三沙湾余环流特征数值模拟研究

，，

(福建省水产研究所，福建 厦门 361013)

2017-07-19

福建省省属公益类科研院所基本科研专项(2015R1003-4).

林建伟(1981-)，男，助理研究员，硕士研究生，主要从事海湾河口水动力环境研究.Tel：13696926085.E-mail：frilinjw@126.com

游远新(1969-)，高级工程师，主要从事海域海岛开发与保护研究.E-mail：13950066060@139.com

林建伟，游远新，刘国昕.三沙湾余环流特征数值模拟研究[J].渔业研究，2017，39(5)：331-341.

三沙湾余环流特征数值模拟研究

林建伟，游远新*，刘国昕

(福建省水产研究所，福建 厦门 361013)

本文基于ROMS模型，同时考虑温度、盐度和流场以及海表的净热通量、水气通量、动量通量和地表径流，建立三沙湾精细化水动力数值模型。结合实测水文资料，对基于ROMS的三沙湾水动力模型进行验证，并研究了三沙湾的潮(余)流场分布特征，对潮(余)流场的空间分布进行了描述分析。结果表明：本文建立的三沙湾水动力模型能够较好地反演三沙湾海域的潮(余)流场分布特征；由湾外至湾顶，余流呈减小的趋势，湾外余流最大约为12 cm/s，湾内较小，余流平均约为1 cm/s；垂向上，表层余流大于底层余流，表层余流指向湾外，而底层余流则指向湾内；本模型较好地再现了三沙湾水体层化和垂向余环流结构。

ROMS模型；三沙湾；余流；数值模拟

三沙湾形状似伸展的右手掌，海湾被罗源、东冲半岛环抱，仅在东南方向有一个狭口——东冲口与东海相通，口门宽约3 km，是个半封闭的海湾；四周为山环绕，海岸曲折复杂，主要由基岩、台地和人工海岸组成，岸线总长度为553 km；水域开阔，海湾总面积为784 km2，西北侧有赛江、霍童溪等中小河溪注入[1]。湾内海底地形崎岖不平，侵蚀和堆积地形都很发育，湾中有许多可航水道、暗礁、岛屿和浅滩；三都、东安、青山等岛屿是湾内主岛；东冲水道、青山水道和金梭门水道是湾内主航道；湾内各小湾顶及浅水航道两侧常有浅滩和干出滩发育。湾内最大水深达90 m，是我国的天然良港之一[2]。

三沙湾独特的地形和水域条件，为湾内的海洋生物生长、繁殖提供了有利的条件。20世纪80年代，三沙湾官井洋被批准为大黄鱼自然保护区之后，海上水产养殖迅速发展，成为全国最大的大黄鱼网箱养殖地区[3]。同时，随着环三沙湾地区的经济发展，该区域30余年来的围填海活动也较频繁，至2013年，围填海总面积达16 122.99 hm2[4]。根据该地区的相关规划，环三沙湾地区的围填海面积还会进一步增大。

围填海活动将减小湾内的水域面积，减小海湾纳潮量，影响海湾的水交换能力和海湾的水动力环境。潮流作为海洋特质输运的动力基础，将对海湾内的溶解物质和悬浮物质(营养物、泥沙、污染物等)的输移起重要作用。余流的量值虽小，但它指示了水体的输移和交换情况，对湾内物质的长期输移、扩散、沉积等有着密切的关系。所以开展三沙湾水动力及其余流特征基础研究，充分认识三沙湾物质输运的动力基础，对于今后研究围填海活动对三沙湾水动力及水体交换能力的影响，以及对航道回淤和水质的影响具有重要意义。目前，海洋工程通用的模型有MIKE21、FVCON、DELFT3D和SMS等，各个模型有不同的算法和适用范围。根据本次研究的目的，本文选用目前广泛应用的开源模式ROMS来研究三沙湾的潮余流结构特点。

