有限体积海岸海洋模型模拟泉州湾人工岛建设对水交换的影响

以泉州湾秀涂人工岛的建设为例,基于有限体积海岸海洋模型,建立泉州湾三维数值模型,模拟分析建岛前、后水动力特征、潮致余流和纳潮量的变化.采用欧拉弥散方法模拟污染物浓度的对流扩散,对泉州湾的水交换能力进行分析.结果表明:建岛后,大部分海域的海潮流速约减小0.1 m·s-1;石湖港区人工岛连线以西大部分区域的潮致余流变化不显著,但湾口的潮致余流出现较为明显的减少;纳潮量的变化较为明显,小潮期间纳潮量的变化率为10.09%,使小潮期间湾内水体与外海的交换能力变弱,更易遭受污染威胁;洛阳江流域和金屿的污染物浓度差变化较大,导致湾内水体的半交换时间约增加3 d.

FVCOM与ROMS在美国东海岸洋流模拟的对比研究

ROMS与FVCOM是在美国东海地区应用较为普遍的两种海洋模型,常采用模拟粒子轨迹的手段解决沿海海洋问题。在实际应用前,对模型在洋流模拟上精度的验证是至关重要的。本文使用2004至2010年在美国东海岸部署的drifter,通过与模型模拟轨迹对比的方法对第三代FVCOM海洋模型(GOM3)与ROMS(GOMOFS)模型的表层洋流模拟能力进行评定,采用分离率与距离比两种精度指标,得出ROMS模型的表层洋流模拟能力优于FVCOM模型。

基于FVCOM多种定解条件的数值分析与评估

利用7套温盐初始场、5套开边界强迫场海洋数据产品与温盐流观测数据,基于有限体积海岸模型(Finite-Volume Coastal Ocean Model,FVCOM),开展数值模型的初始场敏感性试验与开边界敏感性试验,定义一个分叉角度指标描述黄海暖流分叉特征,利用小波分析和功率谱分析方法研究分叉角度的冬季季节内变率,进而分析冬季东中国海的流场结构,包括黑潮、台湾暖流、对马暖流等的路径、来源特征。结果表明:在渤、黄、东海中,使用涡解高精度海洋模型(OGCM for the Earth Simulator,OFES)的再分析数据作为温盐初始场,以及使用简单海洋数据同化资料(Simple Ocean Data Assimilation,SODA)作为开边界强迫场时,温盐流与观测值综合偏差最小,FVCOM的冬季数值结果最可靠;使用分叉角度指标可以直观地描述冬季黄海暖流的消退变化,受风场影响,分叉角度存在3 d、5~8 d的强周期变化。

基于FVCOM的渤海潮波数值模拟

基于有限体积法海洋数值模型(FVCOM),对渤海当前水深岸线状况下的潮汐潮流进行了数值计算。模式采用不规则三角形网格,较好地提高了黄河口处网格分辨率,模拟了渤海海域K1,O1,M2和S2四个主要分潮。利用渤海沿岸19个验潮站的资料对模拟结果进行了验证,K1分潮振幅绝均差2.39 cm,迟角绝均差4.36°,O1分潮振幅绝均差1.40 cm,迟角绝均差4.29°,M2分潮振幅绝均差为3.55 cm,迟角绝均差为5.69°,S2分潮振幅绝均差1.72 cm,迟角绝均差8.86°,结果显示各分潮模拟结果合理,较真实地反映了渤海海域四个分潮传播情况。

基于FVCOM的虎门水道盐水入侵三维数值模拟

采用不规则网格有限体积近岸海洋三维模型FVCOM(finite volume coastal ocean model),对2001年虎门水道至伶仃洋的盐水入侵现象进行数值模拟,并采用多个站的实测潮位、盐度对模型进行了率定和验证,然后对其水动力特性、盐度的时空变化规律及其垂向分层现象进行分析。结果表明,水位的模型预测值与实测值之间的相关系数达到0.93以上,绝对平均误差小于0.1m;盐度模拟的相对误差能控制在10%以内;大虎站表底层的流向较为一致,盐度表现出明显的分层现象;而漳澎站多次出现表底层流向相反的情况,盐度的垂向混合较充分;文章构建的模型能够较好地模拟盐水入侵的最大距离,虎门水道大潮时入侵距离和强度均大于小潮时,盐水楔活动受潮流强弱变化影响显著。

渤海海冰演化的三维数值模型

基于非结构化网格、有限体积三维海洋模型FVCOM建立了海洋-海冰耦合的渤海海冰数值模拟系统.模型中考虑了海冰动力过程和海冰热力过程,讨论了适合渤海的冰厚度分类规则、临界冰厚、短波辐射在冰内的透射率以及冰的热传输系数的合理取值.利用美国国家环境预报中心(NCEP)一小时一次的再分析气象数据作为驱动对2003—2004年冬季渤海海冰过程进行了模拟.模拟的渤海温盐计算值与实测值吻合较好,模拟的渤海冰盖分布与同期卫星遥感结果接近,模拟的辽东湾初冰日、终冰日的海冰面积、海冰厚度及其最大值和最大值对应的时刻与实测值基本一致.模拟与实测结果对比表明,建立的三维海冰数值模型能比较合理地反映渤海动力过程、气象条件影响下的温盐场过程以及渤海海冰的生消演化过程,具有较高的计算精度和计算效率,适合用于渤海海冰中长期数值模拟.

