海洋水文学

孟加拉湾陆架对潮汐的影响研究

  • 徐一凯 ,
  • 胡松 ,
  • 朱宇航 ,
  • 王飞 ,
  • 张春玲
展开
  • 上海海洋大学海洋科学学院, 上海 201306
胡松。email:

徐一凯(1999—), 男, 浙江省宁波市人, 硕士研究生, 主要从事物理与海洋生态环境的相互作用研究。email:

Copy editor: 林强

收稿日期: 2022-05-22

  修回日期: 2022-07-16

  网络出版日期: 2022-08-02

基金资助

国家重点研发计划子课题(2021YFC3101702)

Impacts of continental shelf on tide in the Bay of Bengal

  • XU Yikai ,
  • HU Song ,
  • ZHU Yuhang ,
  • WANG Fei ,
  • ZHANG Chunling
Expand
  • College of Marine Science, Shanghai Ocean University, Shanghai 201306, China
HU Song. email:

Copy editor: LIN Qiang

Received date: 2022-05-22

  Revised date: 2022-07-16

  Online published: 2022-08-02

Supported by

National Key Research and Development Program Sub-Project(2021YFC3101702)

摘要

孟加拉湾典型地形对潮汐的影响机制尚未得到深入研究, 故本文基于FVCOM(finite-volume community ocean model)设置了一组控制试验和三组对照试验, 通过数值试验手段理解湾顶和两侧陆架地形, 以及陆架区域显著的峡谷地形对该区域潮汐的影响机制。试验结果显示: 恒河峡谷有利于减小峡谷附近的潮波振幅, 但对湾顶潮差影响不大; 顶部陆架宽度有助于增大潮波振幅, 增大湾顶的潮差; 东侧陆架有助于增强开尔文波, 增大湾顶潮差, 但影响不如顶部的陆架显著; 西侧陆架仅对西部局地有影响, 对整体同潮图分布影响较小。

本文引用格式

徐一凯 , 胡松 , 朱宇航 , 王飞 , 张春玲 . 孟加拉湾陆架对潮汐的影响研究[J]. 热带海洋学报, 2023 , 42(3) : 67 -74 . DOI: 10.11978/2022118

Abstract

The influence mechanism of the typical topography in the Bay of Bengal on the tide has not been fully understood. Therefore, this study sets up a group of controlled experiments and three groups of comparative experiments based on FVCOM (finite-volume community ocean model) to study the influence mechanism of the north, west and east continental shelf topography, as well as the influence of the most visible canyon topography in the continental shelf area on the tide. The results show that the Ganga Trough can reduce the amplitude of tidal wave near the canyon, but has little effect on the tidal range at the head of the bay; the width of the top shelf is helpful to increase the amplitude of tidal wave and the tidal range at the head of the bay; the eastern continental shelf helps to enhance Kelvin wave and increase the tidal range at the top of the bay, but the impact is not as significant as that on the top shelf; and the western continental shelf only has an impact on the western region, but has little impact on the co-tidal distribution of the whole area.

孟加拉湾位于印度洋北部, 处于印度半岛、中南半岛、安达曼群岛—尼科巴群岛之间, 总面积约2.172×106km2, 海湾平均水深 2586m, 南半部较深, 呈“n”型向南开口(张亚敬 等, 2021)。孟加拉湾近陆区域有明显的陆架, 其中北部陆架宽约160km, 其余部分宽度多小于50km。其中, 位于恒河三角洲外方的恒河峡谷是其主要陆架特征之一, 深达732m(图1)。如上所述, 孟加拉湾的地形特征可以概括为: 较为平坦的海盆区域, 湾顶和两侧的陆架地形, 湾顶存在一条显著的约200km长的峡谷, 以及河口区域发育的典型三角洲地形。
图1 研究区域示意图

该图基于国家测绘地理信息局标准地图服务网站下载的审图号为GS(2016)1665号的标准地图制作。图中红点为英国水文局(U.K. Hydrographic Office, UKHO)提供的验潮站点, 黑点为试验水位取样点

Fig. 1 The location of study area. The red dots represent the tide gauge stations provided by the U.K. Hydrographic Office, and the black dots are the sampling sites of the experimental water level

