大亞灣海域潮位“雙峰”現(xiàn)象生成機(jī)制研究?

刁希梁， 丁 揚(yáng)， 鮑獻(xiàn)文??

(1.中國(guó)海洋大學(xué)海洋與大氣學(xué)院，山東 青島 266100; 2.中國(guó)海洋大學(xué)物理海洋教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 青島 266100)

大亞灣海域潮位“雙峰”現(xiàn)象生成機(jī)制研究?

刁希梁1,2， 丁 揚(yáng)2， 鮑獻(xiàn)文1,2??

(1.中國(guó)海洋大學(xué)海洋與大氣學(xué)院，山東 青島 266100; 2.中國(guó)海洋大學(xué)物理海洋教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 青島 266100)

大亞灣海域的潮位觀測(cè)數(shù)據(jù)呈現(xiàn)出明顯的“雙峰”現(xiàn)象，在調(diào)和分析并選用分潮重構(gòu)的過(guò)程中發(fā)現(xiàn)M6分潮的異常增長(zhǎng)是引起大亞灣內(nèi)部出現(xiàn)該現(xiàn)象的主要原因，并且在灣口至灣頂兩個(gè)測(cè)站之間M6分潮增長(zhǎng)了自身的近兩倍。本文首先分析構(gòu)建的FVCOM數(shù)值模型得到的M6同潮圖，發(fā)現(xiàn)M6分潮在計(jì)算海域存在兩個(gè)無(wú)潮點(diǎn)，一個(gè)位于灣外開(kāi)邊界附近，另一個(gè)位于東側(cè)的陸地上，這與矩形等深渠道共振理論中在1/4，3/4處出現(xiàn)無(wú)潮點(diǎn)的理論是相符的，只是實(shí)際情況中由于淺水效應(yīng)的影響，灣口處的無(wú)潮點(diǎn)被迫轉(zhuǎn)移到陸地上。進(jìn)一步進(jìn)行了三組數(shù)值實(shí)驗(yàn)：改變水深和灣長(zhǎng)后，大亞灣內(nèi)的共振條件被破壞，M6潮高均顯著減小，證明共振效應(yīng)確實(shí)是引起該分潮增大的原因；能量來(lái)源實(shí)驗(yàn)表明：M6分潮的成長(zhǎng)72%來(lái)源于自身成長(zhǎng)，4.6%來(lái)源于M2分潮非線性轉(zhuǎn)化，23.4%來(lái)源于M2和M4分潮相互作用轉(zhuǎn)化；若除去二次底摩擦，M6分潮就不能通過(guò)各種非線性作用攫取能量，共振放大作用也就發(fā)揮不了任何作用。

大亞灣； M6分潮； 潮汐共振； FVCOM； 數(shù)值實(shí)驗(yàn)

大亞灣是一個(gè)半封閉的亞熱帶海灣，位于珠江口東側(cè)，面積約為600 km2，水深5～18 m。灣內(nèi)島嶼眾多，并在海灣中部形成一條島鏈，將海灣分成東西兩部分，區(qū)位條件優(yōu)越，是廣東省的重點(diǎn)開(kāi)發(fā)區(qū)域。目前已有許多學(xué)者開(kāi)展了對(duì)大亞灣海域潮汐潮流以及水動(dòng)力的研究工作。楊國(guó)標(biāo)等[1]運(yùn)用實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)較為詳盡的分析了大亞灣內(nèi)的潮汐潮流及余流特征，但是僅關(guān)注了1/4分潮，并沒(méi)有對(duì)1/6分潮進(jìn)行討論；周巧菊[2]在研究大亞灣溫排水交換過(guò)程中建了的11個(gè)天文分潮驅(qū)動(dòng)的潮汐潮流POM模型，對(duì)該海域的潮汐進(jìn)行比較精細(xì)的模擬；王聰?shù)萚3]在研究水交換的結(jié)論中指出，大亞灣內(nèi)水質(zhì)交換能力受潮致余流流場(chǎng)的支配；吳仁豪等[4]建立了8個(gè)天文分潮驅(qū)動(dòng)的HAMSOM模型，分析了潮汐和余流特性，但并沒(méi)有用實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證；袁春光等[5]在芒洲島碼頭工程潮流泥沙數(shù)值模擬中注意到大亞灣內(nèi)潮波變形很大，反映出灣內(nèi)淺水分潮的效應(yīng)較大，但是并未對(duì)該現(xiàn)象進(jìn)行深入的探討和機(jī)制解釋。