潮-径相互作用下甬江总氮污染的降解、扩散及分布模拟

基于非结构有限体积法海洋模式(FVCOM)建立了宁波—舟山海域的水动力模型,结合海域海水监测数据分析了区域内总氮浓度的分布情况及影响污染物输运的动力因素,进而采用表观降解系数方法在示踪物(DYE)模块中补充了浓度衰减机制,从而对甬江入海总氮污染物在2021年丰水期条件下的降解、扩散及分布进行了模拟分析.模拟结果表明,甬江输入到宁波—舟山海域的总氮污染物是造成2021年夏季宁波市镇海区、北仑区近岸海域海水总氮浓度出现高值的重要因素.在潮汐和甬江径流的共同作用下,甬江输入到宁波—舟山海域的总氮污染物将在短期内显著影响到宁波市镇海区东部和北部海域海水质量.以2021年夏季为例,考虑降解过程后,模拟结果显示甬江输入的总氮污染物在90d内使宁波市近岸站位海水总氮浓度增加约0.7mg/L.

基于GOCI和FVCOM的黄河口切变锋特征与泥沙输运研究

本文以黄河口切变锋为对象,基于静止轨道海洋水色成像仪(Geostationary Ocean Color Imager,GOCI)遥感数据和水沙观测数据,建立了高精度的渤海海表悬浮体浓度(Suspended Sediment Concentration,SSC)反演公式,采用最大互相关(Maximum Cross Correlation,MCC)法和SSC梯度相结合的方法,有效识别了遥感观测的锋面时空特征;同时基于有限体积海岸海洋模型(Finite-Volume Community Ocean Model,FVCOM)建立了适用于渤海的水动力模型,将FVCOM流场数据与海表SSC相结合,研究了黄河口切变锋对悬浮体通量的影响与河口泥沙输运路径。结果表明,切变锋从黄河口往东南方向移动,历时2~3 h,消失于10 m等深线附近,内涨外落(Inner-Flood-Outer-Ebb,IFOE)型切变锋的长度较内落外涨(Inner-Ebb-Outer-Flood,IEOF)型更长,IFOE型切变锋的平均长度约为22.4 km,最长能达到41 km以上,而IEOF型切变锋平均长度约为16.9 km;IFOE型切变锋消失的位置较IEOF型偏南。切变锋带由于具有低流速特征,能显著减小悬浮体通量,使大部分泥沙沉积在河口。切变锋处悬浮体通量不足其内侧的50%,超过50%的悬浮泥沙被切变锋阻隔在锋面内侧。切变锋使悬浮体通量提前减小,在6 m以浅海域即开始锐减。在潮流和锋面的影响下,非汛期黄河口泥沙主要往南或东南向莱州湾中部输运,再往东北输向莱州湾外,极少部分往西北和渤海中部输运。

非结构有限体积法海洋模式垂向计算的一种改进方法

多维正定平流输运算法(MPDATA)通过迭代计算反向虚拟平流,在达到二阶精度的同时保证保守量正定性。基于非结构有限体积法的海岸和海洋模型(FVCOM),设计了一个耦合MPDATA和通量修正格式(FCT)的方法,并与水平方向有限体积法兼容。通过两个数值试验,将新方法FVCOM模型与原始FVCOM模型计算结果进行了比较。结果表明,MPDATA方法在一定程度上消除了FVCOM海洋模型原有格式引起的振荡,而MPDATA和FCT耦合方法严格保证了FVCOM计算结果正定性,同时保留了原有计算精度。

