ０ ８０
Ｔｈｒ ｅ ｄ ｍ ｅ ｉ ｎ ｌｎ ｍ ｅ ｉ ａ ｉ ｕ ａ ｉ ｎ ｏ ｉ ａ ｕ ｒ ｎ ｅ － ｉ ｎｓｏ ａ ｕ ｒ ｃ ｌｓ ｍ ｌ ｔｏ ｆ ｔｄ ｌｃ ｒ ｅ ｔ ａ ｅ ｉ ｕ ｌｃ ｒ ｅ ｔ ａ ｙ ｙ ｎｄ ｒ ｓ ｄ ａ ｕ ｒ ｎ ｔ Ｄａ ａ Ｂａ
Ａｂ ｔ ａ ｔ Ａ ｈ ｅ — ｉ ｎ ｉ ｎ ｌ ｈ ｌ ｓ ａ ｍｏ ｅ （ ＡＭ Ｓ ｓｒ ｃ ： ｔ ｒ ｅ ｄ ｍｅ ｓｏ ａ ｅ ｆ ｅ ｄ ｌ Ｈ ｓ ０Ｍ ）ｉ ｍｐ ｏ ｅ ｏ ｓｍｕ ａ ｅｔ ｅｔｄ ，ｔｄ ｌ ｕ ｒ ｎ Ｓｅ ｌ ｙ ｄ ｔ ｉ ｌ ｔ ｈ ｉ ｅ ｉ ａ ｒ ｅ ｔ ｃ
摘 要 ：用 三维 陆架 海 模 式 （ ＨＡＭＳ Ｍ ） 大 亚 湾 海 域 的 潮 汐 、潮 流 和 余 流 进 行 了数 值 模 拟 研 究 ，模 拟 结 果 与 实 测 Ｏ 对 值 吻 合 较 好 。 给 出 了潮 流性 质 、主 要 分 潮 的 潮 流 椭 圆 和 余 流 。计 算 结 果 表 明 ，大 亚 湾 海 域 的潮 流 性 质 以 不 正 规 半 日潮 为 主 ，水 平 潮 流具 有 明 显 的 往 复 流 性 质 ，主 要 呈 南一 方 向 ，落 潮 流 速 比涨 潮 流 速 大 ，其 中表 层 Ｍｚ 潮 最 大 北 分 流 速 为 ２ ． ｃ ・ ～ 。流 速 受 地 形 的 影 响 ，在 大 辣 甲和 黄 毛 山 岛 之 间 以 及 两 岛 与 岸 之 间 的 区 域 流 速 较 大 ，尤 其 在 ５ ３ｍ Ｓ 湾 的 东 北 角 狭 长 地 形 处 流 最 急 ， 流速 最 大 ；靠 近 岸 边 流 速 较 小 ，水 平 速 度 的垂 向 变 化 不 大 。夏 季 湾 内余 流 较 小 ，
瓯江口航道二期治理潜堤工程三维潮流数值模拟
算 区域 内共 有 三 角形 网格 节 点 １ ４ ５０ ９个 ，三 角 形单 元 ２ ８
５ ９个 ， ９ 最小 网格 步长 为 ２ Ｉ时 间步 长最 小 为 ０３Ｓ 由图 ５１， Ｔ ． 。
２可 以看 出 ， ｊ角 形 网格较 好 地 概 括 了计 算 域 内复 杂 的 岛 屿岸线 和地形 特 征 ， 复杂岸 线 的拟合较 为精 确 。 对
实 施 后 ， 汀 北 口航 道 、 头 水 道 、 ¨ 水 道 、 门 岛 ￣／． 岛 间 水 域 流 速 略 有 变 化 ， 他 水 域 则 基 本 不 瓯 沙 小 大 ｌＪ ｌ＇ 门 其 变 。 近海 区高 低 潮 位 变 幅 为 ０ ２Ｃｌ从 对 周 围水 动 力影 响角 度 考 虑 ， 程 是 可 行 的 。 附 ￣ ｎ。 Ｔ
蟪 ｌＯ ８
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４ｄ３ － ＃表 层 流 向验 证
４ ｅ ＃表 层 流 向 验 证 － ７
１ 模型 的验 证 ． ２
（ ） 数选 取 。 型计 算 中干水深 为 ０ ０ 淹没水 深为 ００ 湿 水深 为 ０１ｉ， ５参 模 ． ５ｍ， ０ ． ｍ， ５ ． ｎ 底部摩 擦力 糙率 高度
