北部湾三维风生流及密度流模拟_夏华永

第23卷　第6期海 洋 学 报Vol.23,N o.6 2001-11AC TA OCEANOLOGICA SINICA November,2001

北部湾三维风生流及密度流模拟

夏华永1,李树华1,侍茂崇2

(1.广西海洋监测预报中心,广西北海536000;2.青岛海洋大学海洋环境学院,山东青岛266003)

摘要:将Casulli差分格式引入三维物理海洋模型计算,模拟了北部湾风生流及密度

流.模拟结果表明,夏季西南季风在北部湾导致一个顺时针环流,夏季海水密度梯度

导致一个逆时针方向的环流,密度流明显强于风生流;冬季东北寒潮导致一个逆时针

环流.模拟结果不支持北部湾夏季为一顺时针环流、冬季为逆时针环流的传统结论,

而支持终年为逆时针环流的观点.

关键词:北部湾;Casulli差分格式;风生流;密度流

中图分类号:P731.21 文献标识码:A 文章编号:0253-4193(2001)06-0011-13

1　引言

北部湾环流对湾内海水的长期输送过程起重要作用,北部湾环流与广西沿岸水量输送、海水自净能力关系密切,开展北部湾环流研究有其现实意义.北部湾环流较为复杂,湾内流系主要受风、海水密度分布、外海水及地形的影响.春季,北部湾中部海区形成了一个冷水团,从而产生了一个因水温差异引起的高密度中心,这种密度分布可导致一个逆时针方向的环流.冷水团一直持续到整个夏季,但在夏季其范围缩小,水温的水平梯度变小,从而由水温引起的密度梯度变小;但在夏季,由于越南沿岸大量的淡水注入,在越南沿岸形成了一个低盐区,由温度与盐度引起的密度梯度分布可产生一个逆时针方向的密度流.同时,北部湾夏季盛行西南风,在风应力与地形的作用下,可形成一个顺时针方向的风生流.冬季,北部湾水温及盐度分布较均匀,密度梯度小,但东风及东北风盛行,且东北风往往较强劲,在风应力及地形作用下,可形成一个逆时针环流.目前,关于北部湾环流的研究一般都基于对实测资料的分析,且结论并不统一.例如,据文献[1]描述,秋、冬、春三季,湾内为气旋型环流,湾口东侧外海水北上,湾的西侧为偏南向沿岸流,环流速度为10～30cm/s,夏季,西南风强劲时期,湾北表层水为反气旋型环流,流速为10～20cm/s;中越合作北部湾海洋综合调查报告1)指出北部湾夏季为一顺时针

收稿日期:2000-01-31;修订日期:2001-07-12.

基金项目:国家海洋局青年海洋科学基金项目(97301);广西自然科学基金(桂科自0135048)资助项目.

作者简介:夏华永(1968—),男,湖南省沅江市人,副研究员,硕士,主要从事海洋环境科学研究.

1)中华人民共和国科学技术委员会海洋组海洋综合调查办公室.中越合作北部湾海洋综合调查报告.1964.

环流,这些应是传统的观点;而庄敏芝等2)分析“南海北部的风、浪、流”时,得出了北部湾夏半年(5～9月)为一个逆时针环流的结论.由于实测资料的局限性,并不能揭示环流的空间结构,也难以确定驱动环流的主导因素,因而不同的研究报告得出了北部湾夏季环流的不同结论.对于广西沿岸,现有研究注重对余流的调查观测,但对于余流机制却缺乏深入的探讨,况且从广西海岸带和海岛调查资料中还可以发现,夏季盛行西南季风时,有些实测余流竟与风向相反;因此,对广西沿海余流的主导动力因素有待确认.

2)庄敏芝,季林绮,林吉胜.南海北部的风、浪、流.广州:地质部南海地质调查指挥部综合研究大队内部资料.1981.本文旨在建立数值模型,在观测资料的基础上,揭示北部湾及广西沿岸因盐热梯度及风应力引起的环流结构与规律.

