一般非线性拉格朗日余流及潮际盐度输运研究——以胶州湾为例

摘要

浅海环境质量、生态系统的格局和变迁深受浅海环流及溶解和悬浮物质长期输运的影响。为使浅海环流及长期物质输运研究具备坚实的理论基础，人们一直试图在潮际时间尺度上构建类似于原始方程的浅海环流及长期物质输运的控制方程：主要发展有欧拉框架下的欧拉余流及欧拉平均长期物质输运理论，拉格朗日框架下的一般非线性拉格朗日余流及长期物质输运理论以及作为其在弱非线性条件下简化的弱非线性拉格朗日余流及长期物质输运理论。
　　目前，浅海环流和长期物质输运研究中所使用余速度和平均浓度的定义仍然是个开放的问题。本文将一般非线性拉格朗日余流及长期物质输运理论应用于潜在一般非线性海湾一胶州湾的环流及潮际物质输运研究，为一般非线性拉格朗日余流及长期物质输运理论提供观测和数值例证，使用追踪浮标观测和数值模拟来甄别不同的余速度和平均浓度在用作浅海环流和长期物质输运分析时的合理性。
　　与传统的定常欧拉时均速度、欧拉时均浓度不同，根据一般非线性拉格朗日余流及长期物质输运理论，一般非线性条件下的余流及平均浓度是依赖于初始潮位相的。针对这一特性，在胶州湾内湾中南部和西南部，于不同潮位相(高潮、落急、低潮、涨急)下释放、追踪浮标以作比较。观测发现，即使是在同一初始位置，不同潮位相下所释放的浮标其轨迹、净位移以及拉格朗日潮际海水温度、盐度均有显著的潮内变化。这合乎一般非线性拉格朗日余流及长期物质输运理论，却是欧拉余流及欧拉平均长期物质输运理论和弱非线性拉格朗日余流及长期物质输运理论所无法解释的。
　　然而，追踪浮标观测在空间上往往是稀疏的，且容易受到阵风等因素的干扰。因此，本文进一步模拟了整个胶州湾的一般非线性拉格朗日余流、弱非线性拉格朗日余流(物质输运速度)和欧拉余流。研究发现，即使在正压单频M2潮波系统内，拉格朗日余速度强烈依赖于初始潮位相。拉格朗日余速度强烈的潮内变化表明胶州湾M2潮波系统是一般非线性系统，而不是弱非线性系统。不同潮位相下的拉格朗日余速度形态可用以解释水交换时间依赖于潮位相的现象。与欧拉余流和弱非线性拉格朗日余流在湾口岬角处分布多个流涡不同，一般非线性拉格朗日余流在岬角处并无流涡，在湾内则有一统占内湾的逆时针流涡。潮平均拉格朗日余速度与观测表层沉积物的净输运趋势一致。欧拉余流和弱非线性拉格朗日余流却是不能描述水交换时间依赖于潮位相的现象和表层沉积物净输运趋势的。因此，在潮际时间尺度上，以胶州湾为代表的一般非线性系统内，一般非线性拉格朗日余速度可能比欧拉余输运速度和弱非线性拉格朗日余速度更能表征浅海环流。在表层，水平平流是产生湾口附近的强非线性主因，而在底层，则是垂向粘性和水平平流起主要作用。潮滩、风、斜压致拉格朗日余速度有明显的三维结构和潮内变化，一般表层强于底层，高潮时强于低潮时。总体而言，潮滩略增强内湾的逆时针环流；风生拉格朗日余速度在表层与风向一致，在底层则大致与风向相反。垂向平均的风生拉格朗日余速度则是近岸浅水区与风向大致相同。西北风可显著改变余流的形态；斜压致拉格朗日余速度增强表层余流流向湾口的趋势和底层余流流向湾项的趋势。
　　与定常的欧拉平均盐度不同，胶州湾内拉格朗日潮际盐度的潮内变化明显。胶州湾内以盐度为典型代表的保守性溶解物质的潮际输运以平流输运为主。与不同潮位相下的一般非线性拉格朗日余速度密切相关，潮际盐度平流输运方向与拉格朗日余速度具有一致性，潮际输运的形态亦有强初始潮位相依赖性。湾口始终为潮际盐度输运的重要通道。一般来说，低潮时，与湾外的物质交换要弱于高潮时。拉格朗日潮际盐度SL与初始盐度S之差(SL-S)可用以衡量一个或数个潮周期后扩散作用于标识流体微团的综合效果。(SL-S)的值受到拉格朗日余速度大小和方向的显著影响。潮滩、风、斜压的作用并未改变拉格朗日潮际盐度的分布形态。与潮滩、风、斜压致拉格朗日余速度的改变一致，胶州湾拉格朗日潮际盐度平流输运和扩散的改变一般表层强于底层，高潮时强于低潮时。潮际输运是同时相关于拉格朗日余速度和拉格朗日潮际浓度的，即使拉格朗日潮际浓度变化不大，拉格朗日余速度的显著改变也会引起潮际输运形态的明显变化。例如，在西北风的作用下，在湾内的逆时针潮际盐度输运变为大致以大沽河口-团岛连线为界的内湾西南部的逆时针输运和内湾中东部的顺时针输运。

目录

封面

声明

中文 摘要

引言

1计算方法

2拉格朗日观测

3数值模式

4胶州湾的一般非线性拉格朗日余环流

5胶州湾的一般非线性潮际物质运输

6结论与展望

参考文献

附录

致谢

个人简历

发表的学术论文