渤海示蹤物輸移擴散季節性變化的研究

孟慶佳，雷坤，劉瑞志

（1.環境基準與風險評估國家重點實驗室中國環境科學研究院，北京100012；2.大氣科學和地球流體力學數值模擬國家重點實驗室 中國科學院大氣物理研究所，北京100029）

1 引言

渤海是半封閉的內海，平均水深18 m，海區北面、西面和南面分別為遼東灣、渤海灣和萊州灣，渤海東面以渤海海峽與黃海相通（見圖1）。關于渤海的潮汐和潮流，從20 世紀80年代起就開展了許多數值模擬研究工作，并取得了初步研究成果（沈育疆[1]，1980；Cao 等[2]，1989；趙保仁等[3]，1994；Yanagi等[4]，1994；葉安樂等[5]，1995；Kang等[6]，1998)。隨著計算機技術的發展和計算能力的大幅度提高，國內外學者對渤海及黃海、東海的三維潮流進行了大量的數值模擬工作（Guo等[7]，1998；王凱等[8]，1999；Bao等[9]，2001；Zhang 等[10]，2006；朱學明和劉桂梅[11]，2012)。渤海環流由潮致余流、風生環流和熱鹽環流組成，大體是由高鹽的黃海暖流余脈和低鹽的渤海沿岸流所組成。近年來，隨著渤海觀測資料的增多和數值計算技術的發展，人們加深了對渤海環流結構的認識和理解，但仍存在爭議。王輝等[12]（1993）用數值方法得到的渤海環流主體絕大多數是呈反時針方向的；趙保仁[3]（1994）由實測資料分析認為遼東灣、萊州灣為順時針的環流結構，指出渤海灣則北部沿逆時針方向，南部沿順時針方向的雙環結構；Fang[13]（2000）認為渤海灣、萊州灣為逆時針方向，渤海中部為順時針方向，渤海中部靠西岸一側為逆時針，遼東灣北部為順時針等多個渦旋組成；Wei 等[14]（2001）用三維的斜壓模式HAMSOM 模擬了冬季和夏季的渤海環流，發現季風是渤海環流發生季節變化的主要原因，影響著渤海絕大部分海區的環流流型。萬修全等[15]（2003）利用ECOMSED模擬了膠州灣的潮流和示蹤物的分布及擴散規律。為更好的理解渤海季節環流和示蹤物擴散規律，本文利用一個三維斜壓海洋模式模擬研究渤海夏季和冬季的潮汐和環流情況，以及渤海示蹤物的輸運轉移規律。

2 模式和數據

本文的數值模式采用Regional Ocean Mideling System（ROMS）的模型是由美國Rutgers 大學和UCLA 所共同開發的區域海洋模式系統，目前正在海洋研究領域得到廣泛的應用。該模式基于三維非線性斜壓原始方程，水平方向使用曲線正交的Arakawa 網格，垂直方向采用跟隨地形可伸縮的S坐標系統，具有自由表面，可以模擬多種尺度的運動。ROMS 功能比較完善，除水動力模塊外，還包含海冰模塊、生態模塊、沉積模塊和數據同化模塊等；具有封閉式、周期性、指示性、輻射和無梯度等多種邊界條件；湍封閉模型也有多種混合方案。

本文模擬研究區域包括整個渤海，計算海區為37.0o—41.03oN，117.47o—122.3oE所覆蓋的范圍，水平分辨率2’×2’，網格數是122×146，垂向分10層，外模時間步長取為300 s，內模時間步長為60 s。模式考慮實際海底地形，模式的西、北、南邊界取為閉邊界，東邊界為開邊界，開邊界位置設在遠離渤海海峽的北黃海122°30′E斷面（見圖1），模式考慮8個分潮，分別為K1，O1，P1，Q1，M2，S2，N2 和K2（資料來源于http://volkov.oce.orst.edu/tides/TPXO 7.2.html），并通過潮水位和流速從開邊界引入。根據前人的經驗，將渤海的底摩擦設定為0.0012。模式所采用的強迫均為氣候態資料，海氣熱通量、水通量和風應力數據采用COADS[Diaz等[16]，2002]的多年平均資料。溫、鹽初始條件數據取自WOA09資料多年夏季和冬季的溫、鹽場（http://www.nodc.noaa.gov/OC5/WOA09/pubwoa09.html）。圖2 是模式在夏季（6—8月）和冬季（12—2月）的風應力強迫場，溫、鹽初始場的空間分布。從圖中可以明顯看到，渤海海域受季風影響顯著，夏季為東南風，冬季為西北風。模式以300 s 時間步長從初始場模擬運行了90天，采用最后30天的潮波數據用于計算。

