近海复杂动力条件驱动下生境季节性变化过程的数值模拟研究

摘要

针对海洋自然动力条件下水体生境演化过程的前沿科学问题，许多学者对该领域进行了研究。黄渤海是我国重要的近海，本文在前人研究的基础上，采用现象描述-机制分析-数值模拟研究的思路和方法，基于区域海洋模式系统(Regional Ocean Modeling System，ROMS)，耦合设计动力模块和生态模块。动力过程依据流体动力学经典的Navier-Stokes方程对物理过程进行数学描述;生态模型根据生态系统多样性的特点，在建立能够良好地再现水动力模型为生态模型提供可靠背景动力场的基础上，选取必要生态过程的关键要素，建立了适用于中国北部近海海域可考虑复杂因素条件的生态动力模型，并使用不同时空尺度的多源观测资料对所建立的模型了一系列充分对比验证。在此基础上，模拟分析了我国近海生态动力过程的基本特征。模型可以用于相关海域水动力特性和生态环境演化过程及其规律的分析与研究，具有较强的科学意义和基础应用价值。得到的主要结论如下:
　　(1)根据大范围计算结果的潮位提供，对潮波垂直运动过程进行逐时调和分析，模拟并验证了中国北部近海潮波的波动过程，给出了半日M2、S2和全日K1、O1四个主要分潮的传播和分布特征。模拟结果成功再现了计算海域的四个半日分潮无潮点和两个全日分潮无潮点。无潮点周边振幅最小，海湾的波腹区振幅最大;经向波动小于纬向波动，类似开尔文波的传播形态;前进波围绕无潮点逆时针向左独立旋转运动。
　　(2)通过对比验证的逐月海表面温度场的时空演化过程看出，海表温度分布具有明显的纬度区域性空间分布和季节性变化的特征。其演变过程主要受太阳辐射、黑潮、沿岸流、上升流温度输送和河流径流等多种要素的影响。冬季期海表温度分布稳定，自北向南升高，南北温差可达25℃以上;春季期和秋季期海表温度呈现过渡型分布形态，月变化小;夏季期升温明显，温度分布结构复杂，最高海温出现在8月，最低温度普遍在18℃以上，存在冷水带结构。
　　(3)南黄海具有独特的海槽地形，受季风等海面上层热力状况影响，是水动力条件较强的海区。从动力模式计算结果看:域内流场结构复杂，风应力、潮动力和热力强迫条件是主要的驱动力，影响南黄海环流水平和垂向结构、上升流分布等动力过程以及海表温度、温度锋面等热力过程。七月欧拉余流场表层结构符合Ekman风海流的特征;5m层流向与表层流向相反、环流特征显现;20m层流速继续减小，逆时针环流结构更为明显;底层环流结构消失。夏季期余流起着重要作用。
　　(4)通过拉格朗日粒子追踪对比试验，进一步选取33.75°N断面，定性地描述了南黄海断面尺度铅垂方向物质输运的线路轨迹。探讨了物质输运过程对风应力、潮动力、环流水平和垂向结构、旋涡、上升流的等实际动力环境要素和密度分布、垂向断面温度等热力要素的动态响应，更好地理解了环流的主驱动力。揭示了环流对南黄海内部的物质输送和能量传递起到关键作用;同时，次级环流和旋涡对粒子轨迹呈现波动性的调整作用。
　　(5)根据生态要素的属性特征和转化循环过程，建立了黄渤海海域生境演化过程与海洋动力过程和热力过程之间的联系。研究表明:温跃层生消过程是黄渤海生态环境的重要组成部分，呈现明显的季节性垂向温度层化结构;叶绿素浓度具有显著季节转换的气候态特征，其双峰结构特征在理论上与季节性层化理论相符合;营养盐浓度与叶绿素浓度存在反向变化的关系，且呈现年周期变化特征。

目录

声明

摘要

图目录

表目录

主要符号表

1 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 国内外相关工作研究进展

1．2．1 三维海洋动力模型研究进展

1．2．2海洋水体输运过程研究进展

1．2．3海洋生态模型研究进展

1．2．4海洋卫星遥感数据研究进展

1．2．5 中国北部近海生态环境观测特征研究进展

1．3 本文的主要研究思路

2 数值模型

2．1 ROMS数值模型特点及优势

2．1．1 动力和热力学控制方程

2．1．2湍流闭合模型

2．1．3边界条件

2．1．4坐标系统

2．1．5数值解决方法

2．1．6模态分离技术

2．2 生态模型

2．2．1生态过程描述

2．2．2 能量因素

2．2．3转化作用

2．3 耦合模型技术路线

2．4 本章小结

3 中国北部近海生态动力数学模型配置及验证

3．1 动力模型配置

3．1．1模拟区域分析

3．1．2网格和计算步长

3．1．3边界条件

3．1．4涡动粘性系数和扩散系数

3．1．5初始场

3．2 生态模型配置

3．2．1耦合方式

3．2．2边界条件和初始场

3．2．3重要参数说明

3．3 计算结果验证

3．3．1潮波传播分布

3．3．2海表温度分布

3．3．3叶绿素浓度过程

3．4 本章小结

4 南黄海环流结构和动力场特性的数值模拟

4．1 区域特征

4．2 模型设置及验证

4．3 结果与讨论

4．3．1水平环流系统

4．3．2垂向环流和密度分层结构

4．3．3上升流平面分布

4．3．4温度锋面分布

4．4 本章小结

5 粒子追踪法在近岸环流物质输运中的数值研究

5．1 数值模型描述

5．2 数值对比试验

5．2．1 背景工况

5．2．2风场对垂向环流结构的影响

5．2．3锋面对垂向环流结构的影响

5．3 本章小结

6 黄渤海表层叶绿素浓度及影响因素的数值研究

6．1 生态模式描述及主要生态因子取值

6．2 表层叶绿素浓度季节分布

6．3不同站点深度的叶绿素浓度变化过程

6．4 叶绿素和营养盐浓度的响应过程

6．5 不同站点深度的温度垂向分布

6．6 垂向断面温度跃层结构的季节变化

6．7 本章小结

7 结论与展望

7．1 结论

7．2 创新点

7．3 展望

参考文献

攻读博士学位期间科研项目及科研成果

致谢

作者简介