潮汐“雙峰”現(xiàn)象指的是：在潮位觀測(cè)曲線中觀測(cè)到的雙高水位和雙低水位現(xiàn)象，一般是由于高階分潮(M4，M6)疊加在天文分潮之上所形成。當(dāng)天文潮波從外海傳播到近岸并進(jìn)入河口或海灣的過(guò)程中會(huì)激發(fā)出淺水分潮和復(fù)合分潮(比如M4, M6等)，非線性物理過(guò)程是產(chǎn)生倍潮波和復(fù)合潮波的主要原因[6]。由于這些分潮的產(chǎn)生，并以特定的相位疊加在天文分朝上時(shí)，潮流和水位被從它們的正弦曲線形式所扭曲，從而導(dǎo)致了潮汐不對(duì)稱(chēng)[7]，潮汐不對(duì)稱(chēng)在泥沙輸運(yùn)和海灣地形變化方面起著非常重要的作用[8-9]。

本文研究大亞灣內(nèi)潮位“雙峰”現(xiàn)象主要分為以下幾步：(1)運(yùn)用大亞灣實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析討論潮位曲線的“雙峰”現(xiàn)象；(2)用調(diào)和分析并重構(gòu)的方法分析產(chǎn)生該現(xiàn)象的原因；(3)進(jìn)一步建立高精度數(shù)值模型來(lái)模擬重現(xiàn)出這種“雙峰”的形態(tài)，分析大亞灣內(nèi)整個(gè)潮汐、流場(chǎng)的特性，并為后文探究其機(jī)制做準(zhǔn)備；(4)在數(shù)值模型的基礎(chǔ)上，進(jìn)行一系列的數(shù)值實(shí)驗(yàn)：破壞掉共振條件來(lái)探究其對(duì)M6分潮成長(zhǎng)的影響；分析其能量來(lái)源及機(jī)制；探究二次底摩擦項(xiàng)在M6分潮產(chǎn)生過(guò)程中的作用。

1 觀測(cè)分析

1.1 潮汐觀測(cè)

設(shè)置2個(gè)潮位觀測(cè)站，T1站和T2站，分別位于灣口和灣頂，6個(gè)潮流觀測(cè)站，C1～C6(見(jiàn)圖1)。2個(gè)潮位站的潮位觀測(cè)時(shí)間為2015年4月18日—5月19日，持續(xù)1個(gè)月，時(shí)間間隔2 min一次。潮流站分別在大潮期間2015年4月19日 13時(shí)—20日 15時(shí)，和小潮期間4月27日10時(shí)—28日 12時(shí),27 h連續(xù)觀測(cè)，其中C2站為座底式ADCP(600 Hz)2 min一次連續(xù)觀測(cè)，其余5個(gè)站位用電磁海流計(jì)每小時(shí)觀測(cè)一次。

(C1～C6代表海流觀測(cè)站；T1～T2代表潮位觀測(cè)站。

MATLAB中的T-tide 程序被用于潮位站的潮汐調(diào)和分析。由于有限的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度，P1和K2只能通過(guò)差比關(guān)系分別用K1和S2推斷出來(lái)。而K1和S2的差比關(guān)系是由潮汐表中大亞灣附近一個(gè)長(zhǎng)期觀測(cè)站的一年的數(shù)據(jù)集獲得(114°32′E，22°36′N(xiāo)),調(diào)和結(jié)果如表1所示。

表1 T1、T2站潮位調(diào)和常數(shù)對(duì)比

潮位原始數(shù)據(jù)用t_tide 程序調(diào)和之后，并用得到的所有調(diào)和常數(shù)重新構(gòu)建得到的潮位曲線中，十分顯著的現(xiàn)象是水位的“雙峰”現(xiàn)象，即由于淺水分潮疊加在天文分潮上導(dǎo)致出現(xiàn)的潮位曲線中雙高水位和雙低水位現(xiàn)象，該“雙峰”現(xiàn)象在大潮和小潮期間均十分顯著(見(jiàn)圖2)。

為了分析是哪一個(gè)淺水分潮主導(dǎo)這種“雙峰”現(xiàn)象的出現(xiàn)，在用調(diào)和常數(shù)重構(gòu)潮位曲線的過(guò)程中，采取了逐步去掉某個(gè)分潮，然后重構(gòu)的方法來(lái)試探哪些分潮在該過(guò)程中起到主導(dǎo)作用，經(jīng)過(guò)大量嘗試，本文發(fā)現(xiàn)1/4分潮和1/6分潮在其中起主導(dǎo)作用。

圖2 所有分潮重構(gòu)水位曲線

因此，在此處逐步去掉1/4分潮、1/6分潮的影響，并畫(huà)圖分析如下:

如圖3所示，在去掉M4+MS4的1/4分潮組合后，灣頂T1測(cè)站部分區(qū)域的“雙峰”的強(qiáng)度有所減弱，但現(xiàn)象仍然十分明顯，表明大亞灣內(nèi)部“雙峰”現(xiàn)象不止是四分潮淺水分潮的影響，還有其它分潮的強(qiáng)烈作用；而灣口處的測(cè)站T2“雙峰”現(xiàn)象基本被除去，表明在灣口處的潮汐扭曲的“雙峰”現(xiàn)象則主要由1/4分潮主導(dǎo)。

