珠江口磨刀门河口动力平衡特点及人类活动对其影响

应用ECOMSED模型输出、运动方程简化等方法,研究了珠江口磨刀门河口动力平衡的特点。研究表明:在磨刀门河口动力平衡中,纵向的主要平衡项为压力项和垂向涡动摩擦项,侧向的主要平衡项为侧向正压力项和科氏力项。正压力为磨刀门河口动力的主导因素,但在枯季动力平衡中,斜压力也是不可忽略的项。人类活动对磨刀门河口动力最主要的影响是改变了正压力项的大小,近几十年来,磨刀门河口正压力呈减小的趋势。     

十到百年尺度动力形态模型在珠江磨刀门河口的应用

在人类活动的参与下磨刀门河口演变已不再是纯粹的自然过程,而是自然和人类活动共同塑造的过程。建立了一个以过程模拟为主的10~100 a尺度的长周期动力形态模型(PRD-LTMM-10)用于模拟磨刀门河口在人类活动作用下的演变过程。 该模型建立在水体运动方程和沉积物输运方程的基础上,应用约简技术对模型输入和计算进行处理,并包含了用于评价和量化人类活动的抛石促淤模块和航道疏浚模块。应用该模型较真实地模拟了磨刀门河口在1977-1988 年的动力地形演变过程,并且通过模拟结果和情景分析,合理地分离了人类各种工程活动的长期影响和自然因素在河口演变中的作用。研究表明,治理工程对河口自然发展趋势造成了较大的改造,淤积强度表现为西侧大于东侧。抛石和围垦工程使横洲水道主槽逐年冲刷,深槽外移,而龙屎窟深槽上端则表现为严重淤积,深槽不断缩窄。     

十到百年尺度动力形态模型在珠江磨刀门河口的应用

在人类活动的参与下磨刀门河口演变已不再是纯粹的自然过程,而是自然和人类活动共同塑造的过程。建立了一个以过程模拟为主的10~100 a尺度的长周期动力形态模型(PRD-LTMM-10)用于模拟磨刀门河口在人类活动作用下的演变过程。 该模型建立在水体运动方程和沉积物输运方程的基础上,应用约简技术对模型输入和计算进行处理,并包含了用于评价和量化人类活动的抛石促淤模块和航道疏浚模块。应用该模型较真实地模拟了磨刀门河口在1977-1988 年的动力地形演变过程,并且通过模拟结果和情景分析,合理地分离了人类各种工程活动的长期影响和自然因素在河口演变中的作用。研究表明,治理工程对河口自然发展趋势造成了较大的改造,淤积强度表现为西侧大于东侧。抛石和围垦工程使横洲水道主槽逐年冲刷,深槽外移,而龙屎窟深槽上端则表现为严重淤积,深槽不断缩窄。     

珠江磨刀门河口底质沉积特征及其泥沙运移趋势

根据珠江磨刀门河口的表层沉积物粒度分析结果,运用Gao-Collins粒径趋势分析方法(GSTA模型),计算河口的沉积物净输运趋势,并分析河口底质沉积特征。结果表明:河口较粗的沉积物分布在交杯沙浅滩和拦门沙顶部,受波浪作用影响分选较好;磨刀门主槽、龙屎窟和口外海滨的沉积物则较细,以粉砂和粘土为主,分选稍差。沉积物在纵向和横向上都表现出细-粗-细的变化趋势。磨刀门主槽泥沙受强径流影响,具有向南的输运趋势;龙屎窟在涨潮流作用下,泥沙净向北输运;在西向沿岸流和东南向浪作用下,拦门沙东侧浅滩泥沙向西侧搬运,口外海滨的泥沙输运趋势则向北。     

珠江口磨刀门月际尺度地貌演变研究

本文基于二维波流耦合泥沙数学模型对磨刀门河口月际尺度地貌演变进行了模拟研究。结果表明:（1）枯季,无波浪作用下,磨刀门河口总体呈淤积状态;波流耦合后,磨刀门河口整体由淤积转为以冲刷为主。洪季,无波浪作用下,磨刀门河口除西汊外均呈淤积状态;波流耦合后,拦门沙内坡与中心区转为冲刷状态,整体仍以淤积为主,但总淤积量减少;（2）月际尺度上,地貌变化幅度为厘米级,洪枯季具有明显差异。不考虑波浪作用下,磨刀门河口洪、枯季均以淤积为主,但洪季淤积幅度更大;波流耦合后,磨刀门河口呈洪淤枯冲的格局;（3）空间上,拦门沙外坡洪淤枯冲,拦门沙顶洪季淤积、枯季变化不大,内坡洪枯季均为冲刷。此外,拦门沙内坡以径潮流作用产生的底切应力为主,外坡以波浪作用引起的底切应力为主。     