2　模型方程组

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示,湾内水深变化较大,为了在不同水深都获得较高的分辨率,垂直方向采用Sigm a 坐标变换.除引入斜压梯度项之外,控制方程组与北部湾的潮流模型[2]相同,其方程如下:

η t + uD x + vD y + ω σ=0,

(1) uD t + u 2D x + uvD y + u ω σ-fvD +gD η x = σK M D u σ+

x 2A M D u x + y A M D u y + v x -gD 2ρ0 x ∫

0σρd σ+gD ρ0 D x ∫0σ ρ σd σ,(2) vD t + uvD x + v 2D y + v ω σ+fuD +gD η y = σK M D v σ+

y 2A M D v y + x A M D u y + v x -gD 2ρ0 y ∫0σρd σ+gD ρ0 D y ∫0σσ ρ σd σ,(3)

式中,η(x ,y ,t )表示海面升降;D 为水深;u 与v 分别为x 及y 向流速;f 为科氏力系数;A M 为水平方向紊动粘滞系数;K M 为垂直方向紊动粘滞系数,由紊流封闭模型[3,4]计算得到;ω为坐

标变换后产生的一个垂向速度;ρ0为参照密度,取1000kg /m 3;

ρ为海水密度,由克努森-艾克曼海水状态方程计算.

动力学边界条件在自由表面上满足

ρ0K M D u

σ, v σ=(τa x ,τa y ), σ※0,(4)τa 为海面风应力,其值由如下公式计算

τa =ρa C D W ※W ※,

(5)ρa 为空气密度,C D 为风曳力系数,C D 采用ECOMSI 程序中的公式确定

103C D =1.2, W ※≤11m /s ,

0.49+0.065W ※, 11m /s

0.21, W ※>25m /s .(6)

12海洋学报　23卷

在开边界上,给定潮位值,

η=

∑a i f i cos 2πT i t -θi -φi .(7)

其余边界条件与文献[2]同.3　模型的计算

Casulli 半隐式差分格式[5]在二维模拟中应用效果良好,该格式将动量方程中的正压梯度项和连续方程中的速度散度处理成隐式,将动量方程代入连续方程,获得一个在当前时刻只有自由表面的五对角方程组,只要保证计算点的水深大于零,方程组就是对称、正定的,有惟一解,且方程的稳定性不取决于潮波的传播速度,计算时间步长不受CFL 条件的限制,可取数倍于该限制的时间步长.本文将Casulli 半隐式差分格式推广到三维计算中.此外,科氏力产生惯性振荡,也在差分格式中引入了稳定性的限制条件,如果时间导数为向前差分,在长时段模拟中,科氏力采用显示格式,就可能造成模拟的不稳定,如果采用隐式格式,又可能造成惯性波的振幅衰减[6].在本文模型中,对科氏力项采用预测-校正格式.

变量分布在交错网格上[2].在动量方程(2)中,简记

A (u )= u 2D + uvD

+ v ω,

B (u )= x 2A M D

u x

+ y A M D u y + v x ,C (u )=-gD 2ρ0 x ∫0σρd σ+gD ρ0 D x ∫

0σσ ρ σd σ,在动量方程(3)中,同样将对流项、水平摩擦项及斜压项简记成A (v ),B (v ),C (v ).为表达离散方程的方便起见,

先定义如下差分和求和算子[2]:

f (x ,y ,σ,t

)x

=f x +Δx 2,y ,σ,t +f x -Δx 2,y ,σ,t 2,

δx f (

x ,y ,σ,t )=f x +Δx 2,y ,σ,t -f x -Δx 2,y ,σ,t Δx ,

f (x ,y ,σ,t )xy =f (x ,y ,σ,t )x y =f (x ,y ,σ,t )y x .

按所定义的算子,将方程(1)～(3)分别离散成如下形式:ηn +1-ηn Δt +δx D —x u n +1+δy D —y v n +1+δσωn +1=0,(8)

(Du )n +1-(Du )n Δt +A n (u )-αfv -y D x n -(1-α)fv -y D

x n +1=　-gD —x

δx (η)n +1+C n (u )+B n (u )+δσK M

—x D —x δσ(u )n +1,(9)(Dv )n +1-(Dv )n Δt

+A n (v )+αfu -x D y n +(1-α)f u -x D y n +1=　-gD —y δy (η)n +1+C n (v )+B n

(10)136期　夏华永等:北部湾三维风生流及密度流模拟

离散方程(9),(10)中,对流项、水平摩擦项及斜压项分别离散成如下形式:

