长江河口羽状流扩散与混合过程的数值模拟

论文摘要

本文采用COHERENS （A COupled Hydrodynamical-Ecological model for REgional and Shelf Seas）模型中的三维水动力模块研究了长江河口羽状流扩散与混合过程的时空变化及其控制因素。论文内容大致可分为以下三个部分:第一部分:分别研究了概化的长江河口的羽状流扩散与混合过程对（i）不同水平与垂向网格精度、（ii）动量与（iv）盐度方程的对流项计算格式（upwind、Lax-Windroff、带Superbee限制函数TVD和带单调限制函数TVD格式）、（v）水平扩散系数与（vi）垂向涡粘系数的敏感性。（1）羽状流的扩散与混合过程对水平与垂向网格精度似乎相对不敏感。（2）相对动量方程的对流项计算格式,羽状流的扩散与混合过程对盐度方程的对流项计算格式更为敏感,采用Lax-Windroff格式计算盐度方程对流项不能得到稳定的计算结果。（3）羽状流的水平扩散对水流和盐度的水平扩散系数的取值较为敏感。随着水平扩散系数的增大,羽状流向北、向外海方向扩散的范围以及厚度增大,向南扩散的范围以及盐度的水平梯度反而减小。（4）羽状流的扩散和混合过程对水流和盐度的垂向涡粘系数非常敏感。随着垂向涡粘系数的增大,羽状流向北扩散的范围以及厚度增大,向南扩散的范围以及盐度的垂向梯度反而减小,且突起宽度减小,沿岸流宽度增大。另外,这一部分还分别研究了羽状流扩散与混合过程对河流径流量、底部纵向坡度、科氏力、定常风和M2分潮的响应。（a）随着河流径流量的增大,羽状流向各方向的水平扩散范围也增大。（b）随着底部纵向坡度的增加,羽状流向北和向外海方向扩散的范围扩大,向南扩散的范围反而减小。（c）科氏力导致羽状流水向南偏转,河口呈不对称分布。（d）自东南向西北方向传播的M2分潮抑制了羽状流向各方向的扩散,并加强了羽状流水与海水之间的垂向混合。（e）在6 m/s东南偏南定常风作用下,羽状流向东北方向扩散;然而,在4 m/s西北定常风作用下,羽状流向外海方向扩散受到抑制,且在羽状流边缘出现强烈的下降流。第二部分:将实际地形下的长江河口划分为矩形网格（188×140）,网格单元大小是1045.5 m×1038.5 m,模拟了M2分潮作用下洪季长江河口羽状流的扩散过程。（i）长江河口羽状流主要由南支入海,并以淡水舌的形式向外海扩散,并在北港外、北港与北槽之间、北槽与南槽之间以及南槽以南形成了四个淡水舌。淡水舌的平面形态受M2分潮调控,在落急时刻向海推进,而在涨急时刻向岸回收。（ii）长江河口外形成的淡水舌,分别指向东、东南偏东、东南和东南偏南方向。但是,在科氏力、地形以及M2分潮共同作用下,长江河口羽状流总体上向东南方向扩散。（iii）在北港和北槽口外,盐度水平梯度较大,形成强烈的羽状锋。羽状锋位置和羽状锋强度都受M2分潮调控,显示出潮周期变化特征。低潮位时,羽状锋距河口最远,高潮位出现1小时后,羽状锋距河口最近。羽状锋强度涨憩最大、落憩最小。羽状锋强度最大的时刻与羽状锋开始向河口方向推进时刻之间存在1小时的滞后。同样地,羽状锋强度最小的时刻与羽状锋开始向外海方向推进时刻之间也存在1小时的滞后。第三部分:将COHERENS模型进行了改进,以便适用于实际地形下的长江河口正交曲线网格（149×69）下的计算,网格大小从283 m到5583 m。首先,分别模拟了M2、S2、K1、O1四个分潮作用下洪、枯季长江河口羽状流的扩散与混合过程。（i）长江河口羽状流的扩散形态与长江径流流量和潮型有关,可呈现射流、圆形突起和淡水舌形态,并向东南方向扩散。（ii）长江河口羽状流在纵断面上大致可分为上部漂浮层和下部垂向混合层的二层结构。上部漂浮层厚度的变化规律为洪季小于枯季、大潮大于小潮、涨急小于落急。（iii）长江河口羽状流的层化受控于潮汐混合以及河流流量与潮汐相互作用形成的河口环流。采用了Simpson’s层化参数（φ）估算了垂向分层。层化参数（φ）洪季大于枯季、大潮小于小潮、落急大于涨急。