圖3 去掉1/4分潮重構(gòu)潮位曲線

進(jìn)一步如圖4所示在除去掉M4+MS4+M6+2MS6的1/4分潮和1/6分潮的淺水分潮組合之后，“雙峰”現(xiàn)象特別是灣頂測(cè)站的“雙峰”現(xiàn)象基本消失。這表明了大亞灣灣內(nèi)，特別是灣頂區(qū)域的潮汐扭曲的“雙峰”現(xiàn)象主要是由1/6分潮強(qiáng)烈作用所引起，這種現(xiàn)象與在大亞灣灣口處1/4分潮作用占主導(dǎo)完全不同，在潮波傳播至大亞灣灣頂處是以1/6分潮作用占主導(dǎo)，引起這種現(xiàn)象的機(jī)制則需要進(jìn)一步的探索分析。

T1、T2 2個(gè)潮位觀測(cè)站的實(shí)測(cè)調(diào)和常數(shù)(見(jiàn)表2)表明，從潮位站T2傳播到潮位站T1的過(guò)程中，各個(gè)分潮的潮差增長(zhǎng)情況分別是M2增長(zhǎng)9.3%，S2增長(zhǎng)7.4%；1/4分潮增長(zhǎng)相對(duì)較大，其中M4增長(zhǎng)46.7%，MS4分潮增長(zhǎng)49.7%；1/6分潮的增長(zhǎng)則更大，M6增長(zhǎng)近一倍，達(dá)到了183.4%，2MS6增長(zhǎng)182.8%；與此相對(duì)的是，全日潮基本保持不變，在大亞灣中增長(zhǎng)了大約1%。值得注意的是，1/6分潮振幅增長(zhǎng)到與MS4相當(dāng)，達(dá)到了M4分潮的75%，幾乎達(dá)到M2分潮的30%。這表明在大亞灣內(nèi)部潮汐扭曲是以六分潮的強(qiáng)烈增長(zhǎng)占主導(dǎo)的。

另外，如果半封閉海灣的本征頻率與開(kāi)邊界驅(qū)動(dòng)的某一分潮的頻率相接近就會(huì)激發(fā)出潮汐共振現(xiàn)象[10-14]。比如：芬迪灣內(nèi)的本征頻率與半日分潮相近[12]；加利福尼亞灣的本征頻率與全日分潮相近[13]；國(guó)內(nèi)浙江的象山灣的本征頻率與M4分潮的相近[15-18]。這些海灣內(nèi)都有相應(yīng)分潮共振效應(yīng)的產(chǎn)生，灣頂?shù)墓舱穹殖钡某备呦鄬?duì)于灣口有了非常明顯的增大。

圖4 去掉1/4和1/6分潮重構(gòu)潮位曲線

分潮Tidal實(shí)測(cè)振幅Observation/cm模擬Simulated/cm誤差Error百分比Percent/%實(shí)測(cè)遲角Angle/(°)模擬Simulated/(°)誤差Error百分比Percent/%O127．2827．03-0．250．9244．09245．25-1．160．48K132．9333．470．541．6294．03294．600．570．19M233．5833．37-0．210．6254．00257．163．161．24S213．7713．540．231．7283．65288．304．651．64M48．988．700．283．11280．11282．772．660．95MS47．226．400．8211．3333．33335．662．330．7M63．834．340．5113．389．89100．9711．0812．32MS63．783．810．030．8159．24167．678．435．29

為了深入探究M6分潮在大亞灣內(nèi)增長(zhǎng)的機(jī)制，本文構(gòu)建一個(gè)高精度的FVCOM數(shù)值模型來(lái)研究M6分潮的作用。

