烟台西部近岸海域冬季悬浮泥沙浓度时空变化及其输运特征

基于2017年12月在烟台港近岸海域6个站位大、小潮期的海流和悬沙同步观测资料,分析了悬浮泥沙浓度的时空变化规律,利用悬浮泥沙通量机制分解方法计算了研究区的悬浮泥沙输运通量,并初步讨论了潮流作用下悬浮泥沙的输运机制。结果表明,研究区各站位悬浮泥沙含量大潮期大于小潮期;大潮期各站位悬浮泥沙浓度多出现2~4个峰值,小潮期各站位悬浮泥沙浓度变化较为复杂,其规律性较弱;悬浮泥沙变化一般滞后于流速变化1~2 h。从平面分布上来看,研究区大潮期各站位悬浮泥沙浓度差异较大,小潮期差异较小;垂向上,大小潮期各层位悬浮泥沙含量变化不大,层化现象较弱。研究区水体的平流输运项主导着这一区域的悬浮泥沙输运,垂向净环流项起辅助作用,其他输沙项的贡献很小,研究区悬浮泥沙净输运方向与余流方向大致一致。大潮期垂向净环流项对悬浮泥沙输运的贡献略大于小潮期,小潮期平流输运项对悬浮泥沙输运的贡献略大于大潮期,大小潮变化对研究区泥沙输运影响显著。     

长江河口北槽的周期性层化对潮流椭圆垂向结构的影响

基于现场观测流速、盐度资料,通过采用整体理查森计算公式、潮汐调和分析理论,本项研究定量分析了长江河口北槽的周期性层化对M2半日分潮潮流椭圆垂向结构的影响。结果显示:小潮期间层化显著强于大潮,仅小潮出现密度跃层。在向陆端位于导堤和丁坝内的各站位,各层的潮流椭圆均退化为往复流形式;然而,在向海端位于导堤和丁坝外的站位,各层的潮流椭圆均呈顺时针旋转。小潮期间整体理查森数与表、底层潮流椭圆率之差呈现清晰的正线性相关关系,表明层化对潮流椭圆的垂向结构有显著影响。在向海端位于导堤和丁坝外的站位,小潮期间表、底层潮流椭圆倾角差达到约40°,而大潮为10°以下。小潮期间大多数站位的表、底层潮流椭圆相角差达到20°~50°,而大潮为10°以下,小、大潮周期性变化明显。潮流椭圆倾角和相角都在密度跃层处存在明显的垂向突变。在强层化的小潮期间,层化导致的密度跃层处垂向涡动粘性系数的剧烈衰减可能是潮流椭圆椭圆率、倾角和相角垂向变化的主要物理因素。     

长江河口北槽的周期性层化对潮流椭圆垂向结构的影响鏯

基于现场观测流速、盐度资料,通过采用整体理查森计算公式、潮汐调和分析理论,本项研究定量分析了长江河口北槽的周期性层化对M2半日分潮潮流椭圆垂向结构的影响。结果显示:小潮期间层化显著强于大潮,仅小潮出现密度跃层。在向陆端位于导堤和丁坝内的各站位,各层的潮流椭圆均退化为往复流形式;然而,在向海端位于导堤和丁坝外的站位,各层的潮流椭圆均呈顺时针旋转。小潮期间整体理查森数与表、底层潮流椭圆率之差呈现清晰的正线性相关关系,表明层化对潮流椭圆的垂向结构有显著影响。在向海端位于导堤和丁坝外的站位,小潮期间表、底层潮流椭圆倾角差达到约40°,而大潮为10°以下。小潮期间大多数站位的表、底层潮流椭圆相角差达到20°~50°,而大潮为10°以下,小、大潮周期性变化明显。潮流椭圆倾角和相角都在密度跃层处存在明显的垂向突变。在强层化的小潮期间,层化导致的密度跃层处垂向涡动粘性系数的剧烈衰减可能是潮流椭圆椭圆率、倾角和相角垂向变化的主要物理因素。     

