一般非線性拉格朗日余流及潮際鹽度輸運研究——以膠州灣為例.pdf

1、淺海環(huán)境質(zhì)量、生態(tài)系統(tǒng)的格局和變遷深受淺海環(huán)流及溶解和懸浮物質(zhì)長期輸運的影響。為使淺海環(huán)流及長期物質(zhì)輸運研究具備堅實的理論基礎(chǔ)，人們一直試圖在潮際時間尺度上構(gòu)建類似于原始方程的淺海環(huán)流及長期物質(zhì)輸運的控制方程：主要發(fā)展有歐拉框架下的歐拉余流及歐拉平均長期物質(zhì)輸運理論，拉格朗日框架下的一般非線性拉格朗日余流及長期物質(zhì)輸運理論以及作為其在弱非線性條件下簡化的弱非線性拉格朗日余流及長期物質(zhì)輸運理論。
　　目前，淺海環(huán)流和長期物質(zhì)輸運研究

2、中所使用余速度和平均濃度的定義仍然是個開放的問題。本文將一般非線性拉格朗日余流及長期物質(zhì)輸運理論應(yīng)用于潛在一般非線性海灣一膠州灣的環(huán)流及潮際物質(zhì)輸運研究，為一般非線性拉格朗日余流及長期物質(zhì)輸運理論提供觀測和數(shù)值例證，使用追蹤浮標(biāo)觀測和數(shù)值模擬來甄別不同的余速度和平均濃度在用作淺海環(huán)流和長期物質(zhì)輸運分析時的合理性。
　　與傳統(tǒng)的定常歐拉時均速度、歐拉時均濃度不同，根據(jù)一般非線性拉格朗日余流及長期物質(zhì)輸運理論，一般非線性條件下的余流及

3、平均濃度是依賴于初始潮位相的。針對這一特性，在膠州灣內(nèi)灣中南部和西南部，于不同潮位相(高潮、落急、低潮、漲急)下釋放、追蹤浮標(biāo)以作比較。觀測發(fā)現(xiàn)，即使是在同一初始位置，不同潮位相下所釋放的浮標(biāo)其軌跡、凈位移以及拉格朗日潮際海水溫度、鹽度均有顯著的潮內(nèi)變化。這合乎一般非線性拉格朗日余流及長期物質(zhì)輸運理論，卻是歐拉余流及歐拉平均長期物質(zhì)輸運理論和弱非線性拉格朗日余流及長期物質(zhì)輸運理論所無法解釋的。
　　然而，追蹤浮標(biāo)觀測在空間上往往是

4、稀疏的，且容易受到陣風(fēng)等因素的干擾。因此，本文進(jìn)一步模擬了整個膠州灣的一般非線性拉格朗日余流、弱非線性拉格朗日余流(物質(zhì)輸運速度)和歐拉余流。研究發(fā)現(xiàn)，即使在正壓單頻M2潮波系統(tǒng)內(nèi)，拉格朗日余速度強烈依賴于初始潮位相。拉格朗日余速度強烈的潮內(nèi)變化表明膠州灣M2潮波系統(tǒng)是一般非線性系統(tǒng)，而不是弱非線性系統(tǒng)。不同潮位相下的拉格朗日余速度形態(tài)可用以解釋水交換時間依賴于潮位相的現(xiàn)象。與歐拉余流和弱非線性拉格朗日余流在灣口岬角處分布多個流渦不同，

5、一般非線性拉格朗日余流在岬角處并無流渦，在灣內(nèi)則有一統(tǒng)占內(nèi)灣的逆時針流渦。潮平均拉格朗日余速度與觀測表層沉積物的凈輸運趨勢一致。歐拉余流和弱非線性拉格朗日余流卻是不能描述水交換時間依賴于潮位相的現(xiàn)象和表層沉積物凈輸運趨勢的。因此，在潮際時間尺度上，以膠州灣為代表的一般非線性系統(tǒng)內(nèi)，一般非線性拉格朗日余速度可能比歐拉余輸運速度和弱非線性拉格朗日余速度更能表征淺海環(huán)流。在表層，水平平流是產(chǎn)生灣口附近的強非線性主因，而在底層，則是垂向粘性和水

6、平平流起主要作用。潮灘、風(fēng)、斜壓致拉格朗日余速度有明顯的三維結(jié)構(gòu)和潮內(nèi)變化，一般表層強于底層，高潮時強于低潮時。總體而言，潮灘略增強內(nèi)灣的逆時針環(huán)流；風(fēng)生拉格朗日余速度在表層與風(fēng)向一致，在底層則大致與風(fēng)向相反。垂向平均的風(fēng)生拉格朗日余速度則是近岸淺水區(qū)與風(fēng)向大致相同。西北風(fēng)可顯著改變余流的形態(tài)；斜壓致拉格朗日余速度增強表層余流流向灣口的趨勢和底層余流流向灣項的趨勢。
　　與定常的歐拉平均鹽度不同，膠州灣內(nèi)拉格朗日潮際鹽度的潮內(nèi)變化

7、明顯。膠州灣內(nèi)以鹽度為典型代表的保守性溶解物質(zhì)的潮際輸運以平流輸運為主。與不同潮位相下的一般非線性拉格朗日余速度密切相關(guān)，潮際鹽度平流輸運方向與拉格朗日余速度具有一致性，潮際輸運的形態(tài)亦有強初始潮位相依賴性。灣口始終為潮際鹽度輸運的重要通道。一般來說，低潮時，與灣外的物質(zhì)交換要弱于高潮時。拉格朗日潮際鹽度SL與初始鹽度S之差(SL-S)可用以衡量一個或數(shù)個潮周期后擴散作用于標(biāo)識流體微團的綜合效果。(SL-S)的值受到拉格朗日余速度大小和

8、方向的顯著影響。潮灘、風(fēng)、斜壓的作用并未改變拉格朗日潮際鹽度的分布形態(tài)。與潮灘、風(fēng)、斜壓致拉格朗日余速度的改變一致，膠州灣拉格朗日潮際鹽度平流輸運和擴散的改變一般表層強于底層，高潮時強于低潮時。潮際輸運是同時相關(guān)于拉格朗日余速度和拉格朗日潮際濃度的，即使拉格朗日潮際濃度變化不大，拉格朗日余速度的顯著改變也會引起潮際輸運形態(tài)的明顯變化。例如，在西北風(fēng)的作用下，在灣內(nèi)的逆時針潮際鹽度輸運變?yōu)榇笾乱源蠊梁涌?團島連線為界的內(nèi)灣西南部的逆時針輸