亚丁湾正压潮汐的数值模拟

《Journal of Marine Science and Engineering》：Numerical Modelling of the Barotropic Tides in the Gulf of Aden

　　

亚丁湾（Gulf of Aden, GA）是一个具有战略意义的水域，通过曼德海峡（Bab el Mandeb Strait）将红海盆地与阿拉伯海连接起来。尽管该海域对全球石油运输和区域水动力具有重要意义，但潮汐传播的研究仍相对不足。因此，本研究基于Delft3D建模系统，建立了一个均匀分辨率为5 km的二维（2D）水深平均正压水动力模型，并对模型进行了率定和验证，以模拟亚丁湾内的潮汐传播。开边界以八个主要天文潮汐分潮驱动，包括四个半日分潮（M2、S2、N2、K2）和四个全日分潮（K1、O1、P1、Q1）。模型性能通过逐时水位观测资料及海流测量数据进行评估。研究人员对关键参数开展了敏感性分析，结果表明Chézy底摩擦系数取35 m1/2 s?1时模型表现最优。统计参数显示模拟结果与观测数据高度吻合。平均绝对误差（Mean Absolute Error, MAE）介于0.07至0.08 m之间（约占当地平均潮差的2.7%–5.1%），其中在ME和MW站位出现较大偏差；均方根误差（Root Mean Square Error, RMSE）介于0.08至0.10 m之间（约占当地平均潮差的3.1%–6.4%）。所有站位的吻合指数（Index of Agreement, IOA）均显著，介于0.91至0.95之间。在所有分潮中，半日分潮M2和全日分潮K1的振幅最大。S2和N2的振幅分别约为M2的43%和30%，而O1约为K1的38%。同潮图显示，半日潮和全日潮均以受海岸影响的长波形式传播，在沿海边界呈现双极大值结构，最大表面高程振幅出现在曼德海峡附近和东部边界附近（M2约为0.46 m至0.60 m，K1最大可达0.48 m）。Rossby变形半径和四分之一波长共振分析表明，半日频带接近亚丁湾的基本共振周期，产生类似共振荡的响应且相位梯度较小，而全日频带更接近于自由传播的Kelvin波。亚丁湾内的潮型因子（Form Factor）介于0.7至0.9之间，表明整个海湾以混合潮为主，且以半日潮占优。

亚丁湾潮汐动力学的数值模拟研究解读

一、研究背景与问题

潮汐是控制海岸和陆架海域环境的关键水动力过程，由地球、月球和太阳之间的引力相互作用产生，其周期性的海平面变化和潮流对海岸环流、泥沙输运、水质、生态系统动力学和海洋航行等具有重要影响。因此，精确掌握潮汐传播规律对于海岸基础设施设计、环境影响评估、污染物扩散、海洋可再生能源开发等众多科学与工程应用至关重要。

亚丁湾（Gulf of Aden, GA）是连接红海与阿拉伯海的唯一通道，通过狭窄的曼德海峡（Bab el Mandeb Strait）实现水体交换，具有重要的战略地位。该海湾长约900 km，宽约350 km，表面积约220,000 km²，每日约有300万桶石油通过该海域运输。尽管亚丁湾在全球海上贸易和区域生态中具有重要作用，其潮汐传播研究仍相对不足。以往的研究仅利用亚丁和吉布提两个沿岸站点的局部海平面观测资料分析主要潮汐分潮的振幅和相位，或仅将亚丁湾西部作为红海潮汐数值模型的开放边界处理，缺乏对整个海湾潮汐特征空间分布的全面认识。因此，开展覆盖整个亚丁湾的高分辨率潮汐数值模拟研究具有重要的科学和实际意义。

二、研究内容与主要技术方法

该论文发表于《Journal of Marine Science and Engineering》。研究人员基于Delft3D建模系统建立了覆盖整个亚丁湾、红海盆地及部分阿拉伯海海域的二维水深平均正压水动力模型（GA-Model），采用5 km均匀水平分辨率，以GEBCO_2024高分辨率水深数据（约450 m分辨率）作为地形输入。模型开边界以八个主要天文潮汐分潮（M₂、S₂、N₂、K₂、K₁、O₁、P₁、Q₁）驱动，数据来源于全球潮汐模型TPXO10。模型率定和验证采用了五个潮位站的逐时水位观测数据（亚丁和吉布提站数据来自夏威夷海平面中心，WGA、ME和MW站数据来自WOCE-曼德海峡实验）以及一个位于曼德海峡附近的单层海流观测数据。研究人员通过敏感性分析确定最优参数组合，并采用MAE、RMSE和IOA三个统计参数评估模型性能，同时利用t_tide程序进行调和分析验证。

