渤海及黄海北部的风海流数值计算及余流计算

渤海及黄海北部的风海流数值

计算及余流计算X

黄　磊1　娄安刚2　王学昌2　奚盘根2　黄祖珂

2

(1青岛远洋船员学院航海系,青岛,266071)

(2青岛海洋大学海洋环境学院,青岛,266003)摘　要　依据黄渤海实测风的资料对渤海及北黄海进行了月平均风海流数值计算。计算表明,1月

份在西北风的作用下,在渤海出现1个逆时针旋转的环流,在辽东湾北部及黄海北部出现1个顺

时针旋转的环流,渤海海峡的海流北进南出。7月份在南风和东南风的作用下,风海流的变化形式

与1月份大致相反,海峡处呈南进北出的形式。对渤海中部某点1年的潮流资料通过低通滤波的

方法计算逐时的余流值,得到该点1年内表层最大的实测余流为31.9cm /s ,全年90%多的时间内

表层余流小于10cm/s 。对辽东湾北部某点和渤海湾西南部某点数月潮流资料也进行了低通滤波,

并将得到的逐时余流与同步风作了比较。依据该2点风和余流的关系以及黄海北部6个点风和余

流的关系验证了风海流数值计算的结果,表明在这些点上实测与计算结果拟合良好。

关键词　风海流;余流;低通滤波;风海流数值计算

中图法分类号　P 731.2 文章编号　1001-1862(2002)05-0695-06

管秉贤[1]、沈鸿书和毛汉礼[2]

通过对观测资料的分析研究,认为在冬季由于受到偏北风的作用,渤海、北黄海的冬季环流主要是由风海流组成的,冬季渤海海峡处的风海流呈现北进南出的形式。窦振兴等[3]对渤海海流的数值计算表明:冬季渤海的风海流基本属于气旋型环流;夏季则同时存在气旋型和反气旋型环流,辽东湾为气旋型环流;冬季渤海海峡呈北进南出的特点。Cho i [4]和缪经榜等[5]对黄渤海风海流数值计算的结果显示:在偏北风的作用下,海峡处的流动是北进南出,而在偏南风的作用下海峡处的流动是南进北出。本文依据黄渤海的实测风场资料数值计算了黄渤海1月和7月的风海流,搜集了渤海中部某点表、中2层1年的逐时实测潮流资料以及辽东湾和渤海湾2点数月的潮流资料及黄海北部若干点的周日测流资料,利用低通滤波的方法和调和分析的方法计算逐时和每天的余流,用以判断风海流计算结果的合理性。1　风海流数值计算的原理和方法

计算风海流的二维连续方程和运动方程为:

第32卷　第5期　

2002年9月 青岛海洋大学学报JOURNAL OF OCEAN UNIVERS ITY OF QINGDAO 32(5):695～700Sept.,2002

X 国家自然科学基金项目(49976002),国家高等学校博士学科点专项科研基金项目(98042306)资助收稿日期:2002-01-08;修订日期:2002-06-18

黄　磊,男,1971年10月出生,讲师。

5F 5t +55x [(F +h )u ]+55y [(F +h )v

]=0(1)5u 5t +u 5u 5x +v 5u 5y -f v +g 5F 5x -S x (F )Q (F +h )+g u (u 2+v 2)濎

ã(F +h )c 2

=0(2)5v 5t +u 5v 5x +v 5v 5y +f u +g 5F 5y -S y (F )Q (F +h )+g v (u 2+v 2)濎ã(F +h )c 2=0(3)

式中u 、v 表示自海面至海底平均流速的东、

北分量,F 表示自平均海面起算的瞬时海面高度,h 是自平均海面至海底的深度,c 是chezy 系数,S x (F )、S y (F )是海面风应力的东、北分量

S x (F )=Q a w 2sin <, S y (F )=Q a w 2co s <

式中Q a 是空气密度,w 为海面上10m 处的风速,<是风去的方向。考虑到渤海余流普遍较小这一现实,摩擦系数取c =(0.8719+0.0704w )×10-3[6]。

以隐式方向交替法[7]对(1)～(3)式进行差分,对34°N 以北的黄渤海取$x ,$y 为5分经纬度的格距进行风海流数值计算。计算中,取垂直于固体边界的流速为零,在开边界上取水位为恒值(F ≡0),未考虑东海及太平洋的风海流对黄渤海的影响。求解方程(1)到(3)的初始条件是U (t 0)=0,F (t 0)=0,即初始时刻海洋处于静止状态。取时间步长$t =360s 计算时间长度定为72h 。

2　风海流数值计算的结果

依据大连、北隍城、长岛、蓬莱、烟台、威海、成山头、千里岩8个站1997年全年逐时风的资料及气候图海上风的资料计算1～12月份逐月的平均风向、风速。图1是1月和7月的平均风场图。图2是依据平均风场计算的1月和7月的平均风海流流场图。从1月的平均风海流来看,在渤海出现1个逆时针旋转的环流,在辽东湾北部和黄海北部出现顺时针旋转的环流,渤海海峡的海流北进南出,在渤海南部有一股沿着岸线自西往东,再沿着山东半岛沿岸南下的沿岸流。7月份的风海流与1月份大致相反,海峡处呈南进北出形式。但由于7月份的平均风速比1月小,因此7月的平均风海流也比1

月小。

图1　1月和7月的平均风场

Fig .1　A v erag e wind fields

in Januar y and July

为了判断风海流计算的合理性,绘制了图4所示黄海北部6个点同步测流1d 计算的表层实测余流图。该测流日风向相当稳定,变化范围在90～135°之间,平均风向为113.6°,平均风速为3.5m /s 。该日6个点的实测余流也相当稳定,均沿着岸边向西偏南流动。

696青　岛　海　洋　大　学　学　报2002年

图2　1月和7月的平均风海流

Fig.2　A v er ag e wind-induced curr ents in Januar y and July

　图3　风向为114°、风速为3.5m /s 时产生的风海流

F ig.3　Wind-induced curr ent gener ated

by the wind(114°, 3.5m/s)

图4　实测表层余流分布图Fig.4　D istribution of the measur ed surface r esidual cur rent

图3是黄渤海在风向为114°、风速为3.5m /s 时产生的北黄海风海流流场图。在图3的北端(如图4所示)的海域,计算的风海流大体上也是沿着岸边向西偏南流动,这与图4所示的实测余流相一致。实测6个站的表层余流流速在3.5～12.8cm /s 之间,数值计算的风海流流速为5cm /s 左右,也大致符合实测结果。而在另外2次周日测流期间,风向很不稳定,致使6个站的实测余流的分布也很乱。因而可以认为该海区的实测余流主要是由风海流组成的。从图中看出,风海流并不是顺着风的方向流动,在114°风力及岸形的共同作用下,在北黄海形成1个逆时针旋转的环流。

3　余流分析

近年来随着海上石油开发的需要,在黄渤海若干站开展了数月乃至1年以上潮流观测工作,这为进一步研究风海流提供了更好的依据。本文对渤海中部某点表、中2层1年逐时的测流资料以及辽东湾、渤海湾2站数月的潮流资料进行了低通滤波[8],求出逐时的余流值,还对各站逐日的潮流资料进行了调和分析求得每天的余流,进而分析余流的变化情况,依此作为风海流数值计算的参考依据。

3.1低通滤波 将逐时的潮流实测值分解为北分量u (t )和东分量v (t )。以北分量为例进行低通滤波。滤波器的时间表达式:

697

5期黄　磊,等:渤海及黄海北部的风海流数值计算及余流计算