灌河口盐、悬沙通量的分解及时空特征

灌河是江苏省北部目前唯一没有在干流建闸的入海河流,拥有广阔的滩涂和优良的航运条件。河口通量是河口治理和河口环境保护中的关键要素。为研究灌河口的盐及悬沙的输运,基于实测资料利用通量分解方法对灌河的盐及悬沙通量的空间分布、大-小潮与潮内的时间变化特征进行了探讨。研究认为:在口门以内的弯曲河段,盐通量在凸岸浅水区一般指向下游,在凹岸深槽处则指向上游。大、小潮期间悬沙通量则基本上为左侧指向上游、右侧指向下游;口外盐通量方向为NNE-NE,而且随径流量大小而稍有改变,口外悬沙通量方向在远岸区域表现为WNW-NNE,近岸G2测点的悬沙通量则指向口门;口门内外盐和悬沙通量的组成均基本以T_1、T_2和T_4为主导,通量组成的总体特征在大、小潮期间基本类似。涨落潮流速最大时刻的悬沙通量不一定与流速方向一致,最大落潮流速时刻由于悬沙浓度可能小于平均值而导致悬沙净输运指向上游。

物质输送通量机制分解计算的优化方案

改进了Kjerfve提出的通量机制分解计算方案,使数值模拟过程中随时间变化的脉动相关项的计算和模拟过程同步完成,节省了数值计算的存储量和计算量。

长江口南槽悬沙纵向和横向输运过程与机制研究

河口悬沙输运对于最大浑浊带形成发育、地貌演变、港口航道安全、水质以及生态系统健康至关重要。本文基于2017年洪季长江口南槽拦门沙海域4站位同步观测的沉积动力数据,采用Scully和Sommerfield改进的通量机制分解法来获取垂向各层平流通量和潮泵通量及累积动态变化,以确定平流和潮汐泵送对悬沙净通量的相对贡献,探讨纵向和横向的水沙输运时空格局和动力机制,弥补了传统通量机制分解法仅限计算时空平均值的缺陷。研究发现:(1)洪季长江口南槽拦门沙海域大潮期间存在横向余环流,小潮期间出现表层向海、底层向陆的纵向余环流;(2)平流和潮泵作用是影响净输运的关键因素,南槽拦门沙海域由平流作用主导、悬沙向海净输运,横向上向西南边滩输运,为南汇边滩围垦区向海淤长提供物源,且靠近主槽区域横向悬沙通量对沉积过程的贡献与纵向通量相当;(3)潮泵输运在河口滞流点和拦门沙海域均较显著,泵送的大小和方向与径潮流相互作用和底床物源有关,纵向上由大潮期间向陆泵送占优转为小潮期间的向海净输运占优。综上,南槽拦门沙海域近底层悬沙呈现由浅滩向主槽辐聚的格局,浅滩区域的近底层悬沙净输运受潮泵作用控制,且对整个水柱悬沙输运贡献显著,可能是拦门沙形成和最大浑浊带发育的重要机制。

有限区域分解分析方法在2006年一次东北冷涡暴雨分析中的应用

2006年7月19—24日,东北地区出现一次明显的冷涡发展导致强降水的过程.对这次东北冷涡过程的天气形势分析表明,该东北冷涡的维持和发展与冷涡东部阻塞高压的建立与消亡有关.本文根据500hPa环流形势演变特征,将东北冷涡发生发展过程分为4个阶段,并借助调和-余弦谱展开方法,对东北冷涡各阶段850hPa水平风和水汽通量进行无辐散和无旋转分量分解,分析各阶段无旋转风动能和无辐散风动能之间的能量转化.研究结果表明,分解得到的无辐散风及其水汽通量清楚地展现出了东北冷涡的大尺度环流和水汽输送通道及水汽来源,而从无旋转风及其水汽通量上则可以直观地看到冷涡低层的中小尺度风场及水汽辐合辐散区,为分析东北冷涡内部对流提供帮助.东北冷涡发展的不同阶段其水汽来源有所不同,初始阶段的水汽主要来自黄海和渤海地区,发展阶段水汽主要来自日本海,而到成熟阶段和减弱阶段,水汽输送通道被破坏,冷涡的水汽供应大大减少,与同时期暴雨减弱一致.同时,无旋转风辐合强值区和无旋转风水汽通量大值区的重合区域有利于强对流的发生发展,表现为重合区与TBB(Temperature of Black Body,黑体辐射温度)强对流云带的形状和位置对应良好,与降水落区也较为一致,可为预报东北冷涡引发的强降水落区这一预报难点问题提供参考.从动能转化上看,无旋转风和无辐散风的动能转化项能很好地反映东北冷涡整个生命史过程中各阶段强度的变化特点,对冷涡强度预报具有一定的指示意义.