圖1 渤海的地形圖及模式分辨率（從西到東的星號標記分別是天津港附近海域、黃河口附近海域、萊州灣海域、秦皇島港附近海域、渤海中部海域、遼東灣中部海域、煙臺港附近海域、大連港附近海域、營口港附近海域）

3 渤海水動力數值模擬

3.1 潮流場

圖3 給出了模擬的當前海平面背景下M2、S2、K1和O1分潮波的同潮圖。M2、S2潮波系統的分布特征大致相似：在渤海有兩個旋轉潮波系統，無潮點分別位于秦皇島外海和黃河口附近外海。潮波經渤海海峽進入渤海，沿逆時針方向傳播；一支向北，左旋形成以秦皇島外海為中心的遼東灣潮波系統；另一支向西，左旋形成以老黃河口為中心的潮波系統。受科氏力的作用，同潮時線繞其無潮點作逆時針旋轉；振幅在遼東灣頂達到最大值，約為120 cm。K1、O1潮波系統分布特征也相似：在渤海有一個旋轉潮波系統，無潮點位于渤海海峽附近。最大振幅出現在渤海灣，K1 分潮振幅比O1 分潮大。模式模擬結果與前人一致（Fang[17], 1986；Yanagi 等[4]，1997；Guo 和Yanagi[7]，1998；Bao 等[18]，2000，Liu等[19]，2003；Fang等[20]，2004）。

3.2 環流

圖4是模擬的渤海夏季表層和深度平均的環流圖。從圖中可見，渤海夏季存在著多個渦旋結構：遼東灣中部的逆時針渦環、渤海海峽北部的逆時針渦環以及渤海中部的順時針流環。深度平均流與表層流的結構基本一致，但多渦旋結構更加顯著，同時，夏季水體主要從表層流出渤海，在深層流入渤海。趙保仁等[3]（1994）指出渤海灣的環流應該是雙環結構。在本文的模擬結果中，在渤海灣內也能看到這種流動的態勢，呈南一北向配置，北面的渦環較強。在渤海海峽外黃海海域存在著一個逆時針向的渦旋，范圍較大，幾乎占據了整個渤海海峽-黃海海區。北岸有一支沿岸流流入渤海，流幅較窄，流速較大，達10 cm/s，在渤海海峽北部匯入了逆時針大渦旋。

圖2 渤海夏季和冬季的風應力強迫場以及溫、鹽初始場的空間分布

冬季渤海海溫最低，風速最大，上下混合非常充分，因此密度梯度較小，從而渤海冬季的環流情況主要受風應力和潮汐動力影響。圖5是冬季深度平均的環流場，如圖所示，渤海冬季流場特別是深度平均流場由多個渦旋組成，最明顯的就是渤海中部存在的一個順時針的大渦旋，它應該是風生補償流在地形誘導下形成的。渤海灣和萊州灣的流場則主要為氣旋式的渦旋所占據，并且靠近岸邊一側，流速偏大，形成一股較明顯的沿岸流。在渤海海峽的流動為北進南出，冬季渤海總體環流基本表現為風海流。

4 示蹤物輸運遷移

針對港口污染和海上突發性污染事件，我們模擬了不同港口和海域處水體示蹤物的輸運遷移過程，我們在渤海典型港口和海域選取了9 個區域進行水體示蹤劑的釋放，利用模式進行跟蹤模擬，9個

區域分別是遼東灣中部海域、營口港附近海域、秦皇島港附近海域、天津港附近海域、黃河口附近海域、萊州灣海域、煙臺港附近海域、大連港附近海域以及渤海中部海域，具體位置如圖1所示。

本模式所用的示蹤物（Tracer），為被動示蹤劑，相當于海水染色劑，其不改變海水的動力學性質，不影響動力場，只示蹤海水的運動，其可以代表一切溶于水的示蹤物濃度。本文主要考慮示蹤物輸運擴散的季節性特點，因此，潮流的影響和作用基本忽略。

