芬迪湾环流中亚历山大藻颗粒轨迹的模拟研究

摘要

沿海是人类与海洋交互最频繁的海域，海洋洋流变化对沿海渔业、航运、污染、军事等很多问题会产生重要影响。在每年4月至8月期间，居住于美国东北部与加拿大东部的近海岸居民经常会遭受有毒的亚历山大藻（Alexandrium）泛滥的影响，进而导致麻痹性贝类中毒事件（Paralytic Shellfish Poisoning,PSP）。芬迪湾是亚历山大藻类颗粒浓度最高的海域，藻类浓度随海洋深度增加而减少，因其地理位置特殊，芬迪湾存在逆时针环流现象，导致脱离环流后的藻类颗粒的扩散方向存在不确定性，直接危害到沿海附近居民而发生PSP中毒事件。为研究芬迪湾环流中有毒藻类颗粒物的运动方向、运动速度、环流对粒子的保留特性和扩散特性及其它们的影响因素，帮助管理贝类资源、减少PSP中毒事件的发生。本文使用漂流浮标（drifter）实时监测和海洋模型模拟监测相结合的方法，研究了芬迪湾环流中藻类粒子的扩散特性，具体工作内容如下：
　　1、海洋模型验证
　　1）模拟亚历山大藻颗粒的漂流轨迹选用的海洋模型为Finite Volume Community Ocean Model(FVCOM)与Regional Ocean Models System(ROMS)海洋模型，模拟轨迹前使用2004年至2010年间4月至8月在美国东海岸地区海平面以下1米与15米处投放的漂流浮标监测洋流数据对FVCOM与ROMS海洋模型的模拟洋流进行验证，发现ROMS优于FVCOM。
　　2）使用Mooring监测洋流数据对FVCOM模拟洋流验证，发现FVCOM从2009年至2016年在某些海域不适用。
　　3）使用Mooring温度与盐度监测数据对FVCOM模拟温度与盐度进行验证，发现FVCOM模拟温度、盐度与实际温度、盐度变化趋势一致，虽有一定差异但可适用于海洋监测。
　　2、芬迪湾环流的漂流浮标与模型监测
　　1）本文采用美国国家海洋和大气管理局（NOAA）从1978年至2010年30多年来每年4月至8月期间在芬迪湾海平面以下1米和15米处投放的漂流浮标实时监测的洋流运动数据，证实了存在芬迪湾环流，6月中旬至8月环流较强且面积较大，4月至6月中旬稍弱。
　　2）通过环流的漂流浮标监测与模型模拟发现脱离环流后的洋流主要分3个方向运动：（A）沿大马南岛（Grand Manan Island）西部向西南方向运动；（B）沿大马南岛东部向西南方向运动；（C）沿新斯科舍（Nova Scotia）西海岸向东北方向运动。
　　3）统计1978年至2010年间4月至8月在芬迪湾环流中投放的56个漂流浮标的漂流状况，发现42个沿大马南岛东西两岸向西南方向运动，14个沿新斯科舍西海岸向东北方向运动，流向西南方向的浮标数量大于流向东北方向的浮标数量。
　　3、亚历山大藻粒子模拟追踪与环流特性分析
　　1）在漂流浮标监测得到的芬迪湾环流内部均匀布设100个粒子点，选用精度较高的ROMS模型对粒子漂流轨迹进行追踪，从2004年至2010年每年的3月31日份开始，每次追踪30天，5天后从新开始追踪，8月份结束，海平面以下1米处与15米处均进行追踪。
　　2）追踪在海洋表面以下1米处布设的粒子，发现在15天后环流的粒子保留度约为70%，30天后约为为60%，在4月与5月年纪变化明显，4月至6月中旬粒子向西南方向运动趋势较强，6月中旬以后粒子向东北方向运动较强。
　　3）追踪在海平面以下15米布设的粒子，发现环流的粒子保留度稍微高于海洋表面以下1米处，整个4月份至8月份期间粒子向西南方向运动趋势较强，向东北方向运动趋势较弱。
　　4）分析影响轨迹的因素，发现环流粒子保留强度以及脱离环流后的粒子运动特性主要受到了风压强度、圣约翰河（St.Join river）的河流流量、海水的温度和盐度等因素的影响。
　　本文的创新之处有：
　　1、探求了漂流浮标监测与海洋模型监测相结合研究海洋环流的方法。
　　2、加深研究了以粒子轨迹追踪为基础研究粒子保留度与脱离环流后粒子统计与分析方法。
　　3、综合研究了环流影响因素分析的方法。

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摘 要

Abstract

目 录

Contents

1 绪 论

1.1 问题的提出

1.2 课题的研究意义

1.3 研究现状

1.3.1 漂流浮标监测研究现状

1.3.2 海洋模型的研究现状

1.3.3 美国东北部海洋中的亚历山大藻与洋流运输研究现状

1.3.4 粒子轨迹追踪研究现状

1.4 研究内容与结构

1.4.1 研究内容

1.4.2 研究结构安排

2 海洋模型简介

2.1 ROMS海洋模型简介

2.1.1 ROMS GoMOFS简介

2.1.2 ROMS海洋模型构造原理

2.2 FVCOM海洋模型简介

2.2.1 模型简介

2.2.2 模型公式

2.3 本章小结

3 漂流浮标和缅因海湾观测系统与Mooring简介

3.1 漂流浮标简介

3.1.1 “drogued”漂流浮标

3.1.2 表层漂流浮标

3.1.3 其它类型的漂流浮标

3.1.4 漂流浮标的应用

3.2 缅因海湾观测系统与Mooring简介

3.2.1 缅因海湾观测系统（GoMOOS）

3.2.2 浮标设计

3.2.3 Mooring设计

3.2.4 安置的仪器与设备

3.3 本章小结

4 FVCOM与ROMS模型精度验证

4.1 海洋浮标监测数据与模型数据对比

4.1.1 数据类型

4.1.2 洋流监测数据与模型数据对比

4.1.3 误差来源分析

4.2 Mooring监测洋流与FVCOM洋流数据对比

4.3 海洋温度盐度监测数据与FVCOM数据对比

4.3.1 海洋盐度监测与FVCOM数据对比

4.3.2 海洋温度监测与FVCOM数据对比

4.4 本章小结

5 芬迪湾环流亚历山大藻粒子轨迹及影响因素分析

5.1 环流模拟与模型选取

5.2 芬迪湾环流的漂流浮标监测与特性分析

5.3 粒子轨迹追踪

5.4 芬迪湾环流粒子保留度

5.5 轨迹影响因素分析

5.5.1 风压与河流排水量分析

5.5.2 温度与盐度分析

5.6 本章小结

6 结论与展望

6.1 结论

6.2 展望

参考文献

致 谢

攻读硕士期间的主要成果