孟加拉湾作为沿岸人口密集的海域, 其潮汐的研究对于人类的生产生活有重要意义。尤其是在孟加拉湾北部的恒河三角洲区域, 平均潮差大于4m, 潮汐的影响甚至可以沿着河流向陆地延伸200km的范围, 是世界上典型的强潮海湾。Murty (1983)利用验潮仪数据基于数值模型绘制了孟加拉湾主要分潮的同潮图。 Johns (1985)建立了用于评估孟加拉湾潮汐和涌浪之间相互作用的数值模型。Sindhu等(2013)对孟加拉湾潮汐做了详尽的阐述, 潮波以开尔文波形式从苏门答腊、泰国一侧传入, 从斯里兰卡一侧传出。孟加拉湾的入口因较小并未形成无潮点, 但在斯里兰卡低潮差区域形成退化的无潮点(Pugh et al, 1987)。Tazkia (2017)重点研究了孟加拉湾M2分潮振幅的季节变化。
这些潮汐特征显然和孟加拉湾的独特地形有关, 然而, 上述研究并未深入探讨地形对孟加拉湾潮汐的影响机制。故本文基于水动力模型FVCOM(finite-volume community ocean model), 拟通过数值试验手段理解湾顶和两侧陆架地形, 以及陆架区域显著的峡谷地形对该区域潮汐的影响机制。

1 模型和试验

1.1 模型设置

本文利用 FVCOM海洋数值模型, 在 81°—95°E, 13°—23°N范围内构建孟加拉湾潮汐模型。FVCOM在垂向上采用 σ坐标系, 该坐标系可以更好地拟合复杂的海底地形; 在水平方向上采用非结构化网格, 该网格可以更好地拟合复杂的岸线(王彪 等, 2012; Chen et al, 2013; 朱学明 等, 2014; 吕喆 等, 2017; 范锦晓 等, 2020)。故对于海底地形及河口岸线均较为复杂的孟加拉湾区域, 该模型可以有较好的模拟效果。为了提高计算效率以更好地模拟潮汐, 本文所取网格在孟加拉湾陆架周围及恒河峡谷等地形复杂区域进行了加密, 计算区域共分成8079个节点, 14992个三角元, 开边界设在约15°N处, 精度约为40km, 湾顶最小网格精度在1km以内, 垂向σ坐标分61层(图2)。
图2 孟加拉湾模型计算网格

Fig. 2 The calculation grid of model in the Bay of Bengal

模型的水深由ETOPO1 数据进行插值而得, 外海潮波开边界通过TPXO9(Egbert et al, 2018)给出的8个主要天文分潮(M2、S2、K1、O1、N2、K2、P1、Q1)调和常数计算的水位进行驱动。模型计算时间为2021年6月11日0时—8月31日23时, 为避免冷启动带来的初始振荡, 对后60d的计算结果进行分析。

1.2 试验设置

为研究孟加拉湾陆架及恒河峡谷对潮汐的影响, 本文进行了4组试验: 试验1为控制试验, 采用原始ETOPO1插值水深, 主要目的是验证模型的准确性, 并作为其余3组试验的对照组; 试验2为封闭峡谷试验, 该试验填平了恒河峡谷, 使其水深与周围陆架基本保持一致; 试验3为湾顶陆架拓宽试验, 该试验将北侧陆架进行了双倍拓宽, 使其宽度约为320km; 试验4为侧向陆架拓宽试验, 该试验分为两组, 一组将东北侧陆架进行了双倍拓宽使其宽度约为100km, 一组将西北侧陆架进行了双倍拓宽使其宽度约为40km。以上4组试验水深图分别如图3a—e所示。
图3 控制试验及对照试验水深图

图a—c分别为试验1—3的水深图, 图d、e分别为试验4东、西侧陆架的拓宽水深图; 方框为恒河峡谷填平区域示意; 箭头为陆架拓宽方向

Fig. 3 Bathymetric map of controlled and comparative experiments. (a-c) Bathymetry map of experiments 1-3; (d-e) bathymetry map of the widened eastern and western continental shelfs of experiments 4, respectively. The box is an illustration of the Ganga Trough filling area; the arrow shows the direction of continental shelf widening

1.3 数据与方法

为了验证模型的潮汐计算结果, 本文在下文对控制试验M2分潮的振幅和迟角进行了验证, 其数据来源于英国水文局(U.K. Hydrographic Office, 2012)提供的孟加拉湾沿岸7个验潮仪M2分潮的振幅和迟角, 其站点位置如图1中T1—T7所示。
本文中出现的余流场分析均采用欧拉余流(李树华, 1987), 其公式如下:
v Euler = 1 T t 0 t 0 + T v d t
式中 v Euler为欧拉余流的流速, T为潮周期, t0为最后两个潮周期的起始时刻, v 为某时刻潮流流速。本文采取模式计算的最后两个潮周期进行计算。

