珠江磨刀门河口环流结构动力特征分析

河口环流结构关系到物质输运、泥沙沉积和地貌变化等物理过程。根据2019年磨刀门河口原型观测平台洪枯季连续观测分层潮流资料,统计洪枯季、大小潮河口东、西汊的涨落潮流及历时变化特征,利用理论方法解析河口东西汊平面环流和重力环流结构,进一步引入混合参数研究河口纵向环流中的潮汐应变环流。研究发现枯季东、西汊在转潮时刻存在东涨西落的平面环流结构,洪季平面环流特征较不明显;枯季重力环流强度整体略大于洪季,西汊重力环流强于东汊,表层向海环流流速可达0.2～0.25 m/s,而底层向陆环流流速相对较小。洪季大潮期由潮不对称性驱动的潮汐应变环流相对较大,进而增强了纵向环流的强度。河口垂向余流结构同样表现洪枯季、大小潮的变化规律。洪季余流整体较大,西汊在小潮期表层余流流速超过0.6 m/s,而东汊余流则明显呈现表层向海、底层向陆的分布特征,枯季余流整体较小,表明其对物质输运和河口地形塑造作用较弱。     

长江河口北槽弯道环流的涡度研究

基于ADCP走航观测得到长江河口北槽弯道附近3个横向断面(AD3、AD5和AD6)的流速资料,采用涡度方法,本文计算、分析了弯道环流与混合在垂直横向上的时空分布、影响因素及其重要性。3个横向断面上均存在由不规则界面分开的二层结构的横向环流。半拉格朗日余流的计算结果显示:(1)小潮期间,AD3、AD5和AD6断面呈现表层向海、底层向陆的纵向环状半拉格朗日余流;大潮期间,呈现表、底层均向海的纵向半拉格朗日余流;(2)小潮期间,AD3断面呈现表层向北导堤、底层向南导堤的横向环状半拉格朗日余流;大潮期间,AD3断面中间区域呈现表层向北导堤、底层向南导堤的、而断面两端区域则呈现表层向南导堤、底层向北导堤的横向环状半拉格朗日余流;(3)小、大潮期间,横向断面AD5和AD6均呈现表层向北导堤、底层向南导堤的横向环状半拉格朗日余流;(4)"纵向半拉格朗日余流"在–0.2—0.7m/s;横向半拉格朗日余流"在–0.15—0.2m/s;(5)纵向半拉格朗日余流在横向上有明显变化。对弯道环流的进一步分析表明:(1)斜压梯度、内部摩擦致混合和底部摩擦致混合这三项各自的纵向分量是驱动纵向环流形成的主要因素,"纵向动量的横向重新分布项"次之,离心力和地转的影响可忽略;(2)横向斜压梯度和内部摩擦致混合项是驱动横向环流形成的主要因素,离心力、地转和底部摩擦致混合次之;(3)横向环流可能通过"纵向动量的横向重新分布项"减弱纵向动量,从而可能减弱纵向环流。     

珠江黄茅海河口洪季侧向余环流与泥沙输移

2012年洪季对珠江黄茅海河口湾侧向动力结构与泥沙输移过程进行了系统观测,采用动量平衡和泥沙通量机制分解等方法,分析了河口流、温盐和泥沙侧向分布特征以及泥沙输移过程,探讨了侧向动量平衡与泥沙输移机制。洪季黄茅海河口存在明显的侧向流,西滩和北槽均形成表层向东、底层向西的两层侧向流,拦门沙滩顶呈现表、底层向西、中层向东的三层侧向流,而拦门沙前缘侧向流整体向西。河口湾纵向净泥沙通量表现为北槽向海、西滩向陆,拦门沙滩顶及其前缘均向海;侧向净泥沙通量表现为滩顶及其前缘均向西,西滩向东、北槽向西。这种侧向泥沙辐聚过程是高浓度悬沙聚集于滩槽界面的重要原因,向陆净通量是西滩回淤的重要原因。滩槽间侧向余环流动量平衡主要是侧向斜压梯度力、科氏力和侧向平流作用。欧拉平流输运在侧向泥沙输运中起主要作用,潮泵效应也起重要作用。     