蓬莱近岸海域夏季悬浮泥沙输运及控制因素

基于2019年6月在蓬莱近岸海域实地观测获取的样品和数据,研究了海流、温度、盐度和悬浮泥沙的时空分布特征,利用小波分析、单宽通量机制分解和Richardson数等方法,探讨了悬浮泥沙的输运机制和控制因素。研究区悬浮泥沙在平面上呈以登州浅滩为中心向周围海域逐渐降低的分布特征,垂向上呈由表层至底层逐渐升高的趋势。悬浮泥沙浓度变化与潮流变化具有较好的正相关关系,但在时间上滞后1~2 h。研究区单宽净输沙率为7.84~43.12 g/(s·m)。平流输运在研究区悬浮泥沙输运过程中占主导地位,垂向净环流输运次之。潮流是研究区悬浮泥沙输运的主要动力,悬浮泥沙净输运方向与余流方向一致,登州水道南部悬浮泥沙由西向东输运,水道中部悬浮泥沙由东向西输运,南长山岛两侧悬浮泥沙呈向水道输运的趋势。研究区海域部分水体层化现象明显,水体混合受到抑制,悬浮泥沙的分布和输运受到潮流、水体混合和地形地貌共同控制。

弱动力浅海中的悬沙输运机制:以天津港附近海域为例

根据在天津港附近海域获取的水动力和浊度数据,分析了悬沙输运特征和输运机制,结果表明:天津港附近海域受不规则半日潮控制呈低流态往复流特征,但涨潮流强于落潮流;涨潮期间底部悬沙浓度与垂线平均流速呈显著线性相关,存在显著的再悬浮作用;潮周期内的悬沙输运呈典型的不对称特征,形成向岸的净输运趋势。输运机制分析结果显示:潮泵效应(尤其是潮汐捕捉效应)是天津港附近海域悬沙输运的主要贡献项,其次是拉格朗日平流输运项,前者比后者高一个量级;垂向剪切作用最小。涨落潮期间流速与悬沙浓度的显著不对称是造成潮汐捕捉效应占主导的基本条件。在潮下带这种悬沙输运格局可能和潮间带发生的细颗粒沉积物捕集(堆积)作用有关。

南黄海苏北近岸西洋水道水沙输运机制分析

基于2008年3月份在南黄海辐射沙脊群西洋水道内5个站位大潮期间的观测数据(包括流速与悬沙质量浓度的垂向剖面),利用机制分解法计算了西洋水道内的水与悬沙通量。结果表明,水体在多数时段内均处于分层向混合过渡的状态,中下层水体的理查德森数(Ri)与瞬时悬沙输运量中的平均流输沙项及流速的潮周期变化相关项之间存在显著的负相关关系,表明水体的层化效应和混合程度对悬沙输运有重要影响。西洋水道内悬沙净输运率为10-1～100 kg/(m.s)量级,并以欧拉余流向岸输运为主,该结果揭示了苏北近岸潮滩在陆源物质供应减少背景下向海快速淤长的重要物质基础和水动力作用机制。

南黄海辐射沙脊群潮汐水道的悬沙输运特征

根据南黄海辐射沙脊群定点站位的流速和浊度数据,利用通量分解方法,分析了潮汐水道的悬沙输运特征和输运机制。结果表明,辐射沙脊群海域潮汐水道中潮流为往复流,悬沙浓度较高,属于强潮流控制的悬沙浓度相对较高的陆架浅海环境;悬沙输运主要受欧拉余流和潮汐捕捉效应控制,再悬浮的沉积物通过平流作用进行输运。其中,陈家坞槽和西洋水道的悬沙输运以潮汐捕捉效应占优,沉积物向潮汐水道外输运,处于冲刷状态;苦水洋水道以欧拉余流输运为主,水道内的再悬浮的沉积物在强潮流作用下向陆输运,主要堆积在蒋家沙和西洋西侧岸滩等浅滩和潮间带上。由此可见,在陆源物质供应减少背景下,南黄海辐射沙脊群内部的物质充当了新的物源,短期内能够维持近岸潮滩和沙脊的持续增长。

