河口羽扩展研究以及潮平均混合参数化
河口羽指当潮流在河口进退时，因垂向和横向剪切所形成的特殊水体。河口羽因流域来水与海域来水性质上的差异，在河口区形成物理、化学和生物等变量的明显梯度变化。河口羽通过两种方式对近岸区的物理、化学和生物性质产生影响：一种是通过河口羽扩展将陆源物质从河流流域直接运输到海洋；另一种是通过河口羽的湍流过程将河源和海源两种不同性质的水体进行混合，进而形成河口区特殊的水体环境。河口羽的扩展和混合对流速、泥沙、温度和盐度的垂向混合等物理过程有着重要作用，是河口区动力机制研究最重要的两个方面。受河口区复杂的环境要素影响，数值模拟很难达到理想的效果。径流、潮差和风以及地形是影响河口羽扩展和混合的主要因子，探讨河口羽的扩展机制和对混合长期变化趋势的参数化研究，不但能够加深人们对河口羽动力机制的认识，而且能为数值模拟提供更加精确的开边界条件。 本文以美国Merrimack河口为例，在河口中区使用ADCP进行流速观测、使用浮标进行表层温盐观测，并通过释放回收表层漂流浮标跟踪河口羽的扩展情况。结合上述观测数据和风场数据，探讨风对河口中区羽的影响机制。前人关于风对河口羽影响的研究集中在远区，认为中区羽受河流射流影响显著，从而忽略了风对中区羽的影响。ADCP的观测结果表明表层流速与风的相关系数高达0.8，风对河口中区羽的扩展有重要的影响。通过水团分析进一步表明：上溯风是导致河口羽抵制科氏力作用上溯扩展的主要动力因素。通过计算和统计表层漂流浮标观测数据，得出风向与河口羽扩展方向的角度差在20°到45°之间，进一步表明，在河口中区，风通过浅水Ekman作用对河口羽进行输运。前人对河口中区的定义不明确，本文通过研究发现，摩擦深度与水深的关系可以作为判断河口中区羽与远区羽的一个标准。 通过在河口近区剥离点附近进行高频锚系ADCP上视观测，在观测点获得了2007年、2010年和2011年丰水期（共37天）的整层水体的湍流观测数据。结合观测数据和径流、潮差以及风场数据，应用“方差方法”研究河口近区剪切层内湍动生成率的长期变化规律和参数化。河口的湍流混合强度主要受层结和剪切的控制，本研究结果发现剥离点剪切层内的湍流强度与径流、潮差和风均呈正相关关系。河口径流输运不但为增强层结提供浮力来源，同时也为湍流的产生提供剪切能量。在河口剪切层内，径流对剪切的增强效果大于层结作用，这是导致混合的重要能量来源之一。本文提出一种向岸风对湍流增强的机制：向岸风产生向岸的水体输运，通过正压作用形成一个风增剪切，能够增强湍流强度。 本文利用径流、潮差和风对剪切层内潮平均湍动能生成率进行估算。基于两个假设：1、约化重力的长期变化主要受流量变化的控制；2、近区河口羽的剪切是由径流、潮差和风分别产生的剪切线性叠加而成。基于该假设，基于观测数据，建立一种全新的参数化方案，即仅利用径流、潮差和风，结合Froude数，估算近区河口羽剪切层内潮平均湍流强度。通过该方案发现，在河口湍流强度长期的变化过程中，径流和风起到了主要作用，而潮差的作用相对较弱，并且由于不同河口的地形有所差异，环境因子的重要性也不尽同。 以上结果主要揭示了径流、潮差和风对河口羽的扩展和混的影响，为进一步认识河口羽的动力机制提供了一定的理论依据。
河口羽扩展;开边界条件;潮平均混合;参数化分析
中国海洋大学
博士
物理海洋学
Daniel MacDonald
2013
中文
P343.5
125
2013-09-02（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）