万修全， 马 倩， 马伟伟

(中国海洋大学 1.海洋环境学院；2.物理海洋教育部重点实验室, 山东 青岛 266100)



冬季高频大风过程对渤海冬季环流和水交换影响的数值模拟*

万修全1,2， 马 倩1， 马伟伟1

(中国海洋大学 1.海洋环境学院；2.物理海洋教育部重点实验室, 山东 青岛 266100)

利用ROMS海洋模式和NCEP CFSR提供的日平均和月平均驱动场资料，对渤海冬季风生环流和水交换进行了数值模拟。结果显示：使用包含渤海冬季频繁出现的高频大风过程的日平均风场资料模拟的渤海冬季环流流速明显增强，与用观测资料归纳得到的渤海冬季环流分布吻合较好；大风过程对渤海冬季环流的贡献较大，无论强度或是流态，大风作用下的渤海流场结构在冬季占主导作用。同时大风作用通过控制渤海海峡处强烈的流出和流入，提高渤海与黄海之间热量交换以及水交换能力：通过渤海海峡进入渤海的热输运量显著增加，平衡渤海整体的热量收支；渤海水体平均存留时间缩短，整体水交换得到改善，而在月平均风场驱动结果中只存在缓慢的季节性变化。这显示渤海冬季大风过程的发生频率和强度有可能直接影响着渤海冬季的环流形态和长期变化，也影响着渤海水交换的强弱。

渤海； 冬季环流； 大风过程； 数值模拟

渤海是中国一个半封闭的内陆浅海，仅通过渤海海峡与黄海相连，水交换能力较弱。近年来随着渤海沿海经济的快速发展，渤海海域水质不断恶化，赤潮频繁发生，海域环境质量成为制约沿岸人们生活和经济发展的重要因素。为了更加科学合理地开发利用渤海，需要对渤海的水动力环境系统，特别是冬季环流结构有一个深刻清晰的认识。一般认为，渤海环流的变化受制于气候条件，冬季强、夏季弱，季风是渤海环流季节变化的主要原因之一。结合大量的观测资料，目前普遍认为渤海冬季环流主要以风海流为主；海水通过渤海海峡北部进入渤海后直达渤海西岸秦皇岛外海，在此分为南北两股，一股北上进入辽东湾形成一个顺时针流环，一股经渤海湾沿岸进入莱州湾并经渤海海峡南部流出渤海，形成一个大的逆时针流环[1-2]。

最近几十年，许多学者先后对渤海冬季风生环流做了大量细致的数值模拟研究工作[3-9]，大多发现，在渤海海峡处海流北进南出，在辽东湾顶存在一个顺时针环流，但是这些数值模拟结果得到的渤海其它区域冬季主要环流结构特征却不尽相同，甚至在渤海中部与观测资料归纳的环流概况截然相反。例如，王辉等[3]使用朱耀华提供的月平均风场，利用一个简单的浅海环流模型，认为渤海中部冬季存在一个弱的逆时针流动；赵保仁等[5]利用一套月平均风场[10]驱动的冬季风生环流的数值模拟研究却表明，渤海中部呈顺时针环流特征，渤海湾湾内北部为逆时针、南部为顺时针的双环结构；Wei等[11]和黄磊等[12]分别利用季节性平均风场以及根据实测计算出的1、7月平均风场进行数值模拟，结果均发现，在冬季渤海中央海区存在一个大的逆时针环流，渤海湾和莱州湾内的流动都是这个流环的组成部分；万修全等[13]利用多年风场资料分析得到的月平均风场，通过不同的数值模式实验也发现渤海中部冬季呈现顺时针环流的特征，而在渤海湾和莱州湾内则是一支沿岸的逆时针方向的流动。

上述不同的模拟结果可能与模式使用的海面风场有关，例如，除了这些研究使用的风场资料来源不同之外，他们大多使用了月平均的海表面强迫风场对渤海水动力环境进行的数值模拟，形成了对渤海气候态环流分布的一些认识。但是随着时间分辨率更高、包含冬季高频强风过程的风场资料的出现，一些天气尺度的高频信号被保留了下来，而这些信号在月平均驱动风场中被削弱甚至根本体现不出来，其对渤海水动力环境模拟及其长期气候效应究竟有无影响目前尚不明晰，例如，渤海海区冬季主要受亚洲大陆高压和阿留申低压活动的影响，多为偏北风，平均风速为6～7m/s，常有大风天气出现并伴随寒潮发生，风力可达24.5m/s以上；一场典型的冬季大风过程可以使渤海水位骤降1m多，表面叶绿素浓度提高20%左右[14]，以前的数值模拟很少涉及这种过程，其对渤海气候态环流和生态环境的影响也不清楚。

