留言板

尊敬的读者、作者、审稿人, 关于本刊的投稿、审稿、编辑和出版的任何问题, 您可以本页添加留言。我们将尽快给您答复。谢谢您的支持!

姓名
邮箱
手机号码
标题
留言内容
验证码

基于FVCOM的三门湾及邻近海域潮汐潮流数值模拟

刘哲 陈勤思 胡松 李娜 黄岱颍 陈茹愚 顾荣齐

刘哲,陈勤思,胡松,等. 基于FVCOM的三门湾及邻近海域潮汐潮流数值模拟[J]. 海洋学报,2025,47(10):25–40 doi: 10.12284/hyxb2025097
引用本文: 刘哲,陈勤思,胡松,等. 基于FVCOM的三门湾及邻近海域潮汐潮流数值模拟[J]. 海洋学报,2025,47(10):25–40 doi: 10.12284/hyxb2025097
Liu Zhe,Chen Qinsi,Hu Song, et al. Numerical simulation of tides and tidal currents in Sanmen Bay and adjacent waters based on FVCOM[J]. Haiyang Xuebao,2025, 47(10):25–40 doi: 10.12284/hyxb2025097
Citation: Liu Zhe,Chen Qinsi,Hu Song, et al. Numerical simulation of tides and tidal currents in Sanmen Bay and adjacent waters based on FVCOM[J]. Haiyang Xuebao,2025, 47(10):25–40 doi: 10.12284/hyxb2025097

基于FVCOM的三门湾及邻近海域潮汐潮流数值模拟

doi: 10.12284/hyxb2025097
基金项目: 国家重点研发计划子课题(2021YFC3101702);国家重点研发计划项目(CS−KY−2023−006);省重点实验室创新研究中心建设项目(ZCX202404)。
详细信息
    作者简介:

    刘哲(2000—),男,江西省吉安市人,主要从事物理与海洋生态环境的相互作用研究。E-mail:Liuzsroom@qq.com

    通讯作者:

    胡松,教授,主要从事近海海洋动力学研究。E-mail:shu@shou.edu.cn

  • 中图分类号: P731.23

Numerical simulation of tides and tidal currents in Sanmen Bay and adjacent waters based on FVCOM

  • 摘要: 理解区域海洋潮汐过程对保障海洋工程建设、降低海洋环境污染等具有重要意义。近年来,三门湾区域频繁开展围垦等海洋开发活动,一定程度改变了湾内水动力环境。本文基于三维非结构有限体积海洋模式FVCOM(Finite Volume Community Ocean Model),构建了三门湾及邻近海域数值模型,利用三门湾口门处3个站点的实测潮流数据以及两个站点的潮位数据验证了模型的可靠性。在此基础上,分析了当前三门湾及邻近海域的潮汐、潮流的分布特征和潮波的传播特征,并通过对比 2000 年与 2020 年岸线条件下的敏感性实验结果,量化分析了围垦引起的岸线变迁对湾内水动力环境的影响。结果表明,研究海域以正规半日潮为主,M2分潮振幅最大(1.5~2 m),S2次之,两者均呈现由东南向西北传播的特征。潮流方面,湾内以往复流为主,M2分潮潮流椭圆长半轴最大可达1 m/s;余流在地形复杂区域可高达0.4 m/s,湾内余流从东北岸向湾内流入,西南岸向湾外流出;潮能通量密度向湾口传播过程中逐渐衰减,在口门处减弱至约 20 kW/m。对比分析表明,随着岸线变迁,湾内涨潮优势增强,湾顶区域M2分潮振幅减小了0.2 m。湾口东北侧余流方向发生逆转,由向外流转为向内流,部分深水水道区域潮能通量密度相比减小了约40 kW/m。通过与实测资料对比,本研究所进行数值模拟结果与实测资料基本吻合,能够反映出近年来三门湾水动力状况,为研究典型近海海湾围垦对水环境动力的影响提供科学依据。
  • 图  1  三门湾2000−2020年围垦区域分布

    底图为2000年假彩色卫星影像

    Fig.  1  Distribution of reclamation areas in Sanmen Bay from 2000 to 2020

    Base map: false-color satellite image from 2000

    图  2  三门湾地理位置(a)、计算网格(b)及地形与测站分布(c)

    Fig.  2  Sanmen Bay: geographic location (a), computational grid (b), and bathymetry and station distribution (c)