2 数值试验结果

2.1 控制试验

本试验主要为验证模型的准确性, 并初步分析孟加拉湾的潮汐及潮流特征。
为分析孟加拉湾的潮波运动特征, 本文使用T_TIDE(Pawlowicz et al, 2002)对计算结果进行调和分析。图4为孟加拉湾潮汐类型图, 潮汐类型公式如下(Defant, 1961):
F = K 1 + O 1 M 2 + S 2
图4 孟加拉湾潮汐类型分布图

Fig. 4 Tidal types in the Bay of Bengal

式中K1O1M2S2均为各个分潮的振幅; F为潮汐类型指数, 如果F小于0.25, 则潮汐类型为半日潮; 如果F为0.25~1.5, 则潮汐类型为混合潮, 主要为半日潮; 如果F为1.5~3.0, 则潮汐类型为混合潮, 主要为全日潮; 如果F大于3.0, 则潮汐类型为全日潮。
由图可得, 除孟加拉湾东北部恒河河口外, 其余海域F值均小于0.25, 主要呈现为半日潮。由于M2分潮为孟加拉湾的主要分潮(Bricheno et al, 2016), 故本文重点分析其M2分潮, 同潮图如图5所示。
图5 孟加拉湾M2分潮同潮图

箭头为潮波传播方向示意

Fig. 5 Co-tidal of the M2 tidal component in the Bay of Bengal. The arrow shows the direction of tidal wave transmission

图5可得, 孟加拉湾的潮波由外海传入后, 在21°N以下的广阔海域并未有较大阻挡因素, 故其振幅较为规则, 约为0.5m, 21°N的迟角约为330°。而在受到约21°N北部陆架的阻挡后, 分成两股分别向西北部和东北部继续传播, 这也导致了这两个区域振幅变化剧烈, 最大振幅均超过了1.4m。其中, 在孟加拉湾西北部的迟角等值线呈现西南—东北走向, 而东北部的迟角等值线呈现西北—东南走向。尤其是孟加拉湾东北部的海湾, 由于该海域岛屿众多、地形变化复杂, 潮波变化剧烈, 迟角等值线逐渐由西北—东南走向转变为西南—东北走向, 并且在西北部出现了振幅极小处, 约为0.1m。
模型潮汐计算结果与英国水文局所提供数据对比如表1所示, 结果显示, M2分潮振幅的平均误差为0.05m, 迟角的平均误差为16.6°, 模型能够较好地模拟孟加拉湾的潮波。
表1 孟加拉湾M2分潮振幅及迟角验证

Tab. 1 Verification of the M2 tidal component amplitude and phase lag in the Bay of Bengal

站点名称 经度 纬度 振幅H/m 迟角g
UKHO 模拟 Δ H UKHO 模拟 Δ g
T1 (Devi River) 86°22′E 19°58′N 0.58 0.64 0.06 65° 83° 17°
T2 (Pardip) 86°47′E 20°23′N 0.62 0.64 0.02 61° 80° 19°
T3 (Jefford Point) 89°33′E 21°44′N 0.80 0.74 -0.06 105° 131° 26°
T4 (Tiger Point) 89°50′E 21°51′N 0.82 0.71 -0.11 122° 145° 23°
T5 (Dhulsar) 90°16′E 21°51′N 0.73 0.64 -0.09 137° 140°
T6 (St Martin's Island) 92°19′E 20°37′N 0.90 0.80 -0.10 76° 88° 12°
T7 (Sittwe) 92°48′E 20°00′N 0.78 0.74 -0.04 101° 117° 16°
平均误差 -0.05 16.6°
图6为孟加拉湾M2分潮表层潮流椭圆图。由图可得,在孟加拉湾的开阔海域,M2分潮基本呈顺时针旋转,椭圆率较大,约为0.3~0.4,表现出旋转流的性质。而在北侧近岸尤其是孟加拉湾东北部及西北部,由于地形条件的限制, M2分潮基本呈逆时针旋转, 椭圆率较小, 普遍在0.1以下, 表现出往复流的性质。
图6 孟加拉湾M2分潮表层潮流椭圆图

蓝色表示该点分潮呈顺时针旋转, 红色呈逆时针旋转

Fig. 6 Surface tidal current ellipse of the M2 tidal component in the Bay of Bengal. In the figure, the blue indicates that the point is rotating clockwise and the red is rotating counterclockwise