基于遥感图像的南海北部内孤立波及相互作用研究

本文通过对卫星遥感图像中的内孤立波及相互作用现象进行统计分析,讨论了南海北部内孤立波及相互作用现象的时空分布特征,验证了利用卫星遥感图像反演内孤立波振幅和传播速度以及研究内波相互作用现象的可行性。统计结果表明,南海北部的内孤立波主要集中在东沙群岛以及海南岛南部,内波相互作用主要集中在东沙岛西北部以及海南岛南部。本文对此给出解释:内波传播至东沙岛附近发生绕射,绕射的内波分裂成两列后以不同的传播方向继续向西传播,相遇并发生相互作用;内波在海南岛浅滩处发生反射,与后续传来的内波发生相互作用。同时,本文利用Korteweg-de Vries (KdV)方程和Benjamin-One(BO)方程,结合观测数据,对内波振幅和传播速度进行了反演实验。反演所得的内波振幅和传播速度与南海北部实际内波振幅和传播速度相近。     

长江口北支悬沙浓度及输移的时空变化

本文基于4次洪枯季同步水文观测资料,着重分析了长江口北支悬沙浓度的潮周期变化、垂向分布、纵向分布和悬沙输移及其时空差异。研究结果显示,悬沙浓度的潮周期变化过程在大中潮期以M型(双峰型)为主,下段主槽内在大潮期多出现V型,上段在枯季可出现涨潮单峰型;小潮期可出现无峰、单峰或双峰型。涨、落潮悬沙浓度峰值及均值,在枯季多涨潮大于落潮,洪季中小潮特别是小潮期易出现落潮大于涨潮;下段主槽内在大潮期易出现落潮大于涨潮。悬沙浓度的垂向分布及其变化特点,在大中潮期与悬沙的潮周期变化型式有关,其中M型存在显著的洪枯季差异。纵向上,最高悬沙浓度在枯季出现于中段灵甸港至三和港之间及附近河段,洪季则在下段三条港附近。潮周期悬沙净输移,枯季大多向陆特别是大中潮期,洪季中上段大多向海,下段大潮期多向陆、中小潮易出现向海;下段主槽内在大潮期易出现向海。     

利用GF-1和MODIS准同步光学遥感图像反演内波参数的研究

高分一号(GF-1)光学遥感卫星的发射为海洋内波的研究提供了精细的观测资料,利用其图像高空间分辨率的优势,结合高时间分辨率的中分辨率成像光谱仪(MODIS)的匹配数据,能够对南中国海东沙岛附近的内波开展特征参量的反演。本文处理了GF-1和MODIS的准同步图像,选取东沙岛附近的相邻时刻的同一条内波进行分析,提取其空间位移,计算出内孤立波传播的群速度。分析GF-1和MODIS图像上同一条内波的灰度剖面,计算了明暗条纹间距,结合当地水深和温盐数据,应用非线性薛定谔方程反演内孤立波的振幅,探究大陆架附近内孤立波的振幅演变。研究结果表明:内孤立波的群速度在东沙岛附近向西传播过程中逐渐变小;在相似的温盐条件下,遥感图像中内波的明暗条纹间距和振幅呈现负相关,在深海区水深和振幅呈现正相关关系,在浅海区由于非线性作用增强会出现振幅随水深变小反而增大的现象。     

杭州湾口门中部水沙输运机制初探——以岱衢洋为例

根据2012年9月在杭州湾口门中部外侧海域岱衢洋主槽内获得的包括大、中、小潮的垂向流速和悬浮泥沙观测资料,利用机制分解方法计算了岱衢洋的水沙输移通量等特征,分析并讨论了各个输沙项对总输沙量的贡献,解释了杭州湾水沙进出外海的输运机制。研究结果表明:研究区域单宽涨潮量大潮为小潮的2.3倍,单宽落潮量大潮为小潮的1.6倍。从小潮到大潮的余流和单宽净输水量由向海变为向陆;单宽涨潮输沙量大潮为小潮的4.5倍,单宽落潮输沙量大潮为小潮的2.7倍。单宽输沙量表现为小潮和中潮向海,大潮向陆的特点,大潮单宽净输沙量约为小潮和中潮的2倍;在各输沙项中,平流输沙主要来自水体净输移(拉格朗日余流决定)对悬沙输移的贡献,平流输沙方向小潮向海,中潮和大潮向陆,其中大潮和小潮时平流输沙在各项中贡献率最大;潮泵输沙小潮和中潮向海,大潮输沙向陆,中潮时潮泵输沙贡献率在各项中贡献率最大;垂向净环流输沙方向均向陆,大中小潮悬沙含量的垂向的差异是导致小潮垂向净环流输沙量大,大潮输沙量小的主要原因;杭州湾中部通过岱衢洋通道与外海泥沙交换的主要形式是大进大出、反复搬运,而在一个完整的半月周期内外海泥沙净进杭州湾的量相对较小。     

