長江河口羽狀流擴散與混合過程的數(shù)值模擬.pdf

1、本文采用COHERENS(ACOupledHydrodynamical-EcologicalmodelforREgionalandShelfSeas)模型中的三維水動力模塊研究了長江河口羽狀流擴散與混合過程的時空變化及其控制因素。論文內(nèi)容大致可分為以下三個部分： 第一部分：分別研究了概化的長江河口的羽狀流擴散與混合過程對(i)不同水平與垂向網(wǎng)格精度、(ii)動量與(iv)鹽度方程的對流項計算格式(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)水平擴散系數(shù)與(vi)垂向渦粘系數(shù)的敏感性。(1)羽狀流的擴散與混合過程對水平與垂向網(wǎng)格精度似乎相對不敏感。(2)相對動量方程的對流項計算格式，羽狀流的擴散與混合過程對鹽度方程的對流項計算格式更為敏感，采用Lax-Windroff格式計算鹽度方程對流項不能得到穩(wěn)定的計算結(jié)果。(3)羽狀流的水平擴散對水流和鹽度的水平擴散系數(shù)的取值較為敏感。隨著水平擴散系數(shù)的增大，

3、羽狀流向北、向外海方向擴散的范圍以及厚度增大，向南擴散的范圍以及鹽度的水平梯度反而減小。(4)羽狀流的擴散和混合過程對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，羽狀流向北擴散的范圍以及厚度增大，向南擴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散與混合過程對河流徑流量、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

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散的范圍擴大，向南擴散的范圍反而減小。(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散，并加強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散；然而，在4m/s西北定常風(fēng)作用下，羽狀流向外海方向擴散受到抑制，且在羽狀流邊緣出現(xiàn)強烈的下降流。 第二部分：將實

5、際地形下的長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分潮作用下洪季長江河口羽狀流的擴散過程。(i)長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淡水舌。淡水舌的平面形態(tài)受M2分潮調(diào)控，在落急時刻向海推進，而在漲急時刻向岸回收。(ii)長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，長江河口羽狀流總體上向東南方向擴散。(iii)在北港和北槽口外，鹽度水平梯度較大，形成強烈的羽狀鋒。羽狀鋒位置和羽狀鋒強度都受M2分潮調(diào)控，顯示出潮周期變化特征。低潮位時，羽狀鋒距河口最遠，高潮位出現(xiàn)1小時后，羽狀鋒距河口最近。羽狀鋒強度漲憩最大、落憩最小。羽狀鋒強度最大的時刻與羽狀鋒開始向河口方向推進時刻之間存在1小時的滯后。同樣地，羽狀鋒強度最小的時刻與羽狀鋒開始向外海方向推進時刻之間也存在1小時

7、的滯后。 第三部分：將COHERENS模型進行了改進，以便適用于實際地形下的長江河口正交曲線網(wǎng)格(149×69)下的計算，網(wǎng)格大小從283m到5583m。首先，分別模擬了M2、S2、K1、O1四個分潮作用下洪、枯季長江河口羽狀流的擴散與混合過程。(i)長江河口羽狀流的擴散形態(tài)與長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)，并向東南方向擴散。(ii)長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，模擬了四個分潮和風(fēng)共同作用下洪、枯季長江河口羽狀流的擴散與混合過程。(i)在洪季6m/s東南偏南定常風(fēng)作用下，長江河口羽狀流表層一部分水體在大潮時以淡水朵云的形態(tài)脫離羽

9、狀流主體向東漂移，在小潮時則整體向東北偏東方向擴散；長江河口羽狀流底層仍以淡水舌的形態(tài)向東南方向擴散。枯季，在4m/s西北定常風(fēng)作用下，長江河口羽狀流向外海的擴散受到抑制，但是，仍以淡水舌的形態(tài)向東南方向擴散。(ii)在洪季6m/s東南偏南定常風(fēng)作用下，長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，除小潮漲急時刻外，長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