河口垂向拉格朗日余环流研究

应用弱非线性理论导出了狭窄型河口内拉格朗日余流的控制方程和溶解质长期输运方程,并应用流速分解法和B—样条配置技术建立了潮汐及拉格朗日余流的数值模型,应用欧拉—拉格朗日方法和B—样条配置技术建立了长期物质输运方程的数值模型,对狭窄型河口内潮致—斜压拉格朗日余环流进行了研究。结果表明,河口垂向拉格朗日余环流,不同于欧拉余环流,呈现一种较复杂的流型,在盐水入侵界的上游可能存在一涡旋。作者提出,将河口按余环流生成机制和水动力特征分为斜压,潮控及河流三个区。     

夏季黄河入海径流对黄河口及附近海域环流影响的数值研究

基于区域海洋模式ROMS,建立了一个三维非线性斜压浅海模式,考虑了包括径流、风场、海面热交换以及黄渤海环流等因素,研究了夏季8月份黄河入海径流量对黄河口及附近海域环流结构的影响。数值实验较好地佐证了黄河冲淡水的"北偏"现象,并很好的体现了冲淡水对河口附近海域环流结构的影响。数值研究表明:黄河入海径流量对河口附近海域环流结构有显著影响,径流越大冲淡水向北-西北方向偏转越明显,同时流轴中心余流流速也显著增大;莱州湾顺时针环流受黄河入海径流影响显著,径流量越大越不利于该环流的发育和维持,而径流量越小环流越稳定;径流量越大导致河口附近海域表层余流加大,余流垂向梯度得到加强,底部补偿流增强,河口垂向环流越明显。     

伶仃洋低频水流与水沙纵向输运

在分析实测燃料（1978－1979）的基础上，运用物质纵向输移模式讨论了伶仃洋河口湾余流的垂向结构，同时，对同步资料进行低通滤波处理，得到垂向低频水流分布。结果表明，两种分析方法对伶仃洋河口环流与水沙输移的解释基本一致，东、西、两槽均存在明显的垂向环流，平均流、斯托克斯漂移效应，以及垂向净环流是净输沙的主要贡献项。     

珠江口伶仃洋水沙纵向输移特征分析

根据实测资料，运用物质纵向输移模式探讨了丰水期伶仃洋河口湾余流的垂向结构，结果表明，东、西两槽均存在由湾口表、中层冲淡水和底层上溯流构成的垂向环流、平均流、斯托克斯漂移效应以及垂向净环流是净输沙的主要贡献项。     

珠江口洪季最大浑浊带的大小潮变化与机制分析*

基于ROMS三维模型, 模拟了珠江口洪季最大浑浊带的轴、侧向分布和大、小潮变化。模拟结果表明, 珠江口伶仃洋最大浑浊带的轴向位置在22.3°—22.45°N之间, 并随着潮流变化而周期性上下游迁移。控制最大浑浊带形成的主要因素是余流作用下的底层泥沙辐聚, 决定最大浑浊带位置的主要因素是水平对流输沙, 泥沙来源主要是上游浅滩沉积物的再悬浮。小潮期间堆积在浅滩的细颗粒沉积物在大潮期间被悬浮, 搬运到下游的滞流点位置, 在中滩南部和西滩外缘落淤。“潮泵”作用在大潮期间将泥沙向下游输运, 在小潮期间向上游输运; 垂向剪切作用则有利于悬浮泥沙的陆向输运; 二者共同作用产生泥沙辐聚, 形成最大浑浊带。大、小潮期间余流结构差异不大, 主要由密度差和潮汐混合不对称共同导致, 其中前者贡献更大。     

珠江口磨刀门水道枯季咸潮上溯与盐度输运机理分析

以珠江河口磨刀门盐度和流速观测资料为基础,采用盐度输运分解的计算方法对磨刀门盐度输运特征进行分析,对比各分解项动力成因和对盐度输运贡献的大小,分析磨刀门水道盐度分布特征和输运特征,结果表明:(1)磨刀门水道盐度输运主要由径流为主要作用的欧拉输运、潮流剪切输运和由河口密度梯度产生的垂向环流输运为主,其中欧拉输运方向向海,潮流剪切和重力环流输运向陆,两种不同方向的盐度输运在大、小潮期相对强弱的变化,导致了咸潮上溯的增强或者减弱。小潮期间,垂向环流和潮流剪切输运大于欧拉输运,净输运方向向陆导致咸潮上溯;大潮期间,垂向环流输运显著减小,净输运方向向海导致咸潮后退。(2)洪湾水道盐度输运主要以欧拉输运为主,垂向环流输运很小,与磨刀门水道盐度输运具有显著的不同。     

