垂向二维潮流数值模型及其在长江口北槽的应用

应用变网格有限元方法，采用任意四边形等参单元，离散横向积分的Navier—Stokes方程，建立河口潮流垂向二维数学模型。应用此模型，对长江口北槽水域两个观测站的潮流水位、流速垂线分布和整个北槽潮流流速纵向分布进行了模拟。潮流水位、流速垂线分布的模拟值分别与观测站的实测值可以较为吻合，证明了本文模型的实用有效。模拟得到的涨急、落急时刻整个北槽潮流流速纵向分布给出了定性的结果。     

长江口南部水域次级羽状锋

1994年11月24-25日（枯季），在长江口南部水域内，对2个定点，2个段面（24个站位）进行了水流流速，盐度及悬沙浓度观测，而后，分别绘制出：（1）水流流速、盐度和悬沙浓度沿水深，时间变化过程组；（2）各层水流流速、流向随时间变化过程图。结果表明：1）实测水流流速、盐度及悬沙浓度垂向，水平分布具不连续性，表明了次级羽状锋的存在；2）在枯季，相对于径流、波浪而言，外海潮流对长江口次级羽状锋的影响占主导作用；3）次级羽状锋可能使得悬沙在南汇东滩附近大量淤积；4）次级羽状锋在长江口与杭州湾之间的水沙交换中起着一定作用。     

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。     

潮汐应变对长江口北槽枯季湍流混合与层化的影响

利用TELEMAC-3D开展了长江口北槽2010年枯季条件下湍流混合与层化的有限元数学模拟研究。该模型在外海开边界设置了8个主要分潮,并在自由表面考虑了定常风的影响,利用北槽水域3个潮位站(横沙、北槽中、牛皮礁)和2个水文观测站(北槽中段CSW、北槽下段CS8)2010年枯季的潮位、流速及盐度观测资料对模型进行验证并获得了良好的精度,从而得到北槽水域纵向、平面流场和盐度场。模拟得到的流速、盐度被用来计算势能差异(φ)、势能差异变化率(φ/t)、Simpson数(Si)和梯度Richardson数(Ri)。结果显示:1)北槽水域大潮平均和小潮平均的势能差异的变化范围分别约为0~30 J/m3和0~90 J/m3,且较大的势能差异基本位于主航槽,这些表明北槽水体小潮的层化大约是大潮的3倍,主航槽的层化强于坝田区,而北槽中段往往具有更强的层化。2)落急时刻,就北槽下段而言,潮汐应变、潮汐与风共同搅动引起的势能差异变化率的范围分别约为-20×10-4~100×10-4W/m3、0~100×10-4W/m3,这些表明,从大潮至小潮,潮汐应变总体增强而潮汐与风共同搅动总体减弱。空间上,主航槽丁坝附近的潮汐应变明显强于坝田区,潮汐与风共同搅动的强度在坝田区内、外也存在差异,导堤和丁坝的影响明显。3)对于北槽下段CS8站,大潮至中潮的Si数在0.15~0.4之间(介于下临界值0.088和上临界值0.84之间),表明潮汐与风共同搅动占优,属于应变致周期性层化(SIPS)。小潮的Si数在0.9~1.5之间(高于上临界值0.84),表明潮汐应变显著增强并占优,属于持续性层化。4)北槽下段CS8站梯度Ri数的量级范围在混合较好的表层和底层约10-3~10-2,在层化较好的中间水层约100~101。该站湍动能耗散率的量级范围大潮为10-3~10-9W/kg,小潮为10-5~10-10W/kg,具有明显的M4周期性特征和涨、落潮不对称分布,且表层和底层分别由于风应力和底摩擦作用而具有较强的耗散,中间水层稳定层化区的耗散则显著减小,潮汐应变是造成湍动能耗散率在涨、落潮周期内不对称分布的重要因素。     

