海平面上升导致渤、黄、东海潮波变化的数值研究Ⅰ——现有的渤、黄、东海潮波的数值模拟

采用球面潮波运动基本方程,利用开边界强迫水位条件和考虑天体引潮力,对渤、黄、东海现有的潮波进行数值模拟。模拟包括19个理论系数最大的分潮波,其中半日潮波10个,全日潮波9个,对如此多数目的分潮波进行模拟是第一次尝试。模拟结果与实测资料作了比较。根据模拟获得的调和常数绘制了同潮图,并对潮波运动进行了讨论和分析。     

渤黄东海潮波数值模拟

利用考虑引潮力的非线性球面潮波方程，数值模拟渤黄东海的潮波运动，将计算结果与实测资料作比较。依据所得结果绘制M2，S2，K1，O1和M4的同潮图和潮流椭圆，并进行讨论。研究表明，K1和O1的同位相线在台湾附近先作顺时针方向旋转然后作逆时针方向旋转，该现象是由于大陆架和大陆坡水深分布和台湾存在的结果。同时也发现最大流速时刻比高潮时刻提前，是摩擦和旋转潮液系统中的驻波成份所引起的。对该海区的非线性潮波部分的模拟作了首次尝试。可以看出：M4有18个旋转潮波系统，其中6个作顺时针方向旋转，12个作逆时针方向旋转；在江苏南部海岸和杭州湾口的外海区域以及渤海湾和大部分的莱州湾，由M2引起的潮汐余水位为正，而在海区的其余部分这种余水位为负；由M2引起的潮汐余流总体上向南或向东南方向流动。     

地壳升降对渤、黄、东海潮波系统的影响

利用海平面变化预测模型,预测了渤黄东海未来海平面的上升值。该模型考虑了温室效应和地壳升降。根据潮波运动基本方程和海平面上升的预测值,数值模拟了渤黄东海潮波系统的变化。结果显示,半日分潮(M2,S2)的振幅变化ΔH(或位相变化Δg)有相似的正负分布模式,全日分潮(K1,Q1)的也是如此。考虑和不考虑地壳升降情况下得到的正负分布模式,在黄海存在着较明显的差别,那是由于在黄海存在一个范围很广的海平面变化年速率为负的区域所致。在我国沿岸主要站点,考虑地壳升降情况下获得的主要分潮振幅与不考虑的相比,其中M2分潮的差别最大,其差值范围为-1.8～3.3 cm。在主要站点,利用考虑地壳升降情况下获得的调和常数计算所得的海图深度基准面、最高和最低天文潮位,与利用原调和常数计算所得的相比,海图深度基准面的变化范围为-12.4～14.6 cm,最高天文潮位的变化范围为-11.7～13.0 cm,最低天文潮位的变化范围为-11.9～10.5 cm。     

渤海东海潮波数值模拟

利用考虑引潮力的非线性球面潮波方程，数值模拟渤黄东海的潮波运动，将计算结果与实测资料作比较。依据所得结果绘制Ｍ２，Ｓ２，Ｋ１，Ｏ１和Ｍ４的同潮图和潮流椭圆，并进行讨论。研究表明，Ｋ１和Ｏ１的同位相线在台湾附近先作顺时针方向旋转然后作逆时针方向旋转，该现象是由于大陆架和大陆坡水深分布和台湾存在的结果。同时也发现最大流速时刻比高潮时刻提前，是摩擦和旋转潮波系统中的驻波成份所引起的。对该海区的非线性潮波     

海平面长期变化对东中国海潮波的影响

对1992年10月～2007年9月AVISO高度计融合资料进行分析,得到东中国海海平面变化速率。根据计算出的海平面变化速率,线性外推50和100a后东中国海海平面。采用ECOMSED模式,模拟出当前以及50a,100a后东中国海潮波,分析海平面长期变化对东中国海潮波的影响。结果表明,各分潮振幅、迟角与现有各分潮振幅、迟角之差有一定的分布模式,振幅在大部分地区增大,迟角在大部分地区减小,在深水大洋区振幅和迟角基本不变,无潮点位置相对于现有各分潮无潮点位置均发生偏移。     

