夏季黄河入海泥沙的数值模拟研究

掌握黄河入海泥沙输运、沉积的规律可以为渤海沿岸经济发展的规划及环境保护管理提供理论参考。本文基于FVCOM(Finite-Volume Community Ocean Model)建立了三维水动力、泥沙耦合数值模式,利用实测水位、海流和悬沙资料,对模式进行了检验,模拟结果与观测符合较好。利用该模式研究了2007年夏季丰水丰沙期黄河入海泥沙的输运过程,并对渤海悬沙空间分布特征进行数值模拟。模式较好地再现了夏季黄河口入海泥沙的空间分布特征及底部冲淤状况。结合黄河口附近的潮流和余流特征,对悬沙分布特征和底部冲淤结果进行了分析,结果表明:黄河入海泥沙随余流向南和东南方向输运到莱州湾,在莱州湾中部向外海扩散,很可能沿东北方向进入渤海中部。在这个输运过程中,莱州湾表现为入海泥沙向外海扩散的通道。     

渤海动力对黄河入海泥沙输移的影响

海洋动力过程对黄河入海泥沙的淤积和扩散具有决定性作用，利用三维斜压动力－泥沙模型分析了黄河口外海域潮流动力变化与黄河入海泥沙淤积，扩散特性之间的响应关系，季节环流以及涨落潮的分布和变化很好地解释了黄河口南北浮泥的形成和消长变化以及黄河入海泥沙向海扩散的机理，结果表明，入海泥沙在洪季，枯季和表底层都具有不同的输移特性。     

渤海动力对黄河入海泥沙输移的影响

海洋动力过程对黄河入海泥沙的淤积和扩散具有决定性作用 ,利用三维斜压动力 -泥沙模型分析了黄河口外海域潮流动力变化与黄河入海泥沙淤积、扩散特性之间的响应关系。季节环流以及涨落潮的分布和变化很好地解释了黄河口南北浮泥的形成和消长变化以及黄河入海泥沙向海扩散的机理。结果表明 ,入海泥沙在洪季、枯季和表底层都具有不同的输移特性     

东碇倾倒区疏浚泥悬沙输移和海床冲淤数值模拟

采用区域海洋模型ROMS(Regional Ocean Modeling System)在东碇倾倒区建立三维水动力与泥沙输移数值模型,在水动力验证的基础上模拟预测了在冬、夏季节不同背景潮流和风场作用下的疏浚泥悬沙输移规律及海床沖淤变化。结果表明:在纯潮流作用下,悬沙扩散以抛泥点为中心,呈圆对称分布,且冬季泥沙输移扩散范围比夏季大;加入风场驱动后,悬沙扩散呈下风面拖拽的椭圆形,同时水体混合加强更有利于高浓度悬沙的扩散,但对悬沙输移的作用不明显;抛泥点位置从倾倒区中心变为西北角后,其作用主要体现在冬季较高浓度区面积的减小和由于局地水槽引导而形成的向北延伸的浓度舌;在海床冲淤方面,潮流和风场的作用主要是改变地形增量较大的面积,而更改抛泥点位置则会导致地形增量最大值出现较大的差异。     

渤海环流与输运季节变化的数值模拟

渤海的风和温度层结有明显的季节变化，因而其环流与输运亦有明显的季节信号，以季节平均的海面气象条件和开边界的潮波系统驱动三维斜压水动力模型-HAMSOM，模拟了渤海冬、夏了的总环流，渤海环流冬强夏弱，表层风漂流常被下层逆风流所补偿，深度平均环流，即水柱内的输运，流型有显著的季节变化；冬季在渤海中部沿逆时针方向旋转，辽东湾项有一个顺时针流涡，阻碍了湾顶水与外海水的交换；夏季则为一个大的贴岸的顺时针流环，内嵌许多局地涡旋，这些与渤黄东海海洋水文图集中给出的多年观测的环流基本相同，同时也被水文要素分布及耐盐浮游动物的出现所佐证。风的季节变化决定了渤海大部分海区、特别是海峡附近环流的季节变化，但辽东湾东岸众多的岬角涡旋却不随季节变化，因为它们是由潮波系统与岬角岸型变化的非线性相互作用产生的。     