采 用 ２０ ０ ６年 １ ０月 ７ ８日在 工程 海 区进 行 的 １ 潮 位 站和 ｌ ～ ３个 ４条垂 线 的水 文 大 潮测 量 资料 对 模 型进 行 了验 证 ， １ 测站 均进行 了对 应实测 的各 层 的流速 流 向验 证 。 验证情 况看 ， 对 ４个 从 计算 的潮 位过 程和各层 的
ｌ 模 型 的 建 立 及 验 证
典型海湾风暴潮特征数值模拟与研究
典型海湾风暴潮特征数值模拟与研究杨万康;杨青莹;张峰;宋泽坤【摘要】铁山港海湾是一个遭受风暴潮灾害影响较为严重的半封闭型海湾,基于有限元海洋数学模型ADCIRC (AdvancedCirculation Model)研究了1409号“威马逊”台风期间铁山港海湾的风暴潮特征及非线性作用.结果表明:当考虑天文潮与风暴潮之间的相互作用时,风暴潮水位的计算结果更加准确,只考虑纯台风影响时,计算结果会低估风暴潮增水值,高估减水值,对预报结果造成较大的误差.海湾内部的增水要远大于湾外,但是减水值则相差不大.通过对天文潮和风暴潮非线性作用的影响因子进行分析,风应力的浅水效应可以忽略,但底摩擦项和对流项影响较大.在海湾内部对流项占主导地位,与天文潮的耦合作用也较强;而在湾外,底摩擦项占优势,耦合作用在海湾内外都较强.天文潮与风暴潮相互作用产生的非线性水位在湾顶处最大可达0.94 m,出现在风暴潮最大减水时刻,风暴潮增水发生后有所减弱,非线性水位表现出从湾外向湾内递增的规律.【期刊名称】《海洋通报》【年(卷),期】2018(037)005【总页数】12页(P537-547,564)【关键词】ADCIRC;“威马逊”台风;最大风暴潮减水;最大风暴潮增水;非线性水位【作者】杨万康;杨青莹;张峰;宋泽坤【作者单位】国家海洋局第二海洋研究所工程海洋学重点实验室,浙江杭州310012;国家海洋局第二海洋研究所工程海洋学重点实验室,浙江杭州310012;国家海洋局第二海洋研究所工程海洋学重点实验室,浙江杭州310012;国家海洋局第二海洋研究所工程海洋学重点实验室,浙江杭州310012【正文语种】中文【中图分类】P731.34风暴潮是由强烈的大气扰动所引发的海面异常上升现象，能够对沿岸造成严重的灾害。
例如2005年Katrina台风是大西洋历史上最强的台风之一，其引发的风暴潮增水，在密西西比河沿岸超过了9 m，共造成1 000多人死亡和800亿美元损失，众多的惨痛事实说明需要加深对风暴潮灾害的研究，才能提高潮位预报水平及防范洪水风险的能力。
广西廉州湾海水DIN、DIP、COD污染物浓度数值模拟
广 西廉 州湾 位 于北海 市北 侧 ， 湾 口 朝西半
开放 ， 呈 半 圆 状 。海 湾 口 门 宽 １ ７ ｋ ｍ， 海 湾面 积 １ ９ ０ ｋ ｍ ， 其 中滩 涂 面 积 １ ０ ０ ｋ ｍ ， 该 湾 大 部 分 区 域 水 深较 浅 ， 仅 在北 海 市 冠 头 岭 及 外 沙 沿 岸 形 成
合 。本 文 基 于 目前 流 行 的 Ｆ Ｖ Ｃ Ｏ Ｍ（ Ａ ｎ Ｕ ｎ ｓ ｔ ｒ ｕ ｃ ．
ｔ ｕ ｒ ｅ ｄ Ｇ ｒ ｉ ｄ，Ｆ ｉ ｎ ｉ ｔ ｅ —Ｖｏ ｌ ｕ ｍｅ Ｃ ｏ ａ ｓ ｔ ａ ｌ Ｏｃ ｅ ａ ｎ Ｍｏ ｄ ｅ １ ）
量 。海水 化 学 需 氧 量 （ Ｃ Ｏ Ｄ） 作 为 海 洋 生 态 环 境
［ 摘 要］ 根据 ２ ０ ０ ８年廉州湾 主要排污 口 Ｄ Ｉ Ｎ、 Ｄ Ｉ Ｐ、 Ｃ Ｏ Ｄ污染 物排放 通量 ， 基于 Ｆ Ｖ Ｃ Ｏ Ｍ 模 式建立 了高