本文利用一个广泛使用的区域海洋模式ROMS(Regional Ocean Modeling System)和NCEP(National Centers for Environmental Prediction)提供的CFSR (Climate Forecast System Reanalysis)日平均和月平均再分析风场资料对渤海水动力环境进行模拟分析，着重讨论了包含高频大风过程的日平均海面风场对渤海冬季环流和水交换的影响。

1 数值实验设计及验证

1.1 模式简介及配置

本文采用的区域海洋模式ROMS是一个基于三维非线性斜压原始方程组发展起来的海洋模型，模式计算的海区为37.1°N～41.7°N，117.2°E～122.3°E所覆盖的渤海海域。本实验在水平方向上采用正交经纬网格，水平分辨率为3km，垂向采用S坐标，共划分40标准层，使用渤海真实高分辨率地形资料[15]。模式大气驱动方案采用Bulk-Formula算法，大气强迫分别采用NCEP CFSR的日平均和月平均资料，包括10m的风场、气温、相对湿度及海面气压等；侧开边界条件采用HYCOM 高分辨率同化资料，包括温度、盐度、海面起伏以及正压、斜压流速分量。虽然渤海的潮汐现象比较显著，但是为了更方便研究冬季大风过程对渤海水动力环境的影响，本文目前在模式设置时没有考虑潮汐的影响。模式首先使用NCEP气候平均态的强迫场模拟10年达到稳定状态，然后分别使用2005—2007年连续3年的CFSR日平均和月平均再分析资料来驱动模式，进行渤海环流和水交换的数值模拟。本文将使用日平均再分析资料驱动的数值模拟实验称为控制实验，使用月平均再分析资料驱动的实验称为对比实验。控制实验和对比实验所用的侧开边界条件是一致的。

1.2 CFSR风场简介

CFSR风场资料是美国NCEP发布的再分析数据产品，可提供不同时间、空间分辨率的资料。本实验选用的数据产品在渤海海域空间分辨率约为0.31°，时间分辨率为天平均及月平均。图1是渤海中部(38.85°N，120.00°E)附近CFSR日平均和月平均风场资料2005—2007年3年的统计分析(风场采用海面上空10m风资料)。从图1(a)可看出，渤海冬季风速明显强于夏季，日平均分辨率风场资料的平均风速达到7m/s，平均强度超过月平均数据约一倍，风速变化频率、幅度很强，尤其是大风过程风速可以达到12m/s以上，冬季较多，夏季也有发生；从图1(b)3年数据统计上看，日平均资料中风速超过8m/s的风过程占到约20%的比重，4～8m/s的风速数量超过了半数，而月平均资料超过90%的数据都集中在0～4m/s的风速段内，根本没有超过8m/s的风过程；不同空间分辨率资料的年际间统计分布特征差异较小。进一步的分析表明，以往数值模拟常用的同化资料如CCMP、ECMWF ERA的月平均风场与本文使用的CFSR月平均风场分布特征也较类似(未示出)。而真实情况下，渤海区域的风速无论是强度或是变化幅度都要远强于月平均甚至日平均的资料。风速分布区间的不同除了直接影响风应力大小的计算外，也同样影响着常用风应力计算公式中的风拖曳系数的计算[16]。

最新的观测资料证实，强烈的大风过程可能导致渤海剧烈的风生补偿流及水交换过程[17]。对比上面的统计结果，以往数值模拟广泛使用的月平均再分析资料风场无论强度还是随时间的变化都远弱于实际情况，真实存在的大风强风过程并没有被包含其中，因此其对渤海动力过程和水交换的作用仍然需要进一步深入研究。

((a)2005年风速时间序列；(b)2005—2007年3年日平均和月平均资料中各风速段所占总数据量的比例。为便于比较，将月平均数据在时间上线形插值到每日再进行统计处理。(a).Time series of wind speed for 2005;(b).Probability distribution function of daily and monthly(interpolated to daily resolution) wind speed from 2005 to 2007.)

