珠江口的三重嵌套网格系统应用简析

这是一套最近为中国广东省珠江口开发的三重嵌套网格模型系统，这也是中国水利部所资助的一项多研究机构合作研究项目的一部分。该项目的最终目标是开发一套整个中国沿海风暴潮、三维海洋环流及水量分布的预报系统。珠江口的嵌套网格系统基于POM模型建立，由3个子模型组成（图12）。一个低分辨率的外部大模型覆盖整个渤海、黄海、东海和南中国海的北部，其水平分辨率约为7km。一个中间模型覆盖了围绕珠江口的南中国海西北部，其水平分辨率约为3km。一个内部小模型覆盖了珠江入海口及其相连的南中国海内部，其水平分辨率为1.2km。大模型和中模型使用了ETOPO2的地形数据，小模型则使用了高分辨率的地形数据（Wang，2006）。外部大模型是一个二维正压模型，中间及内部小模型则为三维斜压。珠江口嵌套网格系统使用由中国国家海洋环境预报中心（NMEFC）提供的3小时风力和大气压场，利用Matsumoto等（2001）基于16个潮汐因素开发的一项程序计算潮位，并沿着外部大模型开边界进行潮汐力设定。中间和内部小模型还包含了来自珠江口八大口门［虎门、蕉门、洪奇沥、横门、磨刀门、崖门、鸡啼门和虎跳门，图12（c）］基于过往洪、枯季气候预测的淡水径流（Wang，2006）。在模型中每一条河流均被近似处理为一条狭窄（在中间模型中取约7km宽，内部小模型中取约6km宽）和较浅（约2.5m）的渠道［图12（c）］。每条河流的流量根据网格单元底部（如最靠近陆地的网格单元）的垂向流速加以设定。基于盐度守恒，模型中河流头部每个时间步长的盐度（）可设定为：

式中：是前一时间步长计算中起点处的模型盐度；S0是起点处盐度，设为0.4psu；Vc是起点处模型单元水流的体积；Vr是一步计算期内河流的淡水排入体积。这些设定允许淡水径流随意地流入珠江口，同时河口的模型盐度可根据径流流量而变化。

图12　珠江口三重嵌套网格系统模拟结果（空心箭头表示风压）

（a）外部大模型生成的潮位与垂向平径流速；（b）中间模型生成的表面流场（黑色实线箭头）与盐度；（c）1993年1月15日02∶24 UTC内部模型在第380.1天的情况

珠江口嵌套网格系统以1992年1月1日00∶00 UTC时以及其后2年。图12（a）和图13（a）显示了1993年1月15日02∶24（模型第380.1天）和8月18日02∶24时（第595.1天）的模拟潮位与潮汐驱动的垂向平均流速、风及大气压情况。在模型第380.1天，风应力相对较强并在东南中国海外围向南移动。由于潮汐与风力的联合作用，此时东中国海上的垂向平均流速［图12（a）］呈现为较强的西向水流。而在南中国海海岸带区域内呈现为较弱的沿岸水流，其他区域洋流则要更为微弱。第595.1天中国海上的风力相对较弱，垂向平均流速主要由于潮汐流引起［图13（a）］。(www.xing528.com)

图13　珠江口三重嵌套网格系统模拟结果（空心箭头表示风压）

（a）外部大模型生成的潮位与垂向平均流速；（b）中间模型生成的表面流场（黑色实线箭头）与盐度；（c）内部模型在1993年8月18日02∶24 UTC，第595.1天情况

中间模型生成的第380.1天表面流［图12（b）］呈现出相对较强的西南向移动特征，主要原因是该天的强风作用。与之相比第595.1天由大模型生成［图13（b）］的表面洋流则较弱并伴有许多小尺度涡漩过程特征。第380.1天在潮汐与风力驱动的洋流和淡水径流带来的斜压洋流共同作用下，由内部高分辨率模型生成［图12（c）］的珠江口表面洋流表现为较强向海流和河口外海岸带水体表面出现西南向沿岸流。在第595.1天珠江口内部由内部模型产生了一股强烈的陆向水流，主要原因是伴随潮汐流和低盐水流相应的南向斜压水流所致［图13（b）］。图12（c）和图13（c）的对比说明洪季（5～12月）低盐流比枯季（1～4月）扩散至外海要多得多。

值得注意的是在模拟珠江口及其相邻海域三维海岸带及河口环流时，与其他为珠江口开发的数值模型相比，本研究中使用的珠江口嵌套网格系统在外部大尺度模型为中间和内部模型开边界提供潮汐和大尺度海洋风成流的动态可靠信息方面显示出一定优势（Peng和Peng，2005）。过去绝大多数的珠江口环流数值研究均仅仅在离珠江口较近的深水区内为模型开边界设定潮汐约束力（Wong et al.，2003）。需要说明的是目前的珠江口嵌套网格系统只使用了单向嵌套。基于半预报数值方法的双向嵌套和严格的模型性能评估目前还在进行中。