2 模型設(shè)置及驗(yàn)證

2.1 網(wǎng)格配置

FVCOM是一個(gè)三維自由表面的原始方程模式。FVCOM在水平方向上運(yùn)用了無(wú)結(jié)構(gòu)三角網(wǎng)格來(lái)更好地貼合彎曲的海灣水道和陸地邊界，垂直方向上應(yīng)用sigma坐標(biāo)[19]。大亞灣數(shù)值模式網(wǎng)格點(diǎn)20 252個(gè)，數(shù)值網(wǎng)格30 275個(gè)，重點(diǎn)區(qū)域進(jìn)行加密，最小處不足50m(見(jiàn)圖5)，一共運(yùn)用了12個(gè)分潮作為開(kāi)邊界，分別是Q1,O1，P1,K1，N2，M2，S2，K2，M4，MS4，M6, 2Ms6。其中Q1,O1，P1,K1，N2，M2，S2，K2，M4這9個(gè)調(diào)和常數(shù)取自TMD中的中國(guó)近海模型，MS4，M6, 2MS63個(gè)調(diào)和常數(shù)的初始值取自南海北部模型結(jié)果[20]，并根據(jù)T1站的調(diào)和常數(shù)反復(fù)調(diào)整，然后用T2站的調(diào)和常數(shù)做粗略驗(yàn)證。為了避免由于初始條件的劇烈變化引起的數(shù)值不穩(wěn)定，潮汐驅(qū)動(dòng)是在兩個(gè)M2周期內(nèi)從0增加到它的全值的。由于關(guān)注的是淺水潮汐產(chǎn)生機(jī)制的過(guò)程，密度場(chǎng)在所有的試驗(yàn)中均是恒定的。垂直方向sigma層分7層。

圖5 大亞灣網(wǎng)格設(shè)置

2.2 潮位潮流驗(yàn)證

模擬的數(shù)據(jù)經(jīng)調(diào)和分析后，與原始數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)。由于是以T2站為參照標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行調(diào)整開(kāi)邊界，所以T2站的調(diào)和常數(shù)精確度較高，同時(shí)以T1站進(jìn)行初步驗(yàn)證，結(jié)果如表2、3所示。模擬準(zhǔn)確性較高，天文分潮的誤差控制在2%左右；淺水分潮略粗，但是仍保持在10%左右?？紤]到淺水分潮量值較小，影響因素較多，調(diào)整比較困難，同時(shí)對(duì)比前人的工作[1-5]，本次模擬考慮的分潮個(gè)數(shù)以及精度都有了極大的提高。潮高曲線對(duì)比圖表明，模型已經(jīng)能夠很好的重現(xiàn)“雙峰”現(xiàn)象的基本形態(tài)。

因此，潮汐潮流驗(yàn)證結(jié)果表明，該模型的潮汐模擬效果可信度很高，可以很好地將“雙峰”水位現(xiàn)象重現(xiàn)，可以運(yùn)用本模型來(lái)做一些數(shù)值實(shí)驗(yàn)來(lái)研究M6分潮異常成長(zhǎng)的機(jī)制。

表3 T2站潮位模擬性能分析

圖6 潮流曲線對(duì)比(藍(lán)色實(shí)測(cè)，紅色模擬)

在模式驗(yàn)證良好的基礎(chǔ)之上，重點(diǎn)分析M6分潮潮波在大亞灣內(nèi)的傳播特性，在對(duì)所有點(diǎn)的模式數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)和分析之后，畫(huà)出M6分潮的同潮圖(見(jiàn)圖7)。

圖7 模擬M6同潮圖

如圖7所示，M6同潮圖中的一個(gè)非常明顯的現(xiàn)象是在外海形成一個(gè)無(wú)潮點(diǎn)，并且M6分潮在灣外成長(zhǎng)緩慢，在灣口等高線變得密集，潮高在短距離內(nèi)出現(xiàn)比較快的增長(zhǎng)，在灣內(nèi)傳至范和港內(nèi)M6分潮出現(xiàn)比較集中的第二次更為顯著的增長(zhǎng)，這與之前估測(cè)的共振距離相符。M6傳播至此，在共振作用下，自身迅速增長(zhǎng)。在畫(huà)圖過(guò)程中，注意到在大亞灣灣口附近右側(cè)的陸地區(qū)域上還存在另外一個(gè)無(wú)潮點(diǎn)(見(jiàn)圖8)。這個(gè)現(xiàn)象也是合理的，可以用等深矩形海灣模型來(lái)解釋和理解。在等深海灣發(fā)生共振的條件下，會(huì)在1/4波長(zhǎng)和3/4波長(zhǎng)處產(chǎn)生無(wú)潮點(diǎn)。根據(jù)經(jīng)典的四分之一波長(zhǎng)理論來(lái)粗略的估算海灣的共振周期 ，大亞灣25 km的長(zhǎng)度使灣口正好位于M6分潮的1/4波長(zhǎng)處，但在大亞灣的實(shí)際情況中可能是由于淺水作用和地形的匯聚作用，使灣口處的無(wú)潮點(diǎn)被迫移動(dòng)到右側(cè)的陸地上。為了驗(yàn)證這個(gè)想法，設(shè)計(jì)了一個(gè)全部水深均為6 m 的淺水理想實(shí)驗(yàn)來(lái)消除淺水效應(yīng)的影響，希望將兩個(gè)無(wú)潮點(diǎn)均模擬出來(lái)(見(jiàn)圖9)。灣口處出現(xiàn)類(lèi)似無(wú)潮點(diǎn)的一條振幅為0的條帶狀區(qū)域，灣外的無(wú)潮點(diǎn)以及范和港內(nèi)分共振效應(yīng)仍然十分明顯。證實(shí)了上述猜想，同時(shí)該實(shí)驗(yàn)也非常有力的說(shuō)明了大亞灣海域M6分潮共振效應(yīng)是確實(shí)存在的。

