莱州湾夏季环流垂向结构及其影响机制的研究

林道荣, 吴文凡, 刘子洲, 殷冰冰, 张 利, 张乃鹏, 孙 超, 袁鹏杰, 翟方国

莱州湾夏季环流垂向结构及其影响机制的研究

林道荣1, 吴文凡1, 刘子洲1, 殷冰冰2, 张 利2, 张乃鹏3, 孙 超3, 袁鹏杰3, 翟方国1

(1. 中国海洋大学 海洋与大气学院, 山东 青岛 266100; 2. 黄河水利委员会 山东水文水资源局, 山东 济南 250100; 3. 东营市水文中心, 山东 东营 257000)

完善莱州湾三维环流结构, 对进一步认识莱州湾海域的物质输运和生态环境保护具有重要科学意义, 但前人对于莱州湾环流三维结构的研究相对较少。本文基于一套高分辨率的海洋数值模式, 从三维角度研究了莱州湾夏季8月份环流的气候态特征及其影响机制。数值研究表明, 莱州湾夏季环流垂向结构呈现双层环流特征, 其中在跨等深线方向, 环流的双层结构环流特征比较显著且存在显著的密度锋面结构。动量诊断的结果进一步表明, 这种双层结构环流的形成与底层密度锋面所导致的斜压梯度力密切相关。此外, 通过量化温盐场对于密度锋面的贡献, 本文证实了温度梯度是莱州湾顶的密度锋面的主要影响因素, 其对斜压梯度力的贡献占比达到99%, 而盐度梯度对于莱州湾中部区域的密度锋面十分重要, 对斜压梯度力的贡献占比达到58%, 这与夏季黄河所带来的淡水通量密切相关。

双层结构环流; 数值研究; 动量诊断; 斜压梯度力; 温盐场

莱州湾位于渤海南部, 平均水深约9 m, 周围有黄河及小清河等河流注入, 是一个紧邻渤海海峡的半封闭型海湾, 其物质输运和水交换与开阔海域存在鲜明的差异[1-2], 而环流是导致这种差异的主要因素之一。莱州湾是山东省内重要自然资源地, 在环渤海经济区中不可缺少[3], 具有较高的初级生产力和物种多样性[4], 是许多重要经济生物的传统产卵、孵化和取食地[5], 长期以来受到学者们重点关注[6-9]。

目前关于莱州湾夏季环流的研究取得了一定的阶段性成果, 但大多数的研究仅局限于环流的水平结构[10-11]。赵保仁等[12]根据实测海流资料研究了渤海环流分布特征, 指出黄河三角洲外海存在着一支东北偏北向流。江文胜等[13-14]通过人工水母实验对渤海夏季环流进行了研究, 指出在渤海海峡处, 海流的运动基本是北进南出。万修全[15]、吴德星等[16]、徐江玲等[17]的研究指出渤海中部区域存在反气旋式环流。熊学军[18]根据现场调查资料研究了渤海夏季环流的动力学特征, 结果表明在渤海海峡, 表层由南到北大部分都是出流, 入流只存在于渤海海峡北部边缘附近。Zhou等[19]通过现场调查和数值模拟方法研究了渤海夏季冷池环流, 结果表明夏季莱州湾口处存在一支东向流。Chi等[20]通过数值模拟方法对莱州湾化学需氧量的空间分布机制进行了研究, 结果表明莱州湾顶的西部区域和东部区域分别存在顺时针和逆时针的环流。目前学者对莱州湾夏季环流的三维结构相关研究较少, 黄大吉等[21-22]利用三维斜压陆架海模式对渤海夏季环流进行了研究, 指出渤海夏季环流存在较为复杂的三维结构。魏泽勋等[23]利用海洋数值模式对渤海夏季环流的三维结构进行了研究, 结果表明密度流是导致渤海海水垂向运动的主要因素。林霄沛等[24]曾提出过莱州湾夏季环流垂向结构上存在双层结构环流特征, 但对其动力机制的探讨较少。寿玮玮等[25]利用三维非线性数值模式对夏季黄河入海径流进行了研究, 指出夏季黄河所带来的淡水通量对黄河口附近海域的垂向环流结构有显著影响。Mou等[26]利用三维有限体积海洋模式对渤海10 m和20 m等水深的斜压过程进行了研究, 结果表明莱州湾夏季20 m水深的斜压过程比10 m水深的斜压过程更为显著。

