湛江湾三维潮汐潮流数值模拟

李希彬，孙晓燕，宋军，姚志刚

（1. 国家海洋局天津海洋环境监测中心站 天津市海洋环境监测预报中心，天津 300451；

2. 国家海洋信息中心，天津 300171；3. 中国海洋大学 海洋环境学院，山东 青岛 250100）

湛江湾三维潮汐潮流数值模拟

李希彬1，孙晓燕2，宋军2，姚志刚3

（1. 国家海洋局天津海洋环境监测中心站 天津市海洋环境监测预报中心，天津 300451；

2. 国家海洋信息中心，天津 300171；3. 中国海洋大学 海洋环境学院，山东 青岛 250100）

基于采用不规则三角网格和有限体积方法的 FVCOM 模式，建立湛江湾附近海域的三维潮汐潮流数值模型，通过验证，结果与观测数据符合良好，重现了湛江湾的潮位和潮流变化状况。根据模拟结果计算得湛江湾的潮汐有明显不规则半日潮特征，主要分潮波M2、S2、K1、O1主要从外海传入，不构成独立的潮汐系统，其中M2分潮的最大振幅为109 cm；湛江湾海域主要为不规则半日潮流，1日内出现2次涨落潮流，涨、落潮最大流速分别为104 cm·s-1和123 cm·s-1，落潮流流速大于涨潮流流速；湛江湾湾口处海域较开阔，基本为旋转流，而近岸海区基本为往复流，湾内M2分潮流的椭圆长轴占绝对优势。表层潮余流最大流速近30 cm·s-1，湾内余流的总体效应值向湾外, 湾口余流较大, 对湾内水交换效应有一定积极作用。

湛江湾；三维数值模拟；潮汐；潮流；余流

湛江湾位于广东省西南，雷州半岛的东北部,属于半封闭的沉溺型港湾[1]，湛江湾内水域面积160 km2，平均纳潮量5亿 m3，最大达10亿 m3。潮汐水道呈树枝状自南向北伸入内陆达 50 km以上，湾内主要有南三岛、特呈岛、东头山岛和东海岛等岛屿，与外海相隔，形成掩护，使湾内风浪平静，北部有鉴江河注入，湛江湾口位于南三岛和东海岛之间，宽约2 km，是湛江湾与外海相通的主要通道，因此，湛江港是广东省的第二大港，同时是华南最大的潮汐汊道[2]，研究湛江海域附近的潮汐潮流系统具有重要的意义。

湛江湾海域的潮汐潮流主要是太平洋潮波进入南海后形成的，受附近海岛和地形摩擦影响，潮汐特征变得比较复杂[3]，湛江附近海域有明显不正规半日潮特征[4]。湛江湾海域属于南海海域的一部分，而有关南海的潮汐潮流的研究工作比较多，有很多海洋学家对南海的潮波运动进行了研究[5]。叶安乐和 Robinsion[6]首次用初值方法计算了南海潮波，他们的研究对于南海潮波的分布和动力学性质有重要意义，特别与早期的工作相比有了重大的进步。但关于湛江湾附近海域潮汐潮流特征的研究工作较少。张乔民等[7]研究了湛江湾内的潮流对湾内地形的侵蚀作用，并指出湾内的围垦工程改变了湾内局部海域的潮汐动力特征。林微等[8]模拟了湛江港的潮汐动力场，并通过对泥沙沉积进行分析，研究了湛江港的潮汐汊道落潮三角洲潮流场和波浪场特征。贺松林和丁平兴等[9,10]分别通过数值模拟方法对湛江湾内沿岸工程的冲淤影响进行了分析预测。但是，这些研究主要集中在围填海和泥沙冲於问题上，而关于湛江湾附近海域的潮汐和潮流分布规律的研究工作较少。本文选用国际先进的数值模型FVCOM建立湛江湾附近海域的三维潮汐潮流模型，以应对湛江湾海底地形复杂、海岸线不规则且弯曲较多、滩涂面积大、水深变化剧烈、岛屿众多等特点，研究湛江湾的潮汐潮流分布特征。

1 三维潮流数值模型及计算方法

1.1 FVCOM简介

湛江湾海域水深变化较大，从几米到40 m，湾口龙腾水道处水深较大，靠近岸边处水深较小，且存在大片滩涂，为对滩涂处进行准确处理，本文采用国际先进的海洋数值模型 FVCOM（An Unstructured Grid，Finite-Volume Coastal Ocean Model）对湛江湾潮汐潮流特征进行数值模拟研究。

