基于FVCOM的泉州湾海域三维潮汐与潮流数值模拟林作梁;朱学明;鲍献文;刘钦政【摘要】Based on a finite-volume coastal ocean model (FVCOM) , adopting an unstructured triangle grid, a three-dimensional tide and tidal current numerical modeling with high resolution (26 m) is applied to Quanzhou Bay. The simulated results agree well with the observed data from two tide-gauges and three continuing current stations , and reproduce the distribution features of the tide and tidal currents in the Quanzhou Bay famously. The distributions of co-tidal charts and tidal ellipses on the surface layer for four major constituents (M2 , S2, K1 ,O1) are obtained. What's more, the distributions of the maximum probable tidal range and tidal currents velocity and tidal residual currents on the surface and bottom layers are obtained, too. By analyzing, the maximum tidal amplitude and phase-lag range for the four constituents are 219 cm and 19°,85 cm and 25°,26 cm and 12°,26 cm and 9°, respectively. The tidal wave is anti-clockwise standing wave in the east area of Shihu Port, but it is advancing wave in the west area of Shihu Port. The maximum probable tidal range increases from 8. 0 m at the mouth of the bay to 8.8 m inside of the bay. The type of tidal currents is regular semi-diurnal currents inside of the bay, and the maximum velocity of ebbing is larger than flooding. The velocity in the channel of Beiwujiao is stronger than any other area, and the maximum probable tidal-current velocity is 2. 4 m/s on the surface layer. The flow is rotating with anti-clockwise mainly at the mouth of thebay, while rectilinear flow is mainly inside of the bay, such as estuaries and channels. And the directions of major axes are along with channels direction mainly, or paralleling with isobaths and coastlines. The maximum tidal current velocities for the four major constituents are 1. 4 m/s,0. 58m/s, 0. 12 m/s,0. 10 m/s on the surface layer, respectively. Tidal residual currents velocity is closely related to tidal currents, the maximum velocities on the surface layer, the middle layer and the bottom layer are 26 cm/s, 20 cm/ s, 16 cm/s, respectively. All of them are coming into the bay from north and going out of the bay from south.%基于FVCOM海洋数值模式,采用非结构的三角形网格和有限体积法,建立了泉州湾海域高分辨率(26 m)的三维潮汐、潮流数值模型.