图1 渤海中部(38.85°N，120.00°E)CFSR再分析资料风速分布(单位m/s)
Fig.1 Time series of wind speed for CFSR reanalysis wind forcing at (38.85°N,120.00°E) in Bohai Sea

1.3 模式水位验证

图2(a)是2005年渤海龙口台站经调和分析得到的实测水位资料和控制实验模拟得到的水位时间序列对比。两个序列的相关系数达到0.8，表明模式模拟的水位与实测数据吻合较好。从图中可以很清楚的看到，渤海冬季存在多次水位短时间快速下降又恢复的过程，下降幅度达到0.5 m，甚至超过1 m(见图2(b))。模式模拟的水位与渤海塘沽和鲅鱼圈观测站的实测水位符合的也非常好(未示出)。这些水位快速下降的过程几乎都对应着较强的大风天气过程(见图2(b))，从龙口、葫芦岛、秦皇岛附近水位降低超过0.2 m时水位与对应风应力的统计关系(见图2(c))可以看出，在控制实验中，水位下降与风应力间存在一定的线形关系，图中超过90%的风应力都较对比实验中该三点最大风应力强；而在对比实验中用月平均风场资料模拟的渤海水位仅存在季节性的微小起伏，幅度在0.2 m之内，远小于控制实验模拟及实测的结果。当然，实际中渤海水位变化强弱不仅受风强度的影响，也会与风向有较大关系，在此不做讨论。

(在渤海不同位置选取3个点(葫芦岛、秦皇岛、龙口)，直线为拟合结果，黑色水平直线为对比实验中该三点附近风应力最大值，阴影中点数量占整体比例为10.5%。The Straight lines indicate linear trends at three stations(Huludao,Qinhuangdao,Longkou)separately.The bold black line represents the maximum wind stress at the three stations in monthly wind forcing.)

图2 (a)2005年渤海龙口站观测水位(红线)与控制实验模拟水位(蓝线)时间序列；(b)图1(a)中2005年底一次典型大风过程及其作用下的龙口站水位的变化过程；(c)2005-2007年控制实验中水位降低超过0.2 m时水位与风应力统计关系
Fig.2 (a) The time series of observed(red) and simulated (blue) sea surface height (cm) at Longkou station in 2005; (b)The details of observed (red) and simulated (blue) sea surface height (cm) during a typical process of strong wind (black) in winter of 2005 in figure 1a;(c)Statistical analysis for wind stress and sea surface height less that -0.2m from 2005 to 2007 in control run

表1 2005—2007年龙口站观测水位与控制实验水位相关性统计Table 1 The correlation between observed sea surface height and simulated sea surface heght in control run at Longkou Station from 2005 to 2007

表1是2005—2007年渤海龙口台站经调和分析得到的实测水位资料和控制实验模拟得到的水位在不同时间段的相关系数。从表中可以看出，每年的相关系数都在0.8左右，差别不大，但是冬季模拟结果明显较夏季好，这可能是由于冬春季渤海水位主要受制于冬季强风过程，而夏秋季东南季风相对弱，大风过程远少于冬春季，因而径流、潮汐等其他因素的作用在实测数据中可能会更多显现出来，而目前本文的模式结果缺少这些过程，故而相关性有所下降，这需要进一步的验证。

