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不同风场条件下太湖波浪数值模拟的研究及其应用

陶蓉茵  
【摘要】:底泥再悬浮是大型浅水湖泊(太湖)的水生态系统演化的重要影响因子,直接关系着太湖水质改善和生态修复。水色遥感作为监测太湖水质参数的一种手段,在复杂的气象因素作用下,白帽作为水表波浪破碎的重要表现,都对水色遥感反演的精度影响甚大。而对太湖悬浮物浓度、白帽覆盖率均有重要影响的物理过程是水体波浪的演变。本文在实际气象条件下,通过浅水波浪模型SWAN (Simulating Wave Nearshore)在太湖建立了浅水湖泊波浪数值预报模式,在此基础上探求了在高频变化的气象场驱动下,大型浅水湖泊波浪的关键参数(风浪谱等)的时空变化规律、太湖白帽覆盖率以及底泥扰动悬浮的变化与特征,为提高水色遥感的反演精度以及理解底泥悬浮和营养盐内源释放过程提供了有用帮助。 本文以空间均匀、时间高频变化的风场为驱动场,利用SWAN模式模拟了太湖波浪场,结果表明:SWAN模式能够较好的模拟太湖波浪的生成与传播,适用于大型浅水湖泊(太湖);同时分析了该风场驱动下太湖风浪谱,波浪的绝对频率主要集中在0.45-1.OHz的中高频率段;风向与波向具有高度一致性。在同一风速下,太湖不同区域波浪成长稳定时间不同,湖心区稳定的谱峰频率在0.342-0.585Hz之间,湾区及西山岛附近狭长水域稳定的谱峰频率在0.447-0.765Hz之间;在同一区域,风速增大,波浪稳定时间减少,谱峰频率沿低频推移,在湖心区与湾区、西山岛附近狭长水域谱峰频率分别最小不低于0.34Hz、0.447Hz;风向的改变对湾区及西山岛附近狭长水域的波浪频谱形状影响较大。 依赖于波浪场的白帽覆盖率对风速存在显著2个小时的延迟相关;在典型风向风场的驱动下,白帽覆盖率高值处于下风向区域,全湖最大值不超过0.8%。其中位于沿岸边的贡湖湾、胥口湾白帽覆盖率最大,最大至0.78%;最小值位于西山岛附近的狭长水域,最大不到0.4%;湖心区及附近的开阔水域白帽覆盖率处于中间值,范围在0.25%-0.68% 底泥在波浪切应力的作用下发生悬浮,在西北、西南风的持续作用下,太湖东南、南部与东北部沿岸的波浪切应力大于临界切应力,最大为0.5N/m2以上,悬浮物浓度处于高值;而开阔水域的波浪切应力超过0.1N/m2,悬浮物浓度次之;东太湖与西山岛附近狭长水域最小。


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