模拟结果同2个验潮站和3个连续测流站的观测资料符合良好,较好地反映了泉州湾内潮汐、潮流运动的变化状况和分布特征,给出了M2、S2、K1、O14个主要分潮的同潮图、表层潮流椭圆分布,以及模拟区域内最大可能潮差、表层最大可能潮流流速和潮余流分布.分析表明,4个分潮的最大潮汐振幅和迟角差分别为219 cm和19°,85 cm和25°,26 cm和12°,26 cm和9°；石湖港以东海域的潮波为逆时针旋转的驻波,以西海域为前进波；最大可能潮差由湾口的8.0m向湾内增加至8.8m.湾内潮流类型为规则半日潮流,落潮最大流速大于涨潮最大流速,北乌礁水道为强流区,表层最大可能潮流流速为2.4 m/s;湾口潮流运动以逆时针方向的旋转流形式为主,湾内的潮流运动以往复流形式为主,长轴走向主要沿着水道方向,与等深线和海岸线平行；四个分潮流表层最大流速分别为1.4 m/s,0.58m/s,0.12 m/s,0.10 m/s.余流流速大小与潮流强弱有密切的联系,表、中、底层最大余流流速分别为26 cm/s,20 cm/s,16 cm/s,三者在水平方向基本呈北进南出的分布形态.【期刊名称】《海洋学报（中文版）》【年(卷),期】2013(035)001【总页数】10页(P15-24)【关键词】泉州湾;潮汐;潮流;FVCOM;潮余流【作者】林作梁;朱学明;鲍献文;刘钦政【作者单位】泉州市环境监测站,福建泉州362000;国家海洋环境预报中心国家海洋局海洋灾害预报技术研究重点实验室,北京100081;中国海洋大学海洋环境学院,山东青岛266100;国家海洋局海洋减灾中心,北京100194【正文语种】中文【中图分类】P731.231 引言泉州湾地处福建省东南沿海，台湾海峡西侧沿岸的中部，海域总面积211.24 km2，包括围垦面积45.70 k m2，滩涂面积84.84 k m2；海岸线总长229.61 km［1］。
湾的西侧和北侧分别有晋江和洛阳江两条河流注入，在湾内汇合后，于东侧湾口入海，属于典型的河口半封闭型海湾。
近年来，泉州湾海洋经济发展迅猛，沿岸形成了后渚、石湖、崇武等多个作业区，修建了数十个生产性泊位；在晋江河口南侧和洛阳江口两侧的滩涂上分布有众多海水养殖区；在湾口北侧有盐场10个，盐业资源丰富；湾内湿地面积广阔，占海湾总面积96%左右；还分布有大坠岛、青山湾等旅游区。
然而，随之而来的环境问题也日益凸出，如海湾湿地保护与周边日益增长的经济建设所需用地的矛盾，沿岸作业区和旅游区产生的污染物排放，两条河流携带大量泥沙进入湾内而造成的河口及航道严重淤积等都对当地的海洋经济可持续发展产生了严重影响。
对于泉州湾这样以潮动力占主导作用的海湾，开展湾内潮汐、潮流等水动力方面的数值模拟与研究工作对海洋环境保护和社会经济可持续发展都非常重要。
目前，有关泉州湾海域内潮汐、潮流的相关研究还很少，如刘浩和尹宝树［2］建立了一种适应二维POM模型特点的干／湿点数值处理方法，数值模拟了泉州湾的潮汐潮流，给出了一个潮周期内4个特征时刻的垂直平均流场分布，但该文采用矩形网格，水平分辨率309 m，未能较好的拟合海岸线，也难以很好的分辨狭窄河道内的水动力状况。
鲍献文等［1］建立了具有较高分辨率（50 m）的三维数值模型，主要是针对海湾内进行围填海规划的10种设计工况造成的纳潮量、水交换率、泥沙冲淤等海洋环境的变化进行了评价；而该项工作也采用矩形网格，尽管分辨率较高，但仍不能较好的拟合湾内复杂的海岸线边界，对湾内的水动力环境特征也没能展开详细的分析与讨论。
本文基于FVCOM海洋数值模式，采用非结构的三角形网格，充分发挥其能够较好地拟合海岸线边界和海底地形的优点，对泉州湾内潮汐、潮流的变化情况进行了高分辨率的数值模拟。
同时，根据数值模拟结果给出了M2、S2、K1、O1 4个主要分潮的同潮图和表层潮流椭圆、最大可能潮差、最大可能潮流流速及潮余流场的分布，并讨论了它们的分布特征，为进一步了解泉州湾海域的水动力特征提供参考，也为泉州湾的水交换及物质输运研究奠定基础。
2 模式和计算配置2.1 FVCOM模式介绍泉州湾海域平均潮差大于4 m，最大可达6 m［3］，高潮线和低潮线之间存在较大的滩涂面积，也正是海水养殖、湿地的主要区域。
Zheng和Chen等［4］通过对Satilla River Est uary进行数值模拟实验指出，干／湿过程的处理在河口区潮流数值模拟中起到重要作用，如忽略这一过程模拟所得潮流振幅将会减小50%。
李希彬［5］、李真［6］采用 FVCOM 模式分别对湛江湾和罗源湾海域进行数值模拟，通过对比发现若模型中不考虑滩涂的存在，模拟所得大潮时海湾纳潮量比考虑滩涂时分别减小24.2%和56.45%。
为了能够较好的再现泉州湾的潮汐、潮流分布特征，在水动力模型中必须考虑海水涨、落潮对滩涂“淹”和“露”的过程，采用具有可变边界模拟能力的数值模式。
为此，本文采用基于三维原始方程组的FVCOM（Finite Volu me Coastal Ocean Model）海洋数值模式［7］。
该模式在水平方向采用非结构的三角形网格，垂直方向采用σ坐标系统，能够较好的拟合复杂、曲折的海岸线边界和海底地形；采用有限体积法能很好的结合有限元法和有限差分法的优点，更好的保证了质量、动量和能量的守恒性。