A (u )=δx (D —x u x u -x )+δy (D —y v x u -y )+δσ

(ω—x u -σ),B (u )=δx 2A M D x δx (u )+δy A M D

y δy (u )+δx (v ),C (u )=-g (D —x )2ρ0δx ∑k m =1ρm -12σΔσm -12σ+gD —x ρ0δx (D )∑k m =2σm (ρm -ρm -1),A (v )=δx (D —x u y v -x

)+δy (D —y v y v -y )+δσ(ω—y v -σ),B (v )=δy 2A M D y

δy (v )+δx A M D

x δy (u )+δx (v ),C (v )=-g (D —y )2ρ0δy ∑k m =1ρm -12σΔσm -12σ+gD —y ρ0δy (D )∑k

m =2σm (ρm -ρm -1),得到各未知变量的代数方程后,水动力学方程按如下步骤求解:

(1)计算对流项、水平摩擦项及斜压项.

(2)将动量方程(9),(10)中的科氏力及底摩擦项取n 时刻的值.

(3)将动量方程(9),(10)代入连续方程(8),再将连续方程沿水深方向积分,组成一个在n +1时刻的变量中,只有自由表面η的五对角方程组,然后用迭代法求解自由表面η＊

.

(4)以η＊作为ηn +1的近似值,代入方程(9),(10),求解动量方程,得到流速u ＊,v ＊.

(5)以u ＊,v ＊作为u n +1,v n +1的近似值,计算科氏力及底摩擦项,重复步骤(3)和(4),求得ηn +1,u n +1,v n +1.

(6)以连续方程(9)计算ωn +1.

笛卡尔坐标系下的垂向流速W 、紊流方程的求解方法与文献[2]同.4　北部湾风生流及密度流模拟

据《中越合作北部湾海洋综合调查报告》,北部湾风场具有季风性质,3～8月盛行南及西南风,7月最盛,南及西南风的频率达67%;10～2月盛行东及东北风,其出现频率以12月为最大,达99%,东北风出现频率比东风小,其风力却要比东风强1级左右.冬季季风较夏季季风稳定、持久而且强烈.鉴于风力作用对于海流的明显影响,本文分别就夏季、冬季较高频率出现的西南风、东北风进行了风海流模拟.北部湾具有显著的跃层现象,是其水文的重要特征之一.在5月份,北部湾冷水团现象最为显著,而8月份,越南沿岸盐度梯度最大,密度跃层现象也最显著.夏季(6～8月)是北部湾跃层现象的极盛时期,在这个时期里,跃层出现的范围已大体稳定,而跃层的强度则大为增强,但温跃层和盐、密跃层强度达极盛的时间并不一致;最强的温跃层出现在6～7月,盐、密跃层则在8月达最强.鉴于8月密跃层最强,且到了8月份时,越南及广西沿岸低盐水由于径流量的急剧增大而大大向外扩散,以致在湾中与高盐水交锋产生极大的水平梯度,又加上温盐资料较全面,因而选用8月份的密度场模拟密度流.冬天的密度流相对较小,没有模拟.

计算范围南到16°N ,北至广西沿岸,西以16°N 以北的越南东界为界,东至雷州半岛、海南岛西岸及110°E .水平方向计算网格为13200m ×13750m ,垂直方向空间步长为Δσ=0.2.风生流模拟中,开边界取M 2,K 1,O 1三个天文潮之和,因引用资料主要源于《中越合作北部湾14海洋学报　23卷

海洋综合调查报告》,计算风生流时,先模拟1960年7月11～20日(在模拟冬季季风时,模拟时段为12月11～20日)的潮流,在20日对各计算时刻的水位、流速取算术平均值,将平均值作为输出结果,然后叠加上西南风(或东北风)再重复一次潮流模拟过程,2次模拟结果相减,即得到风生流及风致余水位.当然模拟结果包含了纯风生流与潮流的耦合作用,但这更能代表实际的风生流.模拟时,开边界的确定是困难的,严格来讲,考虑风力作用时将开边界仍取为天文潮的作法并不很合理,因为风应力对边界处的海域同样有作用,在深水区,风应力作用相对减小,但特别是在越南沿岸的南边界处,水深较小,风应力作用明显,不合实际的边界条件对边界附近的模拟域影响明显,因此,将风生流的输出结果限于离南边界较远的17°N以北的海域.模拟时取均匀风场,西南风取4级风力(6.7m/s),东北风取5级风力(9.3m/s).