2 渤海对一次典型大风过程的瞬时响应过程

为进一步突出短时大风过程对渤海水动力环境的影响，本文以2005年12月21日前后的一次典型大风过程为例(见图2(b))，绘制控制实验中日平均的渤海深度平均流场和水位的逐日变化图(见图3)。可以看到，在大风开始作用之前的12月19日，渤海整体环流较弱，水位起伏也很小；随着风力的增强，海水在渤海南岸开始堆积，渤海湾和莱州湾的海流速度较大风之前增加0.5m/s以上，海水主要沿渤海南岸经渤海海峡流出；至21日风速增至最强，此时整个渤海水位平均降低1.2m左右，龙口站水位瞬时降幅接近2 m(见图2(b))，流出的水体体积超过渤海水体的5%(渤海平均深度18m)；大风减弱后的22日出现进入渤海强烈的补偿流，水位也快速恢复到平均海平面。图4是对应此次大风过程前后控制实验中渤海海峡断面3个站位(见图3(a)中的A、B、C)流速东分量随时间的变化。在快速出流阶段，绝大部分海水是通过渤海海峡南端流出，从表层到底层比较一致；而在快速补偿回流阶段，虽然整个渤海海峡从表到底都有回流，但是明显海峡北部和中部流速最强，这有力说明了大风过程对于渤海环流以及水交换能力可能有着显著影响。首先，一个单独的冬季大风过程造成的渤海环流响应与渤海的冬季气候平均态环流有着很大的相似性，如冬季渤海中部的逆时针流动和渤海海峡北进南出的环流分布等[11,13]；其次，大风过程造成的快速出流和回流路径的不同，暗示渤海快速出流和回流的水体是有区别的，这可能对渤海自身的海水净化能力有着潜在的影响。在冬春季，渤海海域的大风过程非常频繁，其造成的这种强烈的水交换对渤海内外水文环境状况可能起重要作用，而在作者用月平均资料驱动状态下的对比实验中由于不存在这种强烈的大风过程，渤海环流和水位变化都比较平缓，这种情况下对渤海水动力环境的研究和认识有可能是不全面的。

图3 2005年12月21日一次典型大风过程前后控制实验中日平均的渤海深度平均流场(矢量箭头，单位m/s)和水位(红色等值线，单位m)的分布图Fig.3 The distribution of vertical averaged current (vectors,unit:m/s) and sea surface height (contours,unit:m) of Bohai Sea during a typical process of strong wind on 21st December,2005 in control run

3 冬季大风过程对渤海冬季环流与温度数值模拟的影响

渤海冬季西北季风加强，此时易受到寒潮大风的影响，风应力是影响渤海冬季环流分布的主要因子[5,18]。图5(a)是控制实验模拟的3年平均的渤海冬季(12，1和2月)深度平均的环流及海表面温度(SST)分布。从图5(a)可以看出，辽东湾、渤海湾和莱州湾因水深浅，冬季海水温度较低；渤海海峡和中部海域则受黄海暖流影响，温度等值线向西和向北两个伸展，而且水温较高，其值超过6℃。控制实验下渤海冬季的深度平均流场有多个涡旋组成；在辽东湾存在的顺时针涡旋应是冬季偏北季风将湾内的海水推向南下，相应的西岸海水沿西岸北上补充所形成；渤海湾和莱州湾的流场则主要为一大的气旋式涡旋所占据，并且靠近岸边一侧，流速偏大，最强处能达到5 cm/s，形成一股明显的沿岸流；在渤海海峡的流动为北进南出，北部的流速虽然较弱，但仍然可以汇入辽东湾南下的海水向西入侵到渤海湾内。这些结果基本体现了从渤海实测海流及温盐分布中归纳出来的渤海冬季环流模式的主要特征，但是由于渤海冬季的流场结构与渤海冬季盛行风场的结构关系密切，因此，渤海冬季实际环流形态和强度很大程度上取决于模拟所用的风场质量如何，这其中就包括冬季频发的寒潮大风过程对渤海总体环流的贡献问题。

从前面分析得到大风过程往往对应于渤海水位的快速下降和回复。为简单计，本文选取渤海龙口站水位低于-0.2m时作为发生大风过程的时间段(约占冬季的1/4)，计算控制实验中大风过程时间段所对应的渤海深度平均环流如图5(c)所示，去除大风过程时间段的渤海深度平均环流如图5(d)所示。对比图5(c)和图5(a)可以看出，冬季大风过程作用时段的渤海深度平均环流与通常所认为的渤海冬季环流结果特征比较一致[9]，但是强度上明显大很多，尤其是渤海湾和莱州湾内的逆时针环流在图上可以非常清晰的分辨出来；而在图5(d)中的渤海深度平均环流整体上普遍弱很多，最大可到 6cm/s，在渤海海峡南侧相差更大。在渤海中部形成了一个较小的逆时针流环，这与Wei等[11]的结果有些类似。

图4 2005年12月21日一次典型大风过程前后控制实验中渤海海峡(A、B、C)3处流速U分量(单位m/s)随时间的变化Fig.4 The changes of U-component at points (A,B,C) of Bohai during a typical process of strong wind o 21st December，2015 in control run

(模式数据取2005—2007年3年的12，1和2月的时间平均代表冬季，取龙口站水位低于-0.2m时代表冬季大风过程时间段。Winter-averaged is the time mean of December,January and February from 2005 to 2007.The time section of strong winds is an ensemble of when the sea surface height at Longkou Sation is less than -0.2 m.)