因此, 为了深入了解莱州湾夏季气候态环流的三维结构特征及其动力机制过程的一般性规律, 本研究建立了一个非结构性网格的三维斜压静力近似的海洋模式, 基于该海洋模型对莱州湾夏季8月份气候态流场进行数值模拟。气候态流场的模拟结果表明, 莱州湾夏季环流垂向结构上存在较为显著的双层结构环流特征。前人的研究表明, 莱州湾夏季风的平均强度较弱, 尤其是8月份莱州湾的风生环流对总环流的贡献总体上比较弱[27], 而温盐驱动的密度流在环流系统中的贡献比较占优势[28-29]。基于环流的气候态模拟结果, 本文采取动量诊断方法探讨莱州湾夏季环流垂向结构的动力影响机制, 并结合海水状态方程量化温盐场在该动力机制过程中的贡献。本文结果对于研究莱州湾海域的夏季环流结构及动力过程、以及物质输运过程具有一定的科学意义。

1 模式设置与验证

1.1 模式简介与模式设置

自20世纪80年代以来, 数值模式作为一种完整的、全方位的工具, 已成为研究海洋物理环境的重要手段。本研究基于SCHISM(Semi-implicit Cross-scale Hydroscience Integrated System Model)模式[30-31]展开。SCHISM模式是美国威廉与玛丽学院张应龙博士联合全球多家科研院所基于SELFE模型[32]最新开发的基于非结构性网格的三维斜压静力近似的海洋数值模型, 该模型具有模拟海洋季风环流、海啸影响、泥沙运输、生物地球化学等模块, 目前已经应用于全球海水运动相关问题的研究和预测。SCHISM模式在近岸模拟中十分灵活, 可以在极高的空间分辨率下运行并且具有极高的效率。相比于正交网格, 非结构化混合三角网格的使用可以高效地分辨莱州湾区域复杂的地形结构, 如岸线、岛屿等。

图1展示了模式计算区域和研究区域。水平非结构网格采用MATLAB的OceanMesh2D工具箱生成, 包含了17 138个节点以及32 370个三角单元, 在近岸和浅水区域通常有更高的分辨率, 水平分辨率介于0.5 km至4.5 km。垂向网格采用了LSC2垂向方案, 在深水网格通常有着比浅水网格更多的垂向层数, 垂向网格数介于19层至30层, 尽可能真实地保留了研究区域的地形特征, 可以更为准确地模拟研究区域复杂的水体交换过程。模式开边界设在北黄海与南黄海的分界线上, 初始场和开边界场都取自HYCOM(混合坐标海洋模型)的月平均气候态数据集, 大气强迫数据取自ERA5(欧洲中期天气预报中心第五代大气再分析数据集)的月平均气候态数据集, 岸线数据取自Open Street Map(开放式街道地图)数据集, 地形数据取自经过当地海图数据校正后的ETOPO1(全球地形高程数据)水深数据集。模式使用的8个分潮来自FES2014(全球潮汐模型)数据集, 模式计算区域内主要的5条河流(辽河、滦河、海河、黄河、鸭绿江)的月平均径流数据取自中国河流泥沙公报。我们在图1(a)所示的区域内进行 10 a的气候态模拟, 其中前9年的模拟作为模式的Spin-up过程, 最后1年的模拟结果用来研究莱州湾区域夏季环流的研究工作。

图1 研究区域的计算网格及水深地形

本文的主要研究内容是莱州湾夏季气候态环流的三维结构特征及其动力机制的一般性规律, 在模式中使用ERA5的月平均气候态数据集驱动风场。夏季莱州湾可能存在较强的天气尺度的变化[33], 使得风场存在高频变化, 风场变化形成的风生环流会对莱州湾的环流结构产生一定的影响。但前人的研究表明, 夏季莱州湾的风生环流对总环流的贡献总体上比较弱[27], 而温盐驱动的环流在环流系统中的贡献比较占优势[28-29], 这说明莱州湾夏季的高频风场变化无法对莱州湾夏季环流造成重要影响, 故本文使用月平均气候态数据集驱动风场是合理的。

