东中国海环流数值模拟研究【毕业论文】.doc

1、本科毕业论文（20 届）东中国海环流数值模拟研究所在学院 专业班级 海洋科学 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 目录摘要 .IAbstract.II1 引言 .11.1 东中国海环流简介 .11.2 影响因素 .31.3 相关数模研究现状 .51.4 本文研究简介 .62 数值模拟方法 .82.1 模式的介绍 .82.1.1 基本控制方程 .82.1.2 初始条件 .92.1.3 边界条件 .102.1.4 S 坐标系统 .102.2 模式的配置 .122.2.1 范围与处理 .122.2.2 开边界条件 .143 模拟结果与分析 .163.1 外来流系 .203.1.1 东海

2、黑潮 .203.1.2 台湾暖流 .203.1.3 对马暖流 .213.1.4 黄海暖流 .213.2 沿岸流系 .213.2.1 渤海沿岸流 .223.2.2 黄海沿岸流 .223.2.3 东海沿岸流 .223.2.4 朝鲜沿岸流 .224 结论 .23参考文献 .25致谢 .27I东中国海环流数值模拟研究摘要东中国海包括渤海、黄海和东海，为典型的西北太平洋边缘陆架海。其水文特征深受海底地形、海表风应力、西边界流、海表热通量等因素的影响，这决定了东中国海环流体系的复杂性和多样性。本文基于 Regional Ocean Modeling System(ROMS)三维非线性斜压模式，考虑了海底地

3、形、海表风应力、黑潮等因素，模拟了东中国海环流体系。其中，海表风场取自 Quikscat 卫星数据；海表热通量数据来自 NCEP；开边界流速、温度、盐度数据来自 SODA；海陆边界采用无滑动边界；开边界主要采用Orlanski 辐射边界条件；暂不考虑径流。模拟实验大体显示了东海黑潮、台湾暖流、对马暖流、黄海暖流、中国沿岸流和朝鲜沿岸流的来源、路径、分布及季节变化等情况。计算结果表明东中国海环流为一个气旋式“涡旋” ，其外侧主要由东海黑潮、台湾暖流、对马暖流和黄海暖流组成，即为外来流系；内侧主要由中国沿岸流和朝鲜沿岸流组成，即为沿岸水流系。本文在模拟结果的基础上，对一些争议问题进行了讨论。例如：

4、台湾暖流的来源、路径及去向；对马暖流的来源；朝鲜沿岸流的去向；黄海暖流的来源、路径等。并与已有认知和实测数据进行了比较。关键字 东中国海；海洋环流；数值模拟；ROMS 模式IIStudy on the Numerical Simulation of the Circulation in the East China Seas AbstractThe east China seas includes bohai sea, yellow sea and donghai sea, which is a typical limbic sea on the continental shelf. Its

5、hydrological features are deeply effected by topography, surface wind stress, the western border flow and land runoff etc. , which also determine its complexity and diversity. We simulated the circulation system in the east china seas, considering the seabed terrain, monsoon, kuroshio etc., based on

6、 the Regional Ocean Modeling System (ROMS) 3D nonlinear baroclinic model. The data of surface wind field is from Quikscat satellite; the data of heat flux is from NCEP; the data of velocity , temperature and salinity on the open border is from SODA; the boundaries of sea and land are no sliding; use

7、 Orlanski radiation boundary conditions; not consider runoff. The simulation experiments show the origins, paths, distributions and seasonal changes of kuroshio, Tsushima warm current, yellow sea warm current, Taiwan warm current, China coastal current and Korea coastal current.Simulation results sh

8、ow that the circulation in the east china seas is a cyclonic vortex, whose outward side mainly composed of kuroshio, Tsushima warm current, yellow sea warm current (so called foreign current system) and inward side composed of China coastal current and Korea coastal current (so called coastal curren

9、t system). In this paper, on the basis of simulation results, some controversial issues are discussed. Such as the source and path of Taiwan warm current, the source of Tsushima warm current ,the result of Korea coastal current and the source and path of yellow sea warm current etc. And the result w

10、as compared with the existing knowledge and measured data.Key words East China Seas；Ocean Circulation；Numerical Modeling；ROMS11 引言中国近海传统上分为渤海、黄海、东海和南海四个海区。后来有人主张将中国近海分为东中国海和南中国海两大海区，前者包括渤海、黄海、东海；后者仅包括南海。本文中所指的东中国海即包括渤海、黄海、南海，这与日本以及西方国家所谓的“东中国海”即为东海与所不同。 1海洋环流将东中国海各个海域联系在一起，带动海洋中物质和能量的循环，保持海洋环境中物理、化学