圖8 模擬M6同潮圖(顯示無(wú)潮點(diǎn))

圖9 模擬M6潮流橢圓圖(全部6 m)

3 數(shù)值實(shí)驗(yàn)

為了從機(jī)制上來(lái)研究M6分潮從外海傳入海灣并發(fā)生共振的過(guò)程以及M6分潮增長(zhǎng)的能量來(lái)源以及分潮控制方程中各項(xiàng)在此過(guò)程中的作用，進(jìn)行了一系列的數(shù)值實(shí)驗(yàn)來(lái)深入探討其機(jī)制，實(shí)驗(yàn)說(shuō)明及結(jié)果如表3所示。

3.1 數(shù)值實(shí)驗(yàn)的結(jié)果分析與討論

實(shí)驗(yàn)3是在其它條件不變的基礎(chǔ)上，水深均勻減小3m。水深的減小會(huì)引發(fā)多方面的變化：一方面會(huì)增強(qiáng)海灣的幅聚作用，使潮波振幅有增大的趨勢(shì)；另一方面也增強(qiáng)了底邊界的耗散作用，使潮波振幅有減小的趨勢(shì)。水深的減小會(huì)引起這兩種相反的結(jié)果。由于水深的減小，ST1站已經(jīng)成為干點(diǎn)。僅關(guān)注ST2點(diǎn)的變化，發(fā)現(xiàn)M2、M4分潮的振幅分別增加了3和1cm，說(shuō)明此時(shí)是海灣的幅聚作用占優(yōu)，會(huì)引起潮波振幅的增大；但是，此時(shí)M6分潮的振幅卻在此處卻減少了一半，從基準(zhǔn)試驗(yàn)的4.34cm減小到2.2cm，這與M2、M4分潮的增長(zhǎng)趨勢(shì)截然相反，不升反降，且降低為原來(lái)的一半。說(shuō)明了M6分潮在灣內(nèi)的共振條件被破壞，不再發(fā)生共振而減小。

表4 數(shù)值實(shí)驗(yàn)結(jié)果

Note: ①Experimental illustration; ②Observed; ③Standard experiment; ④Depth +3; ⑤Depth -3; ⑥Bay length halved; ⑦Linear bottom friction.

NaN 表示露出陸地，成為干點(diǎn)。NaN repxesent the land was revealed,and became dry point.

實(shí)驗(yàn)2中的水深增加3 m實(shí)驗(yàn)，在其它條件不變的基礎(chǔ)上，水深均勻地增加3 m引起的效應(yīng)也是兩方面的：一方面使潮高相對(duì)于總水深的比值變小，摩擦作用變小，會(huì)減小各分潮能量之間的轉(zhuǎn)移；同時(shí)水深+3 m,會(huì)使得潮灘全部被海水所覆蓋，潮灘上的干濕過(guò)程消失，潮灘的消失又會(huì)促進(jìn)M2分潮向淺水分潮M4、M6傳遞能量。水深+3 m 對(duì)灣口處的ST2站的M2、M4分潮影響不大，說(shuō)明在灣口處二者的作用基本是抵消的。但M6分潮M6分潮大約減少了自身的1/3，說(shuō)明原來(lái)的共振作用引起的潮位增長(zhǎng)被減弱。在灣頂處的ST1站，M2、M4、M6均有了不同程度的減小。M2減小了約0.03 m, M4, M6減小了約0.04 m, 這是由于水深的加大，大亞灣內(nèi)的納潮量增大，由于能量守恒，與標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)相比，由灣口傳入的天文潮波能量是一定的，納潮量增大的條件下，天文分潮M2必然減??； 同時(shí)在灣內(nèi)底摩擦減小產(chǎn)生的效果要強(qiáng)于潮灘消失產(chǎn)生的影響，導(dǎo)致M4、M6減小，但是注意到此時(shí)M6減少了約自身的40%，M6如此大幅度減小的原因之一也是共振條件被破壞。實(shí)驗(yàn)4半長(zhǎng)海灣實(shí)驗(yàn)中，M2分潮的振幅增加了1 cm, M4分潮的振幅減小了1 cm, 而M6分潮則迅速減小到只有0.1 cm。 灣長(zhǎng)減半改變大亞灣的本征頻率，M6分潮在波長(zhǎng)內(nèi)可引起共振的長(zhǎng)度條件完全被破壞，只是由于在傳播過(guò)程中二次底摩擦等非線性作用從其它潮波轉(zhuǎn)化而來(lái)[6]，因此迅速減小到0.1 cm，這也說(shuō)明了M6分潮異常增長(zhǎng)的最主要的原因就是M6潮發(fā)生共振。