鸭绿江河口最大浑浊带水动力特征对叶绿素分布的影响

在河口最大浑浊带有独特的生态动力过程。利用鸭绿江河口最大浑浊带上下游两个定点站和大面站的流速、叶绿素和浊度数据,在分析最大浑浊带形成的基础上探讨了悬沙浓度与叶绿素浓度分布的对应关系及最大浑浊带水动力特征对叶绿素分布的影响。分析结果表明,定点站大小潮涨落潮时均出现悬沙浓度与叶绿素a浓度的高值分布中心,该中心主要出现在底部,且高叶绿素a浓度与高悬沙浓度中心相对应。通过对最大浑浊带形成机制的分析发现,强烈的底部泥沙再悬浮是鸭绿江河口最大浑浊带形成的主要原因。最大浑浊带内悬沙浓度与叶绿素a浓度的相关关系均为底层大于表层,大潮高于小潮;高叶绿素a浓度与高悬沙浓度时刻有很好的对应关系,在一定程度上表明水动力特征对叶绿素a浓度在时间和空间上的分布有重要影响。初步分析认为鸭绿江河口最大浑浊带内的高叶绿素a浓度主要是由再悬浮作用使底部沉积物中的底栖藻类和沉积物一起聚集在水体的底部造成的,但是该结论还有待结合其他相关研究进一步检验。

长江河口悬沙与盐分输运机制分析

2004年9月15～22日在长江口南支口门区域进行了水位、流速、悬沙浓度、盐度的全潮观测，基于这些现场数据，分析河口区域流速结构、悬沙浓度与盐度的时空分布特征；利用机制分解法研究河口悬沙、盐分的通量和输运机制，并探讨它们与水体垂向结构之间的关系。主要结论如下：长江河口区的悬沙浓度存在显著的时空变化特征，从口内向口外，悬沙浓度呈显著减小趋势，大潮期间的悬沙浓度较大，是小潮期间的数倍。通量机制分析结果表明，长江河口区以欧拉余流为主，向海输运，并有向海方向逐渐减小的趋势，斯托克斯余流向陆输运，在大、小潮期间有显著差异。盐分输运机制中，以欧拉余流占主导地位，潮泵效应、垂向重力环流、垂向剪切扩散作用的贡献次之。长江河口悬沙净输运率在向海方向逐渐减小，大潮期间的悬沙净输运率比小潮期间的大1～2个数量级，水动力条件是造成长江河口悬沙净输运时空差异的主要因素。悬沙输运机制小潮期间以欧拉余流占主导地位，在大潮期间则以与紊流相关的垂向剪切扩散作用取代欧拉余流占据主导地位。悬沙瞬时输运机制中的剪切扩散项在中下层水体的理查德森数（Ri）小于0．25时才有较大的量值，在南槽内，当底层水体的理查德森数（Ri）处于0．1％Ri〈0．25范围时，剪切扩散贡献值的大小与Ri之间存在显著的负相关关系。研究还表明，适当的紊动强度有利于高悬沙浓度的维持，区域性的层化作用对紊流有强烈的抑制作用，这是造成长江河口悬沙输运空间差异的主要因素之一。

长江口北港口门海域悬沙输运机制分析

根据2012年10月24日至11月1日在长江口北港口门海域获取的沉积动力学数据,采用输运通量分解方法分析水沙输运机制。结果表明,长江口北港口门附近海域涨、落潮期间底部悬沙浓度与近底部流速呈显著线性相关,存在显著的再悬浮作用;潮周期内的悬沙输运具不对称特征,涨潮悬沙浓度大于落潮悬沙浓度,悬浮泥沙有向陆输运的趋势。拉格朗日平流输运是影响悬沙输运的主要贡献项;潮泵效应(尤其是潮汐捕捉效应)以及河口垂向环流作用是两个次要影响因素,在影响程度上前者比后者略大。观测发现,长江口北港口门海域潮流除了具有涨落潮流速、历时等不对称现象外,还具有流速结构不对称的特征,进而导致涨、落潮底部湍流混合程度不对称与输沙不对称,这可能是造成悬沙向河口内输运形成最大浑浊带的重要因素。