珠江河口盐度和输运过程对未来海平面上升的响应

研究海平面上升对河口的影响情况有助于了解输运过程的变化,基于21世纪海平面上升预测研究(陈长霖,2012;张吉,2014),本文选取珠江河口这一径优型与潮优型并存的河口为研究区域,利用数值模拟的方法,研究其在未来海平面上升后可能出现的响应。结果表明,河口的平均盐度、咸潮上溯距离和层化强度都将随着海平面的上升而增加,这些因素的变化有着明显的季节性。伶仃洋平均盐度在4月和10月增加更多;伶仃洋枯水期咸潮上溯距离的增量大于丰水期,磨刀门则相反;伶仃洋丰水期层化强度及其增量都要大于枯水期。海平面上升后的输运过程响应结果显示:(1) 垂向输运时间将增加,虽然海平面上升带来的潮差潮流的增强将加强垂向混合,但是层化的加强会削弱垂向交换。垂向输运时间的增加是由于层化的加强,层化加强抑制了潮汐变化带来的影响,表层水更难交换到底层; (2) 南北向河口环流将加强,表层余流向海加强,底层余流向陆加强,南北向余流整体向海减小。造成这些现象的主要原因是海平面上升后水深增加带来的河道比降的减小和压力梯度力的改变。     

莱州湾夏季环流垂向结构及其影响机制的研究

完善莱州湾三维环流结构,对进一步认识莱州湾海域的物质输运和生态环境保护具有重要科学意义,但前人对于莱州湾环流三维结构的研究相对较少。本文基于一套高分辨率的海洋数值模式,从三维角度研究了莱州湾夏季8月份环流的气候态特征及其影响机制。数值研究表明,莱州湾夏季环流垂向结构呈现双层环流特征,其中在跨等深线方向,环流的双层结构环流特征比较显著且存在显著的密度锋面结构。动量诊断的结果进一步表明,这种双层结构环流的形成与底层密度锋面所导致的斜压梯度力密切相关。此外,通过量化温盐场对于密度锋面的贡献,本文证实了温度梯度是莱州湾顶的密度锋面的主要影响因素,其对斜压梯度力的贡献占比达到99%,而盐度梯度对于莱州湾中部区域的密度锋面十分重要,对斜压梯度力的贡献占比达到58%,这与夏季黄河所带来的淡水通量密切相关。     

Tide-induced Lagrangian residual velocity and dynamic analysis based on field observations in the inner Xiangshan Bay,China

In the Xiangshan Bay at the east coast of China, coastal marine pollution is conspicuous and severe in recent years. As transport of the pollutants is closely related to the coastal circulation, there is a great practical significance to investigate the circulation in this area. In this work, the surface pattern and vertical profiles of Lagrangian residual velocity (LRV) were studied based on field observation data from the inner Xiangshan Bay. By tracking GPS-GPRS drifters’ trajectories, the surface LRV pattern is going out in the central deep trough and flowing inwards near the shoreside. Combined with data from two mooring stations, vertical profiles of LRV is flowing out at surface and flowing in at the bottom, consistent with the gravitational circulation induced by baroclinic effects at the estuary. However, according to the diagnostic analysis, the main mechanism driving the residual current is barotropic rather than baroclinic. The LRV equation is controlled by the tidally-averaged barotropic pressure gradient force, tidal body force and tidally-averaged turbulent stress, while the tidally-averaged baroclinic pressure gradient force is one order of magnitude less than other forces. Additionally, the tidally mean eddy viscosity coefficient which is used in the expression of tidally-averaged turbulent stress might be not adequate and requires further studies.     

Effect of channel bifurcation on residual estuarine circulation: Winyah Bay, South Carolina

The residual circulation pattern of Winyah Bay, the fourth largest estuary on the eastern coast of the US, is examined using stationary and shipborne current measurements during periods of low freshwater discharge. The estuary has a complex morphology with a single channel and narrow banks at the river entrance and the bay mouth, and a bifurcated channel system (main and western channels, respectively) in the middle part that appears to affect the residual circulation.Overall, the upper (single channel morphology) and middle (dual-channel morphology) parts of the estuary exhibit a baroclinic residual circulation. The presence of bifurcated channels in the middle part of the estuary modifies the typical gravitational circulation. The near-bed landward-directed residual flow is stronger in the deeper main channel than the shallower western channel. This is the result of the fact that the magnitude of residual flow scales with the water depth of the channel and it is also influenced by the opposing patterns of channel alignment in the northern and southern junctions. Analytical modeling confirms that the observed residual currents in the upper and middle estuary are density-induced. In the lower estuary, residual flow is directed seaward throughout the water column of the channel while in the adjacent shoals the residual flow is directed landward, suggesting that in contrast to the upper and middle estuary, the residual flow near the mouth is barotropic, controlled by the tides and the channel-bank morphology.     