三、研究结果

模型率定与敏感性分析。 研究人员通过敏感性试验考察了Chézy底摩擦系数和水平涡粘系数（HEV）对模型输出的影响。结果表明，Chézy系数取35 m^1/2 s^?1时模型表现最优，而水平涡粘系数的变化对模型结果影响可忽略不计。最终确定模型采用1 min时间步长和上述最优参数组合。

潮位验证。 模型验证采用与率定期不同的时段进行，结果显示模型与观测潮位高度吻合，能够准确再现大小潮期间的高、低潮振幅和相位。统计评估表明，所有站位的MAE介于0.07至0.08 m之间（约占当地平均潮差的2.7%–5.1%），RMSE介于0.08至0.10 m之间（约占当地平均潮差的3.1%–6.4%），IOA介于0.91至0.95之间。调和分析进一步显示，亚丁站与观测最吻合，振幅误差小于15%、相位误差小于8°，而WGA、ME和MW站位存在系统性的半日潮相位滞后（21°–35°），主要归因于曼德海峡复杂几何形态和模型网格分辨率限制。

潮流验证。 研究人员对模型模拟的纬向（U）和经向（V）流速分量与观测海流数据进行了调和分析比较。结果显示模型对M₂分潮振幅略有低估，但相位吻合良好；对K₁和O₁等主导全日分潮的振幅差异极小。潮汐椭圆验证表明，模型再现了主导K₁分潮的椭圆参数，椭圆主轴方向约126°–150°，与曼德海峡的WNW-ESE轴向一致，表明该处潮流受海峡地形约束呈强往复流特征。

潮汐传播的空间特征。 同潮图分析显示，半日潮（M₂、S₂、N₂）和全日潮（K₁、O₁、Q₁）均以受海岸影响的长波形式传播，在沿海边界呈现双极大值振幅结构。M₂分潮振幅最大，在曼德海峡附近约0.48 m，在东北边界约0.60 m；S₂和N₂分别约为M₂的43%和30%。全日分潮中K₁振幅最大（约0.48 m），O₁约为其38%，Q₁约为其7%。半日潮同相位图显示较小的相位梯度，表明海湾呈共振荡响应；全日潮则呈现更连续的相位推进特征。

盆地震荡波动力学。 通过计算Rossby变形半径（约2200 km）和四分之一波长共振周期（约14 h），研究人员发现亚丁湾的基本共振周期更接近半日潮频带（M₂为12.42 h，距共振约15%以内），而距全日潮频带（K₁为23.93 h）较远。这解释了半日潮呈现空间相干的共振荡响应，而全日潮更接近自由传播波的特征。

潮型因子。 亚丁湾内潮型因子（Form Factor, FF）介于0.7至0.9之间，表明该海域以混合潮为主且半日潮占优，与观测研究一致。红海南部则呈现半日潮特征。

潮流场。 模型结果显示亚丁湾主导流速介于0.2至0.5 m s^?1之间，涨潮时水流向西北方向流动，经曼德海峡进入红海；落潮时流向反转，向东流出海湾。流速在曼德海峡附近和海岸边界处显著增强。

四、讨论与结论

讨论部分指出，GA-Model在主要站位的水位和潮流验证中表现良好，剩余差异主要与局部水深、海岸几何形态和网格分辨率有关，可通过嵌套网格方法进一步改进。模型在东北边界附近的高振幅可能受开边界强迫影响，未来需扩展模型域至阿曼湾或利用卫星测高数据验证。研究结论表明，该模型成功再现了亚丁湾以M₂和K₁为主导的混合半日潮特征，半日潮呈部分共振的共振荡响应，全日潮则具有更明显的传播特征。该研究为亚丁湾污染物扩散、泥沙输运、生态系统动力学和海岸综合管理提供了科学基础，未来工作应纳入三维斜压过程、气象强迫和密度驱动环流以更全面认识该区域的水动力系统。