1 模型介绍

ROMS(Regional Ocean Modeling System)是近年来由Rutger University与University of California at Los Angeles共同研究开发的三维非线性的斜压原始方程模式，该模型在海洋科学中有着广泛的应用[5-7]。ROMS在水平方向上可采用曲线正交坐标系，并使用“Arakawa C”交错网格，可以增大关注区域的分辨率；而在垂向上采用S坐标系(Stretched Terrain-following Coordinates)[8]，可以加密表、底层，提高模型在温跃层和底边界层的解析度，并且可以客观反映出流场受海底地形变化的影响，减少Sigma坐标带来的计算误差[9]。在时间算法上采用时间分裂技术，对内外模态独立求解，可以提高计算效率。ROMS在边界条件的选择、对流项的计算，提供了多种高精度的数值算法，尤其在湍流闭合模式上提供了诸如MY2.5[10]、GLS[11]、LMD[12]等经典算法。此外，ROMS还耦合了泥沙模块[13]、生态模块[14]等子模块，并通过C语言预处理技术(C-preprocessing)激活上述不同的物理及数值选项。

1.1控制方程

ROMS模式方程是采用Boussinesq近似和流体静力近似的NavierStokes方程，在笛卡尔坐标系下的方程形式为：

(1)

(2)

(3)

ρ=ρ(T，S，P)

(4)

(5)

(6)

(7)

(8)

上述公式中，公式(1)代表连续性方程；公式(2)和公式(3)分别代表X方向和Y方向的动量方程；公式(4)代表静力平衡方程；公式(5)是状态方程；公式(6)和公式(7)分别是温度以及盐度的物质输运方程；公式(8)代表了除温盐以外如泥沙、营养盐、污染物等的物质输运扩散方程。其中u、v为水平方向(X和Y方向)的速度分量，w为垂直方向的速度分量。f表示科氏力参数，g表示重力加速度，ρ0表示参考密度，p表示正压和斜压造成的压强。ρ表示海水的局地密度。T为温度，S为盐度，C为其他物质。KM和KH是垂向粘性和扩散系数，通过求解湍流闭合模式得到。Dx、Dy为X和Y方向的动量水平粘性项，Dc是物质水平扩散项。Fx、Fy分别是X和Y方向的外部应力项，Fc表示物质的源汇项。

1.2边界条件

海表面z=δ(x，y，t)处，考虑海表风应力与热盐通量：

(9)

(10)

(11)

τsx、τsy为海表风应力；H为海表净热通量；S为海表净盐通量。

海底z=-h(x，y)处，受底摩擦作用，海底热、盐通量均为0；

(12)

(13)

(14)

τbx、τby为海底摩擦力，与海底流速的平方成正比。

而对于外海开边界条件，由10个潮汐调和常数推算开边界的水位和流速，运用Chapman水位边界条件和Flather二维流速边界条件进行计算，外海三维流速及温盐用强制边界条件。河流采用点源边界条件。

1.3数值模拟及验证

三沙湾岛屿众多，岸线曲折复杂，流态复杂，因此模型选取了包括三沙湾、罗源湾及其周边海域在内的计算区域(图1)。对计算区域采取正交曲线网格离散，网格数为307×217，网格空间尺度分辨率最小为270 m×270 m，最大为390 m×250 m。垂向分25层，根据水深平均等分。图2为模型计算网格图。模型计算时间步长取30 s。

1.3.1 模型区域边界条件

模型开边界采取水位控制。

模型初始场及开边界的温、盐、流等参数均参考厦门大学台湾海峡业务化模式结果插值得到，同时开边界水位加入由潮汐调和常数计算得到的潮位。

陆域边界同时考虑现行的法定岸线和三沙湾现状围填海区域。

闭边界采取自由滑移边界条件，与闭边界垂直法向流速为零。

海表的热通理，水通量及动量通量均来自福建省海洋预报台的WRF大气模式结果。

三沙湾海域水深地形数据采用海军航海保证部2015年版三沙湾海图(图号：13971)和海军航海保证处2014年版盐田港及白马港海图(图号：13975)数字化后得到。

在三沙湾项相应的网格上加入了“源”，以反映赛江的年平均径流量69.69×108m3。

1.3.2 模型验证

本模型利用本公益项目资助的外业调查潮流数据和收集到的同步潮流数据进行模型验证。验证点站位如图1所示，包括了6个潮流观测站(1#～6#)以及2个潮位同步观测站(T1和T2)。图3分别为1#～6#潮流观测站在观测期间的垂直平均流速、流向的验证曲线和T1、T2潮位观测站在观测期间的验证曲线。由图3可见，1#～6#观测点的计算流速、流向过程，以及T1、T2潮位变化过程曲线与实测过程变化趋势较为一致；模型验证情况详见表1和表2。由表1可见，1#～6#观测点的涨落潮平均流速的偏差值均较小，相对误差均小于10%，其对应的流向误差小于10°；由表2可见，T1、T2平均高、低潮位的偏差值在±10 cm以内；均符合技术规范[15]对潮流场的验证要求。表明模型采用的物理参数和计算参数基本合理，计算方法可靠，能够模拟研究区域潮波运动特性。

