舟山本岛北部大麦秆礁海域地形诱发的小尺度涡

赵建丽，丁曾明，郭伟其，邱桔斐，王建锋，马越（.河海大学港口海岸与近海工程学院，江苏南京0098；.日照市岚山区海洋与渔业局，山东日照76808; .上海东海海洋工程勘察设计研究院，上海007）

舟山本岛北部大麦秆礁海域地形诱发的小尺度涡

赵建丽1，丁曾明2，郭伟其3，邱桔斐3，王建锋1，马越3
（1.河海大学港口海岸与近海工程学院，江苏南京210098；2.日照市岚山区海洋与渔业局，山东日照276808; 3.上海东海海洋工程勘察设计研究院，上海200137）

摘要：在舟山附近北至南汇嘴附近，南至象山港附近，东至-60 m等深线附近海域建立了二维潮流模型,通过多个验潮站和实测潮流资料的验证,潮流、潮位计算结果与实测结果符合良好。在此基础上，通过数值模拟，研究了舟山北部大麦秆礁附近海域地形诱发的小尺度涡，Lagrange质点漂移实验也很好地验证了数模的结果。为了研究大麦秆礁的地形对小尺度涡的影响，在数值模型中将大麦秆礁的东北部的岛礁去除，结果显示：涨潮时，大麦秆礁西侧两个小尺度涡减少为一个；落潮时，大麦秆礁东北岛礁东侧两个小尺度涡消失，表明地形是大麦秆礁附近小尺度涡生成的主要原因。

关键词：小尺度涡；大麦秆礁；潮流场；数值模型

1　引言

舟山海域岛屿众多，地形复杂，形成了特殊的水动力环境。大麦秆礁位于舟山本岛北部梁横岛附近，岛礁附近有小尺度涡存在。小尺度涡对周围水域的流场特征、物质输运和海洋环境等有着较为重要的影响，直接关系到近岸水域的开发利用。研究近岸海区涡的性质，不仅可以深入了解其特征、发育过程和生成原因，还可以为近岸水域的建设规划和开发利用中具体工程的实施提供科学指导和决策依据。

舟山群岛海域潮汐类型属于半日潮海区，多年实测平均潮差为1.91—3.31 m。平均涨潮历时为5h40min—5h57min，平均落潮历时为6h28min—6h45min。潮流的运动形式主要为往复流。潮流强度分布变化受地形影响较明显[3]。舟山深水港是浙江沿岸潮差最小海域。潮波变形，但潮差却减小。造成该区域潮差小的原因可能是:舟山海区岛屿众多，水道纵横交错且较深，流路复杂，海区不封闭，故水位不易升高[12]。该海域内潮波主要由M2分潮的前进波控制，并且有迟角GM2自外至内逐渐递增，振幅HM2逐渐递减的规律[7]。舟山群岛内部众多岛屿附近，涨落潮时流场出现涡旋[4]。

基于实测数据和数值模拟，本文对舟山本岛北部大麦秆礁海域小尺度涡的特征、发育过程及生成原因进行研究。

2　舟山附近海域二维潮流场模拟

2.1模型介绍

本文采用Mike21中的水动力模块（HD模块）进行数值模拟[5]。该模型可应用于海岸、河口区域的水动力模拟。HD模块采用非结构化三角形网格，在处理小尺度的潮流动边界、复杂工程建筑物边界等方面具有较好的分辨率和模拟能力，且计算稳定性良好。2.2模型设置

模型北边界至南汇嘴附近，南边界至象山港附近，东至-60 m等深线附近。模型共25048个网格节点，对本文的研究目标舟山北部的大麦秆礁海域适当加密，最大空间网格步长为5100 m，最小空间网格步长为10 m，时间步长120 s。模型开边界水位条件由全球潮波预报模型提供；水深地形资料取自海图。在评估岛礁地形对海流影响的数值试验时，将大麦秆礁的东北岛礁移除，其他设置不变（见图1）。

图1　模拟区域网格布置图

2.3数据来源

本文采用实测潮流数据的地理位置如图2所示。潮位观测时段为2012年10月22日—11月21日，连续观测30天。DD1、DD2和DD3为潮流测站（见表1）。

表1　潮流测站观测时段

2.4模型验证

本文采用实测东福山临时潮位站的观测资料对数值模拟结果进行潮位验证,选取实测DD1、DD2和DD3潮流测站资料进行潮流验证。由东福山站调和常数验证（表略）和潮流验证结果（见图3）可以看出，潮位实测数据和数值模拟两者的调和分析结果符合较好，DD3站落潮流模拟结果偏小，可能是因为在模拟计算时，秀山岛北部的小的岛屿被移除，使峡道过水面积和水深比实际偏大，峡道效应减弱，潮流流速变小。由于DD3站距离大麦秆礁距离较远，对大麦秆礁水动力场的影响可以忽略。除DD3站外，流速平均振幅偏差在4%—10%，平均流向偏差在10°以内，总体说来，潮位、潮流模拟的误差较小,模拟涨落潮流场平顺,也与该海区地形及轮廓相符,模拟的结果基本能反映计算区域水动力场特征,可以用该模型的模拟结果对舟山附近海域的水动力特征进行分析。