    图  3  模拟与实测数据对比

    Fig.  3  Comparison between simulated and observed results

    图  4  C1站点模式结果与实测流速、流向对比

    a–f为大潮,g–l为小潮

    Fig.  4  Comparison between simulated and observed current speed/direction at Station C1

    a–f: Spring tide; g–l: neap tide

    图  5  C2站点模式结果与实测流速、流向对比

    a–f为大潮,g–l为小潮

    Fig.  5  Comparison between simulated and observed current speed/direction at Station C2

    a–f: Spring tide; g–l: neap tide

    图  6  C3站点模式结果与实测流速、流向对比

    a–f为大潮,g–l为小潮

    Fig.  6  Comparison between simulated and observed current speed/direction at Station C3

    a–f: Spring tide; g–l: neap tide

    图  7  三门湾及邻近海域FG系数的空间分布

    Fig.  7  Spatial distribution of coefficients F and G in Sanmen Bay and adjacent waters

    图  8  三门湾及邻近海域潮汐不对称特征

    a. 不对称系数空间分布;b. 实验组间差异(Exp1减Exp2)

    Fig.  8  Tidal asymmetry characteristics in Sanmen Bay and adjacent waters

    a. Spatial distribution of asymmetry coefficients, b. inter-experimental differences (Exp1 minus Exp2)

    图  9  三门湾及邻近海域M2分潮(a)、S2分潮(b)、K1分潮(c)和O1分潮(d)的等振幅线(虚线,单位:m)和同潮时线[细实线,单位:(°)]分布

    Fig.  9  Distributions of co-amplitude lines (dotted, unit: m) and co-phase lines [thin solid, unit: (°)] for M2-constituent (a), S2-constituent (b), K1-constituent (c) and O1-constituent (d) in Sanmen Bay and adjacent waters

    图  10  三门湾M2和S2分潮参数实验对比

    a, b. M2分潮振幅和迟角差异(Exp1减Exp2);c, d. S2分潮振幅和迟角差异(Exp1减Exp2)

    Fig.  10  Experimental comparison of tidal constituents in Sanmen Bay

    a, b. Differences in amplitude and phase lag of M2-constituent (Exp1 minus Exp2); c, d. differences in amplitude and phase lag of S2-constituent (Exp1minus Exp2)

    图  11  三门湾及邻近海域M2(a)、S2(b)潮流椭圆

    红色代表逆时针方向,蓝色代表顺时针方向

    Fig.  11  Tidal current ellipses of M2 (a) and S2 (b) in Sanmen Bay and adjacent waters

    The red represent counterclockwise rotation, and the blue represent clockwise rotation

    图  12  三门湾表层余流分布Exp1(a)和Exp2(b)

    Fig.  12  Distribution of surface residual currents in Sanmen Bay: Exp1(a) and Exp2 (b)

    图  13  2020年A−B剖面余流分布及5个站点垂向余流分布

    站点1~5代表图中竖虚线位置的点位

    Fig.  13  Distributions of residual currents along the A–B transect and vertical profiles at five stations in 2020

    Stations1−5 represent the locations indicated by the vertical dashed lines in the figure

    图  14  三门湾潮能通量分布特征

    a. Exp2方案;b. Exp1方案;c. 方案间差异(Exp1减Exp2)

    Fig.  14  Characteristics of tidal energy flux distribution in Sanmen Bay

    a. Exp2, b. Exp1, c. inter-scenario differences (Exp1 minus Exp2)

    表  1  潮位与潮流站点信息

    Tab.  1  Information of elevation and current field stations

    观测内容 站点 纬度 经度 时间范围 时间间隔 观测层次
    潮位 T1 29°13′N 121°58′E 2023年9月15日0时至2023年9月30日23时 1 h H
    潮位 T2 29°02′N 121°36′E 2023年9月15日0时至2023年9月30日23时 1 h H
    潮流 C1 28°58′N 121°50′E 2023年9月16日9时至2023年9月17日10时;
    2023年9月23日9时至2023年9月24日10时
    1 h 0(表层)、0.2H、 0.4H、0.6H、 0.8HH(底层)
    潮流 C2 28°53′N 121°54′E 2023年9月17日9时至2023年9月18日10时;
    2023年9月24日11时至2023年9月25日12时
    1 h 0(表层)、0.2H、 0.4H、0.6H、 0.8HH(底层)
    潮流 C3 28°45′N 121°58′E 2023年9月16日9时至2023年9月17日10时;
    2023年9月23日9时至2023年9月24日10时
    1 h 0(表层)、0.2H、 0.4H、0.6H、 0.8HH(底层)
      注:H表示观测点处的总水深。
    下载: 导出CSV