椒江河口层化动力特性研究

基于椒江河口大、小潮期间水位、流速、盐度和悬沙浓度观测数据,研究了椒江河口主潮汐通道的水动力、盐度和悬沙浓度的时空变化特征,解释了高浊度强潮作用下的层化物理机制。椒江河口大潮期悬沙浓度和盐度均大于小潮期,主潮汐通道区域落潮期悬沙浓度大于涨潮期;盐度随潮变化,盐水锋面出现在S2测站,锋面附近出现最大浑浊带;自陆向海,悬沙浓度递减,盐度递增;随水深增加,悬沙浓度与盐度递增。Richardson数与混合参数显示,盐度和悬沙引起的层化现象,是随着潮汐的变化而变化,涨潮时的层化均强于落潮,小潮时的层化持续时间最长,区域更广。混合参数随潮周期变化,大潮期高于临界值1.0,小潮期低于临界值1.0。小潮期水体层化强于大潮期;潮汐应变项是影响势能差异变化率的重要因素;落潮期间层化向混合状态转化,涨潮相反。     

南海东北部C型内孤立波的观测与分析

基于布放在南海东北部陆坡海域的5套潜标观测到的内孤立波波列数据和孤立波扰动KdV(PKdV)理论,研究内孤立波在趋浅陆架上的传播特征。得出如下结果:1)观测到的内孤立波属于C型内孤立波,即平均重现周期为(23.41±0.31)h。2)内孤立波在西传爬坡过程中,其振幅表现为先增大后减小再增大,与该海域温跃层深度的变化趋势一致;由观测数据和理论计算得到的孤立波振幅增长率(SAGR)数值接近,表明该海域的内孤立波的振幅变化可以采用由孤立波PKdV方程导出的趋浅温跃层理论来描述。3)随着水深变浅,内孤立波传播方向向北偏移,传播速度减小,即在A,B和D站位,传播方向分别为279°,296°和301°,偏转角度达22°;传播速度分别为2.36,2.23和1.47 m/s,减小38%。     

长江口北支盐水倒灌南支对青草沙水源地的影响

自1978年以来，在长江口的几个关键岸段（例青龙港、新建、高桥、堡镇等）设置盐度观测站；1992－1994年的枯季、在青草沙水源地的南、北两侧各抛测量船一般，在一个完整的大、中、小潮期间、连续逐时观测流速、流向、水深、盐度等，同时在青龙港等处设置6个岸边观测点同步取样；1995－1996年在船站位置各设置氯离子自动监测仪一台；1996年3月又进行了一次大规模的长江口水文测验。本文对大量的现场资料作了分析计算。研究结果表明，青草沙水源地盐水来源主要有北支倒灌咸水团和外海咸水入侵。前者的特征为，氯度的半月变化是小潮期（或小潮后的寻常潮）的氯度反高于大潮期，氯度的潮周日变化是日最高值出现在落憩附近，日最低值出现在涨憩附近，氯度的垂向分层不明显。这与外海盐水入侵引起的氯离子浓度在半月和潮周日内的变化特征正好相反。     

长江口徐六泾洪季水沙特性观测研究

2001年7月，在长江口徐六泾对流速、流向和悬浮泥沙浓度进行了大小潮定点观测。观测数据分析表明徐六泾处大潮流速及其变化远大于小潮流速。大潮悬沙浓度大于小潮悬沙浓度。由于径流的影响，落潮期间垂向速度梯度比涨潮期间大，落潮垂向切变增强，使落潮期间悬沙浓度的变化幅度大于涨潮期间的泥沙变化幅度，同时存在泥沙浓度峰值滞后于流速峰值的现象。     