上述三個(gè)實(shí)驗(yàn)共同證明了共振效應(yīng)是大亞灣內(nèi)M6分潮快速成長(zhǎng)的重要原因。破壞掉其共振條件之后，M6分潮的成長(zhǎng)會(huì)受到很大的制約。

3.1.2 驗(yàn)證M6增長(zhǎng)的能量來(lái)源于何處 分別設(shè)計(jì)了實(shí)驗(yàn)5、實(shí)驗(yàn)6、實(shí)驗(yàn)7三個(gè)實(shí)驗(yàn)，分別采用M2，M2+M4，M2+M4+M6三個(gè)開(kāi)邊界驅(qū)動(dòng)條件來(lái)觀察M6分潮的成長(zhǎng)情況。

在實(shí)驗(yàn)5中，在M2驅(qū)動(dòng)的情況OCE5，根據(jù)經(jīng)典二次底摩擦理論[1]，M2分潮在二次底摩擦的作用下可以形成奇數(shù)次的高階分潮(如M6)，此時(shí)二次底摩擦項(xiàng)是產(chǎn)生M6的最重要的途徑，可以看到從M2向M4，M6分潮轉(zhuǎn)移的能量還是很有限的。分別為灣口處的0.2和0.3 cm和灣頂處的0.55 和0.66 cm，分別增長(zhǎng)為自身的兩倍。但此時(shí)的潮高與標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)相比它們只有標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)的5%左右。

在M2+M4驅(qū)動(dòng)的情況下，M6分潮的相對(duì)于只有M2驅(qū)動(dòng)的情況，增長(zhǎng)為1.6和3.63 cm。相比較于單獨(dú)M2，M2+M4兩分潮的共同作用下，增長(zhǎng)有了較為明顯的增大，這是由于根據(jù)諧波的疊加公式，M6分潮也可以由M2和M4這兩個(gè)分潮疊加所產(chǎn)生。但是相對(duì)于實(shí)測(cè)值，在開(kāi)邊界上M2+M4這兩個(gè)開(kāi)邊界所產(chǎn)生的M6分潮依然很小，與標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)相比，相當(dāng)于基準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)的25%左右。

在M2+M4+M6三分潮的共同驅(qū)動(dòng)下，M6分潮的成長(zhǎng)才有了較為明顯的成長(zhǎng)，甚至超過(guò)了標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)，達(dá)到基準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)的120%左右。對(duì)比實(shí)驗(yàn)5中，M6潮高0.6 cm 和實(shí)驗(yàn)7中潮高12.93 cm，發(fā)現(xiàn)經(jīng)過(guò)非線性作用轉(zhuǎn)化為的M6僅占總M6的4.6%；對(duì)比實(shí)驗(yàn)6中的M6潮高3.63 cm和實(shí)驗(yàn)7中的12.93 cm，經(jīng)計(jì)算得到由M2和M4之間的相互作用生成的M6占比例為23.4%；因此可以得出，在大亞灣內(nèi)M6分潮的增長(zhǎng)主要是其自身從外海向?yàn)稠攤鞑ミ^(guò)程中的自身成長(zhǎng)，占比例為72.0%。

另外需要提及的是在調(diào)整整個(gè)模型的開(kāi)邊界的過(guò)程中，本文注意到從外海傳入很微小的M6就可以在灣頂產(chǎn)生大的振幅，例如：在31個(gè)開(kāi)邊界點(diǎn)上，選取離岸距離最遠(yuǎn)的第15點(diǎn)，開(kāi)邊界上M6的量值在該點(diǎn)僅設(shè)為0.62 cm，傳播到灣口的T2站時(shí)M6的量值已經(jīng)增大到3.83 cm，增長(zhǎng)了自身的6.17倍。隨著潮波的繼續(xù)深入，M6在灣頂?shù)腡1站繼續(xù)增大，達(dá)到10.80 cm，增長(zhǎng)為自身的17.4倍。此時(shí)的大小已經(jīng)與M4分潮的13.17 cm同量級(jí)。從前面的分析可知M6的成長(zhǎng)超過(guò)70%的部分來(lái)源于自身的成長(zhǎng)，所以如果在開(kāi)邊界上不加入這個(gè)微小的M6項(xiàng)，T1站的M6分潮增長(zhǎng)是很小的，很難模擬準(zhǔn)確。

