夏末秋初秦皇岛海域水动力特征及对风的响应研究

摘要

秦皇岛海域是连接渤海的主要海湾——辽东湾与渤海湾的关键海域，是辽东湾与渤海中部及渤海湾进行物质和能量交换的重要通道。了解海域内水动力过程的变化规律和作用机理，对物质和能量的长期输运和交换、污染物的扩散和分布、海域自净能力以及海域生态环境修复的深入研究具有重要的意义。本文基于2013年9月在秦皇岛海域布放的4套座底式海床基观测系统获取的海流、水位和底层温度连续观测资料，结合同期数值风场和海表高分辨率温度场(SST)等数据，采用经典调和分析方法对夏秋季风转换期秦皇岛海域的潮流和余流特征进行了分析，并通过与辽东湾东侧海域研究结果的比较，研究辽东湾整体的潮流分布和环流形态，在此基础上对秦皇岛海域水动力要素对局地风场的响应进行探讨，最后利用小波分析方法从能量角度研究风场对余流和海浪的能量输入及能量在垂向上的传递方式。 潮流特征研究结果显示：秦皇岛海域的潮流属于规则半日潮流，W1—W4站均处于浅水潮流区，浅水分潮显著。M2分潮流在秦皇岛海域占主导作用，O1分潮流次之。M2分潮流基本呈ENE—WSW向往复流特征，潮流最大流速介于20~29.6 cm/s，最大流速分布满足5 m层以下逐渐减小的趋势；最大流速方向垂向变化不大；最大流速发生时刻随水深增加而提前。O1分潮流为 NE—SW向的旋转流动，旋转方向为逆时针，在10 m水深以下，旋转率随水深增加而增大；潮流最大流速介于3.6~8.2 cm/s，最大流速垂向分布在靠近海岸的W1和W4站符合随水深增加而减小，而在靠近外海的W2和W3站则表现为5 m层以下逐渐减小的特征；最大流速发生时刻在W1—W3站表现为中层最早，表层次之，底层最迟；而W4站则表现为底层最早，中层次之，表层最迟。 余流特征研究结果显示：夏秋季风转换期秦皇岛海域的余流较弱，流速介于0.3~2.5 cm/s之间。余流在表层和中层存在分叉现象，发生分叉的位置在秦皇岛海域中部的W1站和W3站附近，大约为39°40′N，而在底层表现为一致的偏北向流动。离岸较近的W1和W4站的余流在中层以下随水深增加向右偏转，具有Ekman螺旋结构特征。 与辽东湾东侧海域的海流特征比较结果表明：秦皇岛海域的潮流从表至底均约为辽东湾东侧潮流量值的1/2。秋季辽东湾底层存在一顺时针旋转的弱环流系统，余流量值不超过5 cm/s，仅为辽东湾潮流量值的1/10。 海洋对风的响应研究结果表明：秦皇岛海域中上层的余流在过程一中主要表现为对局地风场产生受迫响应的特征，而在中下层时受渤海中部流系的影响更大。秦皇岛海域的余流在过程二中则受东北风驱动的渤海中部顺时针环流的影响而表现为逆风的东北向流。水位在风速增加缓慢的情况下，对垂直海岸风呈受迫响应，而在迅速增强且持续时间较长的风场作用下，受风驱Ekman平流效应的影响而发生水位的增减。过程一中西南平行海岸风引起的离岸Ekman效应和离岸风的共同影响是导致底层温度下降的根本原因。过程二中东北平行海岸风增强驱动的向岸Ekman效应，使得渤海中部整层冷水的向岸补充，从而导致底层温度的显著下降。SST很好地指示了9月23日—24日东北风持续作用1d后，秦皇岛海域海面出现的显著降温现象，主要表现为在 SST图上出现了一由东北方向伸入观测点附近海域的冷水舌。 风对海洋的能量输入研究表明：相较于潮流来说，秦皇岛海域的风场提供了海洋内部混合所需的主要能量。海面风场在过程一中通过10~16 h的近半日周期流动和4d的亚潮频流动向海洋内部输入能量，而在过程二中主要通过近惯性运动向海洋内部输入能量。无论是在哪个过程中，海面风场都通过宽频段的流动从海表向下对海洋内部输入能量。惯性运动的能量主要来源于海面风场，且秦皇岛海域海面风场对惯性运动的能量输入存在一定的滞后效应，一般在大风过后的6~12h内达到最大。海浪主要受风场控制，风速增长越快，海浪能量越大。

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第一章 引 言

1.1 研究意义

1.2 国内外研究现状

1.3 拟解决的科学问题及研究内容

第二章 夏秋季风转换期秦皇岛海域的海流特征

2.1 数据来源

2.2 潮流特征

2.3 余流特征

2.4 与辽东湾东侧的海流比较

2.5 小结

第三章 夏秋季风转换期水动力要素对风的响应

3.1 夏秋季风转换期的水动力环境和气象背景场

3.2 水动力要素对风场的响应

3.3 小结

第四章 夏秋季风转换期风对海洋的能量输入

4.1 风混合的贡献

4.2 风对海洋的能量输入

4.3 小结

第五章 结论与展望

5.1 主要结论

5.2 主要创新点

5.3 对今后工作的展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表论文情况

致谢