长江口、杭州湾及其邻近海域的拉格朗日环流的数值模拟研究

论文摘要

长江口杭州湾作为典型的河口-近岸海洋系统,其物质输运过程及伴随的海洋环境问题一直是我国海洋科学研究的重点之一。本文正是基于拉格朗日（Lagrange）时均观点及对流弱非线性长期物质输运理论对该海域的Lagrange环流进行分阶模拟,不仅获得对长江口、杭州湾及其邻近海域的长期环流场的更全面的认识,而且对于Lagrange时均理论的发展也具有一定的推动作用。本文将东中国海Lagrange环流动力学模型引进到长江口、杭州湾及其邻近海域,提出相应的数值方案,综合考虑风、径流、天文潮（M2、S2、K1、O1）、密度场以及东中国海背景环流的作用,数值模拟本区域的Lagrange环流。其中,计算潮致体力采用三维非线性天文潮波数值模型,求解分潮波模型及Lagrange环流模型采用“流速分解法”,斜压梯度力的计算采用σ坐标流体静力一致条件下保证收敛的差分格式。基于三维非线性潮波模型数值模拟了M2、S2、K1、O1四大分潮,较好的反应了区域内潮汐潮波的特征,为Lagrange环流的模拟奠定了较好的基础。基于Lagrange环流分阶模型,数值模拟了区域内冬季和夏季的季平均Lagrange零阶和一阶环流,模拟结果显示:零阶环流主要受东中国海背景环流影响,台湾暖流在夏季可直达长江口外,随即向东偏转,流入东海,斜压效应有加大这一趋势的作用,台湾暖流终年表现出东、北分支的结构,且具有季节变化,零阶环流对杭州湾余流的贡献甚小;风生流在近岸十分显著,是控制近岸环流的主要流系,在冬季和夏季分别形成了南下和北上的风生流,风生流具有冬强夏弱的特点,并且在冬季具有削弱表层台湾暖流的趋势;潮致余流在近岸区较为显著,在东海陆架区较弱。并且在长江口以北有一封闭的顺时针涡旋,在浙江沿海30m等深线存在向南流动的余流形态;零阶环流的非线性耦合作用产生的环流主要体现在台湾暖流向东偏转的东分支。杭州湾独特的地理特征,外宽内窄的喇叭型海湾使潮汐的作用大大增强,控制杭州湾的正压环流主要是风生流和潮致余流的共同作用。其中潮致余流受一大的逆时针涡旋控制,为北进南出的基本形态,并伴有诸多涡旋,在湾顶不利于物质的向外扩散,具有阻碍湾顶物质向湾外输运的作用,由于夏冬主风向不同,冬季风生流有加强这一阻碍的作用,夏季风生流则削弱这种阻碍并使杭州湾整体环流物质输送趋势表现为向湾外的输运。长江径流进入杭州湾在金山附近即向南偏转从湾南部流出杭州湾,冬季虽然长江径流减弱,但是冬季在偏北大风的影响作用下,有加剧这一现象的趋势。这均有利于金山盐舌锋的形成。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 前言
• 0.1 研究意义
• 0.1.1 海洋环流是海洋学研究的重点之一
• 0.1.2 海洋环流是浅海研究的核心问题
• 0.1.3 Lagrange 物质输运理论在河口近海系统的应用
• 0.2 研究现状
• 0.2.1 长江口、杭州湾及其近海海域的研究现状
• 0.2.2 Lagrange 长期物质输运理论的发展
• 0.3 研究内容
• 1 研究区域概况
• 1.1 研究区域环流特征
• 1.2 长江口概况
• 1.3 杭州湾概况
• 2 Lagrange 环流分阶模型的建立
• 2.1 Lagrange 环流控制方程
• 2.1.1 Lagrange 环流控制方程组及其分阶模型
• 2.1.2 三维潮波的数值模拟研究
• 2.2 模型配置及计算方案
• 2.2.1 三维分潮波数值模型及计算方案
• 2.2.2 环流的数值模拟及计算方案
• 2.3 参数及数据选取
• 2.3.1 分辨率及网格系统
• 2.3.2 物理参数
• 2.3.3 资料选取
• 3 Lagrange 环流的数值模拟结果与分析
• 3.1 潮波的模拟结果与验证分析
• 3.1.1 半日潮的数值模拟
• 3.1.2 全日潮的数值模拟
• 3.2 环流的结果与分析
• 3.2.1 零阶Lagrange 正压环流
• 3.2.2 一阶Lagrange 环流
• 3.2.3 正压总环流结果与讨论
• 3.2.4 各环流占总环流的比例
• 4 Lagrange 斜压环流计算方案及结果分析
• 4.1 Lagrange 斜压环流计算方案
• 4.2 Lagrange 斜压环流数值模拟结果
• 5 结语
• 5.1 工作小结
• 5.2 存在的问题及下一步工作与展望
• 参考文献
• 致谢
• 个人简历
• 发表的学术论文