巴达棱湾悬沙分布特征及动力机制

利用2007 年4 月和7 月在巴达棱湾进行的旱季和雨季水位、流速、悬沙浓度的全潮观测资料, 结合2007 年5 月~2008 年4 月周年风、波浪资料, 分析该海域悬沙分布特征和运移趋势, 并利用机制分解法分析悬沙输运机制.结果表明, 研究海域的水体含沙量存在旱季低、雨季高的季节变化, 以及大潮高、小潮低的潮期变化; 在平面上表现出东西两侧大、中间小, 近岸高、远海低的分布特征.单宽输沙量方向与余流方向一致, 表现为旱季冲刷、雨季淤积, 即旱季指向外海, 雨季指向湾内.通量机制分析结果表明, 欧拉余流是悬沙输运的主要控制因素, 其方向和大小决定了泥沙输移方向和输移量, 在水深较深海域, 垂向重力环流是相对次要的, 而在水深较浅的海域相对次要的是悬沙潮泵输运项.

珠江河口河网咸潮上溯机制的数值模拟

随着全球变暖导致海平面上升和人类活动的加剧,珠江三角洲的咸潮灾害日趋严重,分析咸潮上溯主要动力因素及响应趋势非常必要。构建珠江河口河网一、三维耦合水流盐度模型,对地形、上游主要节点流量以及海平面上升高度进行敏感性试验,利用通量机制分解方法分析不同情况下西江、北江干流的沿程盐通量,探讨河口河网咸潮上溯对主要动力因素变化的响应规律。结果表明,各口门的盐通量均以平流运输项为主导;地形变化与上游径流量对盐通量影响远大于海平面上升;上游主要节点的径流量在大潮时主要控制平流运输项和剪切扩散项来调节盐通量,小潮时潮泵运输项变化相对较大;海平面上升对潮控口门(如洪奇门)的影响大于径控口门(如磨刀门),但短期内影响相对较小。

南黄海西洋水道悬沙输运机制季节性对比研究

南黄海大陆架辐射沙脊群呈辐射状分布于江苏外海。基于2015年12月及2016年7月大潮期间在南黄海辐射沙脊群西洋水道的定点全潮水文观测数据,结合物质通量分解法,对比分析了冬、夏两季悬沙输运机制的差异。结果表明,西洋海域存在流速和潮位过程不对称现象,涨潮历时小于落潮历时,涨潮流速明显大于落潮流速,冬季的不对称性更为显著;冬季含沙量明显大于夏季;平流输沙在冬、夏季均占较大比重,平均约35%～50%,而潮泵输沙、垂向余环流输沙约占10%～20%。悬沙的垂向分布对悬沙的输运机制有较大影响,悬沙的垂向分布改变了原有的水流结构,对底部产生了一定的减阻效应,使得底部再悬浮强度有一定减少。

磨刀门盐水入侵特性及其动力机制研究

针对磨刀门盐水入侵特性异常问题,基于SCHISM模型,建立了磨刀门三维盐度数值模型,根据水位、流速及盐度的实测资料对其进行验证,利用该模型并结合盐通量分解方法,研究了磨刀门水道盐淡水混合特征及各驱动力对盐度通量变化的贡献作用。结果表明:磨刀门水道日平均盐量由稳定剪切输送和平流输送共同控制,盐量输运在大部分时间内处于不平衡状态。小潮期间,总盐通量向陆,稳定剪切输送作用占优,盐水分层明显,盐量在河道底部积蓄;中潮期间,总盐通量由向陆转为向海,盐水混合充分,入侵距离达到最远;大潮期间,总盐通量向海,平流输送作用占优,盐量退出河口。