珠江磨刀门河口环流结构动力特征分析

河口环流结构关系到物质输运、泥沙沉积和地貌变化等物理过程。根据2019年磨刀门河口原型观测平台洪枯季连续观测分层潮流资料,统计洪枯季、大小潮河口东、西汊的涨落潮流及历时变化特征,利用理论方法解析河口东西汊平面环流和重力环流结构,进一步引入混合参数研究河口纵向环流中的潮汐应变环流。研究发现枯季东、西汊在转潮时刻存在东涨西落的平面环流结构,洪季平面环流特征较不明显;枯季重力环流强度整体略大于洪季,西汊重力环流强于东汊,表层向海环流流速可达0.2～0.25 m/s,而底层向陆环流流速相对较小。洪季大潮期由潮不对称性驱动的潮汐应变环流相对较大,进而增强了纵向环流的强度。河口垂向余流结构同样表现洪枯季、大小潮的变化规律。洪季余流整体较大,西汊在小潮期表层余流流速超过0.6 m/s,而东汊余流则明显呈现表层向海、底层向陆的分布特征,枯季余流整体较小,表明其对物质输运和河口地形塑造作用较弱。     

磨刀门河口水沙变化与地貌响应

以西江磨刀门河口为研究对象,应用马口站1960～2000年月平均流量及含沙量资料,1980、1981和2003年洪枯季实测水文及表层沉积物采样资料,分析磨刀门河口近几十年来的水沙变化,建立磨刀门河口水沙变化与纵、横断面及口门形态的响应模式.结论认为,西江磨刀门河口径流量年际变化不大;含沙量及输沙总量在1993年前后发生变异,有减少的趋势,悬浮泥沙中值粒径偏细;总体上形成了丰水少沙的水沙组合.磨刀门河口形态响应滞后于水沙变化,存在洪淤枯冲的年内变化.由于上游来沙量减少、人工护岸的作用下,河口口门断面趋于窄深.总体上,磨刀门河口深槽变浅,拦门沙在波浪作用下加高变薄;口门向外海延伸较快,使得河口口门动力相对强弱发生了较大变化,波浪动力及沿岸流对泥沙转运的作用增强,磨刀门河口正逐渐向河流-波浪型河口转变.     

珠江磨刀门河口潮汐动力变化对人类活动的响应

磨刀门河口是珠江流域西江的主干入海口, 20世纪80年代以来受到网河区无序采砂和磨刀门整治工程的双重影响, 潮汐动力必然发生相应的调整。本文基于多年的水文资料, 结合统计分析、调和分析和数值模拟的方法, 对近五十年以来磨刀门河口的潮汐动力变化过程及其对人类活动的响应进行研究。结果表明, 20世纪80年代以前, 磨刀门河口总体上呈现出高、低潮位缓慢上升、潮差逐渐减小的趋势, 潮汐动力变化呈现出径流优势型入海口门水道向海延展的自然演变趋势; 20世纪80年代以来, 网河区无序采砂使水位下降、诱使潮汐动力增强, 磨刀门整治工程使水位上升、潮汐动力减弱, 由于河口不同段受到人类活动以及外海潮汐多年变化和海平面上升的干扰程度不同, 其潮汐动力变化呈现出不同特征。近口段受网河区无序采砂影响较大, 水位下降, 潮汐动力增强; 河口段受两种人类活动的双重影响, 水位上升, 在整治工程期间(1983—1993)潮汐动力减弱, 在整治工程后(1993—2003)受网河区无序采砂的影响潮汐动力增强; 口外海滨段受外海潮汐多年变化和全球海平面上升以及整治工程的共同作用, 水位上升, 潮汐动力减弱     

基于高频ADCP资料的磨刀门河口羽状流湍流动力特征

利用1 200 kHz的宽频RDI ADCP于2015年7月在磨刀门河口拦门沙前缘的浅水站和沿岸流影响的深水站进行座底观测,采样频率为1 Hz,数据经滤波去噪处理,应用方差方法分析了磨刀门的羽状流湍流动力特征。结果表明,磨刀门河口水流表现出3层流结构,峰值流速出现在表层的羽状流层,深水区雷诺应力量级为10-3~10-5 m2/s2,小于拦门沙前缘的湍流脉动强度;拦门沙前缘和深水区湍流动能密度参数的范围均在0.01~0.6 m2/s2左右,羽状流的湍动能比底边界层高一个数量级。拦门沙前缘羽状流的湍动能生成率量级约为10-3 W/kg,比底层大2~3个量级,且远强于深水区;垂直涡黏系数的大小约为0~0.15 m2/s。总的来说,羽状流表现出层化稳定、混合强烈,以及高的湍动能生成率,为羽状流携带高浊度悬沙离岸远距离搬运提供了湍流动力条件。     