北部湾海浪季节变化和驱动因素的数值模拟研究

基于NCEP CFSV2再分析风场驱动SWAN模型,对南海至北部湾为期1年的海浪逐时过程进行了数值模拟,利用Jason-2卫星和近岸浮标整年观测数据检验了模拟效果。在此基础上,评估了模型空间网格尺度对北部湾内波浪模拟的影响,分析了波浪的季节变化特征,辨析了局地风和南海传入浪对海湾波浪的驱动贡献。研究显示：（1）较Jason-2卫星观测值,有效波高模拟值的均方根误差和分散系数分别约为0.4 m和0.2;较北部湾湾顶近岸浮标逐时观测值,有效波高的均方根误差和分散系数分别约为0.2 m和0.4,平均波周期的均方根误差和分散系数分别约为0.6 s和0.2,平均波向的均方根误差约为30°;（2）空间网格分辨率为12'×12'的模型对北部湾20 m以深开敞海域波浪的模拟效果良好,模拟值较2'×2'模型的平均相对偏差在10%以下;（3）北部湾冬季盛行东北向波,夏季盛行偏南向浪,季风转换期盛行东南向浪,全年波浪在季风期强于季风转换期,冬季最强、冬夏转换期最弱;（4）局地风对北部湾波浪的驱动贡献自湾口向湾内增强,季风期强于季风转换期;南海传入浪的驱动贡献自湾口向湾内减弱,季风转换期强于季风期;海湾中部和北部的波浪以局地风为主控因素,海南岛南部和东部水域以传入浪的影响为主,海南岛西南水域受局地风和传入浪的共同控制。     

复合坡度珊瑚礁地形上波浪破碎的试验研究

通过波浪水槽试验,研究了珊瑚礁地形上规则波的破碎特征,包括破碎类型、破碎波高、破碎位置以及破碎带宽度。试验在带礁缘的复合坡度断面下进行,测试了两种水位下系列波高和波周期相组合的工况。试验研究了波浪破碎类型的区分标准,评估了已有四类破碎指标在复合坡度珊瑚礁地形上的适用性,并给出了描述破碎位置和破碎带宽度的经验公式。结果表明:礁边水深深水波高比可较好地区分波浪的破碎类型;四类破碎指标关系式中以破碎波高深水波高比之于深水波陡的相关性为最优;深水波高和礁边水深是影响破碎位置和破碎带宽度的主要因素,随着深水波高礁边水深比的增大,量纲一破碎位置（破碎点与礁边的距离和礁边处浅水波长的比值）逐渐减小,量纲一破碎带宽度（破碎带宽度和礁边浅水波长的比值）逐渐增大。     

复坡珊瑚礁地形规则波传播特性试验研究

针对带礁缘的复坡珊瑚礁地形,开展4组礁坪水位条件下、不同入射波高和波周期相组合的系列组次规则波试验,分析波高和增水的沿礁变化过程,研究深水波高、波周期和环境水位对破碎波高、破碎位置、礁坪增水和传递波高的影响规律,拟合给出试验地形下的参数化公式。研究表明:破碎波高和破碎位置随深水波高和波周期的增大而增大,受礁坪水位的影响相对较小;礁坪增水和传递波高受礁坪水位的影响较大,增水随水位的抬升而减小,传递波高随水位的抬升而增大;破碎波高和深水波高的比值与深水波陡相关;传递波高和深水波高的比值与礁坪水深深水波高比相关;量纲一破碎位置（破碎点至礁边的水平距离与礁边处浅水波长的比值）及量纲一礁坪增水（礁坪增水和深水波高的比值）均可通过礁边水深与深水波高比建立参数化公式。     

渤海湾风浪场的数值模拟

采用SWAN模型对渤海湾在定常风和非定常风作用下的波浪场进行了模拟,并利用黄骅港附近波浪统计资料对模拟结果进行了验证。结果表明：SWAN模型较好地模拟了渤海湾在定常风和非定常风作用下风浪成长和传播过程。此外,还应用ADCIRC潮流模型,初步探讨了潮流对波浪要素的影响：(1)无流存在时,波高的成长和波周期的变化是一条光滑的曲线,但当有流加入时,由于其流速和水位在一个潮周期内随时间的变化足不均匀的,其对波浪成长产生影响,使波高和周期呈不规则变化;(2)波浪成长初期,流对波高增长的影响并不明显,但当波高增大到一定程度时,流的存在对波高的影响是很明显的。     

南中国海台风浪数值模拟研究——以台风“珍珠”为例

以QSCAT/NCEP混合风资料和Myers经验模型风场构造台风风场,并以之作为驱动风场,建立一个基于第三代海浪模式SWAN的两重嵌套台风浪数值模拟模型。以0601号台风珍珠为例,对南中国海至广东的台风浪进行数值模拟研究。将数值模拟结果与台风期间Jason-1卫星高度计观测资料和近岸浮标实测资料(波高、波向和波周期)作了较为详细地比较,并分析台风浪要素的时空分布。结果显示台风浪要素的数值模拟值与实测值吻合良好,表明SWAN模型能够较好地再现大洋和近岸台风浪的时间发展过程和空间分布特征。     

河口和海岸海物理海洋学研究进展--第11届PECS02国际会议介绍

介绍了第11届PECS02国际会议上有关河口和海岸海物理海洋学研究方面的进展。包括河口动力学、河口输运、海岸动力学、海岸输运、河口海岸地貌动力学和大陆架海动力学6个部分。