密度流模拟时,受资料范围限制,模拟区域为17°30′N以北海域,模拟过程与风生流一样,模拟结果含密度流与潮流的耦合效应.

本文将Casulli半隐式差分格式推广到三维模拟中,但推广的效果如何呢?为此,本文对北部湾的M2,K1,O1分潮进行了模拟.计算值与计算域沿岸的23个验潮站的调和常数相比, M2,K1,O1分潮振幅的绝对平均误差分别为3.4,4.7,5.1cm,相位绝对平均误差分别为7.1°, 9.3°,7.2°,这种误差在潮波模拟可以接受的误差范围之内.限于篇幅,潮流模拟结果不在此列出.

4.1　风生流模拟

4.1.1　夏季风生流

图1是西南风作用下的余水位分布.与风向相应,在湾顶东部海区,海水堆积,为增水区域,最大增水约6cm,而越南沿岸则为减水区域,岸边增减水较大,最大减水约6cm,湾中轴附近增减水都较小.表层海流分布明显与风应力方向及岸边界影响相适应(图2),在越南沿岸海域,19°N以南海流方向向北,而19°N以北海域,海流与岸线基本平行,流向东北向,且流速较

大,最大流速大于15cm/s,在湾轴附近海域,流向基本向东,

流速相对沿岸浅水区域明显要

图1　风生流余水位(单位:cm)分布(西南风

)图2　北部湾表层风生流(西南风)15

6期　夏华永等:北部湾三维风生流及密度流模拟

小.而在底层(图3),流向分布特点受制于体积守恒原则,在19°N 以北,从越南沿岸到湾轴附近海域,有一个扁长的环流,在越南沿岸,海水沿着岸线流向湾顶,而湾顶堆积的海水又沿湾轴向西南方向流动.在19°N 以南的越南沿岸海域海水基本向西稍偏北、向岸的方向流动,这种流向可以补偿表层向北、离岸流动的海水.表层与底层相比,底层流速较小,在浅水处,二者流向大致相同,但在深水处,二者流向相差较大,甚至相反.对于沿水深方向积分的平均流(图4),越南沿岸为流向湾顶的沿岸流,由于水深较浅,流速较大,而在湾轴附近海域,海水流向湾外,由于水深较大,海水流速小,海南岛西岸附近海域,大致以19°N 纬度为界,分为环绕方向相反的沿岸流.在广西沿岸,西南风作用时,风生流主要为东向及东北向,流速不大于10cm /s .

图3　北部湾底层风生流(西南风

)图4　水深平均风生流(西南风)

4.1.2　冬季风生流

当模拟东北风作用时,由于风力强,引起的增减水也较大,余水位等值线大致与风向正交(见图5),在雷州半岛西部海域引起较大减水,减水大于12cm ,而在越南沿岸的湾中部海域,引起较大的水体堆积,增水大于12cm .由于风向与夏季西南季风正好相反,各处风生流流向也正好相反,但由于风力大一级,风生流也强一些.在表层,19°N 以北的越南沿岸,风生流流向与风向及岸线平行,呈西南流向,由于水深较小,风应力作用于整个水深范围,海水流速最强,可大于20cm /s ;19°N 以南的越南沿岸,风生流向南流动,流速不到10cm /s ;广西沿岸,海水向西流动;海南岛西岸为沿岸流,流向湾外,而南岸以南海域海水西向流动.至于底层,19°N 以北海域为一个逆时针流向的扁长环流所支配,这明显是由于水体补偿与地形制约的结果,而19°N 以南的越南沿岸,底层流流向向东稍偏南,表现为离岸流,这与表层海水向岸流动造成沿岸水体堆积相一致.对于垂直积分的平均流,越南沿岸的有较强的指向湾外沿岸流,海南岛南侧海域及琼州海峡,海水向湾内补充.东北风作用下的表、底层及水深平均流分别如图6至图8所示.

16海洋学报　23卷

图5　风生流余水位(单位:cm )分布(东北风

)图6　北部湾表层风生流(东北风

)

图7　北部湾底层风生流(东北风

)图8　水深平均风生流(东北风)

此外,当模拟东风作用时,从平均流的情况来看,东风与东北风作用下的流况有较大相似性,整体上都是一个逆时针环流.