FVCOM模式在水平方向上采用无结构化三角形网格，垂直方向上采用σ坐标，并采用有限体积方法，采用三角形网格，更易拟合边界，并可针对关注区域进行局部加密，可更好地保证质量、动量的守恒性，在近岸河口区域和理想化实验的模拟中，通过FVCOM分别与POM以及ECOM-si的对比结果[11,12]发现，拟合的程度和数值方法的选择在近岸河口及边界复杂海域的数值模拟中有重要作用，而这正是FVCOM的优势所在。在进行潮间带处理时，FVCOM采用干/湿网格技术，进行干/湿网格判断，在计算流量时只考虑湿网格的流量，来保证流体体积守恒。在温、盐等通量的计算中也采用这种方法。Zheng等[13]在Satilla River Estuary进行模拟实验时，发现干/湿网格技术在潮汐潮流的模拟中具有重要作用。若不采用干/湿网格，忽略滩涂面积，模拟潮流的分潮振幅相对实测值偏小50%，位相也会出现偏差。

因此，对于湛江湾附近海域这样具有海底地形复杂、海岸线不规则且弯曲较多、滩涂面积大、水深变化剧烈、岛屿众多等特点的海湾，适合选用FVCOM进行潮汐潮流数值模拟。

1.2 模型的计算区域及网格设置

本文包括湛江湾及其部分外海海域作为模拟计算区域，东经 110.1535°～110.833°，北纬20.4924°～21.4074°，见图1。模拟区域中，南北长约91 km，东西约69 km，为保证湛江湾内模拟结果不受开边界影响，将开边界设置远离湛江湾。采用东中国海大区潮模型嵌套结果作为开边界条件，模型采用三角形网格，最小空间网格步长100 m，最大2 000 m，时间步长设置为5 s，垂向分为6 个σ层。模型区域共有网格 28 258 个，三角形单元53 609 个，对湛江湾的部分重点区域如狭窄水道等对网格进行加密，见图 2，较好地体现了模拟区域岸线和地形分布。

模式采用中华人民共和国海事局出版的海图资料作为水深场，利用内插方法计算网格点水深，以最高潮时的零米等深线处作为模式计算区域的边界，图1是湛江湾海域水深分布特征。

图 1 湛江湾海域地理位置、水深及观测站位分布Fig. 1 Zhanjiang coastal areas and observation stations

2 验证结果分析

选取2006年9月在湛江湾布设的T1-T4共4个临时验潮站和V1-V4共4个连续潮流观测站的观测数据与模拟结果进行对比，以验证数值模拟的结果，连续站潮流观测采用直读式海流计，时间为26 h；潮位观测采用ALEC水位计，长度均1个月；站位见图1。

2.1 潮位验证

输出对应时段的模式结果，与实测资料进行对比分析（见图3、表1），发现两者差别较小，模拟潮位与实测值最大差在20 cm内，在允许范围之内，说明模拟结果较为准确，因此可以认为本文的模型的潮汐模拟部分是合理可靠的，分析发现，此海域一天出现两次高潮和两次低潮，主要表现为不规则半日潮性质，并有月不等现象，1个月内共出现2 次大潮和2 次小潮，大潮潮差约4.8 m，小潮潮差约1.0 m。验证结果显示，模型能够较好地反映湛江湾的潮位变化状况，本文重点选取湛江湾内 T3、T4潮位观测站通过观测和数值模拟得到的调和常数进行对比。

图 2 模式网格图Fig. 2 Model grid

表 1 M2、S2、K1、O1、M4和 MS4分潮振幅和迟角的观测值与模拟值比较Tab. 1 Comparison of observed and simulated tidal amplitudes and phases of M2, S2, K1, O1, M4 and MS4 tides

图 3 潮位验证Fig. 3 Validation of tidal level

图 4 潮流验证图Fig. 4 Validation of tidal current

2.2 潮流验证

图4给出了V1-V4站的在大潮期间计算和实测潮流的对比，从图中可以看出，计算潮流与实测潮流有良好的一致性，潮时及流速大小均较为接近，能够较好的反应潮流的性质，但也发现，由于未考虑斜压场和表面风的作用，造成潮流流速比实测结果略小，但我们认为，关于湛江湾海域的潮流模拟结果基本是可信的，模拟结果可以较好的反映湛江湾附近海域的潮流特征。

3 潮汐潮流分析

3.1 潮汐分析

潮汐类型是根据潮型数来划分的，它反映了某一海区全日分潮与半日分潮的的相对重要性。一般可根据A值的大小将潮汐分为4种类型：正规半日潮、不规则半日潮、不规则日潮和正规日潮。计算结果表明，该海区潮型数在0.9～1.3之间（图5（a）），属不规则半日潮范畴。湛江湾内潮型数要小于湾外海区，越往湛江湾湾颈，潮型数越小，低于 1.0，外海区潮型数比湾内的潮型数略大，最大约 1.2。计算该海区各点的潮型数，并绘制等值线图，潮型数分布图如下：