北部湾三维潮汐潮流数值模拟

潮汐潮流变化对海洋建设、民生、国防等方面都有重大意义,深入了解北部湾潮汐潮流变化可为北部湾沿海港口航道建设等提供重要的参考依据。本文基于有限体积海岸海洋模型(Finite-volume coastal ocean model,FVCOM)建立了一个三维潮汐潮流数值模型,对北部湾的潮汐潮流进行数值模拟分析,同时收集了历史潮位站、2个实测潮位站以及4个海流实测站点数据对模型结果进行对比验证。结果表明,北部湾湾内以规则全日潮为主,湾内同时存在规则全日潮流、不规则全日潮流以及不规则半日潮流,潮流运动形式主要以往复式潮流为主。在涨落急流场中,最大流速点位于琼州海峡口处,流速达到157 cm/s,计算得到的最大可能流速也位于琼州海峡内。北部湾内余流平均流速为2 cm/s,余流通过琼州海峡从外海进入北部湾,并沿着广西近岸流动,在湾内形成一个气旋式环流。通过与实测资料对比,本研究所进行的数值模拟结果与实测资料基本吻合,能够反应出近年来北部湾水动力状况,为北部湾海洋工程建设以及环境保护提供了重要的科学依据。

大辽河口存留时间和暴露时间数值模拟

为了研究河口的物质输运机制,采用一个基于有限体积海岸海洋模式(FVCOM)的三维对流-扩散模式对大辽河口5个分区典型径流条件下的存留时间和暴露时间进行计算,得到了示踪物从河道第1次输送至入海河口的时间,以及随后返回河道里往复运动的时间,并据此统计得到回复系数以及表征各个分区之间相互影响的分区暴露时间矩阵。结果显示:潮汐、径流之间的相互作用控制着大辽河口的存留时间;暴露时间与存留时间的变化趋势一致,但大小差别很大,在枯、平、丰水期,暴露时间比存留时间分别多8 d、3 d、1 d;枯水期入海口河段回复系数可以达到0.94,示踪物会在这个区域多次回荡;除了涨急时刻的入海口河段,其他情况下大辽河下游分区对上游分区影响较小。

“纳沙”台风引起北部湾沿岸风暴射流及其机制

基于FVCOM模式建立一个三维数值模型,对2011年“纳沙”台风登陆北部湾前后水位与流场变化进行了分析,并探究了风暴射流的生成机制。结果表明,广西近岸风暴射流的产生是对台风到来造成的水位起伏变化的一种正压响应;台风进入到北部湾期间,造成北部湾近岸水位先降低后升高,所导致的水位梯度差产生了驱动力,促使海水向西运动增强,从而导致在广西近海风暴射流的产生;台风登陆期间琼州海峡西向流流量增大到0.4 Sv以上,最大可达0.7 Sv;台风进入到北部湾后,促使琼州海峡西向流更多进入到北部湾,造成湾内正位涡输入增大,产生了气旋式环流来维持位涡平衡,同时气旋式环流也有利于向西运动的风暴射流增强;流经广西沿岸的风暴射流引起向西的水体输运可达0.2 Sv,对北部湾内营养盐以及污染物运移将产生重要影响。

洋山海域三维潮流和余流特征的数值模拟

基于最新的水下地形数据和非结构网格,利用有限体积海洋模型(FVCOM),建立洋山海域高分辨率水动力数值模型,研究该海域建港工程后潮流和余流的三维动力学特征.结果表明,峡道西部涨潮流大于落潮流,东部相反.南岛链以南海域流速均大于北岛链以北流速,峡道窄口处出现高流速区和环流现象,涨潮流表层最大流速可达2.88 m/s.涨憩时刻,南岛链南岸和北岛链北岸都形成表层向北、底层向南的表-底层环流,落憩时刻相反.落急时,深水航道处出现表层向南、底层向北的表-底层环流.受围海造地工程后地形影响,峡道内M_2分潮潮流椭圆主轴均沿岸线方向.与工程前相比,峡道效应增强.洋山海域整体以海向余流占优,但峡道内形成陆向余流.峡道窄口处存在余流分离现象,峡道西部余流滞流点东移.

南极布兰斯菲尔德海峡正压潮数值模拟

本文利用高分辨率的有限体积海洋模型(FVCOM)模拟了南极布兰斯菲尔德海峡附近海区的M_2、S_2、K_1与O_1四个主要分潮,模拟结果与验潮站资料基本符合。将模拟结果计算并利用潮汐调和常数绘制了同潮图,该海峡附近海域的潮汐类型为混合半日潮,全日潮在西南部及南极半岛附近海域较东北部南设得兰群岛附近海域比重偏大。通过分别计算4个分潮的潮能通量,发现M_2分潮潮能来自海峡东部的太平洋与威德尔海, S_2、K_1与O_1分潮潮能来自大西洋与威德尔海。在布兰斯菲尔德海峡区域4个分潮共耗散90.6 MW,其中O_1分潮耗散最大,约占到总潮能耗散的49.09%;由威德尔海潮能在进入布兰斯菲尔德海峡之前,在南极海峡区域4个分潮共耗散278.87 MW,其中S_2分潮耗散最大约占到总潮能耗散的39.09%。