表1 1#～6#潮流站流速、流向验证情况表

站位Station涨潮平均流速/m·s-1Averagevelocityinfloodtide涨潮平均流向/°Averagedirectioninfloodtide落潮平均流速/m·s-1Averagevelocityinebbtide落潮平均流向/°Averagedirectioninebbtide观测Observed计算Computed偏差Deviation观测Observed计算Computed偏差Deviation观测Observed计算Computed偏差Deviation观测Observed计算Computed偏差Deviation1#0.410.459.76%354348-60.520.531.92%165157-82#0.510.545.88%1710-70.500.5510.00%18718813#0.390.427.69%6050-100.390.427.69%233228-54#0.590.648.47%4400.530.577.55%170180105#0.370.408.11%256248-80.340.378.82%9410176#0.590.613.39%3331-20.600.635.00%2082179

表2 T1和T2站潮位验证情况表

2 结果与讨论

2.1三沙湾潮流场数值模拟结果

图4(a)和图4(b)分别是三沙湾及其周边海域在现状边界条件下的涨、落潮流场分布图。由图4(a)可见，在涨潮过程中，外海潮流以约0.7 m/s的流速由外海绕过浮鹰岛和海岛乡，一小部分潮流朝W向由罗源湾口门涨进罗源湾，大部分潮流则朝WN向穿过三沙湾口门，沿着湾内主潮流通道进入三沙湾海域；涨潮流在三沙湾内主航道(深槽)的流场较强，如在三沙湾口门，由于口门过水断面较小，其最大涨潮流速超过1 m/s，流向为NNW向，在盐田港主航道上的最大涨潮流速可达0.8 m/s，流向为N向，在白马河主航道上的最大涨潮流速为1.0 m/s左右，流向NW向，在三都镇北侧海域的涨潮流速约为0.6 m/s，流向为W向，在东吾洋东安岛的西南侧海域，流速约为0.8 m/s，流向为ENE向；而在水深较浅的海域流场较弱，流速小至0.1 m/s左右，涨潮历时约6.3 h。由图4(b)可见，落潮流沿着涨潮流的反方向流出湾外，在白马河的落潮流向为SE向，在盐田港内的落潮流向为S向，在东吾洋东安岛的西南侧落潮流向为SW向，在三都镇北侧海域的落潮流向为ESE向；落潮时，在八都镇、漳湾镇、三都镇、沙江镇附近和长春镇西侧等澳内浅滩地区有大面积的滩涂露出[图4(b)中湾内空白区域]；落潮流以较大的流速流出湾外；这基本上反映了三沙湾海域的地形特征，落潮历时约6.0 h。

2.2三沙湾余流场数值模拟结果

余流是指海流中剔除潮流后的运动，是一种相对比较稳定的海水流动，对污染物质的长期输运影响较大。本文基于ROMS模型，综合考虑各方面环境要素，在潮流场模拟的基础上，对三沙湾及周边海域的冬季余流场进行了模拟。图5(a)至图5(c)分别为三沙湾及周边海域冬季表、中、底层余流场分布图。

由图5(a)可见，冬季三沙湾口的表层余流基本态势为南出北进，落潮余流与涨潮余流在湾口相互顶托，落潮余流场占主导地位；从矢量场可以清晰地看出，在北壁乡的东南岸边、鉴江镇与北壁乡之间(鸡公山南侧海域)，具有形成余流涡旋的趋势；青山岛东侧余流整体上朝S向；青山岛以北的三沙湾深槽，具有较强的余流场，其余海域余流场较弱；在内、外湾口上，余流强度表现为湾内、外的不对称性，强流区发生在青山岛至湾口及其东南侧海域，最大余流流速为12 cm/s左右，弱流区发生在整个三沙湾内，在盐田港和东吾洋的余流流速约为1 cm/s，而在白马河的余流流速约为3 cm/s，这与白马河的赛江地表径流有关。