图5 (a)控制实验中渤海冬季深度平均流场和SST分布；(b)对比实验中渤海冬季深度平均流场和SST分布；(c)控制实验中渤海冬季大风过程时间段对应的深度平均流场分布；(d)控制实验中渤海冬季去除大风过程时间段对应的深度平均流场分布
Fig.5 The distribution of vertical averaged current (vectors) and SST (contours) in Bohai Sea in winter of the control run (a); in winter of the comparison run (b);in time section of strong wind of control run (c) and without the time section of strong wind of control run (d)

图5(b)是对比实验中渤海冬季深度平均环流和SST的分布。从图5(b)中可以看到，对比实验中渤海深度平均的环流分布结构整体而言与控制实验基本相似，除了在渤海湾口北部近海流向秦皇岛附近的北到东北向的海流有所增强外，对比实验中流速普遍减弱，特别是莱州湾口和渤海海峡南部流速显著减小，表明渤海与黄海的水交换过程对比实验比控制实验要弱。从总体上看(见图5(b))，本文的数值模拟实验都能够重现渤海冬季温度的基本分布特征，中部温度较高，近岸温度较低，而且上下混合非常充分，但是，对比实验中渤海冬季的SST比控制实验的温度平均高2.5℃左右，增温强的区域主要集中在流速变化大的海域。在控制实验中，渤海3年平均的冬季海表净热通量为80W/m2，而对比实验则为59W/m2，均为海洋向上散失热量。相较于通常使用的月平均强迫风场，能够分辨大风等过程的日平均风场显然增强了渤海海表的热交换过程，渤海冬季向大气输送了更多的热量，导致控制实验中渤海温度比对比实验平均低2.5℃左右，而且水平分布不均匀，沿辽东湾西岸、渤海湾、莱州湾到渤海海峡南端变化较大，而在渤海中部变化明显低于平均水平。这种变化分布不仅有助于重新认识通常渤海数值模拟中冬季SST偏高的模式偏差问题[19]，并且与前面讨论的渤海对于冬季一次典型大风过程的水位和流速瞬时响应特征非常类似，因此作者猜测由于大风过程影响进入渤海海峡的热输运增加可能对渤海中部的温度变化影响较大。通过简单计算渤海海峡121.25°E断面的冬季平均热输运量，本文发现在控制实验中，该断面3年平均净热输运为0.84TW，方向为向西进入渤海，比实验的0.13TW高出6倍多，这有效补充了控制实验里渤海中部通过海表面多散失的热量。

4 冬季高频大风过程对渤海水交换影响的初步分析

水交换时间可以衡量水体水交换作用的强弱。本文采用平均存留时间(Average residence time)这一概念[20]，对控制实验和对比实验的渤海水交换强弱进行初步分析。刘哲[21]用该方法研究了胶州湾的水交换时间的时空分布，王悦[22]用该方法对渤海湾的水交换过程进行了研究。作者参考上述方法，在模式实验中引入被动溶解保守物质作为示踪物，保守物质浓度的变化表示渤海内水体逐渐被黄海水所代替的过程，因此可以通过研究渤海内保守物质浓度的时空变化来初步了解渤海的水交换过程。

图6 渤海水体的平均存留时间的控制实验(a)和对比实验(b)(单位：天)Fig.6 The average residence time (day) in the Bohai Sea,control run (a) and comparison run(b)