分 辨 率 的廉 州 湾 三维 潮流 数值 模 型 及 Ｄ Ｉ Ｎ、 Ｄ Ｉ Ｐ 、 Ｃ Ｏ Ｄ 迁 移 一 转 化 动 力 学模 型 ， 模 拟 了廉 州 湾 Ｄ Ｉ Ｎ、 Ｄ Ｉ Ｐ 、 Ｃ Ｏ Ｄ 污 染物浓度分布 ， 模 拟结果 与 ２ ０ ０ ９年 ６月 监 测 结 果 进 行 比较 分 析 ， 具 有 较 高 的 一 致 性 。 廉 州 湾 生 态 模 型 可 以 较
水 中营养 盐 的主要 组成 部 分 ， 在 生 物链传 递 中 ， 无
机态 与有 机态 不 断相互 转 化 ， 不 断循 环 ， 也是 影 响 全球 碳循 环 和气候 变 化 的重要 环节 。溶 解 态无 机 氮（ Ｄ Ｉ Ｎ） 含 量 为 氨氮 、 硝 酸 盐 和亚 硝 酸 盐 含 量 的 总和 。溶 解态 无 机磷 （ Ｄ Ｉ Ｐ） 为 海 水 中的磷 酸盐 含
基于FVCOM的福建连江海域潮汐潮流数值模拟
基于FVCOM的福建连江海域潮汐潮流数值模拟
于寒;刘桂梅;纪棋严;杨静;朱学明;杨逸秋
【期刊名称】《海洋预报》
【年(卷),期】2022(39)6
【摘要】基于非结构三角形网格的海洋模式FVCOM,建立了福建连江海域三维潮汐潮流数值模型。
通过与观测潮位和实测潮流数据进行对比,发现模拟结果可以较好地反映连江海域潮汐和潮流的时空分布情况,在此基础上对潮汐、潮流和潮余流的特征进行分析。
结果表明:该海域潮汐类型为规则半日潮;潮波主要为逆时针旋转的驻波,在海湾表现出前进波的特点;最大可能潮差由开边界向近岸逐渐增大,在湾顶达到最大。
连江海域以北的潮流类型属于规则半日潮流,以南属于不规则半日潮流;潮流在近岸和海湾表现为往复流,在兴化湾和平潭等海域表现为旋转流;潮余流整体偏小,在苔菉镇等岬角地形处形成流速较大的离岸流,离岸流左右两侧分别为逆时针和顺时针涡旋。
【总页数】12页(P1-12)
【作者】于寒;刘桂梅;纪棋严;杨静;朱学明;杨逸秋
【作者单位】国家海洋环境预报中心;浙江海洋大学;南方海洋科学与工程广东省实验室(珠海)
【正文语种】中文
【中图分类】P731.2
【相关文献】
1.基于FVCOM的象山港海域潮汐潮流与温盐结构特征数值模拟
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5.基于FVCOM的廉州湾及周边海域三维潮汐潮流数值模拟（英文）
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大亚湾海域潮流场谱方法数值模拟
模 型， 模拟计算 了均匀方池水柱微扰 引起 的水波运 动， 并以大亚湾海域为背景 ， 由静止水位 算起 ， 模拟计算 了区域 的潮流。 关键词 中图法分类号
潮波是海水运 动的主要表现形式 ， 求解潮 波方 程 ， 索和 预测海 水 运 动 规律 是 海 洋 动 力学 的 主要 探 任务之一。由于潮波 方程 比较复杂 ， 很难求出其解 析 解 ， 对潮 波方 程 的求解 一般 采用 数值 方法 。 故 潮波的数值模拟主要有三类方法 ： 差分法 、 有限 元法和谱方法。差分法由于不受求解 区域 限制而被 广 泛采用 ， 比较成 熟 的显 隐交替 差 分 法 （ Ｄ 法 ） Ａ Ｉ 能较好地给出潮波方程的数值解。相对差分法求解