潮流作用下蓬莱近岸海域悬浮泥沙的时空分布及变化特征

水体中悬浮泥沙浓度的变化过程是泥沙运动的重要表现形式,客观反映了不同的水动力环境。根据蓬莱近岸海流、悬浮泥沙等实测资料,分析了研究区悬浮泥沙浓度时空分布特征和变化规律,并初步探讨了悬浮泥沙浓度变化对潮流的响应。研究结果表明,时间上,研究区平均含沙量落潮段大于涨潮段,大潮期大于小潮期;不同层位悬浮泥沙浓度随时间的周期性波动大潮期强于小潮期,悬浮泥沙浓度时间周期变化的9~16 h尺度在研究区具有全域性。空间上,研究区各层平均悬浮泥沙浓度由表层至底层递增,悬浮泥沙浓度垂向梯度变化大潮期群岛区最小,海峡区最大,小潮期西部区最小,东部区最大,悬浮泥沙浓度的垂向分布类型以指数型、斜线型为主;潮周期平均悬浮泥沙浓度群岛区最大,海峡区次之,西部区最小;悬浮泥沙浓度潮周期变化与该海域潮流流速周期变化具有较好的相关性,潮流流速超过40 cm/s时,发生明显的再悬浮现象。     

广东红海湾海流季节性特征分析

基于2017年春季和冬季的海流资料分析了红海湾海区海流特征、潮流状况、涨落潮流特性、余流特征及表层漂流特征。研究海域共布设3个临时潮位观测站和11个全潮水文观测站。根据流速、流向过程曲线和潮位过程曲线的关系,得出涨(落)潮流速最大的时刻和最小流速发生时刻与潮位关系并非固定在高(低)潮时或半潮面左右,由此看出,研究海域的潮波介于驻波与前进波之间,属于不规则半日潮流主导的海域。研究海域中大部分站位潮流属于往复流,少数站位潮流运动具有一定的旋转性,平均涨潮流速最大为7 cm/s,平均退潮流速最大为14 cm/s。春季大潮期和中潮期各站余流流向整体为偏东向,小潮期,除少数测站余流流向偏向南东向,其余测站余流流向偏西向;冬季大潮期和中潮期各站余流流向整体为偏西向,小潮期,湾西侧余流流向偏西向,湾东侧余流流向偏南东向。垂向上各层余流流速由表至底逐渐减小,流向基本一致。     

基于MCC理论的内孤立波数值模拟

基于MCC(Miyata-Choi-Camassa)理论,将内孤立波诱导上下层深度平均水平速度为入口条件,结合理想流体完全非线性欧拉方程,建立了两层流体中内孤立波生成与传播的CFD(Computational Fluid Dynamics)数值水槽方法。在系列数值模拟基础上,获得了内孤立波设计振幅与数值模拟振幅之间的相关关系,实现了在振幅可控条件下的内孤立波数值模拟。结果表明,在极限振幅范围内,数值模拟所得内孤立波波形均与MCC理论解吻合良好,而KdV(Korteweg-de Vries)和mKdV(modi-fied KdV)理论解只适用于小振幅的情况。同时,利用CFD数值模拟结果,对内孤立波诱导流速场特性进行了分析,结果表明内孤立波诱导水平速度在上层及波面下方流体层中垂向衰减很小,但在内界面与波面之间流体层中垂向衰减明显。     

一个典型南海北部第二模态内孤立波的观测分析

第二模态内孤立波在海洋中极少被观测到。本文基于潜标高时空分辨率观测数据,对南海北部陆架区的一个典型第二模态内孤立波进行了分析。结果表明,该第二模态内孤立波的流核出现在135 m深度处,其最大水平流速为0.66 m/s,传播方向为西偏北58°。沿传播方向的内孤立波流速分布在80～170 m的深度范围内,而与传播方向相反的逆流出现在海表和海底附近。垂向模态分析表明,该第二模态内孤立波水平流速的垂向结构与理论结果吻合良好。能量计算结果显示其动能密度的垂向积分可达14 kJ/m2,而波峰线方向单位长度上的动能估算值为5.98 MJ/m。尽管该第二模态内孤立波的动能比陆架区第一模态内孤立波小1个量级,但其高达0.045 s-1的流速垂向剪切约为典型第一模态内孤立波的2倍,表明其导致的混合可能更强。     

长江口北支异常强盐水入侵观测与分析

长江口北支由于径流分流比很小,盐水入侵较强,特别是枯季大潮期盐水甚至倒灌进入南支,影响上海市和江苏省的水源地水质。为了进一步研究北支盐水入侵的规律及影响因素,2014年1月1-9日在北支进行了大小潮同步水文观测。本次观测到了北支异常强盐水入侵:小潮期发生强盐水入侵,且强度大于大潮期。小潮期强盐水入侵导致中下游河段被高浓度盐水控制,盐度从下游B01到中游B02几乎没有变化,且盐度的涨落潮变化几乎消失。分析认为,小潮观测期间长江入河口流量较小、河口潮差不是太小,加上强偏北风,三者的叠加是导致强盐水入侵的主要原因。     