1.2 模式验证

图2展示了渤海区域的夏季气候态温度检验结果。现场观测温度数据来自自然资源部北海环境监测中心在2008年至2017年的大规模航次调查, 本研究对现场观测温度数据近10年平均气候态处理, 并利用收敛加权平均插值法将其插值到渤海区域内。图2(a), (b)展示了渤海区域现场观测温度与模式温度的空间分布, 结果表明实测温度与模拟温度在空间分布上较为相似, 高温区域集中在湾顶且向湾外递减, 同时在渤海海峡存在一个低温区域。根据现场观测温度数据的散点位置对模式温度数据进行插值, 现场观测温度和模式温度的对比结果如图2(c)所示, 现场观测温度与模式温度总体上较为吻合, 说明模式对渤海夏季气候态温度的计算是可信的。

渤海夏季气候态深度平均环流的模拟结果如图3所示。结果表明, 模式较好地再现了渤海夏季主要环流特征: 莱州湾外西部存在一股较强的东南向流, 该结果与山广林等[34]基于现场调查资料得到的研究成果一致; 渤海湾东侧和北侧分别存在一个逆时针环流, 该结果与赵保仁等[12]、徐如彦等[35]基于实测海流资料得到的研究成果一致; 渤海中部区域存在顺时针环流, 该结果与赵保仁等[12]、匡国瑞等[36]基于实测海流资料的研究成果一致; 在渤海海峡处, 海流运动基本是北进南出, 该结果与江文胜等[13-14]、熊学军等[18]、Liu等[37]基于现场调查资料得到的研究成果一致。综上所述, 本文对于夏季气候态环流的模拟结果具有较高的可信度。

图3 渤海夏季气候态深度平均环流

2 结果与讨论

2.1 莱州湾夏季表、底层气候态环流三维结构特征

本节对夏季8月份莱州湾气候态环流三维结构特征进行分析, 选取3 m水深处环流表征为表层环流, 选取12 m水深处环流表征为底层环流。图4展示了夏季莱州湾区域表层和底层环流的气候态模拟结果。莱州湾表层环流[见图4(a)]结构较为复杂: 莱州湾顶的西部区域表现为顺时针的沿岸流, 而东部区域表现为逆时针环流, 受凸出的岸线地形影响, 该环流的东侧与北侧更强; 莱州湾中部区域表现为东北向的出流, 流速高达0.07 m/s; 莱州湾外西部区域表现为一股较强的东南向沿岸流, 该沿岸流流至莱州湾中部区域汇入东北向的出流, 随后从渤海海峡南侧流出渤海; 同时, 莱州湾外的西北部区域和东北部区域分别存在一个较弱的气旋型环流和反气旋型环流。莱州湾底层环流[见图4(b)]在莱州湾中部区域表现为与表层环流反向的西南向入流, 流速约为0.02 m/s。底层环流在莱州湾其他区域的表现与表层环流较为相似: 莱州湾外的西北部区域和东北部区域分别存在一个气旋型环流和反气旋型环流; 莱州湾外西部区域存在东南向的沿岸流, 流速比较小, 约为0.02 m/s。环流的气候态模拟结果表明, 夏季莱州湾中部区域环流垂向结构存在双层结构环流特征。

为了深入研究莱州湾中部区域环流垂向结构及其动力机制过程的一般性规律, 本研究自莱州湾里向莱州湾外沿跨等深线方向选取断面, 且分别取东北、东南方向为跨等深线方向和沿等深线方向的正方向。根据莱州湾表、底层流场的模拟结果可知, 跨等深线方向和沿等深线方向的流场均能显著地表现莱州湾中部区域的双层结构环流特征。