根据计算结果进行调和分析，结果表明（见图5（b，c，d）），湛江湾的 M2、S2、K1、O1主要从外海传入，不构成独立的潮汐系统，分潮波分别自湛江湾和雷州湾传入，振幅和迟角逐渐变大，湛江湾外硇洲岛东侧海域，M2分潮振幅为84 cm，而湾内东海大堤附近海域其振幅可达100 cm以上，同时，迟角增加也在10°以上，湾内全日分潮K1最大振幅为40 cm，O1最大振幅为48 cm，总体上全日分潮呈现自西向东的弧线型传播，随水深变小，传播速度逐渐变慢；近岸潮差大于深水潮差，从图5c看出，在模拟区域南部，振幅线左旋，说明可能存在一无潮点，具体验证，需要扩大模拟范围论证，O1分潮振幅和迟角曲线和K1分潮类似，均呈现自西向东弧线型传播的规律，只是总体振幅略大，且其振幅在近岸处较大。

图 5 湛江附近海域潮汐类型(a)和分潮同潮图(b,c,d)（实线为等振幅线，虚线为同迟角线）Fig. 5 Tide types near Zhanjiang Bay(a) and calculated co-tidal lines in Zhanjiang Bay(b,c,d), with solid lines for co-amplitudes and dash lines for co-phases

3.2 潮流分析

湛江湾附近海域主要为不规则半日潮流，1日内出现2次涨落潮流，涨急、落急时刻流速较大，转流时刻流速较小，在约1 h的转流时段内，流速曲线处于流速最小值处；涨潮平均流速为56.0 cm·s-1，落潮平均流速为69 cm·s-1。湛江湾的落潮流流速一般比涨潮流流速大，涨、落潮最大流速分别为104 cm·s-1和 123 cm·s-1，表层流速大于底层流速。流向受到地形的限制，涨潮流主要向西北，落潮流主要向东南。

图6 湛江海域涨急时刻和落急时刻流场图Fig. 6 Current fields in the Zhanjiang Bay at the fastest flood and ebb moments

3.3 潮流运动形式及椭圆要素

模拟海域的潮流运动形式主要为旋转流和往复流。湛江湾口龙腾水道外海域开阔，主要以旋转流为主，而湾内的近岸浅水区和水道、河口处主要体现为往复流，利用调和分析方法，分别以 M2和K1分潮代表半日分潮流和全日分潮流，对湛江湾海域的潮流椭圆要素特征进行分析，并分别绘制其表层流椭圆图（见图7和图8），图中潮流椭圆的长轴方向表示最大流方向，长半轴长度表示最大流量值，短轴方向表示最小流方向，短半轴长度表示最小流量值，从图中我们可以分析模拟海域的潮流运动规律。

图 7 湛江湾内M2分潮的潮流椭圆分布Fig. 7 Distribution of tidal current ellipses for M2 constituent in Zhanjiang Bay

图 8 湛江湾内O1分潮的潮流椭圆分布Fig. 8 Distribution of tidal current ellipses for O1 constituent in Zhanjiang Bay

图7为M2分潮潮流椭圆分布，由图可以看出，绝大部分点的 M2分潮潮流椭圆长轴占绝对优势，M2分潮潮流椭圆长轴的分布较为规则，其变化与地形相关，长轴的方向一般与岸线或水道走向一致，除去东海岛北部的东头山附近海域，湛江湾内大部分水域均呈现往复流特征，仅湾口南部存在较明显的旋转流特征，椭率一般在0.06～0.36之间，岸边附近的流速比较小，而离岸较远区域的流速比较大，湾内潮流椭圆长轴的方向，即最大流速方向大致为西北东南向，基本平行于海岸线，湾外最大流速方向分成两部分，一部分为东北西南向，另一部分为东西向，强流区最大值达到60 cm·s-1左右，发生在湾口附近。

图8为O1分潮潮流椭圆分布图，可以看出，其分布特征与 M2分潮流较为相似，在浅水和河口海域基本为往复流，而在湾口西侧南部海域存在旋转流，椭率一般在0.11～0.47之间。最大流速方向也基本平行于海岸线，最大流速值最大为26 cm·s-1，同样也发生在湾口附近。

4 余流分析

余流是指实测海流扣除潮流后的剩余流动，包括潮汐余流、风海流、长周期流以及其它的非周期性流动；通过对模拟得到的潮流结果进行调和分析，可以得到的模拟海域的余流场（见图9），可以看出，模拟海域内的余流场比较杂乱，主要分布特征为：模拟区域北部靠近开边界的部分，余流主要是指向北向的，南部靠近开边界的部分余流主要是从外海指向模拟区域，湛江湾的东侧湾口处，余流总体是指向湾外的，湾口北部，主要有一南向的余流，湾口南部，主要受绕过硇洲岛向南的逆时针余流的影响，湛江湾西侧湾口处的余流较为杂乱。