图2　站位分布图

3　结果与分析

3.1舟山附近海域潮流

舟山海域由于特殊的地形作用，虽然潮差不大，但潮流流速较大。受岛屿地形岸线约束，舟山海域涨落潮流流向基本与岸线平行。涨潮时，来自西太平洋的潮波从东南向西北方向传播，一部分潮波受舟山群岛阻挡，沿群岛间的水道向西进入杭州湾，另一部分北上向东海北部传播。落潮时，杭州湾落潮流大部分沿南岸经金塘水道和册子水道流向外海，其余部分向东后顺杭州湾北岸流向湾口，在湾口受到长江口落潮流作用，流向变为东南向。舟山海域地形复杂，岛屿众多，岛屿间形成了很多天然水道，如金塘水道、册子水道、虾峙门水道和灌门水道等，由图4可以看出，涨、落潮流在经过这些水道时由于地形的集束作用流速会显著增大。大麦秆礁位于舟山北部，由于秀山岛的束流作用，落潮流速略大于涨潮流速。本文的模拟结果与寿玮玮[3]的模拟结果相符合。

图3　流速、流向验证

图4　二维流场模拟结果

3.2Lagrange质点漂移实验

采用双联浮筒进行Lagrange质点漂移实验，将自容式GPS航迹仪固定在双联浮筒上方对其进行定位，通过对漂移迹线的具体形状以及浮标移动的缓急，可以初步了解大麦秆礁海域的大面流况特征及物质输运过程。

2012年10月23日13 h 33 min在梁横岛和黄它山之间水道北侧口门-15 m等深线附近开始释放浮筒，此时为小潮涨急，开始时浮筒轨迹方向约为346°，13h40 min开始出现转向，逐渐转为西北向，到达大麦秆礁北侧水域时，浮筒角度大幅度调整，开始向偏南方向移动，此时浮筒移动速度约为0.7—0.8 m/s，到大麦秆礁东侧，浮筒移动速度开始减缓，约为0.5 m/s，14h23 min到达大麦秆礁西侧，受小尺度涡的影响，浮筒在大麦秆礁西侧邻近水域缓慢回旋运动，移动速度约为0.1 m/ s，无法继续向西前进，在大麦秆礁西侧海域作回旋运动约2 h后，人工将其脱离小尺度涡（见图5）。

Lagrange质点漂移实验表明，涨潮时在大麦秆礁西侧有小尺度涡存在，且小尺度涡的存在不利于该海域物质的向外输运。

图5　Lagrange质点漂移实验

3.3大麦秆礁海域小尺度涡发育过程

涨潮初期，小尺度涡在紧邻大麦秆礁西侧的水域生成，范围较小，呈椭圆态，此时长轴约150 m左右；近岸小尺度涡作顺时针旋转，外侧的小尺度涡作逆时针旋转。随着涨潮发展，小尺度涡范围逐渐增大，长轴明显增长，小尺度涡中心也逐渐向西移动，形态逐渐变的扁长。到涨急时，影响范围到达大麦秆礁和牛头山中段，小尺度涡长轴继续大幅度增大，约为450 m左右。涨憩时，大麦秆礁近侧小尺度涡消失，外侧的小尺度涡范围达到最大，约为1000 m左右，本文模拟结果与Lagrange质点漂移实验所示小尺度涡符合良好（见图6）。

与涨潮时相似，落潮时小尺度涡也呈椭圆态，落潮初期小尺度涡范围较小，分别在大麦秆礁东北岛礁东侧和梁横岛东侧水域生成。随着流速增大，小尺度涡范围逐渐增大，落急前梁横岛东侧小尺度涡的长轴已达到500 m左右，呈顺时针旋转，小尺度涡中心逐渐向东南方向移动。到落憩时，紧邻大麦秆礁东侧的小尺度涡消失，梁横岛东侧小尺度涡影响范围可达黄它山附近，长轴约为1400 m左右。

3.4地形对小尺度涡的诱生作用

本文通过移除大麦秆礁3个岛礁中的东北岛礁来初步分析地形对小尺度涡的影响，移除大麦秆礁东北岛礁后，涨潮时，大麦秆礁东北岛礁西侧一个小尺度涡消失；落潮时，大麦秆礁东北部岛礁东侧的2个小尺度涡消失，小梁横岛东侧的小尺度涡略向北移，小尺度涡的影响范围略微减小（见图7）。

由上述现象推断，移除大麦秆礁东北岛礁后，导致涨落潮流前进方向岛礁后侧的低压区消失，从而造成涨落潮时邻近大麦秆礁的小尺度涡消失，表明地形是大麦秆礁附近小尺度涡形成的主要因素。