断面上的跨等深线方向和沿等深线方向流场如图5所示。在跨等深线方向, 莱州湾中部区域(119°28′48″~119°34′48″E)环流垂向结构出现两个流速相反的高流速中心, 其中表层环流表现为东北向的出流, 流速高达0.05 m/s, 底层环流表现为西南向的入流, 流速高达0.03 m/s。同时, 在高流速中心的西南侧存在较为明显的上升流, 且在流速中心的东北侧存在下降流。在沿等深线方向, 莱州湾中部区域环流垂向结构同样出现两个流速相反的高流速中心, 其中表层环流表现为东南向的出流, 流速高达0.04 m/s, 底层环流表现为西北向的入流, 流速高达0.02 m/s。该结果表明夏季莱州湾中部区域环流呈现双层结构环流特征, 其中跨等深线方向环流的双层结构环流特征比较显著。

图4 夏季莱州湾表底层环流结构

注: 虚线标记断面

图5 垂向环流示意图

注: 黑色虚线之间表示出现双层结构环流的区域, 垂向流速放大3个量级

2.2 莱州湾夏季气候态环流垂向结构的影响机制

2.2.1 表、底层环流的动量诊断

为了进一步探讨莱州湾夏季气候态环流呈现双层结构环流的动力机制, 本研究分别跨等深线方向和沿等深线方向对表、底层环流进行动量诊断。动量方程为:

表、底层环流的动量诊断结果如图6所示。图6(a), (c)展示了环流在跨等深线方向的动量诊断结果: 在莱州湾中部区域, 表层环流主要受到正压梯度力和科氏力的作用, 表现为准地转流, 而底层环流受到的斜压梯度力显著增大, 表现为斜压梯度力与垂直涡黏力、正压梯度力及科氏力的平衡作用; 在莱州湾外, 表、底层环流的各项动量项较小, 近似为定常流动。跨等深线方向动量诊断的结果表明, 莱州湾中部区域表层环流以准地转流的形式往东北方向流动, 而底层斜压梯度力显著增大, 与垂直涡黏力、正压梯度力及科氏力共同维持着底层环流往西南方向流动。图6(b), (d)展示了环流在沿等深线方向的动量诊断结果: 莱州湾中部区域表层环流主要受到正压梯度力和科氏力的作用, 而底层环流主要受到正压梯度力与斜压梯度力的作用; 莱州湾外表层环流主要表现为地转流, 而底层环流主要受到正压梯度力与斜压梯度力的作用。沿等深线方向动量诊断的结果表明, 莱州湾中部区域表层环流以准地转流的形式往东南方向流动, 而底层斜压梯度力往西北方向显著增大, 与正压梯度力共同维持着底层环流往西北方向流动。

综上所述, 莱州湾中部区域表层环流主要以准地转流的形式向莱州湾外流动[19], 而底层斜压梯度力显著增大, 与其他动量项共同维持着底层向莱州湾顶的流动。因此, 斜压梯度力是莱州湾中部区域环流存在双层结构的重要原因。

图6 表、底层环流的动量诊断结果

注: 黑色虚线之间表示出现双层结构环流的区域

2.2.2 温盐场对斜压梯度力的影响

上文提到, 在跨等深线方向莱州湾中部区域夏季气候态环流垂向结构的双层结构环流特征比较显著, 且斜压梯度力是环流存在双层结构的重要原因。由于密度梯度是斜压梯度力的主要影响因素, 本章节将利用温盐场定量估算跨等深线方向温度梯度和盐度梯度对于斜压梯度力的影响。

斜压梯度力为:

海水状态方程为:

=(,,), (3)

因此, 对于方向斜压梯度力可表示为:

图7展示了跨等深线方向温度、盐度及密度的垂向分布。由图可知, 莱州湾顶的温度、盐度及密度在垂向上均没有出现分层现象, 其原因是湾顶的水深较浅, 使得海水混合较为均匀; 莱州湾中部区域温度、盐度及密度在垂向上逐渐出现分层现象, 水体分层的产生减少了垂向混合, 使剪切输运和双层结构环流增强[38]; 沿断面往莱州湾外, 温度、盐度、密度在垂向上均维持着分层现象。温、盐、密的垂向分布结果表明, 莱州湾中部区域底层水体的温度梯度与盐度梯度比较大, 形成密度锋面, 导致底层斜压梯度力比较大。