4.2　北部湾密度流

《中越合作北部湾海洋综合调查报告》(1964)中给出了8月份表层(0～3m )及底层(离海底2m )的温度、盐度及密度分布,此外还给出了跃层深度分布,8月份温、盐分布如图9至图12所示.由于设计的计算程序中,不是直接输入密度场,密度以温度及盐度来计算.海水表、底层温度及盐度从调查资料中读出,水深方向不同深度处的温、盐度根据垂直剖面自模函数插176期　夏华永等:北部湾三维风生流及密度流模拟

值计算[7]

.

图9　北部湾8月份表层水温(℃)分布

图10　北部湾8月份底层水温(℃)

分布

图11　北部湾8月份表层盐度分布

图12　北部湾8月份底层盐度分布

令T s 为表面(或上均匀层)温度;T z 为上均匀层以下任意水温的温度;T H 为底层温度;h 为上均匀层厚度(取跃层深度);H 为水深,并引入无维温度和无维深度

θT =(

T s -T z )/(T s -T H ), η=(z -h )/(H -h ),建立无维变量θT 与η

之间的函数关系θT =a 1η

+a 2η2+a 3η3+a 4η4,上式满足下列边界条件:当η=0时,θT =0;当η=1时,θT =1.a 1,a 2,a 3,a 4为待定系数,采用断面资料(调查报告中的20°N 及108°E 断面),通过最小二乘拟合求出,垂直剖面的水温18海洋学报　23卷

可用下列方程描述:

T z =T s , 0≤z ≤h ,

T z =T s -θT (η)(T s -T H ), h

以上方程同样适用于垂直剖面的盐度计算.

图13、图14、图15、图16分别为密度流余水位、表底层及水深平均流速分布.在湾西部,由于表层水平密度梯度极大,表层总体上为一个很强的逆时针环流(图14),外海高盐水从海南岛南侧海域流入,湾内低盐水沿越南沿岸流出湾外.湾西部最大流速大于30cm /s ,表层环流除了受密度梯度支配之外,

也明显受地形影响,越南沿岸浅海流较为混乱,形成涡旋较多,岸边尚有一股规模不大的沿岸流流向湾顶,这类似平直海岸由密度梯度所致的地转流;

在广西沿岸,密度流较复杂

,整体上为从东向西的沿岸流,但局部海域有顺时针环流.底层流流速较小,

一般为4～6cm /s ,最大约为10cm /s ,较小的底层流是与底层水平密度梯度较小相一致的;在

图13　夏季密度流余水位(单位:cm )分布图14　夏季北部湾表层密度流

图15　夏季北部湾底层密度流图16　夏季北部湾水深平均密度流

196期　夏华永等:北部湾三维风生流及密度流模拟

广西沿岸,底层海水向岸流动,整个海域内底层水流总体都表现为向岸辐散(见图15).从平均流来看,整体上是一个逆时针环流(见图16),西部海水沿岸流向湾外,其中一部分又折回从湾东部流向湾内,这种流向分布的合理性从表层盐度分布(见图11)中可得到印证.湾外高盐水从海南岛西南沿岸流入湾内,北上海水一支从琼州海峡流出,一部分直到湾顶.与平均流整体的逆时针环流相伴,在越南沿岸、海南岛西岸及广西沿岸海域有较多的小尺度涡旋,小涡旋为顺时针方向,在北部湾顶部有一个较大的涡旋.余水位分布全部表现为增水(见图13),与海流涡旋有关,沿岸增水较大,湾中增水小,余水位等值线分布与表层海水的密度分布有一定的相似性,在盐度水平梯度最大的地方,密度流最大,其余水位也最大,湾中西部海域最大余水位大于16cm .

4.3　模拟海流模态与其他研究结果的比较

《中越合作北部湾海洋综合调查报告》(1964)以测站的余流记录和重力势图为分析流系的主要依据,同时参考温、盐度的分布趋势及风场变化,按季节分区对湾内流系加以探讨,绘出了四季的流系模式图.其中冬季(12～2月)和夏季(6～8月)海流模式如图17、图18.据该报告分析,冬季外海水沿岸南岛西岸侵入,但势力很弱;越南沿岸低盐水南流,到17°N 附近,一部分低盐水开始折向湾内,随外海水自湾口东部北流;湾内由于受了东风及东北季风的影响,海水作逆时针方向运动.夏季在盛行偏南风的作用下,形成了与冬季相反的流场;海水自湾口西部沿岸北上,沿东岸自北向南流动,形成顺时针环流;越南沿岸诸河入海的淡水,受了偏南风和北上海流的控制,向湾北伸延

.

