長(zhǎng)江河口羽狀流擴(kuò)散與混合過(guò)程的數(shù)值模擬.pdf

1、本文采用COHERENS(ACOupledHydrodynamical-EcologicalmodelforREgionalandShelfSeas)模型中的三維水動(dòng)力模塊研究了長(zhǎng)江河口羽狀流擴(kuò)散與混合過(guò)程的時(shí)空變化及其控制因素。論文內(nèi)容大致可分為以下三個(gè)部分： 第一部分：分別研究了概化的長(zhǎng)江河口的羽狀流擴(kuò)散與混合過(guò)程對(duì)(i)不同水平與垂向網(wǎng)格精度、(ii)動(dòng)量與(iv)鹽度方程的對(duì)流項(xiàng)計(jì)算格式(upwind、Lax-Windr

2、off、帶Superbee限制函數(shù)TVD和帶單調(diào)限制函數(shù)TVD格式)、(v)水平擴(kuò)散系數(shù)與(vi)垂向渦粘系數(shù)的敏感性。(1)羽狀流的擴(kuò)散與混合過(guò)程對(duì)水平與垂向網(wǎng)格精度似乎相對(duì)不敏感。(2)相對(duì)動(dòng)量方程的對(duì)流項(xiàng)計(jì)算格式，羽狀流的擴(kuò)散與混合過(guò)程對(duì)鹽度方程的對(duì)流項(xiàng)計(jì)算格式更為敏感，采用Lax-Windroff格式計(jì)算鹽度方程對(duì)流項(xiàng)不能得到穩(wěn)定的計(jì)算結(jié)果。(3)羽狀流的水平擴(kuò)散對(duì)水流和鹽度的水平擴(kuò)散系數(shù)的取值較為敏感。隨著水平擴(kuò)散系數(shù)的增大，

3、羽狀流向北、向外海方向擴(kuò)散的范圍以及厚度增大，向南擴(kuò)散的范圍以及鹽度的水平梯度反而減小。(4)羽狀流的擴(kuò)散和混合過(guò)程對(duì)水流和鹽度的垂向渦粘系數(shù)非常敏感。隨著垂向渦粘系數(shù)的增大，羽狀流向北擴(kuò)散的范圍以及厚度增大，向南擴(kuò)散的范圍以及鹽度的垂向梯度反而減小，且突起寬度減小，沿岸流寬度增大。另外，這一部分還分別研究了羽狀流擴(kuò)散與混合過(guò)程對(duì)河流徑流量、底部縱向坡度、科氏力、定常風(fēng)和M2分潮的響應(yīng)。(a)隨著河流徑流量的增大，羽狀流向各方向的水平擴(kuò)

4、散范圍也增大。(b)隨著底部縱向坡度的增加，羽狀流向北和向外海方向擴(kuò)散的范圍擴(kuò)大，向南擴(kuò)散的范圍反而減小。(c)科氏力導(dǎo)致羽狀流水向南偏轉(zhuǎn)，河口呈不對(duì)稱分布。(d)自東南向西北方向傳播的M2分潮抑制了羽狀流向各方向的擴(kuò)散，并加強(qiáng)了羽狀流水與海水之間的垂向混合。(e)在6m/s東南偏南定常風(fēng)作用下，羽狀流向東北方向擴(kuò)散；然而，在4m/s西北定常風(fēng)作用下，羽狀流向外海方向擴(kuò)散受到抑制，且在羽狀流邊緣出現(xiàn)強(qiáng)烈的下降流。 第二部分：將實(shí)

5、際地形下的長(zhǎng)江河口劃分為矩形網(wǎng)格(188×140)，網(wǎng)格單元大小是1045.5m×1038.5m.模擬了M2分潮作用下洪季長(zhǎng)江河口羽狀流的擴(kuò)散過(guò)程。(i)長(zhǎng)江河口羽狀流主要由南支入海，并以淡水舌的形式向外海擴(kuò)散，并在北港外、北港與北槽之間、北槽與南槽之間以及南槽以南形成了四個(gè)淡水舌。淡水舌的平面形態(tài)受M2分潮調(diào)控，在落急時(shí)刻向海推進(jìn)，而在漲急時(shí)刻向岸回收。(ii)長(zhǎng)江河口外形成的淡水舌，分別指向東、東南偏東、東南和東南偏南方向。但是，在