    表  2  敏感性实验方案

    Tab.  2  Sensitivity experiment design

    方案 岸线年份 岸线来源 网格点数 模拟时间 潮位驱动 实验目的
    Exp1 2020 Landsat 8 23669 2023年9月1日0时至2023年10月6日23时(共37 d) TPXO9 atlas 表征现状动力格局
    Exp2 2000 Landsat 7 25044 2023年9月1日0时至2023年10月6日23时(共37 d) TPXO9 atlas 量化岸线变迁对潮汐潮流的影响
    下载: 导出CSV

    表  3  各站点流速、流向模拟与实测数据的均方根误差(RMSE)

    Tab.  3  RMSE between simulated and observed current speed/direction at each station

    站点 层次 流速/(m·s−1 流向/(°)
    大潮 小潮 大潮 小潮
    C1 表层 0.09 0.08 23.01 19.60
    C1 中层 0.09 0.07 22.27 23.28
    C1 底层 0.14 0.06 24.22 23.66
    C2 表层 0.06 0.07 20.70 45.16
    C2 中层 0.13 0.08 20.20 31.48
    C2 底层 0.17 0.11 26.20 32.28
    C3 表层 0.16 0.11 50.90 46.70
    C3 中层 0.20 0.15 57.09 51.00
    C3 底层 0.22 0.19 52.26 57.70
    均值 0.14 0.10 30.98 36.76
    下载: 导出CSV
  • [1] 彭姱容, 姚炎明, 陈琴. 石浦港纳潮量对三门湾围填海的累积响应[J]. 海洋湖沼通报, 2014(1): 169−178.

    Peng Kuarong, Yao Yanming, Chen Qin. Cumulative response of tidal prism of Shipu channel to reclamation projects in Sanmen Bay[J]. Transactions of Oceanology and Limnology, 2014(1): 169−178.
    [2] 杨万康, 尹宝树, 杨青莹, 等. 海岸围垦工程对三门湾内潮汐振幅的影响与研究[J]. 应用海洋学学报, 2019, 38(3): 408−415.

    Yang Wankang, Yin Baoshu, Yang Qingying, et al. Impacts of coastal reclamation on the tidal amplitude of Sanmen Bay[J]. Journal of Applied Oceanography, 2019, 38(3): 408−415.
    [3] 韩慧慧, 高飞, 丁咚, 等. 围填海工程对三门湾纳潮量和水交换的影响[J]. 海洋地质前沿, 2024, 40(5): 40−50.

    Han Huihui, Gao Fei, Ding Dong, et al. Influence of reclamation project on tidal volume and water exchange in Sanmen Bay[J]. Marine Geology Frontiers, 2024, 40(5): 40−50.
    [4] Shi Peijie, Yang Wankang, Xu Xuefeng, et al. Response of hydrodynamic environment to land reclamation in Sanmen Bay, China over the last half-century[J]. Frontiers in Marine Science, 2024, 11: 1448565. doi: 10.3389/fmars.2024.1448565
    [5] 黄潘阳, 陈培雄, 来向华, 等. 三门湾2003−2013年间围涂工程对水动力环境的影响研究[J]. 中国海洋大学学报, 2017, 47(10): 91−98.

    Huang Panyang, Chen Peixiong, Lai Xianghua, et al. Hydrodynamics response to reclamation projects in Sanmenwan Bay during 2003−2013[J]. Periodical of Ocean University of China, 2017, 47(10): 91−98.
    [6] 林磊, 刘东艳, 刘哲, 等. 围填海对海洋水动力与生态环境的影响[J]. 海洋学报, 2016, 38(8): 1−11.

    Lin Lei, Liu Dongyan, Liu Zhe, et al. Impact of land reclamation on marine hydrodynamic and ecological environment[J]. Haiyang Xuebao, 2016, 38(8): 1−11.
    [7] 陈倩. 浙江近海潮汐潮流的三维数值模拟[D]. 杭州: 浙江大学, 2002.

    Chen Qian. Three-dimensional simulation of tides and tidal currents in the seas adjacent to Zhejiang[D]. Hangzhou: Zhejiang University, 2002.
    [8] 唐建华, 赵升伟, 刘玮祎, 等. 基于FVCOM的强潮海湾三维潮流数值模拟[J]. 水利水运工程学报, 2010(4): 81−88.

    Tang Jianhua, Zhao Shengwei, Liu Weiyi, et al. 3D numerical simulation for tidal flow in macro-tidal bay based on FVCOM[J]. Hydro-Science and Engineering, 2010(4): 81−88.
    [9] 何齐齐, 宋丹, 许雪峰, 等. 三门湾海域污染物扩散数值研究[J]. 海洋通报, 2018, 37(1): 63−73.