图17　北部湾冬季海流系统模式图

图18　北部湾夏季海流系统模式图

庄敏芝等在研究南海北部的风、浪、流时,绘出了南海北部海域冬半年(10～2月)及夏半年(5～9月)的平均海流模式图,其中北部湾部分如图19、图20.并在资料基础上作出如下分析:北部湾终年为规模较大的逆时针环流,但流速不大,约0.3～0.4kn .冬半年在东北风的吹送下,湾北部海水向西南方向输送,至越南顺岸南下,到湾口时受东向流的带动,一部分海水转向东北,进入海南岛西南部的低风速区,促使它沿海南岛西岸北进,中途与琼州海峡西向流汇20海洋学报　23卷

合,去补偿湾北海水的流失.夏半年外海水北上漂流从海南岛南部进入湾内,在西南季风作用下,沿东部北流直达湾东北部,除6月、7月份少量海水经海峡流出北部湾外,其余大都自湾北转向西流,汇入越南南向沿岸海流.至湾南又受外海北进水的推动转向北流.故全年形成逆时针环流

.

图19　北部湾冬半年平均海流模式图

图20　北部湾夏半年平均海流模式图

上述两种分析关于北部湾冬季(或冬半年)的流系模态的结果是大致相同的,而关于夏季(或夏半年)的流系模态的结果却截然相反.从模拟结果来看,夏季西南季风作用下的风生流垂直平均流是一个较弱的顺时针环流,海流模态与《中越合作北部湾海洋综合调查报告》(1964)的夏季海流模态相似(见图4与图18),但是该报告中的海流模态不只是风生流.夏季海水表层及水深平均的密度流(见图14与图16)均为逆时针环流,环流模态与“南海北部的风、浪、流”中的夏半年平均海流模态接近.在模拟结果中,如果将风生流(见图2)叠加上密度流(见图14),合成流较复杂,在越南沿岸浅水海域为北上沿岸流,但在湾中部的大部海域为一个逆时针环流,该环流处于主导地位,因此合成流也并不能得出北部湾夏季为顺时针环流的结论.西南季风是不持续和不稳定的,模拟中10d 持续、稳定的西南风只是一种理想情况,且风生流没有密度流强,表层密度流比表层风生流强得多,约为风生流流速的2倍,水深平均的夏季密度流比风生流略强,因此夏季北部湾环流的主导因素应该是密度梯度,而不是风应力.在琼州海峡处,模拟风生流与密度流都流向湾外,这对西南季风作用的情况是合理的,但对于密度流却是不合理的.许多实测余流是从湾外流向湾内,这表明湾外高盐水通过琼州海峡流向湾内.琼州海峡处模拟密度流与实测情况的不符应归于该处水边界处理的不合理.整体上,模拟密度流流况与图20相似,又由于密度流的主导作用,模拟结果支持庄敏芝等人的夏半年北部湾为一个逆时针环流的结论,而不支持夏季北部湾为一个顺时针环流的传统观点1),[1]

.

冬季,北部湾海水密度梯度减小,外海水沿海南岛西岸侵入,越南沿岸低盐水南流,到17°N 附近,一部分低盐水开始折向湾内,随外海水自湾口东部北流,冬季密度流仍为一个逆时针环流,但势力很弱1,2).冬季东北季风较强,海流的主导因素应是风应力,而模拟风生流为一个逆时针环流,与通常的结论相符.216期　夏华永等:北部湾三维风生流及密度流模拟

3)广西壮族自治区海岸带和海涂资源综合调查领导小组.广西壮族自治区海岸带和海涂资源综合调查报告(第1,3卷).1986.4)广西壮族自治区海岛资源综合调查报告编写组.广西壮族自治区海岛资源综合调查报告.1993.

