基于FVCOM的象山港海域潮汐潮流与温盐结构特征数值模拟

韩松林，梁书秀，孙昭晨

（大连理工大学海岸及近海工程国家重点实验室，大连116024）

基于FVCOM的象山港海域潮汐潮流与温盐结构特征数值模拟

韩松林，梁书秀，孙昭晨

（大连理工大学海岸及近海工程国家重点实验室，大连116024）

摘要：基于有限体积法的FVCOM模型，建立了象山港海域的三维潮汐潮流和温盐数值模型，计算中考虑了潮流、风、太阳辐射和径流因素的影响。模拟结果与2009年的监测资料进行了对比验证，结果表明建立的模型可以模拟该海域的水流运动和温盐分布特征。通过对数值结果分析得到了该海域的同潮图、潮流椭圆图、潮流性质和温盐分布等。结果表明，象山港的潮汐属于非正规半日浅海潮；M2分潮流椭圆长轴从口门到湾顶逐渐减小，其走向与岸线的方向基本一致；狭湾内呈现往复流特征而口门外开阔海域呈旋转流特征。湾口和湾顶部有着显著的温度差和盐度差，海水温度由湾口向湾顶部逐渐增大，盐度分布则正好相反。狭湾内距离湾口不同位置的横向温度、盐度垂向分布结构特征各不相同。

关键词：FVCOM；潮流；温盐；数值模拟；象山港

象山港处于浙江北部沿海，北面紧靠杭州湾，南临三门湾，东侧为舟山群岛，纵深60 km，口门宽约20 km，港内宽3～8 km，是一个典型的狭长形半封闭海湾［1］。港内自然环境优越，水产资源丰富，具有良好的港口资源、湿地资源和海洋生物等资源，是宁波市发展海洋经济的重要区域。近20 a来，港内临港工农业、水产养殖业以及旅游业等发展迅速，极大地提升了区域经济发展水平。但是随着海洋经济的迅猛发展，导致沿岸的工农业开发加剧、污水的过度排放和养殖业的不合理发展等，使象山港的海洋环境和生态系统受到了严重的威胁。湾内水质富营养化严重，赤潮时有发生。潮汐潮流运动是象山港的主要动力过程，是污染物、营养盐等输运的主要动力因素；温盐分布是海洋生态系统中重要的环境因子，是影响浮游动物、浮游植物生长生存的重要影响因素。因此建立象山港海域的潮汐潮流和温盐模型，研究其分布特征，对海洋资源的开发和生态系统的保护以及进一步对生态系统的研究等具有重要的意义。

FVCOM模型是由UMASSD⁃WHOI联合开发的一个基于非结构网格的、有限体积的、三维原始方程的海洋模型［2］。模型水平方向上采用非结构化的三角形网格，可对地形复杂的区域局部加密，以更好的模拟复杂的岸线以及岛屿；垂向采用σ坐标，有助于处理不规则的海底地形。在潮间带，模型采用干湿网格技术考虑了潮滩对潮流的影响。因此，利用FVCOM模型非常有利于模拟具有复杂岸线和地形的象山港海域。对于象山港的潮流潮汐和温盐特征已有学者进行了一些研究，董礼先等［3］建立了潮波运动数值模型，研究了象山港内影响M4分潮的控制因子和机理；曹颖等［4］基于FVCOM模拟了温排水的扩散输运过程，朱军政等［5］应用该模型模拟了潮流盐度的时空分布；关于象山港海域水动力和温盐结构观测资料分析的研究较少，董礼先等［6］利用1981～1990年的实测水文资料象山港内的盐度分布和环流结构。这些研究使我们对象山港的水动力及温盐特征有一定的了解，但是对于象山港海域考虑多种驱动因素下的水动力特征和温盐结构分布展开的分析研究还相对较少，而水动力和温盐的模拟是建立生态系统模型的基础，因此有必要对其进行进一步研究。

