舟山群岛峡道海区潮流切变锋特性的二维数值研究

论文摘要

切变锋是自然界水域中广泛存在的一种水力现象,它对其所处水域的流场特性、悬移物质的输移、地貌演变、生物生长环境等方面都有显著的影响,因而引起了许多学者的关注,对其产生机理及特性进行了一定的研究。本文主要利用数值模拟的方法来对舟山群岛峡道海区三个代表水道中产生的潮流切变锋的特性进行一定的研究。本文选择了舟山群岛多峡道海域作为研究海域,同时根据现有地形资料,着重分析了此海域中长白水道、岱山水道、灌门水道的地形情况。分析后本文认为这些水道的地形条件均有利于切变锋现象的产生,而各个地区不同的特征地形又可能使切变锋体现出不同的特性。随后本文利用MIKE21软件中的HD模块对研究海域的潮流场进行了二维的数值模拟计算,验证结果良好,较为成功地反映了研究海域的潮汐潮流特征。在验证的模型基础上,本文对选定的几个代表水道的流场进行了分析,结果发现各个水道中均产生了切变锋,其特性、影响因素及形成机制如下:(1)通过分析研究水道的流速、流向分布得到了峡道潮流切变锋的一般特性。流向切变锋一般形成于涨、落潮的憩流时段,它产生于切向地形坡折带的浅水侧,消亡于深水侧,存在时间约为0.5～2小时;流速切变锋则在涨、落潮的急流时段较为明显,其锋区位置则基本稳定在坡折带附近。切变锋在一个潮周期中随水动力的周期性变化而生成、发展、消亡。(2)通过对各水道不同岸段的水流切变现象进行分析后发现,切变锋的特性受到各种地形的影响。切向地形的突变程度直接影响到了潮流切变锋的强度;纵向平面岸线形态和岬角地形影响到了主流在纵向上的流态(扩散与汇聚)、涨落潮的流路差异,水道口门的地形可能造成潮流壅水倒灌的情况。这些地形所导致的水力特性使切变锋在锋区位置及其运动范围、切变强度上体现出不同的特征。(3)在对大、中、小潮期中特征点的流速、流向过程分析后发现,潮型对切变锋性质也有影响。同一地点流速切变锋强度,大潮期要大于中潮期,中潮期大于小潮期;流向切变锋的持续时间,小潮期要长于中潮期,中潮期长于大潮期。(4)在结合了计算结果的分析以及现有研究成果后,本文认为导致潮流切变锋形成的主要原因是水下切向地形的突变,它导致了流速、流向的不连续性,并在切向较小的距离内突显了这些水体性质的差异,其突变程度还影响到了切变锋及锋区横向环流的强度。

论文目录

• 致谢
• 摘要
• Abstract
• 目录
• 1 绪论
• 1.1 立题意义
• 1.2 切变锋现象概述
• 1.2.1 锋面现象的概况
• 1.2.2 切变锋的定义及特征
• 1.2.2.1 定义
• 1.2.2.2 特征
• 1.2.3 切变锋的形成机制
• 1.2.4 锋区横向环流特性
• 1.2.5 密度分布对横向环流的影响
• 1.2.6 切变锋对海岸动力沉积过程的影响
• 1.2.6.1 锋区环流对坡折带的冲刷作用
• 1.2.6.2 锋区环流的聚集泥沙作用
• 1.2.6.3 锋区的低流速特性
• 1.3 研究现状
• 1.3.1 锋面现象的研究
• 1.3.1.1 基于实测资料分析的锋面现象的研究
• 1.2.1.2 基于数值模拟的锋面现象的研究
• 1.3.2 切变锋现象的研究
• 1.3.2.1 基于实测资料分析的切变锋现象的研究
• 1.3.2.2 基于数值模拟的切变锋现象的研究
• 1.3.3 峡道地区水文泥沙特性研究
• 1.3.3.1 基于实测资料分析的峡道特性研究
• 1.3.3.2 基于数值模拟的峡道特性研究
• 1.3.4 对现有研究成果的总结
• 1.4 本文研究的主要内容及创新点
• 1.4.1 本文主要研究内容
• 1.4.2 本文主要创新点
• 2 研究区域概况
• 2.1 研究海域总体概况
• 2.1.1 研究海域位置
• 2.1.2 气候条件
• 2.1.3 海洋水文
• 2.1.3.1 潮汐
• 2.1.3.2 潮流
• 2.1.3.3 波浪
• 2.2 研究区域局部地形情况
• 2.2.1 地形数据的处理
• 2.2.2 长白水道地形概况
• 2.2.3 岱山水道地形概况
• 2.2.4 灌门水道地形概况
• 2.3 小结
• 3 模型验证计算及模拟结果分析
• 3.1 引言
• 3.2 潮流模型
• 3.2.1 计算软件
• 3.2.2 计算区域的划定及网格化
• 3.2.3 潮流控制方程
• 3.2.4 定解条件
• 3.2.5 数值计算方法
• 3.2.6 模型计算参数的选定
• 3.3 模型验证及流场模拟结果
• 3.3.1 模型的验证
• 3.3.2 流场模拟结果
• 3.3.2.1 计算区域全局流场模拟结果
• 3.3.2.2 各研究水道流场模拟结果
• 3.4 小结
• 4 研究区域潮流切变锋现象的模拟结果
• 4.1 引言
• 4.2 研究区域中的切变锋现象
• 4.2.1 特征点的流速过程特征
• 4.2.2 各水道中切变锋的发展过程
• 4.3 小结
• 5 基于数值模拟结果的峡道潮流切变锋特性分析
• 5.1 引言
• 5.2 峡道潮流切变锋的一般特性
• 5.3 峡道切变锋的影响因素
• 5.3.1 地形影响
• 5.3.1.1 切向水下地形
• 5.3.1.2 纵向平面岸线形态及水下地形
• 5.3.1.3 岬角地形
• 5.3.1.4 水道口门地形
• 5.3.2 潮型影响
• 5.4 潮流切变锋的形成原因分析
• 5.4.1 地形作用
• 5.4.2 横向环流的作用
• 5.4.3 其它特殊原因
• 5.5 小结
• 6 结论与展望
• 6.1 主要结论
• 6.2 展望
• 参考文献