M6分潮向內(nèi)傳播的過(guò)程中M6三部分能量的變化情況可以用對(duì)比三組實(shí)驗(yàn)中灣口T2與灣頂T1站M6的大小的方法來(lái)刻畫(huà)，只有M2驅(qū)動(dòng)的情況可以發(fā)現(xiàn)完全由非線性轉(zhuǎn)化來(lái)的M6增長(zhǎng)了自身的2倍，從0.3 cm增長(zhǎng)到了0.6 cm；而M2+M4驅(qū)動(dòng)的情況中拋去M2單獨(dú)產(chǎn)生的，可以得到M2與M4分潮相互作用生成的M6在從灣口向?yàn)稠攤鞑サ倪^(guò)程中增長(zhǎng)了自身的2.33倍；而M2+M4+M6三個(gè)分潮的共同驅(qū)動(dòng)的條件下拋去前兩種情況，M6自身的成長(zhǎng)達(dá)到了2.51倍。這三部分的能量在從灣口至灣頂?shù)膫鞑ブ芯鲩L(zhǎng)了自身的2～2.5倍。說(shuō)明M6分潮三部分的來(lái)源均發(fā)生共振作用。

3.1.3 將二次底摩擦轉(zhuǎn)為線性底摩擦 在一維線性理論中二次底摩擦項(xiàng)是生成M6分潮的很重要的機(jī)制，本文參照徐鵬博士論文的方法[21]利用傅里葉展開(kāi)得到的公式k=8cdA/3π，將二次底摩擦轉(zhuǎn)化為線性底摩擦， 其中：k和cd分別表示線性和二次底拖曳系數(shù)；A代表潮流振幅。并且使用此公式進(jìn)行轉(zhuǎn)換，可以保證線性摩擦和二次底摩擦在大亞灣內(nèi)的潮能耗散基本一致。在這里潮流振幅取0.1 m/s, 將FVCOM源代碼中的二次底摩擦系數(shù)置為一次，同時(shí)將二次底摩擦公式轉(zhuǎn)化為一次形式，在其它條件不變的條件下，重新計(jì)算。實(shí)驗(yàn)8結(jié)果顯示M2、M4分潮潮高有了小幅度的變化，不是特別明顯，而M6分潮的潮高卻發(fā)生了顯著的變化，在灣口處變?yōu)?.09 cm，占標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)的25.1%。在灣頂處潮高僅有2.43 cm, 占標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)的的23.2%左右。該數(shù)值實(shí)驗(yàn)表明，二次底摩擦項(xiàng)在M6異常增長(zhǎng)的過(guò)程中作用是很關(guān)鍵的，說(shuō)明M6分潮在大亞灣內(nèi)的共振放大作用離不非線性二次底摩擦的作用。若除去二次底摩擦，M6分潮在潮波傳播過(guò)程中就不能通過(guò)各種非線性作用攫取能量，共振放大作用也就發(fā)揮不了任何作用。二次底摩擦項(xiàng)是其它各主要分潮向M6分潮轉(zhuǎn)移能量的基本的機(jī)制。

在這里需要著重說(shuō)明一下二次底摩擦和共振效應(yīng)在此處的區(qū)別：二次底摩擦項(xiàng)是能量轉(zhuǎn)移的最基本機(jī)制，而分潮在大亞灣的共振決定了它能成長(zhǎng)到多大的程度，在沒(méi)有共振發(fā)生的海域M6分潮也是存在的，但是量值相比1/4分潮很微小。

另外，在該模型的基礎(chǔ)上還進(jìn)行了非線性對(duì)流項(xiàng)以及潮灘等可能影響到M6分潮機(jī)制的因素的實(shí)驗(yàn)，但是因?yàn)榇髞啚澈Ｓ騼?nèi)潮灘面積較小，對(duì)結(jié)果的影響不大，同時(shí)非線性對(duì)流項(xiàng)對(duì)M6分潮共振的影響不大，在這里不多做討論。

4 結(jié)語(yǔ)