图7为根据上文余流公式计算得到的孟加拉湾潮致余流分布图。
图7 孟加拉湾潮致余流分布图

Fig. 7 Distribution of tidal residual current in the Bay of Bengal

图7可见, 整个欧拉余流场约以北侧陆架为分界线, 20°N以北流速较大, 以南流速较小。近岸平均流速约为2~3cm·s-1, 其中最大流速为19cm·s-1, 流速较大处主要位于孟加拉湾东北部。而在地形平坦开阔的海域潮致余流很弱, 只有不足1cm·s-1

2.2 封闭峡谷试验

本试验填平了恒河峡谷, 其M2分潮同潮图、潮流椭圆图及潮致余流图如图8所示。
图8 封闭峡谷试验M2分潮结果

a. 同潮图; b. 潮流椭圆图; c. 潮致余流图

Fig. 8 Tidal component results of M2 from the closed Ganga Trough test. (a) co-tidal map; (b) surface tidal current ellipse; (c) distribution of tidal residual current

由上述试验结果可得, 填平恒河峡谷后, 并未对该海域M2分潮的迟角产生较大影响, 仅仅在峡谷附近的潮波振幅有小幅增加, 约从0.8m增加至0.9m。对于湾顶的潮差影响不大, 尤其是对湾顶东北部几乎无影响。潮流椭圆形态无明显变化, 且潮致余流也与控制试验基本一致, 仅仅在峡谷处流速有些许增强。

2.3 湾顶陆架拓宽试验

本试验将孟加拉湾北侧陆架向南拓宽约一倍宽度(约160km), 其M2分潮同潮图、潮流椭圆图及潮致余流图如图9所示。
图9 湾顶陆架拓宽试验M2分潮结果

a. 同潮图; b. 潮流椭圆图; c. 潮致余流图

Fig. 9 Tidal component results of M2 from the top shelf widening test. (a) co-tidal map; (b) surface tidal current ellipse; (c) distribution of tidal residual current

由试验结果可得, 拓宽北侧陆架后, 对该海域M2分潮的振幅与迟角均产生较大影响。其振幅等值线总体呈现东西走向, 由南向北递增并且数值较大, 由约19°N的0.5m逐渐增加至湾顶的3m, 与控制试验相比增加了1.6m, 北侧陆架的拓宽导致了湾顶潮差的增大。随后进入狭窄海湾逐渐减小, 其最大值为位于孟加拉湾东北部的3.2m。M2分潮的迟角等值线在广阔海域约呈西南—东北走向, 并且与试验1相似, 在接近湾顶后分为两股, 分别为西北部呈现西南—东北走向的迟角等值线, 和东北部呈现西北—东南走向的迟角等值线。但是与试验1不同的是, 其相同位置的等值线增加了约60°, 故该分潮传至相同位置的时间滞后了约2h。
受陆架拓宽的影响, 该海域的潮流椭圆影响也较为显著, 椭圆长短轴均有较大的增加, 故相比试验1, 该区域流速有显著增加。椭圆长轴基本呈现为南北走向, 椭圆率均较小, 基本小于0.1, 表现出往复流的性质。其中, 20°30′N以南基本为顺时针旋转, 20°30′N以北在孟加拉湾西北部基本为逆时针旋转, 在东北部为顺时针和逆时针交替出现。
该海域欧拉余流场在陆架拓宽后显著增大, 尤其是原本流速就较大的孟加拉湾东北部及西北部, 近岸平均流速约为7cm·s-1。其中孟加拉湾西北部余流场主要流向为西北向东南, 东北部余流场主要为东北向西南, 最大流速位于东北部, 达到52cm·s-1。但是在拓宽后陆架的中央, 约19°—20°30′N之间, 潮致余流较弱。在拓宽后陆架的南边缘, 约19°N附近, 有一条呈现东西走向的较强余流, 平均约10cm·s-1

2.4 侧向陆架拓宽试验

本试验分别将孟加拉湾东北侧陆架向西侧拓宽了一倍宽度(约50km)以及将西北侧陆架向东侧拓宽了一倍宽度(约20km), 其M2分潮同潮图、潮流椭圆图及潮致余流图分别如图1011所示。
图10 东侧陆架拓宽试验M2分潮结果

a. 同潮图; b. 潮流椭圆图; c. 潮致余流图

Fig. 10 Tidal component results of M2 from the east shelf widening test. (a) co-tidal map; (b) surface tidal current ellipse; (c) distribution of tidal residual current