莱州湾海平面上升和潮差增大对工程设计标准的影响

通过对黄河口和莱州湾沿岸的实测潮位分析和不同时期渤海潮波的数值模拟,证明了黄河口和莱州湾的潮波随时间推移明显变化。黄河口泥沙大量沉积造成的海洋环境改变是导致潮波变化的主要原因。海平面上升也是引起潮波变化的原因之一。从不同时间的半日潮同潮图和潮汐调和常数可以明显地看出,莱州湾西部的潮汐性质正从半日潮混合潮性质向正规半日潮性质转变。由此引起的平均高高潮位、平均大潮差、平均低低潮位都有明显的增大趋势。沿     

海平面上升对海岸潮差响应的理论解析

应用海湾和半封闭矩形海域改进的Taylor问题的解研究海平面上升对M2分潮旋转潮波系统及沿岸潮差的变化.将南黄海概化为一等深矩形海域,初步研究在海平面上升3 m和5 m条件下该海域旋转潮波系统的演化趋势,继而分析沿岸潮差变化特征.初步分析研究表明:随着海平面上升,该海域M2分潮的无潮点有向东南方向偏移的趋势,受此影响,沿岸潮差呈现不同的变化特征,靠近无潮点的左侧及湾顶海岸变化明显,而远离无潮点的右侧及湾顶海岸则变化不大.     

渤、黄、东海潮汐潮流的数值模拟

利用球坐标系中的二维非线性潮波方程组,数值计算了渤、黄、东海全海区的全日及半日潮汐潮流。沿岸81个潮位站的计算与实测值的比较表明,M₂分潮振幅差平均为7.2cm,相角差为6.4°,m₁分潮振幅差平均为2.6cm,相角差为7.4°,计算与实测符合良好。潮流的比较结果表明,计算与实测的符合程度也是比较好的。文中给出的同潮图同Fang(1986)给出的实测与数值的综合结果基本一致。本计算还证实或首次给出了若干圆流点。如对M₂分潮流,证实了在北黄海山东北部近海及南黄海北部各存在一对圆流点,并在浙江北部近海新发现一对圆流点;对m₁分潮流在苏北浅滩外侧发现一个圆流点,另外在东海东北部(济州岛东南)新给出两个圆流点,东海东南部的弱流区存在三个圆流点,此外,文中还分别讨论了M₂及m₁分潮能通量的传播和消耗情况,并指出从太平洋经吐噶喇海峡及冲绳至宫古岛之间的水道传入东海的m₁分潮,在遇到陆坡的阻挡后,其中有相当部分潮能被反射回太平洋。     

渤、黄、东海8个主要分潮的数值模拟研究

应用MIKE数值模拟软件,采用无结构三角形网格,建立一套计算区域包括整个渤海、黄海、东海以及东海大陆架和琉球群岛的高分辨率数值模型,考虑了实际水深和岸线,外海开边界采用西北太平洋大模型结果的潮位提供,模拟了东中国海潮波的波动过程,对潮波垂直运动过程进行调和分析,得到了渤海、黄海、东海的M2,S2,K1,O1以及N2,K2,P1,Q1八个主要分潮的传播和分布特征。利用中国沿海14个潮位站的调和常数对模型结果进行了验证,验证结果显示模型较为准确可靠。研究结果表明:4个主要半日潮(全日潮)在渤、黄、东海的传播情形基本相似,即潮波在渤海、黄海、东海沿岸的传播性质上类似沿岸开尔文波的传播形态,并且成功再现了计算海域的4个半日分潮无潮点和2个全日分潮无潮点。全日潮振幅各无潮点附近振幅最小,而海湾的波腹区振幅最大,东海潮差呈现近岸方向振幅大、离岸方向振幅小,浙闽沿海振幅也较大,黄海振幅相对较小,渤海振幅在辽东湾和渤海湾顶最大,两个无潮点周边振幅较小。     