實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)表明M6分潮的異常增長(zhǎng)是導(dǎo)致大亞灣內(nèi)潮汐“雙峰”現(xiàn)象的最主要原因。并且在兩個(gè)測(cè)站之間M6增長(zhǎng)達(dá)到了183.4%，2MS6增長(zhǎng)182.8%。這種異常增長(zhǎng)是比較罕見(jiàn)的。構(gòu)建的FVCOM數(shù)值模型中的M6同潮圖可知，在計(jì)算海域，M6存在兩個(gè)無(wú)潮點(diǎn)，一個(gè)位于灣外開(kāi)邊界附近，一個(gè)位于右側(cè)的陸地上，這與矩形等深渠道共振理論中在1/4，3/4處出現(xiàn)無(wú)潮點(diǎn)的理論是相符的，只是大亞灣的實(shí)際情況是由于淺水效應(yīng)的顯著影響，導(dǎo)致灣口處的無(wú)潮點(diǎn)被迫轉(zhuǎn)移到陸地上。實(shí)驗(yàn)2、3、4三個(gè)破壞性數(shù)值實(shí)驗(yàn)的結(jié)果表明，在破壞掉大亞灣內(nèi)的共振條件后，M6潮高均顯著減小，證明共振效應(yīng)確實(shí)是引起該分潮增大的原因。能量來(lái)源實(shí)驗(yàn)5、6、7數(shù)值實(shí)驗(yàn)表明，M6分潮共振成長(zhǎng)主要能量來(lái)源來(lái)自自身的成長(zhǎng)，占到了72.0%；經(jīng)過(guò)非線性作用轉(zhuǎn)化的M6僅占總M6的4.6%；由M2和M4之間的相互作用生成的M6占比例為23.4%，說(shuō)明M6本身的共振狀態(tài)是攫取能量的最重要的途徑。實(shí)驗(yàn)8 線性底摩擦實(shí)驗(yàn)中，將二次底摩擦置為一次，M6的成長(zhǎng)很小，表明二次底摩擦在M6成長(zhǎng)的過(guò)程中也是十分關(guān)鍵的，分潮在大亞灣內(nèi)的共振放大作用離不開(kāi)潮波傳播過(guò)程中的非線性二次底摩擦的作用。若除去二次底摩擦，M6分潮就不能通過(guò)各種非線性作用攫取能量，共振放大作用也就發(fā)揮不了任何作用。這里需要重點(diǎn)說(shuō)明的是二次底摩擦項(xiàng)與共振效應(yīng)在M6成長(zhǎng)中的不同作用：二次底摩擦項(xiàng)應(yīng)是M6分潮生成和增長(zhǎng)的最根本原因和最基本的控制因子。潮波在傳播過(guò)程中主要通過(guò)非線性底摩擦效應(yīng)進(jìn)行潮波間的相互作用并向M6分潮進(jìn)行能量轉(zhuǎn)移。灣內(nèi)的M6分潮共振現(xiàn)象對(duì)M6分潮起到了重要的放大作用，特別是在大亞灣灣頂，M6分潮的共振放大作用特別明顯，達(dá)到與M4分潮同量級(jí)。但是共振本身需要通過(guò)潮波傳播過(guò)程中的非線性底摩擦作用獲取所需能量，離開(kāi)了潮波傳播過(guò)程中的非線性底摩擦作用就不會(huì)存在共振放大作用。

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Abstract： The observation data in the Daya Bay shows the double peak tide phenomenon, and the harmonic analysis reveals that M6tide′s significant growth is the main cause of this phenomenon and it doubles itself between the two observation stations. According to the M6cotidal chart, which is based on the established FVCOM model in Daya Bay, we can find that there are two amphidromic points in this area, one is near the open boundary and the other is located on the land of the right side of the estuary. This can be explain by the resonance effect happened in a straight channel with constant water depth, the amphidromic points will located to the 1/4 and 3/4 of the wave length. But as the shoaling effect in the reality, the first point is forced to move onto the land. Three group of numerical experiments have been done: after the depth and length of the bay are changed, the resonance condition will be changed, and the result is M6tide’s height decrease significantly, which proves that the resonance effect is the main cause of the M6abnormal growth. And the energy distribution of the M6growth: 72% come from it own amplification, while 4.6% come from nonlinear effect and 23.4% come from the M2and M4mutual effect. When the quarter bottom friction transformed in to linear form, the M6tide can not get energy from other tides through the nonlinear effect and then the resonance effect could not function as well.

Key words： Daya Bay; M6tide; tide resonance; FVCOM; numerical experiment

責(zé)任編輯 龐 旻

The Generation Mechanism of the Double Peak Tidal Elevation in Daya Bay

DIAO Xi-Liang1,2， DING Yang2， BAO Xian-Wen1,2

(1.College of Ocean and Atmosphere，Ocean University of China，Qingdao 266100，China; 2. The Key Lab of Physical Oceanography，Ministry of Education，Ocean University of China, Qingdao 266100，China)

國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目(2015CB452900)資助 Supported by the National Key Basic Research and Development Program (2015CB452900)

2016-08-21；

2016-11-29

刁希梁(1989-)， 男， 碩士生。 E-mail:xiliangdiao@163.com

?? 通訊作者： E-mail：xianwenbao@126.com

P595

A

1672-5174(2017)09-001-10

10.16441/j.cnki.hdxb.20160291

刁希梁， 丁揚(yáng)， 鮑獻(xiàn)文. 大亞灣海域潮位“雙峰”現(xiàn)象生成機(jī)制研究[J].中國(guó)海洋大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2017, 47(9): 1-10.

DIAO Xi-Liang， DING Yang， BAO Xian-Wen.The generation mechanism of the double peak tidal elevation in Daya Bay[J].Periodical of Ocean University of China, 2017, 47(9): 1-10.