近岸波浪和波生流环境中泥沙输运的数值模拟

Owing to lack of observational data and accurate definition,it is difficult to distinguish the Kuroshio intrusion water from the Pacific Ocean into the South China Sea(SCS).By using a passive tracer to identify the Kuroshio water based on an observation-validated three-dimensional numerical model MITgcm,the spatio-temporal variation of the Kuroshio intrusion water into the SCS has been investigated.Our result shows the Kuroshio intrusion is of distinct seasonal variation in both horizontal and vertical directions.In winter,the intruding Kuroshio water reaches the farthest,almost occupying the area from 18°N to 23°N and 114°E to 121°E,with a small branch flowing towards the Taiwan Strait.The intrusion region of the Kuroshio water decreases with depth gradually.However,in summer,the Kuroshio water is confined to the east of 118°E without any branch reaching the Taiwan Strait;meanwhile the intrusion region of the Kuroshio water increases from the surface to the depth about 205 m,then it decreases with depth.The estimated annual mean of Kuroshio Intrusion Transport(KIT) via the Luzon Strait is westward to the SCS in an amount of –3.86×106 m3/s,which is larger than the annual mean of Luzon Strait Transport(LST) of –3.15×106 m3/s.The KIT above 250 m accounts for 60%–80% of the LST throughout the entire water column.By analyzing interannual variation of the Kuroshio intrusion from the year 2003 to 2012,we find that the Kuroshio branch flowing into the Taiwan Strait is the weaker in winter of La Ni?a years than those in El Ni?o and normal years,which may be attributed to the wind stress curl off the southeast China then.Furthermore,the KIT correlates the Ni?o 3.4 index from 2003 to 2012 with a correlation coefficient of 0.41,which is lower than that of the LST with the Ni?o 3.4 index,i.e.,0.78.     

渤海表层悬沙分布季节变化特征与控制因子的数值研究

针对整个渤海海域悬浮泥沙季节变化及其影响机制的数值研究相对缺乏且机制尚不清晰,基于ROMS三维海洋模型对渤海海域水动力环境与悬沙分布开展数值模拟。模拟结果显示,渤海海峡环流终年“北进南出”,夏季环流明显强于冬季,并呈现外围逆时针环、内部顺时针环的“双环”结构。渤海中部海域在夏季存在明显的温跃层现象,其强度分布与等深线较为一致,温跃层在4月开始形成,7月最强。渤海表层悬沙分布具有显著的季节变化,冬季悬沙浓度最大,秋季次之,春季再次之,夏季最小。控制悬沙浓度的波流底切应力在秋冬季节较大,春夏相对较小,且流致切应力始终在波流切应力中占主导地位。秦皇岛海域悬沙浓度常年偏低的主要原因是位于M2无潮点附近,属于弱潮流区,底层流速相对较小,底部沉积物发生再悬浮概率较小。夏季温跃层的存在在一定程度上减小了底边界层流速,增大了流速的垂向梯度,对底部悬浮泥沙的向上扩散有明显的抑制作用。因此,温跃层的存在是造成夏季表层悬沙浓度最低的重要原因。     

黄河入海泥沙对渤海和黄海沉积作用的影响

渤海平均水深18m，最大水深70m，是一个较浅的海湾。黄海平均水深38m，其中部为水深大于50m的盆地。它们的共同特征是陆地环绕。沿岸河流输沙特征对沉积作用过程有重大影响，特别是黄河入海泥沙的影响尤为显著。 关于黄河人海泥沙对渤海和黄海沉积作用的影响，前人已从不同角度进行过讨论。黄河是世界上著名的多沙性河流。由于黄河尾闾长期以来不断发生变迁，纵横摆动于华北平原之上，交替注入渤海和黄海，因此，在讨论黄河入海泥沙在中国近海沉积中的作用时，必须把渤海和黄海作为一个整体，甚至南涉东海。本文试图在以往工作的基础上，概括讨论黄河入海泥沙对渤海和黄海海底沉积作用的影响。     