南海北部内孤立波非线性陡斜的数值研究

基于三维海洋环流模式MITgcm,对非线性陡斜在南海北部内孤立波形成和传播过程中的作用进行了研究,探讨了内孤立波的三维演变过程。研究发现,吕宋海峡处正压潮流激发的斜压潮能射线在其西侧形成强斜压扰动,该扰动在西传过程中受到地形浅化的影响,发生非线性陡斜,波长变小,波形变陡,最终在南海北部陆架坡折处形成大振幅内孤立波,即南海北部的大振幅内孤立波主要是由吕宋海峡西侧的强斜压扰动发展而来,而非来自吕宋海峡巴坦岛附近经潮地相互作用所形成的强波动信号。同时,模式也揭示了a、b波的演变过程,在吕宋海峡西侧约120°E以东的海域,没有发现a、b波,经过西传过程中的非线性陡斜作用,a、b波才演变出来,表明传播过程在a、b波的形成中具有重要意义。     

南海北部东沙岛附近的内潮和余流特征

采用东沙岛附近的一个长达9个月的锚定潜标的观测资料对南海北部的正压潮、内潮和余流情况进行了分析,得到了当地正压潮和内潮的特征。此处正压潮流以全日潮为主,秋、冬季相对较大,春季相对较小;正压余流受海盆尺度环流和地形的限制,在潜标观测期间的秋、冬、春三季基本以偏西向的正压流为主。内潮同正压潮一样,也以全日分潮为主,潮流椭圆随水深发生旋转,在110—120m附近存在内潮非常弱的一层。斜压余流在2009年2—3月比较异常,这是由于在此其间有一个中尺度涡经过。对此潜标数据采用经验正交函数分解的方法进行分析,发现海流的各个主要EOF模态与内波的垂向模态结构有一定的关联。     

福宁湾海域冬季大潮期悬浮泥沙输运特征

基于2014年12月在福宁湾附近海域8个站位的同步水文泥沙观测资料,分析了冬季大潮期悬浮泥沙分布以及输运通量的变化规律,并结合理查森数、水体混合所需的势能、潮动力引起的水体势能变化率的计算结果,初步探讨了水体的垂向混合对于悬浮泥沙垂向分布的影响,研究了悬浮泥沙的输运机制。结果表明,从湾内到湾外,温度、盐度总体上呈现递增的趋势;平面上各站位悬浮泥沙浓度由湾内向湾外递减;潮周期内悬浮泥沙浓度变化存在不对称性,总体来说,湾内及湾口处（1#站除外）涨潮阶段悬浮泥沙浓度高,湾外（4#站除外）落潮阶段悬浮泥沙浓度较高。从湾内向湾外,随着水深的增加潮周期内水体的垂向混合逐渐减弱,悬沙浓度的垂向差异逐渐增大。悬浮泥沙输运在湾内及湾口整体表现为向陆输运,在湾外为向海输运。在湾内及湾口处,各分层悬浮泥沙的输运方向大多向陆,且量值较高,而湾外的悬浮泥沙输运方向在垂向上存在差异。由于潮流不对称以及悬浮泥沙的滞后效应引起的潮泵项输运对总的悬浮泥沙通量起主要贡献。     

相同尺度地形与背景流共振生成内孤立波机制

为研究内孤立波的地形和背景流共振机制,用地形和背景流共振机制计算了3个潜标观测的内孤立波(不同模态、不同波长)的流速和传播速度,并与观测到的内孤立波进行比较。潜标观测的第一模态内孤立波(波长分别为6.4和3.3km)都是下凹型内孤立波,2个内孤立波的传播速度约为1.4m/s、最大振幅约为48m,水平流向结构都是上层西北向、下层东南向,波长3.3km 的内孤立波波峰前后有更明显的下降流和上升流。用共振机制计算出的第一模态和第二模态纬向流速的垂向结构与观测相同,最大纬向流速出现的深度与观测一致,分别相差5和12m。用共振机制计算出的内孤立波传播速度与用 KdV 方程计算的传播速度相当,共振机制计算波速为0.66~1.21m/s,KdV 方程计算波速为0.79~1.40m/s。