4.4　北部湾密度流对广西沿岸海水输运的影响

钟欢良[8]根据1959～1960年和1994年北部湾水文断面调查结果分析,夏季在北部湾中部海区底层存在一个冷水团,其中心位置在白龙尾附近,30m 层中心水温低于21℃,比其周围水温低6～8℃.该冷水团一般生成于4,5月份,4月份冷水团分布在19°30′N 以北,107°～109°20′E 的海区.5月份移到19°～21°N ,107°30′～108°40′E 的海区.钟欢良还分析了北部湾春季环流,北部湾北部海域在春季存在一个逆时针环流,表层流速在30cm /s 以下.

按斜压流体动力学机制,冷水团存在,其周边将形成一个逆时针环流系统.由实测资料分析可知[8],春季,尽管北部湾盐度分布较均匀,但湾中心海域水温低,沿岸海域与湾中心海域的水温梯度大,在湾中低温、低盐区形成高密区,导致逆时针的密度环流产生.6月、7月、8月份该冷水团引起的跃层强度达到最强,但其范围逐步缩小.9月、10月份该冷水团缓慢消失.但夏季由于越南沿岸大量的淡水注入,沿岸海区盐度梯度大,形成低密区,在湾口盘踞着低温、高盐水,形成高密区.由本文模拟结果可知,这种密度分布也导致一个逆时针环流系统.

图21　广西沿岸余流分布广西沿岸经过海岸带和海岛调查3,4),积

累了较多的余流观测资料,广西沿岸的余流

如图21所示,资料表明,广西沿岸余流运动方

向基本受制于冷水团的存在.广西沿岸春、夏

季主要盛行西南季风,6～8月份最强盛,平均

风速6～7m /s ,按照风的特点,其风海流方向

应为NE -E ,然而实测结果正相反,广西沿岸

7月份余流方向基本为SW -W 向,与春季因

冷水团及夏季盐度梯度引起的广西沿岸密度

流方向大致相同,它表明控制广西1475km 海岸线的余流通量、污染物扩散、海水自净能力的诸多动力因子都与冷水团有关.整个北部湾的环流为辐散型的逆时针形式,这不利于湾中央及深层海水与湾外海水的交换,也不利于广西沿岸浅海与湾中央海水的交换.

5　结语

本文将Casulli 差分格式引入三维物理海洋模型计算,潮流模拟得到了在误差许可范围内的结果.通过对北部湾风生流及密度流的模拟,揭示了北部湾风生流及密度流的空间结构,通过分析春夏季冷水团及盐度的分布,比较夏季风生流与密度流的强弱,模拟结果支持北部湾终年为逆时针环流的观点,得出广西沿岸夏季余流的主导因子为密度梯度.

在密度流模拟时,模拟结果不能反映高盐水从琼州海峡流入北部湾的余流特征,在以后的模拟中,应收集实测资料,改进琼州海峡处的边界条件.对于北部湾春季冷水团导致的环流,目前只见到基于实测资料的分析结果,尚未见到模拟分析,在以后的工作中,可收集资料,模拟冷水团的形成,及其导致的余流分布.

22海洋学报　23卷

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[8]　钟欢良.北部湾北部春季环流分析[J ].海洋通报,1995,14(1):81～85.

A 3-D numerical simulation of wind -driven currents

in the Beibu Gulf

XIA Hua -yong 1,LI Shu -hua 1,SH I M ao -chong

2(1.Gua ng xi Marine Monitoring &Forecasting Center ,Beihai 536000,China ;2.College o f Mar ine Environ ment S cience ,

Ocean U niversity of Qindao ,Qin dao 266003,China )A bstract :T he Casulli 's difference scheme was introduced into the three dimensional ocean mo del in the present pa -per ,and the wind -driv en current and thermohaline current were simulated .T he results show that ,southwesterly monsoon in summer induces a clo ckwise circulation in the Beibu Gulf ,and the density g radient induces an anti -clock -wise one ,but the density cur rents are more intense than the w ind -driven one in summer ,especially in surface layer ,in addition ,the nor theasterly monsoon in winter induces an anti -clockwise circulation .The simulated results don 't support the traditional conclusion that there is a clockwise circulation in Beibu Gulf in summer and a counter -clock -wise one in winter ,instead of suppor ting the statement that a counter -clockwise circulation exists in the Beibu Gulf all year round .

Key words :the Beibu Gulf ;Casulli 's difference scheme ;wind -driven currents ;density currents 236期　夏华永等:北部湾三维风生流及密度流模拟