4.1 夏季

圖6 是模式穩定后，渤海夏季水體示蹤物輸運遷移過程分布圖（每5天的示蹤物分布）。從圖中可以看出水體示蹤物的輸運遷移主要受局部流場的影響顯著。營口港附近水體示蹤物主要沿岸自東向西輸運，主要擴散范圍局限于遼東灣北部沿岸海域，并且在75 天后示蹤物輸運到葫蘆島附近海域時，濃度顯著降低。遼東灣中部海域水體受局地的逆時針流場影響，自葫蘆島南部海域沿岸向西南方向擴散，大部分水體示蹤物受遼東灣逆時針環流的影響北上至原海域，但濃度已經顯著降低。秦皇島港口附近海域大部分水體示蹤物主要沿岸向南流向渤海灣，并且最終與天津港附近的水體匯合集中于渤海灣的北部沿岸海域。天津港附近水體示蹤物主要在渤海灣北部海域聚集。黃河口東營港附近大部分水體示蹤物在渤海灣南部海域聚集，小部分水體受渤海灣北部逆時針環流影響流出渤海灣，不過濃度已顯著降低。萊州灣內流速較小，水體示蹤物大都在萊州灣內輸運，主要集中于萊州灣西南部沿岸海域。渤海海峽外附近為逆時針流場，北進南出，因而大連附近水體很快（10天內）流向渤海內部，而煙臺附近的則在15 天左右流出渤海進入黃海。渤海中部海域水體主要受順時針流場影響，在渤海中部流動，大約55天后與遼東灣中部水體示蹤物匯合后北上，部分示蹤物受沿岸流向南流動，在渤海中北部海域形成西南-東北走向的狹長帶狀分布。

從圖中可以看出，針對9大區域的示蹤物影響，在夏季示蹤物經過80 天輸運擴散后，濃度顯著降低，示蹤物主要集中于渤海灣、萊州灣西南部、渤海中北部海域以及秦皇島港附近海域。其中渤海灣最為嚴重，既有天津港口附近的水體示蹤物，又有秦皇島港和東營港的示蹤物，且不易流出渤海灣，示蹤物可長時間停留在渤海灣。萊州灣西南部比較嚴重，由于流速小，萊州灣內的污染聚集與此，不宜與外海域進行交換。秦皇島港南部海域也比較嚴重，為示蹤物的匯，這可能與地形有關，沿岸南向流受地形影響變弱，使得示蹤物在此聚集，不宜向外交換。此外，渤海中北部也是示蹤物的聚集地，此處示蹤物大都是從渤海中部漂流而來，小部分由遼東灣中部漂流。

4.2 冬季

圖7 是模式穩定后，渤海冬季水體示蹤物輸運遷移過程分布圖（每5 天的示蹤物分布）。對比圖6可以看出渤海水體示蹤物在冬季和夏季的輸運存在很大不同。營口港水體示蹤物主要沿岸自北向南流動，50 天后在長興島附近聚集，同時濃度顯著降低。遼東灣中部水體呈順時針沿岸流動，一直至長興島北部，大部分示蹤物經過100 天左右重新進入順時針環流。秦皇島附近海域的水體主要在秦皇島港附近海域循環流動，還有一些示蹤物受沿岸流的影響沿岸向北流動，這些示蹤物在約40天后與遼東灣的示蹤物匯合，部分進入遼東灣順時針環流，流向遼東灣北部，另一部分繼續沿岸北上，在約80 天后到達葫蘆島附近。渤海中部海域大部分在渤海中部循環流動，但還有小部分示蹤物進入秦皇島逆時針環流，從而影響秦皇島附近海域。天津港附近水體逆時針沿岸向南流動，在渤海灣南部營口港附近向北流動再次進入渤海灣。東營港附近水體示蹤物的分為兩支，一支與天津港的水體示蹤物匯合進入渤海灣，另一支沿岸向東南流向萊州灣，并與萊州灣的水體匯合在灣內沿岸擴散，并長時間聚集。萊州灣內部水體示蹤物大部分主要在灣內流動，與東營港漂流而來的水體示蹤物聚集于萊州灣南部沿岸。渤海海峽外北端為西向流，中南部為逆時針環流，大連港水體示蹤物很快流入渤海海域，煙臺水體示蹤物在10 天左右流出渤海，進入黃海。

從圖中可以看出，針對9大區域的示蹤物影響，在冬季示蹤物經過80 天輸運擴散后，濃度顯著降低，示蹤物主要集中于渤海灣南部入口處、萊州灣、遼東灣東北部沿岸、以及秦皇島港附近海域。冬季渤海三大灣沿岸海域均受到不同程度的污染，不過與夏季存在不同。渤海灣主要是南部沿岸海域受到污染嚴重，萊州灣內海域示蹤物不宜流出萊州灣，同時受到東營港的水體示蹤物影響嚴重，使得萊州灣內海域和沿岸海域均受到嚴重污染。遼東灣的污染主要是由遼東灣中部的示蹤物引起的，示蹤物并沒有在某處海域聚集，而是隨著海流不斷漂流，但遼東灣東北部沿岸海域受到污染較為嚴重。秦皇島的水體示蹤物在冬季的影響與夏季不同，主要影響附近沿岸及其北部海域，甚至可以影響到葫蘆島附近海域。