珠江口磨刀门泥沙絮凝特征

本文利用激光粒度仪实测得到珠江口磨刀门河口2013年夏季悬浮泥沙现场絮凝及絮凝体特征,同时对比悬沙分散粒径和含沙量,研究表明:悬沙分散粒径平均值为27.9μm,现场实测絮团粒径平均值为91.6μm,表明磨刀门口外的悬浮泥沙絮凝现象显著;实测絮团平均粒径变化范围为13.0~273.8μm,小潮期间絮团粒径平均值为131.5μm,大于大潮平均值76.9μm;絮凝体粒径在垂向上的变化表现为由表及底先变大再变小。絮团体积浓度、沉速与粒径的关系在不同情况下有差异,体积浓度和絮团粒径在表层和中层有明显正相关关系,絮团沉速在大潮时刻随着粒径的增大而增大。综合分析影响絮凝的因素,得知在珠江口盐度对于絮团大小影响不明显;而流速大小的差异是影响大小潮之间絮团大小不同的主要因素。研究结果有助于了解珠江口细颗粒泥沙输移特性和相关生物化学过程。     

冬季南海上层环流动力机制的数值研究

通过利用一个分区性的正压-斜压衔接模式来探讨冬季南海的上层环流特征及其动力机制,结果表明:(1)在南海北部,流态主要受黑潮的影响,除了东沙群岛西南的大陆架海域以及吕宋岛北部西岸附近各为一反气旋涡外,整个南海北部为一气旋式大环流所控制.(2)在南海南部主要是风生环流,源自粤西沿岸的水体在东北季风的作用下顺南海西边界岸线向南流动,形成一支相当强的西边界流;同时,由于受北康暗沙以南的陆架坡底形效应和β效应的作用,使得在南海南部出现以一个反气旋涡在南沙海槽处产生、发展并向西传播乃至衰减的约50d的周期性过程     

1998年冬季南海上层环流诊断计算

基于1998年11月28日至12月27日的调查航次的CTD资料,采用P矢量方法对调查期间南海环流进行了诊断计算,也对比了在此期间TOPEX/ERS卫星高度计SSH的资料,得到了1998年冬季南海上层环流的以下一些重要特征.(1)南海中部环流系统主要特征:在冬季越南近岸出现西边界南向射流.这支沿岸南向射流以东、114°E以西存在一个尺度大的、显著气旋式环流,它位于南自10°N左右北至16°N附近区域.在区域东中部存在一个尺度不大的、较弱的反气旋暖涡.该反气旋涡中心约位于14°N附近.在上述强的气旋式环流涡与较弱的反气旋式环流涡之间,存在一支强的、逆风方向的,即偏东北方向的海流.上述是冬季南海中部基本流态,并与200m处水平温度分布与密度分布有很好的对应.产生上述基本流态的动力原因有两个:1)在偏东北季风作用下,与地形变化相互作用,是本文首次提出的,并指出,其动力原因与冬季黄海暖流形成机制有相似之处;2)由于斜压场与地形的联合效应(JEBAT).(2)在海区南部存在一个反气旋式环流,在加里曼丹岛西北还有一个尺度不大、冷的气旋式涡.(3)南海北部环流系统:1)在吕宋岛西北明显地存在一个气旋环流系统,并有3个冷水中心;2)在此气旋式环流系统的一个冷水中心(约19°30'N,119°30'E)以西,存在一个反气旋式涡;3)在海南岛以南出现一个暖的、反气旋式环流;4)在南海北部,114°E以东、广东沿岸外侧存在一支东北向流.这是管秉贤首次指出的,冬季时出现南海暖流.(4)上述1998年冬季南海上层环流的一些重要特征都与此期间TOPEX/ERS-2卫星高度计SSH分布有较好的相对应.     

Effect of channel bifurcation on residual estuarine circulation: Winyah Bay, South Carolina

The residual circulation pattern of Winyah Bay, the fourth largest estuary on the eastern coast of the US, is examined using stationary and shipborne current measurements during periods of low freshwater discharge. The estuary has a complex morphology with a single channel and narrow banks at the river entrance and the bay mouth, and a bifurcated channel system (main and western channels, respectively) in the middle part that appears to affect the residual circulation.Overall, the upper (single channel morphology) and middle (dual-channel morphology) parts of the estuary exhibit a baroclinic residual circulation. The presence of bifurcated channels in the middle part of the estuary modifies the typical gravitational circulation. The near-bed landward-directed residual flow is stronger in the deeper main channel than the shallower western channel. This is the result of the fact that the magnitude of residual flow scales with the water depth of the channel and it is also influenced by the opposing patterns of channel alignment in the northern and southern junctions. Analytical modeling confirms that the observed residual currents in the upper and middle estuary are density-induced. In the lower estuary, residual flow is directed seaward throughout the water column of the channel while in the adjacent shoals the residual flow is directed landward, suggesting that in contrast to the upper and middle estuary, the residual flow near the mouth is barotropic, controlled by the tides and the channel-bank morphology.     