本文采用非结构化的三角形网格，建立了象山港海域的三维潮流和温盐模型，综合考虑潮流、风、太阳辐射和径流等因素作用的影响，对象山港海域潮汐、潮流和温盐分布进行了数值模拟。通过对数值结果分析给出了主要分潮的同潮图和潮流椭圆图，温度、盐度的表、底层分布及狭湾内横向、纵向的温盐垂向分布，并结合近期现场实测潮位、流速和温盐数据资料讨论了它们的分布特征，为进一步了解象山港海域的水动力以及温盐分布特征提供参考，也为下一步对该海域物质输运及生态系统研究奠定基础。

1　计算模型

1.1模型方程

模型控制方程包括连续性方程、动量方程、温盐扩散方程和密度方程。σ坐标下的控制方程如下

式中：t是时间；D是总水深；ζ为水位；u，v，ω分别为σ坐标下x,y和σ方向的速度分量，σ取值从海底处的-1到海表面处的0；g为重力加速度；ρ为海水密度；ρo为水体参考密度；f为科氏参数；Fx，Fy，FT和FS分别是水平向动量、温度和盐度扩散项。T为海水温度，S为海水盐度；Ĥ是水体吸收的太阳辐射；Km和Kh分别为垂向紊动粘性系数和热扩散系数，模型中国采用修正的MY-2.5湍流闭合模型［7］求解。

海表面和底部速度边界条件为

式中：(τsx,τsy)和(τbx,τby)分别为海表面风切应力和海底摩擦切应力在x和y方向上的分量。

海表面和底部温盐边界条件为

式中：Qn(x,y,t)为表面净热通量，包括短波辐射、长波辐射、感热和潜热通量四部分；SW(x,y,0,t)是海表面处短波辐射通量；cp为海水比热系数；P∧和E∧分别为降雨和蒸发量；AH为水平热扩散系数；α是海底地形的坡度；n为垂直于坡度轴线方向。

模型采用模式分裂法求解，二维外膜中的控制方程在三角形单元积分后，通过改进的四阶龙格库塔进行求解；三维内膜的动量方程求解采用一种简单的显式和隐式相结合的方法，其中速度的局地变化采用一阶精度的前差格式积分。对流项采用二阶精度的迎风显式格式求解，垂向扩散项采用隐式求解。具体离散求解可以参考文献［8］。

1.2模型设置

模型计算范围为象山港全域（29°24′～29°50′N，121°23′～122°05′E），包括象山港狭湾、佛渡水道和牛鼻山水道，如图1所示。开边界取为两段，分别为湾口东北侧的郭巨镇—六横岛连线和东南侧的爵溪镇—台门连线。象山港湾内岸线曲折，岛屿众多，为了更好地拟合复杂的地形条件，对岛屿和岸线以及水深变化剧烈的区域进行了加密，计算网格见图2。水平分辨率在岛屿和岸线周围为约80 m，在湾口部为400 m左右，水平网格单元数为18 645，网格节点数为9 958，垂直向均匀分为11个σ层。开边界水位由杭州湾大模型提供［9］，该模型边界由实测潮位提供，并在大范围内验证良好。模型中考虑风、径流、潮流和密度流的共同作用，其中风、空气温度、相对湿度、净短波辐射采用NCEP每隔6 h平均的再分析资料，净热通量采用文献［10］中公式计算。径流考虑了凫溪河、颜公河和墙头排水口等淡水的注入，流量采用文献［11］中的径流量数据，入海口位置见图1。

图1　计算区域及站位分布图Fig.1Calculated area and location of stations

图2　数值计算网格划分Fig.2Gird of calculated area

2　结果分析与讨论

2.1潮汐潮流特性分析

采用2009年6～7月乌沙山站连续15 d的实测潮位资料和0916、0917、0918、0919四个测流站（图1）大潮期和小潮期连续25 h实测海流资料与模型计算结果进行了比较，以验证模型的精度及可靠性。图3和图4分别给出潮位、潮流流速流向的验证结果。从图中可以看出，乌沙山潮位的计算值与实测值吻合程度较好；除个别时刻外，计算得到的流速和流向与实测值相对误差较小。流速沿水深递减，表层流速最大，底层最小，底层流速约为表层的50%。

图3　乌沙山站模型模拟潮位与实测值对比Fig.3Comparison of observed and simulated tidal level at Wushashan

图40917　、0919测站模型模拟结果与实测值对比Fig.4Comparison of observed and simulated tidal speed and direction at 0917 and 0919

