珠江口及邻近海域环流潮汐高分辨率数值模拟研究

摘要

综合前人对珠江口海域水动力与水交换研究的空白及其特征和环境现状等因素的考虑，本文采用无结构网格三维有限体积海洋模式FVCOM，基于高精度的水深和岸线资料，建立了覆盖珠江口及邻近海域的三维正压高分辨率数值模型，对珠江口及邻近海域的潮汐、潮流、余流及潮能通量等特征进行了分析，主要结论有:
　　(1)通过模型结果与验潮站实测资料对比验证表明，前四个主要分潮振幅和迟角的误差均低于2％，并且较前人的模式准确度有了一定程度提高，说明模型能够较准确地刻画珠江口及邻近海域的潮汐、潮流等水动力特征。
　　(2)珠江口海域潮汐为不正规半日潮，潮型数大致介于1.1-1.3之间，M2分潮占主导地位。
　　(3)四个主要分潮(M2、 S2、 K1、O1)在浅海陆架区传播时，等振幅线分布上大致呈东北—西南走向，并且越往西传播等振幅线趋于平行岸界。等位相线大致与等振幅线垂直，呈西北—东南方向。潮波传到珠江口附近，分为两支，一支继续向西传播，一支转为向北进入珠江河口。向河口内传播时，潮波的传播具有前进潮波的特征。分潮振幅逐渐变大，等振幅线均偏西北—东南向，这是由于东侧水深较深，是潮波传播主要通道而西侧浅滩会引起能量损耗。同时，河口区等位相线比口门外陆架海域的密集，河口水深变浅与岸界阻碍使传播速度减慢;其分布东侧稀疏西侧密集，说明东侧潮波传播较快。从湾口传播到湾顶，半日分潮历时约2小时，全日分潮历时约1.3小时。
　　(4)四个主要分潮在浅海陆架区以旋转流为主，且每个分潮在不同位置都有一条界线，界线以东为顺时针旋转流，以西为逆时针旋转流。半日分潮在浅海陆架区有明显的旋转潮流，全日分潮在同一区域的旋转潮流较弱。在珠江河口内以往复流为主，潮流流速是陆架海域的1～2倍，航道区流速最大，西侧浅滩处流速较小，潮流总体上呈东强西弱，并且落急流速大于涨急流速，落潮历时长于涨潮历时。潮流椭圆倾斜的方向大体为西北-东南;河口内以淇澳岛、内伶仃岛和深圳湾的连线为界，潮流运动基本在北部为逆时针而在南部为顺时针。
　　(5)由于地形和岸线的作用，在伶仃洋外岛屿分布区，珠江口航道区，深圳湾内，淇澳岛及内伶仃岛周围，大濠岛附近，均存在较强的涡旋结构。在河口内，由于潮汐与地形的非线性相互作用以及径流下泄，在航道区会有向南的流动，而在河口西侧浅滩处会有向北的流动，形成一个环流结构;同时在磨刀门和珠江口内四大口门区等区域产生余流高值区。余流南下进入外海时，受科氏力和地形作用大部分向西流动。
　　(6)利用断面计算得内湾纳潮量为3.82×108m3，外湾纳潮量为7.60×108m3。外海传入的潮流能通量大部分自南向北在珠江口内汇聚，淇澳岛周围潮流能通量呈逆时针旋转。在珠江河口东，西航道区形成潮流能通量高值区，量值最大可达10KW/m，在大鹏湾，大亚湾，深圳湾内，淇澳岛附近潮流能通量量值较小，在0～1 KW/m之间。
　　同时，本文也对珠江口及邻近海域的水交换和物质输运过程进行了研究，着重分析了在潮汐、径流、季风场三种因素影响下该海域的水交换特征。主要结论有:
　　(1)对珠江口示踪物滞留时间分析表明，只考虑潮汐作用时，珠江口内湾水交换能力很弱，示踪物滞留时间在90天以上;加入径流、风应力作用后内湾水交换能力变强，河口中西部区域滞留天数最小（在5-30天之间），但淇澳岛以南以及河口东侧区域滞留时间较大，示踪物滞留时间等值线大致呈西北-东南走向。在枯水期，淇澳岛以南区域滞留时间减小，但河口东侧滞留天数大于90天的区域有所增大。在丰水期，河口示踪物平均浓度最低，为0.34，滞留时间最短，自西向东由10天逐渐过渡为90天以上。
　　(2)对不同海域之间的水交换分析表明，径流量与季风场作用会影响各区域的水交换能力。枯水期时，珠江河口内部分粒子进入黄茅海;丰水期时，珠江河口内部分粒子可抵达大鹏湾，大亚湾内。珠江内河区四大口门以及伶仃洋海区，磨刀门海区由于强径流作用水交换能力最强;深圳湾，大鹏湾，大亚湾由于余流涡旋结构和岸界粘滞作用与外海的水交换能力较弱。
　　(3)珠江口海域粒子追踪试验表明，径流和风应力作用会不同程度影响口门处粒子运动。在枯水期，粒子向西运动，珠江河口内口门处粒子会进入黄茅海;洪奇门、磨刀门与鸡啼门处粒子位移最大，90天内可达285km.在丰水期，粒子向东运动，珠江河口内口门处粒子可抵达大亚湾，大鹏湾;横门处粒子位移最大，90天内可达190km，且粒子运动呈螺旋状推进。

目录

声明

摘要

1 前言

1．1 珠江口概况

1．2 研究背景及研究现状

1．3 本文研究内容

2 FVCOM海洋模式的构建

2．1 笛卡尔坐标系下原始方程组

2．2 垂向坐标变换

2．3 湍流封闭方案

2．4 边界条件

2．5 干湿判别技术

3 FVCOM模式在珠江口及邻近海域的应用

3．1 海区选取和计算网格设置

3．2 模型计算岸线及地形设置

3．3 基本模型配置

4 FVCOM模式正压结果验证

4．1 实测资料分析与模式结果验证

4．2 模式结果与前人研究结果对比

4．3 小结

5 潮汐和环流数值模拟

5．1 潮汐

5．1．1 潮汐性质分析

5．1．2 传播特征

5．2 潮流

5．2．1 潮流空间分布

5．2．2 潮流椭圆分布

5．3 珠江口海域余流分析

5．4 珠江口海域纳潮量与潮流能通量分析

5．4．1 纳潮量分析

5．4．2 潮流能通量分析

5．5 小结

6 珠江口水交换分析

6．1 珠江口滞留时间分析

6．1．1 模型实现

6．1．2 模拟结果分析

6．1．3 滞留时间分析

6．2 珠江口及邻近海域不同区域间的水交换分析

6．2．1 模型实现

6．2．2 模拟结果分析

6．2．3 各区域水交换能力分析

6．3 八大口门物质输运分析

6．3．1 模型实现

6．3．2 模拟结果分析

6．4 小结

7 总结

7．1 研究主要结论和创新点

7．2 下一步工作展望

参考文献

致谢

个人简历

发表的学术论文