针对湛江湾内余流重点分析，在湛江湾内特呈岛以北的湾颈海区，余流场较为杂乱，受上游径流冲淡海水影响，余流以下泄流为主，南三岛以南至湾口海区的余流受涨、落潮流的影响，分布也比较复杂，湛江湾口海域，由于口窄水深，水流在此辐聚，因此是强流区，余流流速较大，最大流速30 cm·s-1，此处主要是一逆时针涡流，表现为北进南出；湛江湾口西和东头山岛东端还存在顺时针涡流；湾口西南存在一逆时针涡流；东头山岛和特呈岛中间海域还存在逆顺时针涡流；特呈岛西南靠近湛江市附近存在顺时针涡流；湛江湾口西和东头山岛东端是顺时针涡流和湾口西南的逆时针涡流是湛江湾内余流最强的区域，方向从湾口指向湾内,将湾口物质分布向西南岸和湾中部输送；东头山岛和特呈岛中间海域的逆顺时针涡流流速不大，但对泥沙沉降影响的作用还是比较明显的，其环流的中心浅滩可能与此有关；总体而言，湾内余流场总体指向湾外, 且湾口处余流较大, 这对湾内的水环境保护有一定积极作用。

图 9 湛江海域表层余流场Fig. 9 Distributions of residual currents in Zhanjiang Bay

5 结 论

（1）利用FVCOM数值模型，建立湛江湾附近海域的三维潮汐潮流数值模型，对湛江湾海域的潮位和潮流特征进行数值模拟。模型运用有限体积法求解控制方程，并利用干/湿网格方法控进行动边界模拟。模型采用无结构三角形网格，整个模拟区域共有三角形网格点28 258 个，三角形单元共53 609个，模型的最小空间网格步长 100 m，时间步长5.0 s，模拟结果与实测潮位和潮流观测结果基本一致，调和后的潮汐潮流和余流场分布特征也与前人结果[8-10]基本相符，能够真实地反映湛江湾的潮汐潮流分布状况，而模型采用的高时空分辨率也使研究工作更加细致；

（2）模拟海域的潮汐有明显不规则半日潮特征，主要分潮波M2、S2、K1、O1主要从外海传入，不构成独立的潮汐系统，其中 M2分潮的最大振幅为109 cm；

（3）湛江湾附近海域主要为不规则半日潮流，1日内出现2次涨落潮流，涨、落潮最大流速分别为104 cm·s-1和123 cm·s-1，落潮流流速大于涨潮流流速；

（4）湛江湾口龙腾水道外海域开阔，主要以旋转流为主，而湾内的近岸浅水区和水道、河口处主要体现为往复流，绝大部分点的 M2分潮流椭圆长轴占绝对优势，长轴的方向一般与岸线或水道走向一致，M2分潮流最大值为 60 cm·s-1左右，发生在湾口附近；

（5）湛江湾的表层潮余流最大余流流速为30 cm·s-1，湾内余流场总体指向湾外, 且湾口处余流较大, 这对湾内的水环境保护有一定积极作用。

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Three-dimensional numerical simulation of tidal current in Zhanjiang Bay

LI Xi-bin1, SUN Xiao-yan2, SONG Jun2, YAO Zhi-gang3

(1. Tianjin Marine Environmental Monitoring Central Station, SOA, Tianjin Marine Environmental Monitoring and Forecasting Center, Tianjin 300451, China;
2. National Marine Data and Information Service, Tianjin 300171, China;
3. College of Physical and Environmental Oceanography，Ocean University of China, Qingdao 266100, China)

Based on an unstructured grid, finite-volume coastal ocean model (FVCOM), the complete three-dimensional fine-solution equation group of shallow-sea tide is adopted to calculate the tide in Zhanjiang Bay.The equation group consists of tide-control equations and obturating turbulence equations. Using harmonic analysis of the calculated tidal level and current, the distributions of co-tidal lines for M2,S2, K1and O1are obtained, with 109 cm,the maximum amplitude of M2, There’s two flood and ebb tides in 24 hours, and the maximum speed of flood and ebb tidal current can reach 104 cm·s-1and 123 cm·s-1, respectively. Through the analysis of M2and K1tidal current ellipses,we can know that the flow is reciprocating flow in the near shore area, estuaries and channels. The maximum speed of surface residual current is 30 cm·s-1, and the direction of overall effect of the residual current is toward the outside of the bay.

Zhanjiang Bay; three-dimensional numerical simulation; tide; tidal current; residual current

P731.2

A

1001-6932(2011)05-0509-09

2010-08-26；

2011-04-08

李希彬( 1983－ )，男，硕士，主要从事海洋预报研究工作。电子邮箱：lixb_tj@yahoo.com.cn。

孙晓燕，工程师。电子邮箱：hyda@mail.nmdis.gov.cn。