由潮位计算结果经潮汐调和分析得到象山港M2分潮的同潮图（图5）。潮汐的类型可以通过不同分潮的振幅比和判断。象山港海域F均大于0.5，除靠近外海的牛鼻山水道外，G均大于0.04，属于非正规半日浅海潮。M2分潮在潮位中占主导地位，其次是S2分潮；狭湾内的M2分潮振幅HM2均在1.3 m以上，由湾口的1.3 m逐渐增到湾顶部的1.7 m，湾口M2分潮的迟角与湾顶只差4°；狭湾内浅水分潮作用明显，M4分潮振幅HM4由从口门处的0.1 m增到湾顶的0.5 m。潮波自口门传入后，由于不断受地形及边界的反射作用，逐渐由前进潮波转为驻波性质；潮差由湾口向湾顶逐渐增大，港顶平均潮差可达3.7 m。受浅海分潮影响，狭湾内涨落潮历时不对称明显，涨潮历时均大于落潮历时，越往港内涨潮历时越长，港顶最大涨落潮时差约170 min。

利用潮流调和分析结果，根据公式计算可知象山港海域的潮流属半日潮流区，浅海分潮明显。象山港海域M2分潮流在潮流中占主导地位，图6为该海域M2分潮潮流椭圆图。M2分潮流椭圆长轴由牛鼻山水道至狭湾口门之间约为1.0～1.3 m/s，由狭湾口门至湾顶，M2分潮流逐渐减弱，其椭圆长轴在西沪港口和铁港口附近分别为0.7 m/s和0.4 m/s左右，走向与岸线的方向基本一致。从调和分析结果可得，M2分潮流的椭圆率在狭湾口门外海域介于0.5～0.8，潮流运动形式呈旋转流特征；狭湾内椭圆率在0～0.1，呈往复流特征，这主要是受湾内地形和边界的制约。湾内潮流的流向与岸线基本平行，落潮流速大于涨潮流速，最大流速发生在狭湾口门附近，狭湾内的流速由湾口向湾顶逐渐减小，湾内涨、落潮流最大实测流速分别可达1.54 m/s和1.83 m/s［1］。涨潮流通过牛鼻山水道和佛渡水道传入象山港港口门后，沿着主水道向湾内传播，至西沪港口门处分出一支传入港内，在缸爿山附近由于水道狭窄，水流在此比较湍急，流速可达到1 m/ s以上；在乌沙山附近，受白石山岛—中央山岛—铜山岛一线岛屿的影响，水流在此分为南、北两路；过岛后汇合继续向西推进，在强蛟处又分成两支，分别进入黄墩港和铁港。落潮时，流路与涨潮过程相反，3个支港内的水体汇入主水道后沿原路退出象山港。湾内3个支港西沪港、铁港、黄墩港海域在低潮位时绝大部分潮滩露出，高潮位时淹没。

2.2温盐结构分析

图5　象山港M2分潮同潮图Fig.5Calculated co⁃tidal chart in Xiangshan Bay

图6　象山港表层M2分潮潮流椭圆分布Fig.6Calculated surface component tidal current ellipses in Xiangshan Bay

图7　模拟表层温度、盐度与实测值对比Fig.7Comparison of observed and simulated temperature and salinity

温度和盐度采用2009年象山港赤潮监控区水环境监测数据进行验证，监测时间段为4～10月，监测频率为半月一次。图7为不同测站海水表层温度、盐度模拟值与实测值的对比。象山港海域水温随季节变化显著，春季水温平均值为15.6℃，夏季水温平均值为29.1℃，最高实测温度为32.1℃，发生在7月下旬，秋季水温平均值为23.6℃。象山港盐度随月份变化明显，4月份盐度平均值为23.7，7月份平均盐度为28.3，10月份盐度平均值为23.6。7月份盐度偏高的原因是由于夏季长江淡水向东北方向扩展，湾内盐度受台湾暖流等外海高盐水控制所致［6］。8月份受降水和径流量的影响，盐度出现明显降低。图8为港内不同站位7月15日温度、盐度模拟值与实测值对比，可以看出从空间分布上，湾口和湾顶部有着显著的温度差和盐度差。象山港海水温度由湾口向湾顶部逐渐增大，港口和港顶的温度差为4.4℃；与温度分布相反，海水盐度呈湾口部高，由湾口部到湾口部逐渐降低的趋势，湾口和湾顶的盐度差为3.2。总体来看，模型模拟结果与实测资料吻合较好，基本反映了象山港海域年度温度、盐度分布变化规律，说明本文模型设置和参数的选取是合适的。