    He Qiqi, Song Dan, Xu Xuefeng, et al. Numerical simulation of pollutants diffusion in the Sanmen Bay[J]. Marine Science Bulletin, 2018, 37(1): 63−73.
    [10] Yao Yanming, Zhu Jiahao, Li Li, et al. Marine environmental capacity in Sanmen Bay, China[J]. Water, 2022, 14(13): 2083. doi: 10.3390/w14132083
    [11] Chen Changsheng, Liu Hedong, Beardsley R C. An unstructured grid, finite-volume, three-dimensional, primitive equations ocean model: application to coastal ocean and estuaries[J]. Journal of Atmospheric and Oceanic Technology, 2003, 20(1): 159−186. doi: 10.1175/1520-0426(2003)020<0159:AUGFVT>2.0.CO;2
    [12] Warner J C, Geyer W R, Lerczak J A. Numerical modeling of an estuary: a comprehensive skill assessment[J]. Journal of Geophysical Research: Oceans, 2005, 110(C5): 2004JC002691. doi: 10.1029/2004JC002691
    [13] Pan Haidong, Xu Tengfei, Wei Zexun. Improved tidal estimates from short water level records via the modified harmonic analysis model[J]. Ocean Modelling, 2024, 189: 102372. doi: 10.1016/j.ocemod.2024.102372
    [14] 周华民, 潘海东, 严聿晗, 等. 新型潮汐调和分析算法在浙江近海短期潮位分析中的应用[J]. 海洋学报, 2025, 47(2): 29−40.

    Zhou Huamin, Pan Haidong, Yan Yuhan, et al. Application of a modified tidal harmonic analysis method in the analysis of short-term tide levels offshore Zhejiang[J]. Haiyang Xuebao, 2025, 47(2): 29−40.
    [15] Defant A. Physical Oceanography[M]. New York: Pergamon Press, 1961: 417−419.
    [16] 陈宗镛. 潮汐学[M]. 北京: 科学出版社, 1980.

    Chen Zongyong. Tidology[M]. Beijing: Science Press, 1980.
    [17] 林国尧, 龚文平. 海南岛莺歌海近岸的潮汐不对称与潮致余流研究[J]. 海洋学报, 2017, 39(7): 36−42.

    Lin Guoyao, Gong Wenping. Tidal asymmetry and tide-induced residual currents in the Yinggehai Coast, Hainan Island[J]. Haiyang Xuebao, 2017, 39(7): 36−42.
    [18] 郭文云. 潮汐不对称性的时间变化特征及其对工程的响应[D]. 上海: 华东师范大学, 2017.

    Guo Wenyun. The time-varying characteristics of tidal duration asymmetry and its response to project[D]. Shanghai: East China Normal University, 2017.
    [19] Nidzieko N J. Tidal asymmetry in estuaries with mixed semidiurnal/diurnal tides[J]. Journal of Geophysical Research: Oceans, 2010, 115(C8): 2009JC005864. doi: 10.1029/2009JC005864
    [20] Rodríguez P A, Carbajal N, Rodríguez J H G. Lagrangian trajectories, residual currents and rectification process in the Northern Gulf of California[J]. Estuarine, Coastal and Shelf Science, 2017, 194: 263−275. doi: 10.1016/j.ecss.2017.06.019
    [21] Harari J, De Camargo R. Numerical simulation of the tidal propagation in the coastal region of Santos (Brazil, 24°S 46°W)[J]. Continental Shelf Research, 2003, 23(16): 1597−1613. doi: 10.1016/S0278-4343(03)00143-2
    [22] 胡方西, 曹沛奎. 三门湾潮波运动特征及其与地貌发育的关系[J]. 海洋与湖沼, 1981, 12(3): 225−234.

    Hu Fangxi, Cao Peikui. Characteristics of the tidal wave movement in the Sanmen Bay and its relationship with the topographic development[J]. Oceanologia et Limnologia Sinica, 1981, 12(3): 225−234.
    [23] 宋泽坤, 施伟勇, 张峰, 等. 三门湾近期水动力特性观测研究[J]. 应用海洋学学报, 2017, 36(2): 279−285.

    Song Zekun, Shi Weiyong, Zhang Feng, et al. Field observation and analysis on the characteristics of tidal dynamics in Sanmen Bay[J]. Journal of Applied Oceanography, 2017, 36(2): 279−285.
  • 加载中
图(14) / 表(3)
计量
  • 文章访问数:  165
  • HTML全文浏览量:  95
  • PDF下载量:  44
  • 被引次数: 0
出版历程
  • 收稿日期:  2025-07-08
  • 修回日期:  2025-10-11
  • 网络出版日期:  2025-10-21
  • 刊出日期:  2025-10-31

目录

    /

    返回文章
    返回