黄河口的变迁对邻近海区潮波运动影响的数值研究

研究表明,黄河三角洲附近海区的潮汐和潮流分布具有如下显著特征:黄河口外存在M2分潮的无点潮(方国洪,1986)和S2分潮的无潮点(王淑雪等,1987),以及五号桩海区属于规则全日潮区。 关于黄河口外存在M2分潮无潮点的问题,自Ogura(1936)首次提出以来,一直是本区潮汐潮流研究中倍受重视的问題。据方国洪(1986)的统计,迄今为止,反映在黄河口外存在M2分潮无潮点位置的渤海同潮图的文献已有20篇之多(丁文兰,1985;山广林等,1983;方国洪,1986;方国洪等,1985;方国洪等,1986;王淑雪等,1987;刘爱菊等,1980;孙文心等,1981;沈育疆,1980;侍茂崇等,1985;黄祖珂,1991;An,1977;Fang1986 Nishida,1980;Ogura,1936; ?opИc,1958)。从表1可以看出,历年来不同学者给出的黄河口外M2分潮无潮点的位置各不相同,本文作者认为这主要是由于黄河三角洲的变迁造成的。统计表明,在1855年至1984年间,近代黄河三角洲自套尔河口至淄脉沟口的年淤进速率为0.16km,挑河湾至宋春荣沟口为0.16km,而年淤进速率最大的五号桩区(即直接影响黄河口外M2分潮无潮点位置的区域)的年淤进速率达0.3km。海湾中的无潮点是入射的潮波与自湾顶反射的潮波叠加而形成的节点,由于近代黄河三角洲的海岸线不断向海中推进,在黄河尾闾的不同时期,黄河三角洲海岸线的位置便有显著变化,这必然会使无潮点的位置随着时间的推移而发生变化。然而表1中M2无潮点的不同位置并不完全是由于黄河三角洲岸线变化引起的,由于表1中的多数无潮点的位置是数值计算的结果,而不同的人在数值计算中所用的边界条件和底摩擦应力的表达式及其系数又不尽相同,因此必然造成计算结果的差异。这里值得指出的是王淑雪等(1987)的结果,这一结果是根据1985年8-9月在黄河口外几个站进行连续1个月的水位观测资料得出的M2无潮点位置,在此点上,M2分潮振幅仅为0.8cm。当然,由于渤海潮汐中存在着显著的天文一气象分潮(方国洪等,1986),故根据夏天一个月的潮汐资料分析得到调和常数与由长期(如一年)潮汐资料所得到的调和常数是有差别的,由此而得到的无潮点的位置仍会有一定的误差,但应该说,这一结果所给出的无潮点位置对于清水沟流路的单一顺直阶段的黄河三角洲岸线而言,已是最接近实际的了。既然黄河口的变迁是黄河口外M2分潮无潮点位置的变化的主要因子,那么自1855年以来由于黄河口的不断变迁使黄河口外M2分潮无潮点位置产生了怎样的变化?本文将探讨这一问題。至于黄河口外是否有S2分潮无潮点的问题,或者说,黄河口外曾存在过的S2分潮的无潮点现在是否已经消失仍是人们所关心的问题,本文中也将讨论。 实测表明,在M2分潮无潮点附近的验潮站处,潮位的全日潮分量(即K1和O1分潮)作用突然增大,使黄河三角洲沿岸的潮汐性质发生了显著变化,即不规则半日潮→不规则全日潮→规则全日潮→不规则半日潮(表2)。近一百多年来黄河三角洲的变迁对黄河三角洲沿岸各站的潮汐性质的变化究竟产生了什么样的影响也是本文将探讨的内容之一。 本文将利用数值模拟方法,通过考察不同时期黄河三角洲附近海域潮汐、潮流的分布特征,对上述各问题加以探讨,为黄河口的开发提供依据。     

渤海主要分潮的模拟及地形演变对潮波影响的数值研究

基于FVCOM数值模式,利用1972年和2002年水深岸线数据,分别对渤海主要潮波系统进行模拟,研究了水深岸线变化对渤海主要分潮的影响。结果表明渤海地形演变会引起各分潮无潮点位置移动和振幅的改变,其中M2、S2分潮黄河口附近无潮点位置向东北方向迁移20km以上,且渤海湾湾顶振幅减弱,莱州湾内振幅增强;K1、O1分潮位于渤海海峡附近的无潮点亦向东北方向偏移,移动距离为10km左右,且渤海湾湾顶振幅明显减弱。在此基础上,本文通过敏感性数值实验,对导致黄河口外M2分潮无潮点位置移动的主要因素进行了初步分析。结果显示,在岸线不变的情况下,水深变化导致无潮点向东北方向迁移;而岸线变化导致无潮点向东南方向迁移。     