涨潮时，潮流经过大麦秆礁时受地形摩擦阻力影响，消耗了大量动能，流速减小，在摩擦阻力和压差阻力共同作用下，涨潮流在大麦秆礁西侧的升压区滞止，然后向相反方向运动，产生倒流，在大麦秆礁西侧生成2个小尺度涡（图6a）。落潮时，在大麦秆礁东北岛礁东侧生成2个小尺度涡，同时在小梁横岛东侧生成1个小尺度涡。小尺度涡的位置和影响范围会随潮流流速的大小而发生变化。

图6　小尺度涡发育过程

图7　移除东北岛礁后大麦秆礁附近小尺度涡

4　结论

本文在舟山附近海域建立了二维潮流模型,模式结果与实测数据符合较好。在此模型基础上模拟了大麦秆礁附近小尺度涡的发育过程，并通过设置对比模型初步分析了地形对小尺度涡的诱生作用。

（1）舟山海域潮差不大，但受地形影响，峡道处潮流流速较大，大麦秆礁海域位于舟山北部灌门水道东侧，潮流流速较大；

（2）涨落潮初期，小尺度涡在大麦秆礁附近生成，随着涨落潮的进行，小尺度涡中心逐渐远离大麦秆礁，范围也逐渐增大，在涨落憩时小尺度涡范围达到最大。小尺度涡的存在不利于该海域物质的向外输运；

（3）移除大麦秆礁东北部岛礁后，岛礁近侧小尺度涡消失，表明地形是大麦秆礁海域小尺度涡生成的主要原因。

参考文献：

[1]陆青,左军成,郭伟其,等.台州湾附近海域潮汐、潮流特性[J].河海大学学报(自然科学版), 2011, 39(5): 583-588.

[2]陈倩,黄大吉,章本照.浙江近海潮汐潮流的数值模拟[J].海洋学报, 2003, 25(5): 9-19.

[3]寿玮玮,吴建政,胡日军,等.舟山群岛附近海域三维水动力数值模拟[J].海洋地质动态, 2009, 25(11): 1-9.

[4]熊伟,刘必劲,孙昭晨,等.宁波舟山近海三维潮汐潮流数值模拟[J].水道港口, 2011, 32(6): 399-407.

[5]娄安刚,郑嫣茹,李晓静,等.丁字湾规划对其水动力与纳潮量影响研究[J].海洋湖沼通报, 2012, (4): 171-176.

[6]陈倩,黄大吉,章本照,等.浙江近海潮流和余流的特征[J].东海海洋, 2003, 21(4): 1-14.

[7]曹欣中,唐龙妹,张月秀.宁波、舟山内海域实测海流分析及潮流场的数值模拟[J].东海海洋, 1996, 14(2): 1-9.

[8]蒋国俊,金如义,顾建明,等.舟山马岙峡道的水文泥沙特性和峡道效应[J].海洋通报, 2001, 20(1): 15-22.

[9]倪勇强,耿兆铨,朱军政.杭州湾水动力特性研讨[J].水动力学研究与进展, 2003, 18(4): 439- 445.

[10]朱建荣.海洋数值计算方法和数值模式[M].北京:海洋出版社, 2003.

[11]蒋国俊.舟山群岛峡道水动力及沉积特性[J].浙江大学学报(理学版), 2001, 28(1): 82-91.

[12]陈倩,黄大吉,章本照,等.浙江近海潮汐的特征[J].东海海洋, 2003, 21(2): 1-12.

Small-scale eddy caused by the Damaigan reefs in Zhoushan

ZHAO Jian-li1, DING Zeng-ming2, GUO Wei-qi3, QIU Ju-fei3, WANG Jian-feng1, MAYue3
（1. College of Harbour, Coastal and Offshore Engineering, Hohai University，Nanjing 210098 China；2. Ocean and Fishery Bureau of Lanshan district of Rizhao，Rizhao 276808 China；3. Shanghai East Sea Marine Engineering Survey Design Institute，Shanghai 200137 China）

Abstract：A two-dimensional tide and tidal current numerical model is established to study hydrodynamic characteristics in Zhoushan islands. According to the observed data from tide gauges stations, the modeled tidal current and tidal level are reproduced well. The small-scale eddy near the Damaigan reefs is simulated by the numerical model, and is validated by the Lagrange residual current experiment. A reef is removed to study the influences of topography near the Damaigan reefs on the small-scale eddy. The results show that when the high tide, small-scale eddy decreases to one on the west of Damaigan reefs. During the ebb tide, two small-scale eddies on the east of the removed reef are disappear. The small-scale eddy on the east of Xiaoliangheng island move northward, indicating that topography caused the generation of small-scale eddy.

Key words：small-scale eddy; Damaigan reefs; tidal flow fields; numerical simulation

作者简介：赵建丽（1987-），男，硕士研究生，主要从事潮波动力学研究。Email: hhuzhaojl@126.com

基金项目：海洋公益性行业科研专项（201105009；201105010）；江苏省普通高校研究生科研创新计划（CXZZ11_0422）

收稿日期：2014-03-12

DOI:10.11737/j.issn.1003-0239.2015.01.005

中图分类号：P731.23

文献标识码：A

文章编号：1003-0239（2015）01-0033-06