东亚冬季风异常对西北太平洋海温的影响

利用1950—1998年的月平均海温资料和NCEP/NCAR月平均大气环流再分析资料,研究了东亚冬季风的异常对西北太平洋海温的作用过程。结果表明,南海—台湾附近海域—日本南部以南海域(简称东亚邻海)是海-气热通量异常的显著区。弱东亚冬季风在东亚邻海有偏南风距平,抑制相应海域海-气界面上由海表向大气释放的热通量,从而使得海表温度出现正距平。强冬季风则反之。这种大气-热通量-海温的异常影响过程所需的响应时间约为1个月。东亚邻海冬季发生的海温异常可持续到下一年的夏季。     

伶仃洋河口横向环流

横向环流存在于大多数河口中,在河口的动量平衡和物质输运过程中起着重要的作用,其形成的机制众多。本文利用三维水动力模型EFDC(Environmental Fluid Dynamics Code),结合1989年和2002年的实测数据对伶仃洋河口进行研究,得到了伶仃洋河口在洪季和枯季时期不同的水动力和盐度分布结构。在文中选取了具有代表性的两个断面,针对洪枯季、大小潮以及涨落潮等不同时期的横向流结构和盐度剖面分布特点进行比较和分析。结果显示,受局地的径、潮流条件和地形约束影响,横向环流结构并不能充分形成,在不同的区域表现出截然不同的结构特点。伶仃洋河口横向环流主要是在径、潮流与地形三者之间的相互作用下形成的,不同的区域的形成机制存在差异。综合分析后,本文认为伶仃洋河口的横向环流在该区域的动力过程中相对较为次要。     

Numerical study of the summer temperature decrease induced by the enhancement of estuarine circulation in Fukuoka Bay

The Princeton Ocean Model with realistic bottom topography has been used to investigate the summer temperature decrease in the past 25 years in Fukuoka Bay. The vertical mixing of the model is expressed by a scheme that effectively includes the influences of interannual variations of tidal currents and wind. The results show that the historical temperature decrease in summer has been caused by tidal currents and wind weakening in the past 25 years in Fukuoka Bay. The weakening of tidal currents and wind gives rise to weakening of the vertical mixing, and to enhancement of the estuarine circulation in the bay. The enhancement of the estuarine circulation activates the inflow of open-ocean water toward Fukuoka Bay. Coastal water in summer has therefore tended to be colder and more saline in the past 25 years. This interannual variation in coastal waters is called “open-oceanization” in this study. On the basis of the numerical model, it is anticipated that the temperature will decrease by 0.2°C in the next 25 years in Fukuoka Bay if the tide and wind weaken persistently as in the present bay.     

西太平洋暖池热含量变化与东亚冬季风关系

利用 1955-2003 年 NCEP\NCAR 再分析资料和美国 Scripps 海洋研究所环境数据分析中心 ( JEDAC ) 提供的冬季热含量资料,采用小波分析、相关及合成分析等方法, 分析了西太平洋暖池热含量变化特征及其与东亚冬季风关系.结果表明,西太平洋暖池热含量与东亚冬季风有着非常密切的联系,当西太平洋暖池热含量异常偏高时,对流层低层在菲律宾及以东洋面形成一个异常的气旋性环流,中国大陆上空形成一个异常的反气旋性环流,从而使得东亚冬季风在东南区加强,西北区减弱.     

东海黑潮强度与东亚冬季风关系的分析研究

利用卫星高度计资料和再分析资料,本文分析研究了东海黑潮强度与东亚冬季风的关系,并初步探讨了二者相互作用的可能机制。结果表明,位置相近的断面,其流强变化具有相似的特征;在年际尺度上,冬季风与东海黑潮存在相互作用。当冬季风偏强,将削弱次年2-4月SC、SD断面的流强,弱冬季风年的情况相反。冬季风对流强影响的动力过程主要通过改变Ekman输送来实现;热力过程则表现为强（弱）冬季风增大（减少）了黑潮向大气释放的热通量,从而削弱（增强）流强,这一过程主要为冬季风对黑潮的影响。当冬季风偏强时,次年10-12月黑潮中下游流强偏弱,弱冬季风年的情况相反。这一过程与2-4月情况不同,其热力过程主要表现为黑潮对冬季风的影响。强冬季风通过准两年振荡对次年冬季的黑潮流强产生影响,由此构成了一个包含海洋和大气耦合过程的正反馈机制。黑潮流域的海气相互作用过程可能受冬季风和黑潮流强相对强弱的调制,海洋过程和大气过程主导一方的转换中存在一个“临界值”。