11、、生物状况的长期相对稳定。1.1 东中国海环流简介东中国海环流体系十分复杂，受区域海洋环境与气候的影响突出他，导致不同海域不同季节存在明显的变化。正因为如此，还存在很多争议，有待进一步的研究。总体上来说，东中国海三大海区中渤海的环流最弱；黄海的环流较渤海强但比东海的弱；东海的环流最强也最稳定。渤海的环流主要是沿岸流，受季风影响显著。黄海的环流主要有黄海暖流、黄海沿岸流和朝鲜沿岸流。东海的环流比渤、黄海更明显，主要有黑潮、台湾暖流、对马暖流和东海沿岸流。图 2.1 东中国海环流体系（Yuan 等）2Figure 2.1 The circulation system in the east Chi

12、na seas (Yuan et al.)管秉贤等 2将东中国海环流分为两个部分，分别称为外来流系和沿岸水流系。东中国海的外来流系主要有黑潮及其分支，主要包括东海黑潮、台湾暖流、对马暖流、黄海暖流；而沿岸流系主要包括中国沿岸流和朝鲜沿岸流，其中中国沿岸流又可分为渤海沿岸流、黄海沿岸流、东海沿岸流，这些沿岸流又可进一步细化，这里不作介绍。下面就上述各个流系作一个简介。黑潮具有流速强，流量大，流幅狭窄，延伸深邃，高温高盐等特征为其特色。因其水色深蓝，远看似黑色，因而得名。黑潮在东海的部分，称为“东海黑潮”，是东中国海环流的主干。东海黑潮基本上是东北流向，流轴常常位于海底坡度最陡处。黑潮属于强西边界

13、流，具有典型的地转流性质。流轴上的流速平均为 1m/s，最大可达 1.5m/s。东海黑潮流轴、流向和流幅比较稳定，但流速和流量却有明显的季节变化。春、秋季强；冬、夏季弱。东海黑潮的两侧常伴随着不同尺度的涡旋。台湾暖流系指沿闽、浙近海至长江口以南海域自西南流向东北的这支海流,具有高温、高盐性质，流向终年偏北。台湾暖流在东海是次于东海黑潮的海流，传统观点认为它是东海黑潮的一个分支。但后来的调查研究表明，台湾暖流的表层水夏季主要来源于台湾海峡，而不是黑潮，冬季则主要来源于黑潮表层水；而台湾暖流的底层水，冬夏季都来源于台湾东北部的黑潮次表层水。台湾暖流除冬季因偏北季风影响可能偏离外，基本上是沿着闽浙沿

14、岸北上，总趋势基本一致。此外，台湾暖流的流速、流幅等也有季节的变化，通常情况下夏季流速大，流幅宽；而冬季流速小，流幅窄。对马暖流曾经也被认为是东海黑潮在九州附近向北分离出的一个分支，但近年来的研究结果显示，对马暖流并不单是东海黑潮的分支，而是东海黑潮水、东海陆架水等混合形成的。对马暖流流速平均为 0.250.30m/s，最大约0.5m/s，主流经对马海峡和朝鲜海峡进入日本海。对马暖流也随季节存在明显的变化，一般夏、秋季强，冬、春季弱。黄海暖流曾经被认为是对马暖流的分支，但后来研究结果表明它是对马暖流和黄、东海陆架水混合而成。黄海暖流的流速平均不到 0.1m/s，相对东海的流系来说要弱得多。黄海

15、暖流基本上沿位于黄海中央的黄海海槽北上，冬季甚至可以一直延伸到渤海。但近来研究表明黄海环流存在西移的现象。中国沿岸流是东中国海环流的重要组成部分，受季风和大陆径流的影响。通常它产生于冬季季风的驱动，始于渤海湾西部，沿中国沿岸南下。按地域不同又可进一步细分为鲁北沿岸流、苏北沿岸流、浙闽沿岸流。在冬季偏北季风作用下，鲁北沿岸流经渤海海峡南部流入黄海；同时辽东湾东岸也有南下的沿岸流。鲁北沿岸流流入黄海后，汇入苏北沿岸流，流入东海北部。冬季沿岸流3流速在鲁北沿岸至成山角处较大，成山角之后有所减弱，到海州湾南部又有所增大。夏季鲁北沿岸流流速减小，流幅加宽，但在成山角附近流速增大、流幅变窄。东海沿岸流随季

16、节有明显的变化。冬季偏北风作用下，长江等陆地径流冲淡水混合浙闽沿岸流向台湾海峡西南部运动；夏季偏南风作用下，长江等陆地径流冲淡水汇合沿岸流向东北延伸。朝鲜沿岸流沿朝鲜半岛西岸南流，流向终年不变，但流速冬强夏弱。它与黄海暖流构成一个弱的反气旋环流。朝鲜沿岸流一般不强，这是因为无较大的陆地径流入海。朝鲜沿岸流至济州岛附近后分为两支，一支汇入黄海暖流北上，一支经济州海峡汇入对马暖流。1.2 影响因素海洋环境和气候对海洋环流体系的形成和运作起着决定性作用，对其必须有一个清楚的认识。下面就影响东中国海环流的主要因素作一讨论。图 3.1 影响东中国海环流的因素Figure 3.1 Influence fa