图8　不同站位7月15日表层温度、盐度对比Fig.8Comparison of observed and simulated temperature and salinity at different stations on July 15

（1）温盐的平面分布。图9-a和图9-b是计算海区夏季表、底层平均水温分布。由图9可以看出，象山港表层水温在27～29℃，湾顶水温最高，从湾顶往外水温逐渐下降，而且等值线在口门外较湾内密，温差较大。底层水温分布与表层基本相似，较表层普遍低0.5℃左右。等温线在湾内呈抛物线型，离两岸陆地越近，温度越高，这是因为离陆地近的地方水深较浅，水体升温快，中间深槽内温度较低，且在底层表现尤为明显。

图9　夏季7月份模拟温度、盐度平面分布Fig.9Distribution of temperature and salinity in July

图9-c和图9-d为计算海区夏季平面表、底层平均盐度分布，盐度平面分布的总体特征是牛鼻山水道和佛渡水道海域盐度最高，盐度值在30左右，从狭湾口向湾顶逐渐递减，湾顶部盐度为23～26。盐度的垂向分布为表层最低，底层略高一点。盐度等值线的主要特征为在表层向湾口凸出，而底层向湾顶凸出，这种分布特征与象山港的余流特征是一致的，象山港狭湾内的表层余流方向指向湾口而底层余流方向指向湾顶［6］。从盐度大面分布的等值线可以看出，多数时间港内盐度北岸较南岸稍高，这是由于潮波传播在北岸较南岸快（图5）。

图10　象山港温度和盐度纵向断面分布Fig.10Longitudinal distribution of temperature and salinity in Xiangshan Bay

图11　象山港温度和盐度横向断面分布Fig.11Latitudinal distribution of temperature and salinity in Xiangshan Bay

（2）温盐的垂向分布。图10为7月份沿象山港纵向的温度和盐度垂向分布，断面的位置如图10-a所示。水温沿纵向断面在垂向上分层明显，表层高、底层低，表底层温度差一般在0.4～0.6℃；温度从湾顶到湾口逐渐递减，与平面分布一致。盐度垂向则分层较明显，表层、底层盐度差为0.5～1。从图10可以看出，在湾口和湾顶附近盐度等值线较密，在垂向上均为表层向湾口、底层向湾顶的倾斜状，与董礼先等［6］研究中实测数据得到的盐度纵向剖面分布基本一致。

图11给出狭湾内距离港顶不同距离的横向断面的温度和盐度分布。从模拟结果来看，狭湾内不同位置的温度、盐度垂向结构不同。B-C断面位于狭湾外段，在4 m以上水层，水温水平方向较为均匀，4 m以下水层，水温在两侧高，中间深槽内低；盐度分布表现为底层高于表层，在断面中部表层局部盐度较低，表、底盐度差约为1.0，在水深6 m以下水层，靠近北岸一侧存在有一股高盐水，与文献［6］中实测潮均盐度分布相似。D-E断面位于狭湾中段，水温在4 m以下水层表现为北岸低南岸高，盐度表现为北岸高南岸低，与平面分布一致。F-G断面位于狭湾内段，水温的分布与B-C断面相似；盐度分布表现为在水深4 m以上，两侧盐度高，中间盐度低，在4 m水深以下，盐度呈现两侧低，中间深槽内高的特征。

3　结论

平面采用非结构化网格，基于有限体积法的FVCOM海洋模型建立了象山港三维潮汐、潮流和温盐数值模型，模拟了象山港内三维水动力过程和温盐的季节变化。通过将模拟结果与实测潮位、潮流和温盐资料的比较，验证了模型的有效性和精度，说明模型能够较好地反映了象山港潮汐、潮流的特征以及温盐的变化规律及分布特征。通过对数值模拟结果进行详细分析，得到如下主要结论：