兴化湾悬沙输移机理分析

运用通量机制分解法处理兴化湾各测站的水沙实测资料,通过探讨平流输沙、潮泵效应输沙、垂向净环流输沙机理,分析研究了兴化湾海域悬沙输移特征,进而讨论了净输沙对研究区域地形变化的影响。结果表明:在潮汐作用下,外海泥沙沿兴化水道与南日水道向湾内输移,但对湾内淤积产生的影响较小;平流输沙和垂向净环流输沙对悬沙的净输移起主要作用,水深相对较大的区域主要受平流输沙的控制,而浅水区垂向净环流输沙影响更强;潮泵输沙以悬沙与潮流变化相关项为主,输沙量小于平流输沙和垂向净环流输沙的输沙量;浅水区垂向各层余流方向不一致,悬沙各层混合均匀,深水区表底层的余流方向基本一致,含沙量垂向变化明显;输沙造成湾顶淤积,造成海湾地形变化的主要原因是陆源泥沙。

黄浦江河口水沙输运机制研究

受潮汐影响的弯道泥沙输运表现出与径流弯道不一样的现象.本文运用通量分解机制法,以黄浦江河口大潮期间实测水文资料为基础,对黄浦江河口受潮汐影响的弯曲河道水沙输运进行机制分析.结果表明,黄浦江河口水沙输运受弯道环流影响可分为纵向输运和横向输运.纵向水体潮周期净输运因径流作用指向口外,泥沙潮周期净输运因潮泵输运大于平流输运指向口内.潮周期横向水体净输运和泥沙净输运均指向凸岸,其中横向水体输运以欧拉输运为主,横向泥沙属于以平流项为主.通过比较水量输运的纵横比和泥沙输运的纵横比可得黄浦江河口大潮期间水量潮周期横向净输运大于纵向,泥沙是纵向大于横向.说明潮泵输运在黄浦江河口大潮期间起主导作用.

舟山海域悬浮体的特征及输运机制

为了明确舟山群岛海域悬浮体的特征和输运机制,本研究于2018年夏季大潮期间进行了现场观测,包括温盐深、水动力和悬浮体的剖面观测,以及海水和海底表层沉积物的采集等。结果发现,悬浮体在垂向上可分为3种类型:跃层以上有效密度较高的颗粒絮凝程度低;跃层以下的颗粒絮凝程度较高;跃层附近的悬浮体主要为生物颗粒,有效密度最低。一个全日潮周期内,超过3000 kg·m−1的悬浮体向南输运,受控于夏季陆架环流和潮汐捕捉以及垂向净环流输运的共同作用。因此,浙闽沿岸流和潮汐的不对称性导致的南向悬浮体输运对浙闽泥质区的演化起积极作用;而流速和悬浮体的垂向分布不均导致的北向输运,在一定程度上抑制了这一作用。

北风对磨刀门咸潮上溯的影响机制

基于MIKE3软件建立了磨刀门水道三维潮流盐度数学模型,采用实测资料对其进行率定和验证,并开展了北风作用下磨刀门咸潮上溯的数值计算。根据计算结果,结合盐通量分解方法,分析北风对磨刀门咸潮上溯的影响机制。结果表明:北风风力的大小直接影响磨刀门水道盐分输运途径,风力较小时,磨刀门水道分汊口以上的盐分主要来自于横洲水道,而洪湾水道则表现为磨刀门主干往外海排盐的通道;但在强北风作用下,洪湾水道成了磨刀门水道盐分的主要来源。

山东半岛东部海域泥质区冬季悬浮泥沙时空变化及输运机制

根据2015年12月山东半岛东部海域4个站位25h同步连续定点海流观测和悬浮泥沙取样资料,分析了研究区悬浮泥沙浓度、粒度时空分布特征和变化规律;通过计算再悬浮与沉积通量、理查森数并结合通量机制分解法,探讨了影响悬浮泥沙变化的因素,揭示了悬沙输运机制。结果表明,涨潮时段悬浮泥沙浓度略大于落潮时段,悬浮泥沙浓度与潮流流速大致呈正相关关系,且存在轻微的滞后现象;悬浮泥沙类型均为粘土质粉砂,分选差,存在再悬浮现象;悬浮泥沙垂向混合剧烈,个别时段有轻微的层化现象,平流输运是造成该海域悬浮泥沙输运的最主要因素。