图6显示的是控制实验和对比实验中渤海水体平均存留时间的分布。从图6(a)可以看到，在控制实验下，水体的平均存留时间分布比较规则，由海峡向3个湾顶方向依次递增，最大值出现在辽东湾东侧，约为840d；渤海海峡北侧与南侧相比，存留时间较短，这主要渤海海峡处流动主要为“北进南出”有关。在对比实验中(见图6(b))，平均存留时间分布变化较大，3个海湾存留时间均存在不同程度的增加，辽东湾整体乃至渤海中央北部海区存留时间平均在800d左右，最大值约为950d，莱州湾整体存留时间平均在750d以上，较之控制实验明显增加。这与高频大风过程下渤海环流的改变有密切关系，缺少了大风过程的参与，渤海夏季中部大的顺时针环流减弱，辽东湾内逆时针环流增强，使得水体不易流出；而对比实验中冬季流出渤海海峡的海流速度明显减弱，导致渤海湾南部及莱州湾水体也不易流出，从而使渤海内水体与渤海外水体交换过程减弱，增加了渤海水体的平均存留时间。

5 结论

本文利用ROMS模式对渤海冬季的环流结构、温度分布状况及水交换过程进行了初步研究，主要分析了风场是否包含冬季大风过程(CFSR日平均风场与月平均风场)对其分布的影响，着重讨论了冬季环流和温度分布对包含大风过程的高时间分辨率风场的响应状况。主要结论如下：

(1)对于渤海冬季环流而言，虽然不同实验中整体环流结构基本相似，但是包含大风过程影响的流速明显增强，最大相差达到6cm/s，与用观测资料归纳得到的渤海冬季环流分布吻合较好；通过渤海海峡进入渤海的热输运量也显著增加，有效补充了因大风降温所导致的渤海表面的热损失。

(2)风场的作用对渤海冬季环流的贡献较大，仅占冬季大约1/4时间的大风时段导致的渤海环流形态分布同渤海冬季平均环流分布非常相似。这显示渤海冬季大风过程的发生频率和强度有可能直接影响着渤海冬季的环流形态和长期变化。

(3)冬季高频大风过程导致的渤海环流的分布变化也影响着渤海水交换的强弱。利用渤海水体平均存留时间的概念，作者发现在控制实验中渤海整体水交换明显增强，因此，在研究渤海水交换时，建议选用能体现大风过程较高时间分辨率的风场，从而保证研究结果的准确性和可靠性。

通过以上研究结果，对包含大风天气过程的较高时间分辨率风场影响渤海水动力环境的情况有了初步的了解，同时其造成的渤海海峡热输运变化也对研究气候变暖背景下渤海温度的升高机制提供了一种可能的研究方向。尽管如此，本文的研究仍然存在一些需要改进和深入探讨的地方，例如潮汐作用和模式开边界离研究区域较近等问题是否会对本文的研究结果有影响，这也是以后需要深入研究的内容。

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责任编辑 庞 旻

The Effect of High Frequency Strong Winds on Winter Circulation and Water Exchange in the Bohai Sea by ROMS

WAN Xiu-Quan1，2, MA Qian1, MA Wei-Wei1

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

The regional ocean model ROMS and different time-resolution wind data provided by NCEP CFSR are used to simulate the wind-driven circulation and water exchange in the Bohai Sea. The results of numerical simulations driven by daily and monthly averaged wind fields separately show that daily-averaged wind fields with high frequency strong wind signals lead to an obvious enhanced wind-driven circulation, which makes a good agreement with the observations during winter. Strong winds in winter not only have a greater contribution to both intensity and pattern of the wind-driven circulation, but also significantly increase the heat exchange between the Bohai Sea and the Yellow Sea by controlling strong inflows and outflows through the Bohai Strait. The average residence time in the Bohai Sea becomes shorter under the forcing of strong winds, which can indicate the improvement of water exchange capacity. On the other hand，there are only weak seasonal signals identified in the experiment of monthly mean wind forcing. Thus it hints us that the frequency and intensity of winter strong winds may have an important role on the long-term changes of wind-driven circulation and water exchange in the Bohai Sea during winter.

Bohai Sea; winter circulation; strong winds; numerical simulation

国家自然科学基金项目(41276013)；2012年度教育部新世纪优秀人才支持计划：国家海洋局海洋公益性行业科研专项(201205018)资助

2014-04-18；

2014-05-22

万修全(1977-)，男，博士，副教授。E-mail: xqwan@ouc.edu.cn

P731.27

A

1672-5174(2015)04-001-08

10.16441/j.cnki.hdxb.20140146