利用式4定量估算跨等深线方向的温度梯度、盐度梯度及水深压强梯度分别对于斜压梯度力的贡献量。斜压梯度力的估算结果如图8所示, 计算结果表明根据温盐场计算的斜压梯度力与模式输出的斜压梯度力总体上较为吻合, 说明本研究对于斜压梯度力的估算结果是可信的, 水深压强梯度对斜压梯度力的贡献比温度梯度和盐度梯度小7个量级, 温度梯度和盐度梯度是影响斜压梯度力的主要因素。

利用温盐场量化斜压梯度力的结果表明, 温度梯度和盐度梯度对于斜压梯度力的贡献在莱州湾不同区域存在显著差异。莱州湾顶的表层斜压梯度力在x1处出现极值点, 该处温度梯度对表层斜压梯度力的贡献约占99%, 盐度梯度的贡献约占1%, 说明莱州湾顶的密度锋面主要是由温度梯度所主导。从莱州湾顶到莱州湾中部区域, 温度梯度对于斜压梯度力的贡献量在减小, 而盐度梯度对于斜压梯度力的贡献量在增大。表层斜压梯度力在x2处出现极值点, 该处温度梯度对表层斜压梯度力的贡献约占42%, 盐度梯度的贡献约占58%; 底层斜压梯度力在y1处出现极值点, 该处温度梯度对底层斜压梯度力的贡献约占43%, 盐度梯度的贡献约占58%, 说明盐度梯度则对于莱州湾中部区域的密度锋面十分重要。莱州湾中部区域表、底层斜压梯度力的分析结果(见表1)表明, 底层斜压梯度力比表层斜压梯度力增大约450%, 其中盐度梯度的贡献占比约为58%, 温度梯度的贡献约为43%, 说明底层斜压梯度力显著增大受到盐度梯度和温度梯度的共同影响, 其中盐度梯度的影响比较大。沿断面往莱州湾外, 表层斜压梯度力在x3处出现极值点, 该处温度梯度对表层斜压梯度力的贡献约占71%, 盐度梯度的贡献约占29%; 而温度梯度和盐度梯度对底层斜压梯度力的贡献各占50%, 说明在莱州湾外, 盐度梯度对于斜压梯度力的贡献并不占优势。

图7 跨等深线方向的温、盐、密垂向分布图

注: 黑色虚线标记出现双层结构环流的区域

图8 斜压梯度力和通过温盐场定量估算的斜压梯度力

注: (a)表层, (b)底层, 黑色虚线标记极值点位置, x1、x2、x3为表层斜压梯度力的极值点, y1为底层斜压梯度力的极值点

表1 莱州湾中部区域表、底层斜压梯度力及温度梯度、盐度梯度的贡献

注: 温度梯度贡献占比=温度梯度贡献量/斜压梯度力; 盐度梯度贡献占比=盐度梯度贡献量/斜压梯度力

综上所述, 温度梯度和盐度梯度对斜压梯度力的贡献十分复杂, 其中, 温度梯度是位于湾顶的密度锋面的主要影响因素, 对斜压梯度力的贡献占比达到99%, 其原因可能是湾顶的水深较浅, 使得海水混合较为均匀。盐度梯度对于莱州湾中部区域的密度锋面十分重要, 对斜压梯度力的贡献占比达到58%, 这与夏季黄河所带来的淡水通量密切相关。夏季黄河所带来的淡水通量使得河口附近海域的盐度梯度和表层余流显著增强, 导致底层反向流动的补偿流也得到加强, 从而强化了莱州湾中部区域的双层结构环流特征[25]。

3 结论

基于高分辨率海洋数值模式SCHISM, 本文从三维角度分析了莱州湾夏季环流结构的气候态特征,采取动量诊断方法探讨了环流垂向结构的影响机制, 并结合海水状态方程量化了温盐场在该影响机制中的贡献。模式的气候态温度和环流验证结果表明, 本文对于莱州湾流场的气候态模拟结果具有较高的可信度。模拟结果表明, 夏季环流在莱州湾中部区域呈现“表层环流向湾外流动, 而底层环流向湾顶流动”的双层结构环流特征, 其中在跨等深线方向, 环流的双层结构环流特征比较显著且存在显著的密度锋面结构。对莱州湾中部区域表、底层环流动量诊断的结果进一步表明, 双层结构环流的形成与底层密度锋面所导致的斜压梯度力密切相关, 其中表层环流以准地转流的形式往莱州湾外流动, 而底层斜压梯度力显著增大, 与其他动量项共同维持着底层向莱州湾顶的流动。本文最主要的创新之处在于利用温盐场量化了温度梯度和盐度梯度对于斜压梯度力的贡献。由此本文证实了温度梯度是莱州湾顶的密度锋面的主要影响因素, 其对斜压梯度力的贡献占比达到99%, 而盐度梯度对于莱州湾中部区域的密度锋面十分重要, 对斜压梯度力的贡献占比达到58%, 这与夏季黄河所带来的淡水通量密切相关。