世界大洋潮波特征的比较分析

对TOPEX/Poseidon(以下简称T/P)高度计资料直接分析得到4个主要分潮(M2,K1,S2和O1)的调和常数,并与5个全球大洋潮波模式的模拟结果和138个验潮站观测资料的分析结果进行了系统比较,得出如下结论:在深水大洋,高度计资料直接分析结果与潮波模式模拟结果较一致;模拟出的无潮点的个数和位置也较一致;半日分潮模拟结果比全日分潮要好。5个模式模拟结果之间的差异相对较小,振幅的绝对偏差在1.0 cm左右,迟角的绝对偏差在10(°)左右。在陆架浅海,不同模型结果差异相对较大。高度计资料直接分析结果比模式模拟结果普遍偏小,尤其在陆架浅海更是如此。     

渤海的潮波系统及其变迁

采用二维非线性潮波微分方程对渤海M_2、S_2、K_1、O_1四个分潮进行数值模拟,得出四个分潮的潮波图,椭圆长短轴图,同潮流时图以及潮汐、潮流性质图和S_2与M_2、K_1与O_1的迟角差图。依此可以系统地了解渤海潮波系统的分布变化规律。依据30～40年代测得的渤海海图以及假设数十年后渤海的岸形对渤海进行数值模拟,从而了解过去和现在渤海潮波的变化情况,以及对未来潮波的变化作出判断。计算表明,从30年代到70年代以来,渤海南部的半日分潮波发生了很大的变化,而日分潮的潮波变化较小。     

渤、黄、东海潮汐、潮流的数值模拟与研究

基于FVCOM海洋数值模式,采用高分辨率的三角形网格,对渤、黄、东海的潮汐、潮流进行数值模拟,并通过比较120个沿岸验潮站和14个潮流观测站的实测与模拟结果进行模型验证,两者符合较好。根据模拟结果,给出了四个主要分潮的潮汐同潮图和5m层潮流最大流速及最大潮流同潮时分布。渤、黄、东海共有5个半日分潮和3个全日分潮的独立旋转潮波系统,且都呈逆时针方向旋转;半日潮流和全日潮流各有12个圆流点;在冲绳岛和奄美岛两侧的4个半日潮流圆流点分别呈对称分布,其中有3个为本文首次给出;在日本九州岛西侧还新给出2个全日潮流圆流点。有关它们的存在性需要实测资料的进一步检验。     

海平面上升导致潮波系统变化的机理(Ⅱ)——基于数值模拟的研究

利用潮波基本方程数值模拟了湾口朝南的不同矩形海湾和曲折岸线海湾中海平面上升引起的潮位振幅和位相变化.根据矩形海湾中的模拟结果可以看出,如果忽略潮波方程中的非线性项,潮位振幅变化△R和位相变△θ的空间分布特征与基于理论模型在矩形海湾所获得的特征相当接近;当考虑方程中的非线性项时,不包括较深的海湾,正负△R的分界线变成1条通过无潮点附近的封闭曲线,而不是线性情况下的1条通过无潮点附近大致东西走向的曲线.另外也发现,在曲折岸线的海湾内,如果忽略非线性项,正负△R的分界线是1条通过2个无潮点的半环状的曲线,当考虑非线性项时,出现2条正负的分界线,它们是通过各自无潮点附近的封闭曲线.就△R的强度来说,非线性项使得正△R的强度减弱,在较浅水海湾中的△R强度大于较深水海湾中的强度,海底横向倾斜的海湾中的莫玆强度大于较浅水海湾中的强度.△R最强的区域位于无潮点附近的一段△R分界线之两侧.     

海平面上升对黄浦江潮位和潮量影响的数值计算

采用1984年8月28日19时—29日24时黄浦江米市;渡至吴淞口水位和流量资料,根据描述河道中水流非恒定流动的Saini-Venant方程组,建立了模拟黄浦江潮位和潮量特征变化的数值模式。考虑未来海平面上升,预测了黄浦江潮位和潮量的变化及对周围环境的影响。计算结果表明,随着海平面的上升,黄浦江潮位相应增加,高潮位的上升值大于海平面上升值;低潮位的上升值小于海平面上升值,潮差增大。在同一海平面上升值下,潮差增量由下游向上游渐渐增大,随着海平面的上升,涨潮量和落潮量都相应增加。     