由图5(b)可见，中层余流流速较表层余流小，中层余流在湾口基本态势仍为南出北进，但落潮余流场与涨潮余流场处于相对平衡的状态，并在北壁乡的东南岸边、鉴江镇与北壁乡之间(鸡公山南侧海域)，已形成两个较为明显的余流涡旋结构；不同于表层，青山岛东侧中层余流整体上朝N向，青山岛以北的三沙湾深槽也没有较明显的强余流场，整个三沙湾海域的中层余流场较弱，但白马河的中层余流场与表层一样，由于地表径流的输入导致余流场强于盐田港和东吾洋。在内、外湾口仍存在余流强度的不对称性，湾口较大一般约为9 cm/s，湾内则明显小很多。

由图5(c)可见，底层余流流速相比中层余流流速差别不明显，底层余流在湾口态势仍为南出北进，但涨潮余流场处于主导地位，并在北壁乡的东南岸边、鉴江镇与北壁乡之间(鸡公山南侧海域)，形成两个较为明显的余流涡旋结构；与中层余流场相同，青山岛东侧底层余流整体上朝N向，青山岛以北的三沙湾深槽也没有较明显的强余流场，整个三沙湾海域的底层余流场较弱，白马河的底层余流场仍强于盐田港和东吾洋。在内、外湾口仍存在余流强度的不对称性，湾口较大一般约为8 cm/s，湾内则明显小很多。

由以上各图可见，三沙湾的余流场呈明显的层化现象，表层和底层余流在湾口、青山岛东侧、青山岛北侧深槽等区域均表现出不同的态势。在湾外，苔菉镇附近海域，表层余流表现为落潮，中层余流开始出现转流，底层余流则表现为涨潮。在湾口，表层余流整体上表现为落潮，而底层余流则整体上表现为涨潮；表层余流表现涡旋结构的趋势，而底层则清晰地表现出两个余流涡旋。在湾内，表层余流较大，底层余流较小。

3 结论

本文基于ROMS模型，在同时考虑温度、盐度、流场和海表的净热通量、水气通量、动量通量和地表径流，以及三沙湾及周边海域现状围填岸线和水深地形的基础上，建立了三沙湾的潮流模型，结合实际测流资料，模拟了三沙湾潮流和余流特征，主要结论如下：

1)基于ROMS建立的三沙湾潮流模型计算结果与实测结果吻合得较好，能够为下一步的水体交换模拟计算提供可靠的水动力数据。

2)三沙湾潮流模型计算结果再现了三沙湾的潮流分布特征：在湾内深槽通道的流速大，流向与水道走向基本一致；三沙湾地形复杂，岛屿星罗棋布，水域多呈水道形式，潮流呈往复流，流向基本与岸线平行，潮流受地形的影响较为明显；一般落潮流速大于涨潮流速。

3)根据余流场模拟计算结果，三沙湾的余流场总体表现为：三沙湾外的余流场强于湾内，这指示着三沙湾外的水体输移和交换能力强于湾内；三沙湾及湾口的表层余流方向整体表现为东南，这种形态和已报道的三沙湾冬季余流方向相吻合[2]，而底层余流则无此特点，这说明了三沙湾表层余流受风场的影响较大。

4)三沙湾口的表、中、底层余流场，表现出清晰的余流涡旋结构；表层的落潮余流占主导地位，而底层的涨潮余流占主导地位，这个结果充分体现三沙湾口存在垂直余环流结构。

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NumericalstudyofthetidalresidualcurrentsinSanshaBay

LINJianwei，YOUYuanxin*，LIUGuoxin

(Fisheries Research Institute of Fujian，Xiamen 361013，China)

Based on the ROMS model，considering the temperature，salinity，currents，net heat，moisture，momentum and runoff，this paper built the hydrodynamic numerical model in Sansha Bay.Combined with the observed data，the hydrodynamic numerical model was validated，the spatial distribution and distribution characteristics of tidal residual currents were researched and analyzed.The results showed that the model based on ROMS could reflect the distribution characteristics of tidal and residual currents in Sansha Bay well；the tidal residual currents decreased from outer to inner of the bay；on the vertical section，the surface residual currents were larger than the bottom residual currents；the surface currents flowed out of the bay，while the bottom currents flowed into the bay；this model clearly performed the water stratification and vertical structute of residual circulation in Sansha Bay.

ROMS model；Sansha Bay；tidal residual currents；numerical simulation

P731.2

A

1006-5601(2017)05-0331-11