5 結論

（1）本研究所用ROMS模擬的潮汐結果在渤海的應用是較成功的，同前人一致，結果可信。M2、S2潮波系統的無潮點分別位于秦皇島外海和黃河口附近外海，振幅在遼東灣頂達到最大值，約為120 cm。K1、O1 潮波系統的無潮點位于渤海海峽附近，最大振幅出現在渤海灣，K1分潮振幅比O1分潮大；

（2）渤海夏季和冬季存在著多個渦旋結構，特別是在渤海中部存在一個順時針大渦旋。夏季，渤海灣的環流是雙環結構，呈南北向配置，北面的渦環較強。冬季環流主要受風場、潮余流影響，低溫水體帶來的強烈混合也會產生影響；

（3）水體示蹤物的輸運遷移在夏季和冬季都主要受局部流場的影響顯著，且經過大約80天輸運擴散后，濃度顯著降低。夏季示蹤物主要集中于渤海灣、萊州灣西南部、渤海中北部海域以及秦皇島港附近海域，冬季主要集中于渤海灣南部入口處、萊州灣、遼東灣東北部沿岸、以及秦皇島港附近海域。

[1]沈育疆.東中國海潮汐數值計算[J].山東海洋學院學報,1980,10(3):26-35.

[2]Cao D M, Fang G H. A combined numerical tidal model for the Hangzhou Bay and Qiantang River [J]. Acta Oceanologica Sinica,1989,8(4):485-496.

[3]趙保仁,方國洪,曹德明.渤、黃、東海潮汐潮流的數值模擬[J].海洋學報,1994,16(5):1-10.

[4]Yanagi T, Inoue K. Tide and tidal current in the Yellow/East China Seas[J].Lamer,1994,32:153-165.

[5]葉安樂,梅麗明.渤黃東海潮波數值模擬[J].海洋與湖沼,1995,26(1):63-70.

[6]Kang S K,Lee S R,Lie H J.Fine grid tidal modeling of the Yellow and East China Seas [J]. Continental Shelf Research, 1998, 18(7):739-772.

[7]Guo X Y, Yanagi T. Three-dimensional Structure of Tidal Current in the East China Sea and the Yellow Sea [J]. Journal of Oceanography,1998,54(6):651-668.

[8]王凱,方國洪,馮士筰.渤海、黃海、東海M2潮汐潮流的三維數值模擬[J].海洋學報,1999,21(4):1-13.

[9]Bao X W,Gao G P,Yan J.Three dimensional simulation of tide and tidal current characteristics in the East China Sea[J].Oceanologica Acta,2001,24(2):135-149.

[10]Zhang J C, Zhu J G, Lü X Q. Numerical study on the bottom friction coefficient of the Bohai, Yellow and East China Seas [J].Chinese Journal of Computational Physics,2006,23(6):731-737.

[11]朱學明,劉桂梅.渤海、黃海、東海潮流、潮能通量與耗散的數值模擬研究[J].海洋與湖沼,2012,43(3):669-677.

[12]王輝, 蘇志清, 馮士筰, 孫文心. 渤海三維風生-熱鹽-潮致Lagrange余流數值計算[J].海洋學報,1993,15(1):9-21.

[13]Fang Y, Fang G H, Zhang Q H. Numerical simulation and dynamic study of the wintertime circulation of the Bohai Sea [J].Chinese Journal of Oceanology and Limnology,2000,18(1):1-9.

[14]Wei H, Wu J P, Pohlmann T. A Simulation on the Seasonal Variation of the Circulation and Transport in the Bohai Sea [J].Journal of Oceanography of Huanghai&Bohai Seas,2001,19(2):1-9.

[15]萬修全,鮑獻文,吳德星,等.膠州灣及其鄰近海域潮流和污染物擴散的數值模擬[J].海洋科學,2003,27(5):31-36.

[16]Diaz H,Folland C,Manabe T,et al.Workshop on advances in the use of historical marine climate data[J].WMO Bulletin,2002,51(4):377-380.

[17]Fang G D. Tide and tidal current charts for the marginal seas adjacent to China [J]. Chinese Journal of Oceanology and Limnology,1986,4(1):1-16.

[18]Bao X W, Yan J, Sun W X. A three-dimensional tidal model in boundary-fitted curvilinear grids [J]. Estuarine, Coastal and Shelf Science,2000,50(6):775-788.

[19]Liu G M, Wang H, Sun S, et al. Numerical study on density residual currents of the Bohai Sea in summer [J]. Chinese Journal of Oceanology and Limnology,2003,21(2):106-113.

[20]Fang G H, Wang Y G, Wei Z X, et al. Empirical cotidal charts of the Bohai,Yellow,and East China Seas from 10 years of TOPEX/Poseidon altimetry [J]. Journal of Geophysical Research, 2004,109,C11006,doi:10.1029/2004JC002484.