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渤海盐度的拉格朗日潮际输运数值研究

毛新燕  
【摘要】: 盐度的长期变化会诱发海洋生态群落的演替,也会改变环流形态,在浅海环流及物质长期输运过程中扮演着极为重要的角色。而用于描述浅海环流的速度场、长期输运过程的温、盐、浓度场,均是经某种时间平均(简称“时均”)消除流的潮周期运动和温、盐、浓度的潮周期变化后的间接结果,并非海上实测值。常用的时均方式分欧拉和拉格朗日两种。 本文在一般非线性浅海系统拉格朗日时均环流和输运初步理论的指导下,利用三维斜压水动力模型HAMSOM以及轨迹追踪模块,先对等深、阶梯状底形和变截面阶梯状底形三种模型海的单频潮致拉格朗日时均环流及保守物质潮际输运进行模拟,发现随着地形和岸界逐渐复杂,后两种模型的非线性较等深模型而言明显增强,体现在拉格朗日余速度和潮际浓度对初始位相的依赖上:在初位相由0连续变化至2π的过程中,二者会表现为无穷多组时空场,且与初位相一一对应。而等深模型海则仍为对流弱非线性系统,其拉格朗日余流可用物质输运速度做最低阶近似;同时,由于其潮际浓度随初位相的变化以及潮际输运浓度与欧拉时均浓度的差值,相对于海区和局地的浓度变化均可忽略,因此等深模型海的拉格朗日潮际浓度可用欧拉时均浓度作为最低阶近似。各模型海的海区北部,以及地形和岸线发生剧烈变化的阶梯及岬角处是垂直湍扩散拉格朗日时均量ST *最明显的正/负值区,这些区域与分析拉格朗日余流所得到的局地非线性较强的位置一致。模型海试验部分还就河流径流量和用于时均的潮周期数n两个变量对拉格朗日余流及物质潮际输运的影响进行了研究,所得结论为接下来的渤海数值模拟提供了参考和借鉴。 在将一般非线性拉格朗日时均理论应用到渤海的过程中,本文考虑了动力-热力学解耦(正压)、耦合(斜压)两种情况,对单频潮致渤海拉格朗日余环流及盐度潮际输运进行了数值研究。结果显示渤海存在四个拉格朗日余流强流区,它们具有底形或岸界复杂多变的共通点;渤海中央海盆为弱流区,属对流弱非线性系统。单频正压潮致拉格朗日余流在潮际尺度上具有定常特点,而斜压潮致余流则会发生变化,因为其斜压密度流分量主要是在潮际尺度上发生变化。同时,两种情况下的潮致余流又都会随潮内变量—初始位相的变化而变化。潮际盐度、S_T *、以及潮际盐度与潮内瞬时盐度的差值均在潮际尺度上有所变化,也会随初位相不同而发生细微变化。正压情况下模拟得到的潮际盐度值整体上要低于斜压结果。此外,除较强的拉格朗日余流之外,河流径流也会引起潮际盐度随初位相的变化。无论是正压还是斜压情况,无论河流径流量是大还是小,鲜明突出的ST*正/负值区均可被看做是潮际盐度随初位相发生较大变幅的区域。 从本文研究中,不难发现在处理和展示瞬时浓度的结果方面,拉格朗日潮际输运方法比欧拉时均方法更具物理意义,因为前者自身的随体意义决定了它所得到的潮际浓度场与拉格朗日余流场是相适应的。需要注意的是,拉格朗日追踪时间不能过长,否则标识流体微团会分解或重新组合,就无法保证该方法的随体特征了。文中引入的由潮内瞬时浓度场求潮际浓度的研究方法,以及在追踪流体微团轨迹的同时,积分原始输运方程的垂直湍扩散项,最后时均得到ST *的模拟方式,成功地解决了潮际浓度的计算以及对潮际输运方程右端项的处理这两个关键问题,在指导理论与实际应用之间搭建了沟通平台,促成了二者在数值模拟中的有机结合。


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1 毛新燕;渤海盐度的拉格朗日潮际输运数值研究[D];中国海洋大学;2009年
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