２ ０ 年 １ ２ 收到 ０ ６ ２月 ２日 第 一作者 简介 ： 李县法 （９ ２ ） 男 ， １７ 一 ， 河北 任县人 ， 研究 生 ， 研究方 向： 计算物理 通讯作 者简 介 ： 李 华 （９４ ） 女 ， １６ 一 ， 广东梅 县人 ， 究员 ， 研 博
士 ． 士生 导 师 。 硕
一
现采用分裂步数拟谱法 ， 将偏微分项进 行 谱 展 开， 对潮波方程进行求解 ， 模拟不同情况下 的潮波运 动， 对谱方法求解不规则区域问题进行探索。
１ 理论 模型与数值 计算方法
１ １ 理论模 型 ．
描述 海水运 动 的基本 方程 是动 量方 程和 连续性 方程 ， 维潮流 场方 程 已经 能 够 较好 地 表 现 海 水运 二
形 式选 取
＝ ｃ。ｓ
Ｉ＋ｏ 一 ＋ （ ）＝ ｘ Ｏ 。 ０ 警 ３ ｙ ＋ｘ ｈ ＋ ， ｏ ＋ ３
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。
北部湾盐水入侵风险评估决策支持系统(最终报告)
北部湾盐水入浸风险评估决策支持系统成果报告目录第一部分数值模拟1 前言 (3)2 河口盐度数学模型 (4)2.1研究范围 (4)2.2数学模型 (5)2.2.1 二维潮流盐度数学模型 (5)2.2.2 模型设置 (6)2.3方案计算 (9)2.3.1 工况一：2007年洪季 (11)2.3.2 工况二：2007年枯季 (13)2.3.3 工况三：2007～2010多年平均流量 (15)2.2.4 计算结果分析 (16)3 风险评估模型 (17)3.1评价指标体系 (17)3.2评价方法 (18)4小结 (19)第二部分决策支持系统1 系统概述 (20)2 系统功能 (22)2.1功能组成 (22)2.2模块汇总 (22)2.2主界面 (24)2.2.1基础地理信息导航工具栏（菜单） (25)2.2.2信息服务 (25)2.2.3盐水入浸业务菜单 (26)2.2.4系统管理 (26)2.3子界面 (26)2.3.1基础地理信息导航工具 (26)2.3.2信息服务 (27)2.3.3盐水入浸业务 (27)北部湾盐水入浸风险评估决策支持系统第一部分数值模拟1 前言北海市位于北部湾地区广西海岸带的东段，市区三面环海，具有得天独厚的自然环境资源，被列入我国十四个沿海开放城市之一。
近年来，北海市为促进社会和经济发展，利用其丰富的环境资源，进行了大规模的地下水开采、旅游度假区开发和海水养殖等活动。
然而这些开发自然资源的活动同时也引起了诸如海水入侵，海岸线变迁等严重的环境地质问题。
北海市海水入侵最早发生于上世纪七十年代末，在老城区海角路（海城水源地西段）一带。
到上世纪九十年代初，由于地下水开采量剧增，形成了多个降落漏斗中心，发生较大规模的海水入侵，1993年3月（枯水季节）入侵面积达到3km2。
近年来，老城区的海水入侵范围正在缩小，承压含水层地下水基本变淡。
但由于沿海地区兴起海水养殖热潮，加剧了局部地区的海水入侵，据监测，北海市半岛南部大冠沙一带潜水、承压水均已受海水入侵咸化。
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] 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