北印度洋半日潮波的数值模拟研究

基于FVCOM(Finite Volume Coast and Ocean Model)模型,建立北印度洋海域(31^°~102^°E,16^°S~31^°N)的M₂和S₂分潮潮波数值模式,研究北印度洋半日潮潮汐、潮流分布特征。对底摩擦系数进行数值试验,利用代价函数梯度下降法,得到分潮调和常数向量均方根偏差(RMSE)的变化曲线,逼近并确定最优的底摩擦系数。将采用该系数的模拟结果与TOPEX/Poseidon卫星高度计交叉点的调和常数数据、国际海道测量组织(IHO)及部分文献中的验潮站数据进行比较与验证,一致性较好。其中对比卫星数据的振幅偏差为2~4 cm、迟角偏差为7^°~8^°,与验潮站数据的振幅偏差为3~6 cm、迟角偏差为8^°~9^°。根据模拟结果,分析了北印度洋海域M₂和S₂分潮潮波传播特征和潮流椭圆的空间分布特征等。M₂分潮潮波在阿拉伯海南部有1个无潮点,在波斯湾内有2个无潮点,最大振幅超过80 cm;潮流在西北印度洋和孟加拉湾中部大多为顺时针旋转,其余海域大多为逆时针旋转;流速在阿拉伯海东北部、安达曼海、波斯湾和孟加拉湾北部较大,最大流速为160 cm/s,其他海域较小。S₂分潮的潮波传播特征、无潮点的位置和潮流椭圆的空间分布特征等都与M₂分潮类似,但潮波振幅和潮流流速等都相对M₂分潮较小。研究完善了北印度洋海域2个主要半日分潮M₂和S₂的整体特征。     

基于SCHISM模式的全球潮波模拟

基于非结构网格半隐式跨尺度海洋模式（semi-implicit cross-scale hydroscience integrated system model,SCHISM）,作者采用非结构三角网格,对全球大洋潮波进行数值模拟。通过调和分析,将196个潮位站的实测数据与模拟结果进行比较验证,两者符合良好,M₂、K₁分潮同潮图的形态也与TPXO8、FES2014b和NAO.99b模型给出的相似。根据模拟结果,给出了M₂、S₂、K₁、O₁4个主要分潮的同潮图。结果表明,太平洋中存在8个M₂分潮无潮点,大西洋中存在4个M₂分潮无潮点,印度洋中存在3个M₂分潮无潮点。总体上来说,M₂分潮在北太平洋和北大西洋东岸附近海域的振幅大于西岸附近海域的振幅,而在南太平洋和南大西洋情况相反。S₂分潮分布特征与M₂分潮类似,但振幅较小。太平洋中存在5个K₁分潮无潮点,大西洋中存在3个K₁分潮无潮点,印度洋中存在2个K₁分潮无潮点。K₁分潮的振幅普遍较小,在大部分海域不超过30 cm,在北太平洋和南极洲附近海域,由大洋向近岸有增加的趋势。太平洋中存在4个O₁分潮无潮点,大西洋和印度洋中各存在2个无潮点。O₁分潮在大部分海域不超过20 cm,在北太平洋和南极洲附近海域,由大洋向近岸有增加的趋势。最后,讨论了本模型与对比模型之间误差存在的原因。     

烟台北部近岸海域潮流数值模拟

采用ADI法,分别模拟烟台北部海域四大分潮(M_2、S_2、K_1、O_1),得到潮汐潮流性质、潮流椭圆、同潮时线和等振幅线。然后合成四大分潮,对研究海域大潮期的潮流场作了预报,计算结果与实测值吻合良好,再现了该海域复杂的潮波系统。     

台湾海峡及其邻近海域潮汐数值计算

建立二维潮波模式,模拟了台湾海峡及其邻近海域(18-30°N,110-130°E)八个主要分潮(M2、S2、K1、O1、P1、Q1、K2、N2),并利用中国大陆及环台湾岛20多个潮位站的实测资料进行验证,计算结果与实测值吻合良好.此外,给出了八个主要分潮的同潮图,并逐个讨论了潮汐特征.结果显示:⑴台湾海峡中的潮波运动是北部蜕化了的旋转潮波系统和南部的前进潮波系统共同作用的结果.⑵半日分潮南、北两支潮波在台湾海峽中部汇合,而全日分潮则在台湾海峽南部海域汇合后继续朝西南方向传播.⑶半日分潮振幅最高值发生在福建省湄洲湾—兴化湾一带,全日分潮最高值则出现在雷州半岛以东一带近岸海域.⑷N2、K2和O1、P1、Q1分潮的振幅、迟角分布分别同M2与K1分潮的整体分布趋势相似.