河口水流结构分解及斜压M4分潮流探讨

河口水流是河口生态环境、河道演变、物质输运等物理过程的根本动力。由于径流、潮波、地形以及气象等因素的影响,河口水流呈现复杂的三维结构。其中既包括淡水注入形成的余流,也包括周期性的潮流、风生流、斜压流及河口非线性作用导致的流动等。为探究河口水流的组成及其潮内变化,基于瓯江口实测资料,利用主成分分析（Principal Component Analysis, PCA）法对河口水流进行分解,探讨了PCA法对河口水流的分解性能及斜压分潮流的高频特征。研究认为,PCA法在河口水流结构研究中既可采用原始数据操作亦可用标准化的数据进行计算。PCA法可分解出斜压成分（河口重力环流型结构）,但不能将正压成分（径流和潮流）分开,径流和潮流二者综合作用的结果体现在主成分的得分之中。主成分的取舍应根据水流结构和累计解释方差综合判断,不宜仅依据累计解释方差。河口斜压流动具有明显的高频特征,近似呈1/4日分潮的周期。     

影响坦帕湾水交换的三种因素

本文利用高分辨率数值模型,以2001年秋季为例,详细分析了影响坦帕湾水交换的三种因素:潮汐、河流和风。论文共设置了三组实验,驱动力分别为潮汐,潮汐和河流,潮汐、河流和风。模拟结果显示:只有潮汐作用时,由于坦帕湾潮汐较弱,潮程较短,坦帕湾与其临近海域的水交换主要发生在湾口附近;当潮汐和河流共同作用时,由于河流和湾口海水盐度的不同形成了水平密度梯度,在其产生的水平密度梯度力的作用下,坦帕湾形成了表层流向湾外、底层流向湾内的重力环流,从而加强了坦帕湾跟其临近海域的水交换;由湾内指向湾外方向(2001年秋季平均)的风应力加强了流向湾外的表层流,同时水位梯度力发生了反转,变成了由湾口指向湾顶,这加强了流向湾内的底层流,表层流和底层流的加强最终促进了坦帕湾跟其临近海域的水交换;在航道处,水深较深瑞利数较大,该处的重力环流较强,这使得相对于两侧的浅水区,航道处的水交换能力较强。此外,文章还分析了坦帕湾水交换的空间差异,在Old Tampa Bay的西侧和北侧,滞留时间最长,水交换能力最弱。为减少海洋生态灾害发生,今后应重点加强对该地区的生态环境保护。     

一次东北季风过程下珠江口磨刀门河口环流研究

根据2003年12月9日至15日的大、中潮同步水文观测资料及江门市斗门县气象局关于风的气象资料,结合Ecomsed三维斜压模型,对东北季风过程下的磨刀门垂向环流进行研究。通过理论分析和模型计算,表明向海的冬季风对河口垂向环流的形成起着重要的作用。风的作用有加强径流效果,加大了表层水体向下游的流动,同时底层水体的上溯使该地区形成了稳定的垂向环流。统计气象资料推断,枯季期间磨刀门水道出现垂向环流现象的时间约占总天数的51%。     

Modeling residual circulation and stratification in Oujiang River estuary

A 3D,time-dependent,baroclinic,hydrodynamic and salinity model was implemented and applied to the Oujiang River estuarine system in the East China Sea.The model was driven by the forcing of tidal elevations along the open boundaries and freshwater inflows from the Oujiang River.The bottom friction coefficient and vertical eddy viscosity were adjusted to complete model calibration and verification in simulations.It is demonstrated that the model is capable of reproducing observed temporal variability in the water surface elevation and longitudinal velocity,presenting skill coefficient higher than 0.82.This model was then used to investigate the influence of freshwater discharge on residual current and salinity intrusion under different freshwater inflow conditions in the Oujiang River estuary.The model results reveal that the river channel presents a two-layer structure with flood currents near the bottom and ebb currents at the top layer in the region of seawater influenced on north shore under high river flow condition.The river discharge is a major factor affecting the salinity stratification in the estuarine system.The water exchange is mainly driven by the tidal forcing at the estuary mouth,except under high river flow conditions when the freshwater extends its influence from the river’s head to its mouth.