本文虽然对莱州湾夏季气候态环流的动力机制过程给出相对合理的量化分析, 但也存在一定的局限性。由于环流结构可能存在年际间变化, 同时莱州湾夏季风场可能存在较强的天气尺度的变化, 这在一定程度上会对环流的模拟结果产生影响。但需要强调的是, 本文只是探讨莱州湾夏季环流及其影响机制的一般性规律, 而不是综合现实世界中所有因素进行讨论。因此, 本文使用了气候态的驱动场驱动模式, 主要分析莱州湾夏季的月平均气候态流场, 后续工作中将搜集更多的水文观测资料[39-40]针对莱州湾夏季气候态环流特征进行深入的探究。

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Vertical structure of summer circulation in Laizhou Bay and its influencing mechanism

LIN Dao-rong1, WU Wen-fan1, LIU Zi-zhou1, YIN Bing-bing2, ZHANG Li2, ZHANG Nai-peng3, SUN Chao3, YUAN Peng-jie3, ZHAI Fang-guo1

(1. College of Oceanography and Atmospheric Sciences, Ocean University of China, Qingdao 266100, China; 2. Yellow River Water Resources Commission Shandong Bureau of Hydrology and Water Resources, Jinan 250100, China; 3. Dongying Hydrology Center, Dongying 257000, China)

Further research on the three-dimensional circulation structure in Laizhou Bay is of great scientific importance to advance our understanding of material transport and ecological environmental protection in the Laizhou Bay waters. However, there are few studies on the three-dimensional structure of the circulation in Laizhou Bay. Motivated by this gap, this paper studies the basic characteristics of summer circulation and its influencing mechanism in Laizhou Bay using SCHISM, a three-dimensional high-resolution ocean numerical model, and the contributions of temperature and salinity to the influencing mechanism were quantitatively measured using the seawater state equation. SCHISM results revealed that the circulation in Laizhou Bay in the summer is characterized by double-layer circulation, with the surface circulation flowing outward and the bottom circulation flowing inward. Momentum diagnosis further showed that the formation of this double-layer circulation structure is closely related to the baroclinic gradient force caused by the bottom density front in which the surface circulation flows out of Laizhou Bay in the form of quasi-geostrophic flow; in contrast, the significantly increased bottom baroclinic gradient force and other momentum terms maintain the bottom flow into Laizhou Bay. In addition, across the isobathic direction, there is a significant density front structure in Laizhou Bay in the summer. By calculating the contribution of the density front, this paper confirms that the temperature gradient is the main factor affecting the density front at the top of Laizhou Bay and contributes 99% to the baroclinic gradient force, and the salinity gradient is very important to the density front in the central region of Laizhou Bay and contributes 58% to the baroclinic gradient force, which is closely related to the freshwater flux brought by the Yellow River in the summer.

double-layer circulation; numerical study; momentum diagnosis; baroclinic gradient force; temperature-salinity field

Nov. 21, 2022

P731.2

A

1000-3096(2023)5-0054-12

10.11759/hykx20221121003

2022-11-21;

2023-01-24

山东省自然科学基金项目(ZR2020MD059)

[Foundation of Natural Science Foundation of Shandong Province, No. ZR2020MD059]

林道荣(1995—), 男, 广东湛江人, 硕士生, 研究方向为海洋环流与数值分析, E-mail: 1511059062@qq.com; 刘子洲(1987—), 山东淄博人,通信作者, 实验师, 主要从事物理海洋学和海洋调查方面的教学与研究, E-mail: lzz2013@ouc.edu.cn

(本文编辑: 丛培秀)