17、ctors of the circulation in the east China seas 东中国海是世界上最宽的陆架海之一，位于西北太平洋边缘，呈南北狭长状，等深线与岸线大致平行。东中国海是半封闭型海，仅仅通过几条水道与太4平洋相连，海底地形十分复杂，水深变化差异大。渤海是一个近封闭型浅海，平均水深约 18m，最深也只有 83m，仅通过渤海海峡与外界相通。渤海海峡北起辽东半岛的老铁山角，南至山东半岛的蓬莱角。黄海是一个半封闭型浅海，平均水深约 44m，最深约 140m。黄海地势较平坦，但在海区中央有一狭长海底洼地，自济州岛延伸至渤海海峡，称作黄海海槽。东海是西太平洋的一个边缘海，平均水深

18、约 370m，最深可达 2719m。东海的地势自西北向东南倾斜，其西北部分属于陆架浅海，东南部分属于大陆坡和冲绳海槽。东海东以九州岛、琉球群岛和台湾岛连线为界，南至台湾海峡。东海通过诸如台湾海峡、苏澳与那国海峡、官古岛冲绳岛水道及吐噶喇海峡等与其它海域和大洋进行物质交换。东中国海纵跨两带，北起温带，南至副热带，受东亚季风控制，是世界上著名的季风区。这导致东中国海海域四季交替明显，气候差异显著。近岸的温度主要受陆地气候控制，东中国海北有西伯利亚冷空气主导的西北干冷气流控制，南有西南湿暖气流影响。渤、黄海位于温带，海区冬季多偏北风，平均风速为 67m/s。伴随强偏北风，常有寒潮冷空气南下，有时会引

19、发风暴潮。春季偏南风增多，夏季盛行偏南风，平均风速 46m/s ，时有台风等灾害性天气现象发生。东海跨越温带和副热带，冬季以偏北风为主，平均风速达到910m/s 。南部海区以东北风为主,风向较稳定。夏季以偏南风为主，平均风速为 56m/s ，期间常有热带气旋取道北上。东海大风带位于浙闽沿海海域和台湾海峡海域，而该区域上升流也较强。东中国海地处西北太平洋，其环流体系必然受到强大的西边界流和外洋信号的影响。黑潮作为北太平洋的强西边界流,带来了高温高盐水，对我国近海环流具有极其重要的影响，可以说它是东中国海环流的主干之一。黑潮从台湾以东进入东海后大致沿着陡峭的大陆坡东北向流动,经吐噶喇海峡流出东海，

20、影响和产生了沿途的其它流系。中国大陆有许多陆地径流注入东中国海，其大量水沙输入导致的盐度降低所引起的浮力驱动对东中国海环流特别是沿岸流影响很大。其中以黄河和长江的水沙输入最为突出，而且从以往的研究经历来看这是一个不可忽视的因素。此外，潮汐潮流、海表热通量、热盐效益等对东中国海环流体系也有影响，在局部海洋环流研究中往往会对当地流系产生十分重要的作用。综上所述，东中国海环流上有季风驱动，下有复杂地形作用，外有太平洋强西边界流和大洋波动传入，内有黄河、长江等陆地冲淡水的大量水沙输入。综合海底地形、海表风应力、西边界流、陆地径流等因素对其水文特征的影响，导致了东中国海环流体系的复杂性和多样性，这是相关

21、海洋数值模拟研究中不可忽视的条件因素，也直接决定了相关模拟结果的真实性和准确性。51.3 相关数模研究现状上世纪 60 年代，数值模拟开始应用于海洋研究。按时间序列可以分为一维、二维、三维数值模拟三个历史阶段。中国的海洋数值模拟起步较晚，80 年代开始将数值模拟应用到东中国海研究中。当时二维数值模拟技术已趋成熟，三维模拟也得到了很大发展。之后基于二、三维数值模拟技术，借助于各种模式和方法不断创新和改进，正压向斜压的变化，高分辨率高强迫条件的使用，东中国海环流的研究得到了很大进展，并取得了很多成果。对于东中国海环流的数值模拟研究，有对东中国海整体环流体系的研究，也有只对渤海、黄海或东海一个或几个