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。

黄河口门位置及入海径流变化对莱州湾盐度分布的影响

2020年黄河丰水期入海径流量是往年平均值的2倍以上,必然会引起河口水动力和盐度分布的动态变化。本作者基于有限体积海岸海洋模型(Finite Volume Community Ocean Model,FVCOM),模拟2020年黄河冲淡水在丰水期和枯水期的扩散情况,研究黄河口以及莱州湾海域的盐度分布状况变化,以及径流量变化和口门变迁对黄河冲淡水扩散的影响,模型结果与观测结果吻合较好。模拟结果表明,黄河口西北侧潮流沿岸线方向,随着涨落潮呈西北-东南向往复;黄河口以南包括莱州湾的潮流均随着涨落潮呈东北-西南方向往复。高流速区域主要集中在黄河口和莱州湾北部,在0.5 m/s以上。在余流作用下,大量的黄河冲淡水会涌入莱州湾,丰水期时27psu等盐线包络面积占到整个莱州湾的1/4左右。径流量和风的变化主要影响羽流的扩散面积,而口门的变迁会改变其扩散方向。黄河冲淡水经北向口门入海主要影响莱州湾区域,经东向口门入海更多地会向北扩散。通过对2020年黄河口及莱州湾海域盐度分布的分析,为黄河入海径流管理及莱州湾渔业资源保护提供科学参考。

苏北灌河口海域三维水动力数值模拟

基于无结构网格海洋模型(FVCOM),建立了灌河口海域三维潮流数学模型。模型水平方向采用三角形网格,使得能够更好地拟合灌河口不规则岸线边界,垂向采用σ坐标。模型计算结果与实测结果吻合良好,较好地模拟了灌河口潮流场时空分布。水平潮流以旋转流为主,流速由北到南逐渐增大,近岸余流方向都是由北向南的沿岸流。灌河口和海州湾的水动力交换主要受潮流驱动,余流漩涡形成的主要机理可能是潮波和地形及岸线的相互作用。

南黄海辐射沙脊群海域三维水动力数值模拟

基于无规则网格的有限体积海岸海洋模型(FVCOM),建立适用于辐射沙脊群海域的三维潮流数学模型。为了更好地贴合不规则海岸边界,平面采用三角形网格剖分,垂向采用σ坐标进行模拟。结果表明,模型的计算值与观测值吻合良好,较好地反映了研究海域流场的时空分布特征。整个海域流场由南、北两股潮流向弶港辐聚辐散,各深槽流速较大而集中,流向与深槽走向十分一致;弶港以北,表、底层余流方向都是从南到北的沿岸流,南部海域的近岸余流有逆时针的旋转流,近深槽余流大都指向深槽。

渤海潮流、潮能通量和耗散的数值模拟

基于渤海最新岸线地形数据,利用有限体积近岸海洋模型(Finite-Volume Coastal Oceon Model, FVCOM)对M_2、S_2、K_1和O_1等4个分潮进行数值模拟,分析渤海潮流的特性,讨论最新岸线地形下渤海各海区的潮能通量和耗散。结果表明:渤海潮流以半日潮流为主,M_2、S_2、K_1和O_1等4个分潮的最大流速分别为120 cm/s、45 cm/s、38 cm/s和30 cm/s;半日潮能输入渤海之后分成3支,向北涌入辽东湾,向西输入渤海湾,向西南传至莱州湾;全日潮能输入渤海之后大致沿逆时针方向传输,在海峡内形成"北进南出"的格局。传入渤海的M_2、S_2、K_1和O_1等4个分潮的净潮能通量分别为4.242 0 GW、0.399 2 GW、0.517 0 GW和0.254 8 GW,其中,输入3个海湾的潮能均以M_2分潮为主,其次为S_2分潮和K_1分潮,O_1分潮的潮能最小。传入渤海的4个主要分潮的总潮能有49.23%耗散在渤海中部海域,27.21%耗散在辽东湾,其次是渤海湾,莱州湾的潮能耗散最少。

基于无结构网格的瓯江口三维盐度数值模拟

基于无结构网格海洋模型(FVCOM),建立了瓯江口三维潮流和盐度数学模型。模型水平方向采用三角形网格,使得能够更好地拟合瓯江口外众多岛屿和复杂曲折的不规则岸线边界,垂向采用σ坐标。模型计算结果与实测结果吻合良好,较好地模拟了瓯江口潮流场和盐度场的时空分布。水平潮流以往复流为主,流速受地形影响,瓯江口附近海域的Euler余流表层流向外海,在峡道和岛周围内余流速较大。瓯江河口和乐清湾的水动力交换主要受潮流驱动,河口附近的盐度在垂线分布上呈部分混合型。