其次,模拟了四个分潮和风共同作用下洪、枯季长江河口羽状流的扩散与混合过程。（i）在洪季6 m/s东南偏南定常风作用下,长江河口羽状流表层一部分水体在大潮时以淡水朵云的形态脱离羽状流主体向东漂移,在小潮时则整体向东北偏东方向扩散;长江河口羽状流底层仍以淡水舌的形态向东南方向扩散。枯季,在4 m/s西北定常风作用下,长江河口羽状流向外海的扩散受到抑制,但是,仍以淡水舌的形态向东南方向扩散。（ii）在洪季6 m/s东南偏南定常风作用下,长江河口羽状流上部漂浮层厚度有所增厚。在枯季4 m/s西北定常风作用下,除小潮涨急时刻外,长江河口羽状流垂向盐度梯度较小,近似地呈现充分混合状态。（iii）在洪季6 m/s东南偏南定常风作用下,长江河口羽状流的层化大大加强,层化参数最大值较无风时的增长了约20～80﹪。在枯季4 m/s西北定常作用下,羽状流迎风一侧的层化加强,其余部分的层化减弱。显然,羽状流中的层化或去层化与风向有关,即促进上升流的风驱动羽状流浮于海水之上向海运动,从而增强长江河口羽状流的层化,促进下降流的风则驱动羽状流向岸运动,导致去层化。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 潮汐河口羽状流的内涵与研究意义
• 1.1.1 潮汐河口羽状流的内涵
• 1.1.2 潮汐河口羽状流的研究意义
• 1.2 国内外河口羽状流扩散与混合过程的研究评述
• 1.2.1 国内河口羽状流扩散与混合过程的研究评述
• 1.2.2 国外河口羽状流扩散与混合过程的研究评述
• 1.3 长江河口羽状流扩散与混合过程的研究评述
• 1.4 本文的研究目的、方法和内容
• 1.4.1 研究目的
• 1.4.2 研究方法
• 1.4.3 研究内容
• 第二章 数学模型
• 2.1 COHERENS 模型简介
• 2.2 控制方程
• 2.2.1 笛卡尔坐标系下的内模式
• 2.2.2 Sigma 坐标变换后的内模式
• 2.2.3 外模式
• 2.3 紊动封闭模型
• 2.3.1 一方程模型
• 2.3.2 二方程模型
• 2.4 水平扩散系数的计算
• 2.5 边界条件
• 2.5.1 表面边界条件
• 2.5.2 底部边界条件
• 2.5.3 开边界条件（包括外海与河流边界条件）
• 2.5.4 陆边界条件
• 2.6 初始条件
• 2.6.1 水流的初始条件
• 2.6.2 盐度的初始条件
• 2.6.3 紊动参数的初始条件
• 2.7 求解过程
• 第三章 概化的长江河口羽状流的扩散与混合过程对模型参数的敏感性
• 3.1 前言
• 3.2 计算区域与基本参数设置
• 3.2.1 计算区域
• 3.2.2 基本参数设置
• 3.3 概化的长江河口羽状流扩散与混合过程对模型参数的敏感性
• 3.3.1 对水平网格精度的敏感性
• 3.3.2 对垂向网格精度的敏感性
• 3.3.3 对动量方程对流项计算格式的敏感性
• 3.3.4 对盐度方程对流项计算格式的敏感性
• 3.3.5 对水流与盐度水平扩散系数的敏感性
• 3.3.6 对水流与盐度垂向涡粘系数的敏感性
• 3.4 讨论与小结
• 3.4.1 讨论
• 3.4.2 小结
• 第四章 概化的长江河口羽状流的扩散与混合过程对外部因素的响应
• 4.1 前言
• 4.2 计算区域与基本参数设置
• 4.3 概化的长江河口羽状流扩散与混合过程对外部因素的响应
• 4.3.1 对河流流量的响应
• 4.3.2 对底部纵向坡度的响应
• 4.3.3 对科氏力的响应
• 2 分潮的响应'>4.3.4 对M₂分潮的响应
• 4.3.5 对风的响应
• 4.4 讨论与小结
• 4.4.1 讨论
• 4.4.2 小结
• 2分潮作用下长江河口羽状流扩散与混合过程的模拟'>第五章 洪季M₂分潮作用下长江河口羽状流扩散与混合过程的模拟
• 5.1 前言
• 5.2 计算区域与验证站位分布
• 5.3 计算参数设置
• 5.3.1 网格划分和时间步长
