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台风天气下长江冲淡水扩展的响应机制

张智伟  
【摘要】:长江是中国第一大河流,多年平均径流量为8.9×10~(11)m~3,近10年年均输沙量为1.22×10~8t。巨大的入海水沙通量对长江河口的动力、沉积、地貌过程和海岸带生态环境产生了重要的影响。而长江冲淡水作为长江径流入海后形成的水体,其携带的高浓度营养盐显著提高了长江河口及其邻近海域的初级生产力,并导致赤潮等环境灾害频发。在气候态条件下,夏季长江冲淡水的主体向东北方向延伸,冬季则沿浙闽海岸南下。然而在台风这样的极端天气条件下,冲淡水的水平分布和垂向结构会发生剧烈的调整,相关过程和机制的研究却存在明显的不足,这和台风天气下实测资料较难获得以及数值模式未能准确刻画相应的冲淡水物理过程有着密切的关系。针对这一科学问题,本文收集了历史上影响东中国海域的台风基础数据并进行强度和路径分析,同时收集了台风过境后的长江冲淡水观测资料以识别其对冲淡水水平和垂向结构的调整,进而在ECOM-si三维水动力数值模式基础上耦合表面波浪混合参数化方案,研究以2015年第9号台风“灿鸿”、2009年第8号台风“莫拉克”、2002年第9号台风“风神”为代表的3类典型台风对长江冲淡水水平分布和垂向层化结构的影响过程,并揭示其背后的破坏与恢复机制,最后结合GOCI和MODIS卫星遥感叶绿素数据探讨潜在的生态环境问题。主要研究结论如下:影响长江河口的台风中约75%以台风灿鸿(1509)为代表,在接近长江河口时其7级风圈以偏东北风影响长江冲淡水核心区。在台风灿鸿(1509)影响下,长江冲淡水核心区的水体在台风过境时剧烈混合,垂向层化结构完全被破坏,海表盐度迅速升高。此外,大量的冲淡水在强烈的偏东北风影响下,不再呈现出夏季常态朝东北方向扩展,转而沿浙闽海岸南下。大量南下到达浙闽沿岸的淡水,使浙闽沿岸海表盐度迅速降低,水体层化显著加强。而在台风过境后,随着长江径流源源不断地补充流入,核心区长江冲淡水的垂向层化结构逐渐恢复,海表盐度逐渐恢复到夏季常态。但是,大量淡水在台风过境后仍源源不断地被输送到浙闽沿岸,据估算大约有4.7×10~(10)m~3淡水在台风灿鸿(1509)影响期间被输送到浙闽沿岸,这约相当于长江2015年全年径流量的5%。而后,随着夏季偏南风的增强,浙闽沿岸的冲淡水开始向外海和向北退却,其海表盐度也在维持1周左右的低盐度后,逐渐恢复到夏季常态。接近长江河口时其7级风圈以偏东南风影响长江冲淡水核心区的台风约占影响长江河口台风总数的17%,本文以台风莫拉克(0908)为例。结果发现,在此类台风影响下长江冲淡水核心区的水体在台风过境时同样会出现剧烈混合,垂向层化结构完全被破坏,海表盐度迅速升高的现象。但是,长江冲淡水没有异常向南输送,反而沿苏北海岸的向北输送较夏季常态更远些。在台风过境后,核心区的长江冲淡水逐渐恢复到夏季常态。对仅占总数约8%的接近长江河口时其7级风圈以偏西北风影响长江冲淡水核心区的这类台风,本文以台风风神(0209)为例。因其在接近长江河口时其强度已经大幅减弱至热带风暴级,故对长江冲淡水的影响较小。本文以台风灿鸿(1509)为例探讨长江冲淡水的破坏与恢复机制。结果发现,台风风场是长江冲淡水夏季常态被破坏的主要原因。主要表现在长江冲淡水夏季向东北方向扩展的态势消失,位于核心区的长江冲淡水垂向层化结构被破坏。此外,对于接近长江河口时7级风圈以偏东北风影响长江冲淡水核心区的这类台风而言,还会有大量的淡水被台风异常地输送到浙闽沿岸。而在长江冲淡水的恢复过程中,随着台风激发的强烈风场的消散,对于位处核心区的冲淡水其垂向层化结构随着长江径流源源不断地补充而逐渐恢复。但是,对于被异常输送到浙闽沿岸的冲淡水而言,其恢复期则受风驱动和浮力驱动的影响分为维持阶段和后退阶段。通过GOCI和MODIS的卫星遥感叶绿素图像发现,在台风灿鸿(1509)和台风风神(0209)影响期间到达浙闽沿岸的冲淡水在其恢复到夏季常态的过程中,均在浙闽外海发现了叶绿素高值区。这样的现象表明台风过程可以显著地改变来源于长江的陆源物质在东中国海的分布,从而引起初级生产力时空分布的调整。


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