图11 西侧陆架拓宽试验M2分潮结果

a. 同潮图; b. 潮流椭圆图; c. 潮致余流图

Fig. 11 Tidal component results of M2 from the west shelf widening test. (a) co-tidal map; (b) surface tidal current ellipse; (c) distribution of tidal residual current

由上述试验可得, 拓宽东北侧陆架后, 对该海域M2分潮的迟角并未有太大影响, 振幅有小幅影响。潮波以开尔文波的形式沿东侧传入孟加拉湾, 而拓宽了东北侧陆架后, 更有助于增强开尔文波, 使得孟加拉湾东北部海域振幅有小幅增加, 加大了湾顶潮差。
拓宽东北侧陆架对潮流椭圆及潮致余流也产生了一定影响, 但主要影响范围为拓宽的陆架部分, 其中拓宽部分的潮流椭圆率变化不大, 但是其长轴和短轴均有所增加, 说明其流速有小幅增加。潮致余流变化主要位于拓宽陆架的边缘, 沿着陆架的边缘有较为整齐的呈现西北—东南走向的余流场, 流速大约为2cm·s-1。在孟加拉湾的东北部, 余流也有小幅增加, 增幅约为0.2cm·s-1
由上述试验结果可得, 拓宽西北侧陆架后, 对该海域M2分潮的振幅影响并不大, 而迟角仅仅在西北侧海域有小幅度减小。由于潮波是由南部传入, 并受到北半球科氏力的作用, 所以西北侧陆架的拓宽并未对东北部海域有显著的影响。
同拓宽东北侧陆架相似, 拓宽西北侧陆架对潮流椭圆及潮致余流的影响范围主要为拓宽的陆架部分。拓宽部分流速小幅增加, 并且沿着西北侧拓宽后陆架的边缘呈现东北—西南走向的余流场, 流速大约为1cm·s-1
为研究各试验对于潮位的影响, 本文在三个代表性区域: 孟加拉湾西北部, 恒河峡谷以及孟加拉湾东北部河口设置了三个站点(图1中黑点标出S1、S2、S3), 并提取其模型计算最后10天的潮位数据进行分析, 结果如图12所示。
图12 S1、S2、S3站点水位图

Fig. 12 The sea water level changes at the S1、S2、S3 experimental stations

图12可得, 试验2、4对于这三个站点的水位影响不大, 与试验1的结果能够较好的叠合, 只存在一些细微的差别, 并且这三个站点高潮位均约为1m, 低潮位约为-1m。然而, 试验3与其他试验有较大差异, S1和S2的高潮位约为3m, 低潮位约为-3m, S3的高潮位约为3m, 低潮位变化不大, 约为-1m, 潮差均较大, 并且高低潮与其余试验存在约2h的滞后。

3 结论

本文利用 FVCOM海洋数值模型, 构建孟加拉湾潮汐模型, 并设计了四组对照试验分析孟加拉湾基本潮汐潮流特征, 初步探讨了陆架及恒河峡谷对该区域潮汐的影响, 获得以下结论。
1) 孟加拉湾潮波自外海传入后在接近湾顶处分为两股向西北和东北运动, 并在西北部呈现西南—东北走向的迟角等值线, 在东北部呈现西北—东南走向的迟角等值线。在孟加拉湾的开阔海域, M2分潮基本呈顺时针旋转, 表现出旋转流的性质; 而在湾顶, M2分潮基本呈逆时针旋转, 表现出往复流的性质。孟加拉湾欧拉余流在近岸较大, 平均流速约为3~4cm·s-1, 尤其是孟加拉湾东北部及西北部; 开阔海域余流很弱, 只有不足1cm·s-1
2) 恒河峡谷减小了峡谷附近的潮波振幅和潮致余流, 但对湾顶潮差影响不大, 尤其是对湾顶东部几乎无影响。孟加拉湾湾顶陆架宽度有助于增大潮波振幅和潮致余流, 增大湾顶潮差, 并使得潮波传播至相同位置的时间滞后。孟加拉湾东侧陆架宽度有助于增强开尔文波, 增大湾顶潮差, 小幅增强东北部潮致余流, 但是影响不如湾顶陆架显著; 西侧陆架宽度对西侧陆架部分有局地影响, 但对孟加拉湾整体同潮图分布影响较小。总体而言, 湾顶陆架影响最为显著; 东侧陆架仅对湾顶东北部有小幅影响; 恒河峡谷仅对峡谷附近局部区域有影响; 西侧陆架影响程度最小。
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