• 5.3.2 计算格式的选取
• 5.3.3 边界条件
• 5.3.4 初始条件
• 5.4 三个站位水位与水流的验证
• 5.4.1 CJ9004a 站位水位与水流的验证
• 5.4.2 CJ9411a 站位水位与水流的验证
• 5.4.3 CJ9405 站位水位与水流的验证
• 2 分潮作用下长江河口羽状流的扩散过程'>5.5 洪季M₂分潮作用下长江河口羽状流的扩散过程
• 5.5.1 洪季长江河口羽状流扩散的平面形态
• 5.5.2 洪季长江河口羽状锋位置与强度变化的分析
• 5.6 讨论与小结
• 5.6.1 讨论
• 5.6.2 小结
• 第六章 COHERENS 模型正交曲线网格的生成
• 6.1 前言
• 6.2 正交曲线网格的生成
• 6.3 正交曲线坐标系下的控制方程
• 6.3.1 内模式
• 6.3.2 外模式
• 6.4 正交曲线坐标系下的紊动封闭模型
• 6.5 正交曲线坐标系下的水平扩散系数的计算
• 6.6 正交曲线坐标系下的边界条件
• 6.6.1 表面、底部与陆边界条件
• 6.6.2 开边界条件
• 6.7 初始条件
• 第七章 正交曲线坐标系下长江河口羽状流的扩散与混合过程的模拟
• 7.1 前言
• 7.2 计算区域
• 7.3 计算参数设置
• 7.3.1 网格划分和时间步长
• 7.3.2 计算格式的选取
• 7.3.3 边界条件
• 7.3.4 初始条件
• 7.4 四个主要分潮调和常数的验证
• 2 分潮调和常数的验证'>7.4.1 M₂分潮调和常数的验证
• 2 分潮调和常数的验证'>7.4.2 S₂分潮调和常数的验证
• 1 分潮调和常数的验证'>7.4.3 K₁分潮调和常数的验证
• 1 分潮调和常数的验证'>7.4.4 O₁分潮调和常数的验证
• 7.5 水位、水流与盐度的验证
• 7.5.1 CJ90046 站位水位、水流与盐度的验证
• 7.5.2 CJ94116 站位水位、水流与盐度的验证
• 7.5.3 CJ9411a 站位水位、水流与盐度的验证
• 7.5.4 CJ9405 站位水位、水流的验证
• 7.5.5 CJ9410 站位水位、水流的验证
• 7.5.6 CJ0105 站位水位、水流的验证
• 7.5.7 CJ0209 站位水位、水流的验证
• 7.6 潮汐作用下长江河口羽状流的扩散与混合过程
• 7.6.1 洪季潮汐作用下长江河口羽状流长度的变化
• 7.6.2 洪季大潮长江河口羽状流的扩散与混合过程
• 7.6.3 洪季小潮长江河口羽状流的扩散与混合过程
• 7.6.4 枯季潮汐作用下长江河口羽状流长度的变化
• 7.6.5 枯季大潮长江河口羽状流的扩散与混合过程
• 7.6.6 枯季小潮长江河口羽状流的扩散与混合过程
• 7.7 潮汐与风共同作用下长江河口羽状流的扩散与混合过程
• 7.7.1 洪季潮汐与6 m/s 东南偏南定常风作用下长江河口羽状流长度的变化
• 7.7.2 在洪季大潮6 m/s 东南偏南定常风作用下长江河口羽状流的扩散与混合过程
• 7.7.3 在洪季小潮6 m/s 东南偏南定常风作用下长江河口羽状流的扩散与混合过程
• 7.7.4 枯季潮汐与4 m/s 西北定常风作用下长江河口羽状流长度的变化
• 7.7.5 在枯季大潮4 m/s 西北定常风作用下长江河口羽状流的扩散与混合过程
• 7.7.6 在枯季小潮4 m/s 西北定常风作用下长江河口羽状流的扩散与混合过程
• 7.8 讨论与小结
• 7.8.1 讨论
• 7.8.2 小结
• 第八章 总结与展望
• 8.1 总结
• 8.2 本文的主要创新点
• 8.3 展望
• 附录1.河口羽状流的卫星图片选例
• 附录2.全球主要潮汐河口羽状流动力学的研究概况
• 附录3. COHERENS 模型水动力模块计算流程图
• 附录4.天文初相角、交点因子与相角修正值的计算
• 附录5.水平压力梯度的计算
• 参考文献
• 致谢
• 卢丽锋攻读博士学位期间发表的主要学术论文
• 上海交通大学学位论文答辩决议书