南黃海輻射沙脊群海域三維水動力數值模擬*

林偉波，陳曉燕

(江蘇省海涂研究中心，江蘇 南京 210036)

南黃海輻射沙脊群分布于江蘇中部海岸帶外側、黃海南部陸架海域，大體上以弶港為頂點、以黃沙洋為主軸，自岸呈褶扇狀向海輻射，由9條沙脊和分隔沙脊的潮流通道組成[1]。潮流以正規半日潮流為主，潮流日不等現象在近岸和深水道中較明顯，是形成和維持輻射沙脊群的主要動力[2]。朱玉榮等[3]、諸裕良等[4]采用二維潮流數學模型，分析輻射沙脊群海域動力特征，揭示了沙脊群形成與潮流的內在聯系。但以上研究都是基于二維平面水動力模型，不能很好地體現輻射沙脊群海域復雜地形條件下三維水動力特性。本文基于已被國內外學者大量應用的無規則網格的有限體積海岸海洋模型(FVCOM)[5-10]，構建了輻射沙脊群海域三維潮流模型，分析其水動力特征，該模型可用于模擬復雜地形條件下海洋動力環境，可為進一步研究本海域的泥沙和污染物運動提供準確的動力條件[11]。

1 模型計算區域與設置

1.1 模型范圍和參數設置

模型的計算域范圍為120°24′E～122°05′E，32°10′N～34°06′ N，南、北邊界分別為啟東沿岸、廢黃河口。模型水深和網格分布如圖1所示，包含11 117個網格單元、5 705個網格節點，網格分辨率最小500 m，開邊界網格分辨率5 km。模型內模態時間為30 s，外模時間為6 s，垂向分為6層，采用σ坐標。模型計算基面為85國家高程基準，最小底部拖曳力系數為0.001 6，海底粗糙高度值為0.001 2 m，垂直渦黏系數背景值為10-6m2s。模型從2014-07-10T00:00:00開始計算，共計算14 d，開邊界以“東中國海潮波模型”預報的潮位作為驅動力。

圖1 計算區域的水深分布與計算網格

1.2 模型驗證

運用Wilmott[12]提出的預測能力系數skill來驗證模型的計算精度，計算公式為：

(1)

大豐港、斗龍港和洋口港3個潮位測站的模擬對比過程見圖2。可看出，潮位變化趨勢較為吻合，潮位預測能力系數大于0.97。V1、V6站實測海流和計算值對比見圖3、4(站位分布見圖5)，其中V1測站流速預測能力系數達到0.97，流向預測能力系數達到0.98；V6測站表層和底層流速預測能力系數都達到了0.95，表層和底層流向預測能力系數都達到了0.92。總體上看，模型的計算結果與實測數據吻合良好，能較好地體現研究海域的潮汐潮流分布特征。

圖2 計算潮位與實測潮位對比

圖3 大小潮期間V1測站潮流模擬過程

圖4 大小潮期間V6測站潮流模擬過程

2 結果與分析

2.1 潮流場特征分析

大潮和小潮的實測平均流速矢量圖見圖5，V1、V2、V3測站的流向基本均為沿岸線方向的南北往復流，V4、V5、V6測站流向受地形影響，呈現旋轉流趨勢，其中以V4測站最為明顯。潮流速從北往南逐漸減小，大潮時V1的最大漲、落潮流速分別為2.55、1.68 ms，而V4的最大漲、落潮流速只有1.09、1.25 ms。小潮時期流速明顯減小，V1的最大漲、落潮流速為1.61、1.21 ms，而V4的最大漲、落潮流速為0.57、0.63 ms。

圖5 垂線平均流速矢量圖

圖6a)、圖7a)為大、小潮漲急流場分布，此時潮位已近平均海平面，全海域呈漲潮勢，南、北兩股潮流向弶港輻聚，弶港以北海區的漲潮勢略強于南海區，北海區近岸以由北往南的沿岸流為主，漲潮流向各條沙脊的灘頂聚涌，其中低灘的沙脊已被潮水淹沒，岸灘尚有灘面水流。從流速大小分布來看，西洋深槽流速較大，大潮流速達到1.6 ms，小潮漲急流速在1.2 ms左右；其他的深槽大潮流速達到1.2～1.4 ms，小潮漲急流速在1.0～1.2 ms，灘面流速在0.5 ms左右。圖6b)、圖7b)為大、小潮落急流場分布，已有少許岸灘出露，各深槽流速較大而集中，流向與深槽走向十分一致，沙脊背對潮流矢量影響顯著，流向基本與深槽成斜交的歸槽趨勢。深槽的大潮落急流速達到1.2～1.5 ms，小潮落急流速在1.0～1.2 ms。

圖6 大潮表層流場分布

圖7 小潮表層流場分布

2.2 余流場特征

由模型計算的潮流結果，通過歐拉余流的定義公式[13]計算得到歐拉余流場，見圖8、9。大潮時期弶港以北海域表層和底層余流方向都是從南向北的沿岸流，近深槽余流大都指向深槽，南部海域的近岸余流有逆時針的旋轉流。表層余流較底層余流大，表層最大余流速度超過0.4 ms，底層余流速度明顯減小，蘇北淺灘余流速度在0.1 ms左右。小潮時期，表層余流速度為0.04～0.12 ms，底層余流速度為0.02～0.08 ms，南部海域的近岸有逆時針的旋轉流。

圖8 大潮余流流場

圖9 小潮余流流場

3 結論

1)整個海域由南、北兩股潮流向弶港輻聚輻散，各深槽流速較大而集中，流向與深槽走向十分一致，沙脊背對潮流矢量影響顯著，流向基本與深槽成斜交的歸槽趨勢。深槽的大潮落急流速達到1.2～1.5 ms，小潮落急流速在1.0～1.2 ms。

2)弶港以北，表、底層余流方向都是由南向北的沿岸流，南部海域的近岸余流有逆時針的旋轉流，表層最大余流可達到0.4 ms左右，底層在0.2 ms左右。