22、的环流的研究。渤海的数值模拟研究较早也较成熟。Zhao 等人 3较早地采用三维模式模拟渤海环流。黄大吉等人 4模拟渤海冬夏季环流，结果显示渤海环流具有风海流特征，并认为渤海海峡冬夏季水体交换都是北进南出。可是，Wei 等人 5模拟却得到了相反的结果，渤海环流冬强夏弱，夏季环流在渤海海峡处表层出现北出南进的相反现象。黄、东海的联系相对比较密切，环流也比较复杂，其数值模拟研究相对较晚。Fang 等人 6模拟了黄海暖流的路径和来源，结果显示黄海暖流产生的原因不仅仅只是冬季风，它只不过在黄海暖流运动的过程中起到了强化作用，冬季黄海暖流主要来自于对马暖流和台湾暖流。随着数值模拟技术的不断改进，黄、东海环

23、流数值模拟更多地运用了三维模式。而三维模式也经历了正压向斜压的发展。乔方利等人 7用三维正压 POM 模式模拟黄、东海环流特征，结果与观测结果比较符合。Kagimoto 等人 8利用三维正压模式模拟了黑潮的季节变化，结果与观测结果也大致相似。但是，黑潮是西边界流，具有明显的斜压性，采用正压模式对黑潮模拟的结果往往存在较大的误差。为了进一步提高精度，三维斜压模式被运用到东中国海环流数值模拟研究中来。王凯等人 9运用一个三维斜压模式模拟了渤、黄、东海夏季环流。总的来说，东中国海的环流体系是比较明朗的，但对其中某些海流的某些问题还存在着一些争议。比如，台湾暖流的来源、路径及去向；对马暖流的来源；朝鲜

24、沿岸流的去向；黄海暖流的来源等。下面介绍一下东中国海主要的几个流系的研究现状，这也是东中国海环流研究的热点。黑潮作为北太平洋的强西边界流，对我国近海环流具有重要的影响，可以说它是东中国海环流的主干。东海黑潮中游比较稳定。黑潮的路径存在比较明显的季节变化，夏秋季靠近陆架，春冬季远离陆架。李徽翡等人 10运用了一个三维斜压模式的模拟结果显示黑潮从台湾东部向北进入东海，其途径、流速、流幅都较稳定，流幅约为 100 km。6台湾暖流是东海闽浙沿岸的一支边界流，常年存在的北向流动，形成原因比较复杂，目前没有定论，携带部分南海的暖水。袁耀初等人 11的计算结果显示台湾暖流在 29N31N 附近转向东，与黑

25、潮平行流向东北，汇入对马暖流。朱耀华等人 12认为台湾暖流受地形影响，流向与等深线基本一致。许多模拟结果显示台湾暖流上层主要来自台湾海峡，下层则主要来自黑潮水入侵,且台湾暖流存在季节变化。对马暖流，过去认为是黑潮的分支。但后来研究发现对马暖流来源于黑潮和陆架水的混合。后者得到了许多数值模拟的验证。而 Huan 等人 13认为对马暖流来自于黑潮、台湾暖流和济州岛西部黄海水的混合。最近研究表明黑潮对对马暖流和黄海暖流有诱引作用，地形对环流的影响也比较大，黄海暖流和对马暖流基本上沿着等深线运动。黄海暖流冬季表现为北向的高温高盐水舌，夏季是否存在尚有争议。以往有的研究认为黄海暖流是由对马暖流分支出来，

26、有的研究认为黄海暖流是由于风产生的补偿流动。黄海暖流的流速非常小，目前很难直接观测。黄海暖流的来源是黄海海区比较关注的问题，除秋季从对马暖流分出外，在其他季节黄海暖流主要来自陆架混合水流动，夏季黄海暖流的起源甚至可以追溯到台湾暖流的近岸分支。许多类似模拟结果显示黄海暖流主要起源于台湾暖流的近岸分支，而模拟得到的黄海暖流流速小于 10cm/s，在夏季黄海暖流不能进入黄海。冬季在表层 20m 以下，黄海暖流一直向北进入黄海，并在渤海海峡北部进入渤海。苏北沿岸流是黄海沿岸流，Yuan 等人 14的模拟结果表明其存在一个离岸运动，跨黄海大陆架向东南流向东海。这个流动被其称作“东海海流” 。在未来的数值

27、模拟研究中，通过多重网格和变网格结合，使用更高的的分辨率；通过更加真实的海洋参数化方案，发展风浪流潮相混合的模式，使用更加真实的强迫条件，使数值模拟的结果更具真实性和可靠性。届时，东中国海环流体系有会更加明朗清晰。1.4 本文研究简介本文基于 Regional Ocean Mideling System（ROMS）模式来模拟东中国海环流体系，对其主要流系的起源、路径、空间分布和季节变化等问题进行研究，之后在分析的基础上与前人的研究结果进行对比以得出异同点，最后得出本课题的结论。东中国海是中国的边缘陆架海，而其环流体系对于东中国海的物质能量运输有着重要的影响，尤其与沉积物的迁移、污染物的分布、海洋灾害的形成等有着密切的关系，甚至对海洋生物的分布也有着十分重要的影响。海洋数值模