（1）象山港的潮汐类型属于非正规半日浅海潮。狭湾内的M2分潮振幅由口门处的1.3 m逐渐增到湾顶部的1.7 m，浅水分潮作用明显，M4分潮振幅由从口门处的0.1 m增到到港顶的0.5 m。狭湾内涨落潮历时不对称明显，涨潮历时均大于落潮历时，越往港内涨潮历时越长。

（2）由狭湾口门至湾顶，M2分潮流逐渐减弱，其椭圆长轴在湾口、西沪港口和铁港口附近分别为1.2 m/s、0.7 m/s和0.4 m/s左右，走向与岸线的方向基本一致。M2分潮流的椭圆率在狭湾口门外海域介于0.5～0.8，狭湾内则在0～0.1，因此湾内为往复流性质，口门外开阔海域呈旋转流特征。

（3）湾口和湾顶部有着显著的温度差和盐度差。象山港海水温度由湾口向湾顶部逐渐增大，港口和港顶的温度差为4.4℃；与温度分布相反，海水盐度呈湾口部高，由湾口部到湾顶部逐渐降低的趋势，湾口和湾顶的盐度差为3.2。由于狭湾湾内水深地形以及宽度差别明显，距离湾口不同位置的横向断面温度、盐度分布结构特征明显不同。

对象山港水动力场和温盐场的准确计算，说明该模型能够适用于象山港复杂地形的水动力的数值模拟，为进一步对该海域物质输运及生态系统研究奠定基础。

致谢：本文采用的实测潮位潮流和温盐资料均来源于宁波市海洋环境监测中心2009年的海洋水文调查，特致感谢。

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交通运输部将加快五大国际航运中心建设

2014年9月3日发布的《国务院关于促进海运业健康发展的若干意见》指出，要提升海运业国际竞争力。引导要素和产业集聚，加快建设国际海运交易和定价中心，打造国际航运中心。据此，交通运输部将在若干意见的框架下，推动现代航运服务业发展指导意见的出台，加快国际航运中心建设，包括上海、天津滨海新区、大连、武汉和重庆。（殷缶，梅深）

Biography：HAN Song⁃lin（1986-）,male,doctor student.

中图分类号：TV 143；O 242.1

文献标识码：A

文章编号：1005-8443（2014）05-0481-08

收稿日期：2013-11-04；修回日期：2013-12-26

基金项目：国家海洋局海洋公益性行业科研专项（201105009）；国家自然科学基金（51279028）

作者简介：韩松林(1986-)，男，河南省林州市人，博士研究生，主要从事近海水动力和物质输运研究。

Numerical simulation of tides,tidal currents and temperature⁃salinity structures in Xiangshan Bay based on FVCOM

HAN Song⁃lin,LIANG Shu⁃xiu,SUN Zhao⁃chen
(State Key Laboratory of Coastal and Offshore Engineering,Dalian University of Technology,Dalian 116024,China）

Abstract:Based on the unstructured grid,finite⁃volume coastal ocean model(FVCOM),the hydrodynamic and temperature⁃salinity numerical model were established in Xiangshan Bay.The tidal current,wind,the solar radia⁃tion and river discharge were considered in the model.The comparison of the simulated results with the measured data about tide,tidal current,temperature and salinity showed that the model could simulate the hydrodynamic and the distribution of temperature⁃salinity structures.The co⁃tidal chart,the component tidal current ellipses were ob⁃tained from the result.The results show that the tide of Xiangshan Bay is mainly irregular semidiurnal shallow tide. The major axis of M2tidal current component ellipse decreases from the mouth of the bay to the top and the direc⁃tion is parallel to the coastal line.The tidal current is rectilinear current in the fjord and rotary current at the outside of the bay mouth area.There are obvious temperature difference and salinity difference between the mouth and head of the bay.The temperature increases from the bay mouth to bay head and the salinity is just opposite.The vertical profile characteristic of temperature and salinity at different location in the fjord is different.

Key words:FVCOM;tidal current;temperature and salinity；numerical simulation;Xiangshan Bay