6、科氏力、地形以及M2分潮共同作用下，長(zhǎng)江河口羽狀流總體上向東南方向擴(kuò)散。(iii)在北港和北槽口外，鹽度水平梯度較大，形成強(qiáng)烈的羽狀鋒。羽狀鋒位置和羽狀鋒強(qiáng)度都受M2分潮調(diào)控，顯示出潮周期變化特征。低潮位時(shí)，羽狀鋒距河口最遠(yuǎn)，高潮位出現(xiàn)1小時(shí)后，羽狀鋒距河口最近。羽狀鋒強(qiáng)度漲憩最大、落憩最小。羽狀鋒強(qiáng)度最大的時(shí)刻與羽狀鋒開(kāi)始向河口方向推進(jìn)時(shí)刻之間存在1小時(shí)的滯后。同樣地，羽狀鋒強(qiáng)度最小的時(shí)刻與羽狀鋒開(kāi)始向外海方向推進(jìn)時(shí)刻之間也存在1小時(shí)

7、的滯后。 第三部分：將COHERENS模型進(jìn)行了改進(jìn)，以便適用于實(shí)際地形下的長(zhǎng)江河口正交曲線網(wǎng)格(149×69)下的計(jì)算，網(wǎng)格大小從283m到5583m。首先，分別模擬了M2、S2、K1、O1四個(gè)分潮作用下洪、枯季長(zhǎng)江河口羽狀流的擴(kuò)散與混合過(guò)程。(i)長(zhǎng)江河口羽狀流的擴(kuò)散形態(tài)與長(zhǎng)江徑流流量和潮型有關(guān)，可呈現(xiàn)射流、圓形突起和淡水舌形態(tài)，并向東南方向擴(kuò)散。(ii)長(zhǎng)江河口羽狀流在縱斷面上大致可分為上部漂浮層和下部垂向混合層的二層結(jié)構(gòu)

8、。上部漂浮層厚度的變化規(guī)律為洪季小于枯季、大潮大于小潮、漲急小于落急。(iii)長(zhǎng)江河口羽狀流的層化受控于潮汐混合以及河流流量與潮汐相互作用形成的河口環(huán)流。采用了Simpson's層化參數(shù)(φ)估算了垂向分層。層化參數(shù)(φ)洪季大于枯季、大潮小于小潮、落急大于漲急。其次，模擬了四個(gè)分潮和風(fēng)共同作用下洪、枯季長(zhǎng)江河口羽狀流的擴(kuò)散與混合過(guò)程。(i)在洪季6m/s東南偏南定常風(fēng)作用下，長(zhǎng)江河口羽狀流表層一部分水體在大潮時(shí)以淡水朵云的形態(tài)脫離羽

9、狀流主體向東漂移，在小潮時(shí)則整體向東北偏東方向擴(kuò)散；長(zhǎng)江河口羽狀流底層仍以淡水舌的形態(tài)向東南方向擴(kuò)散。枯季，在4m/s西北定常風(fēng)作用下，長(zhǎng)江河口羽狀流向外海的擴(kuò)散受到抑制，但是，仍以淡水舌的形態(tài)向東南方向擴(kuò)散。(ii)在洪季6m/s東南偏南定常風(fēng)作用下，長(zhǎng)江河口羽狀流上部漂浮層厚度有所增厚。在枯季4m/s西北定常風(fēng)作用下，除小潮漲急時(shí)刻外，長(zhǎng)江河口羽狀流垂向鹽度梯度較小，近似地呈現(xiàn)充分混合狀態(tài)。(iii)在洪季6m/s東南偏南定常風(fēng)作用