闽江口入海悬沙输运的数值模拟

闽江河口位于福建省东部,本文利用欧拉-拉格朗日差分方法模拟闽江口及附近海域在不同径流下的潮流场,并建立拉格朗日水质点跟踪方法近似模拟了悬沙在海域中的迁移过程．水质点运动轨迹计算结果表明,闽江口悬沙在外海主要向南方或东南方输运,其轨迹呈现螺旋线．在洪峰流量下,悬沙运移距离较远．     

黄河三角洲洪、枯季泥沙冲淤的数值模拟

本文针对黄河三角洲海岸潮间带广阔、黄河入海水沙变化剧烈、近岸及河口区水动力条件复杂的特点 ,建立了 1个潮流作用下的平面二维动边界全沙数学模型。动边界的处理采用窄缝法 ,并利用此模型对黄河三角洲洪、枯季时悬沙分布以及底床的冲淤进行了数值模拟 ,进而据此探讨了黄河三角洲洪、枯季的冲淤变化规律。     

东海透光度分布的夏季特征及其与陆架悬浮体运移的关系

利用1987年夏季 (6～7月 )中国科学院海洋研究所“科学1号”船在东海考察的透光度资料 ,分析了透光度在东海的分布特征以及与东海陆架悬浮体运移的关系 ,结果表明 :(1)沿123 30′E北上的台湾暖流宛如一道屏障 ,将长江的悬浮物质阻挡在123 30′E以西 ;(2)长江口门北面的悬浮物质由于受到长江冲淡水转向和北上的台湾暖流的共同作用 ,难以继续贴岸南下 ;(3)台湾暖流和黄海暖流很可能是黄海沿岸流携带的悬浮物质不能继续向深海输运的主要原因 ,两支流似乎也起到了屏障作用 ,将悬浮物质阻挡在126 30′E以西和30 30′N以北 ;(4)温跃层的存在是底层高悬浮体含量的海水难以到达表层的主要原因     

渤、黄、东海潮汐、潮流的数值模拟与研究

基于FVCOM海洋数值模式,采用高分辨率的三角形网格,对渤、黄、东海的潮汐、潮流进行数值模拟,并通过比较120个沿岸验潮站和14个潮流观测站的实测与模拟结果进行模型验证,两者符合较好。根据模拟结果,给出了四个主要分潮的潮汐同潮图和5m层潮流最大流速及最大潮流同潮时分布。渤、黄、东海共有5个半日分潮和3个全日分潮的独立旋转潮波系统,且都呈逆时针方向旋转;半日潮流和全日潮流各有12个圆流点;在冲绳岛和奄美岛两侧的4个半日潮流圆流点分别呈对称分布,其中有3个为本文首次给出;在日本九州岛西侧还新给出2个全日潮流圆流点。有关它们的存在性需要实测资料的进一步检验。     

黄、渤海无机氮的收支模式初探

根据黄、渤海无机氮的收支状况，首次提出了黄、渤海无机氮的稳态收支模式。模式研究结果表明，大气沉降、陆源输入和海底输入的无机氮通量分别占黄、渤海无机氮浮游植物总需求量的3%、4%和12%。无机氮的外部输入约占总需求量的1/5，其他部分则由水柱中的内部再循环（再生）供给。     

渤海悬浮颗粒物的三维输运模式 I.模式

为了长时间,大范围研究渤海中悬浮物的输运规律,研究应用并改造了备国汉堡大学的粒子追踪悬浮物输运的三维模式,模式中考虑了风、气压等气象要素以外海传入的潮波作用下的三维正压海流对悬浮颗粒物的输运．同时考虑了悬浮颗粒物的学降及再悬浮机制和底质中的细颗粒物的运动,将风浪的作用引入了悬浮物输运的计算,数值模式应用的粒五追踪方法,能较好地反映悬浮物浓度的迅速变化。     

南黄海中部悬浮体垂直分布及其季节变化

南黄海中部悬浮体浓度垂直分布及其季节变化对该海域泥质区的生成有重要意义,为研究黄东海物质交换、南黄海中部泥质区生成机制,利用2006年至2009年四季节的温度、盐度数据,结合水样抽滤获得的悬浮体质量浓度数据和LISST观测到的悬浮体体积浓度数据分析南黄海中部断面悬浮体浓度垂直分布及其季节变化。结果表明,悬浮体LISST体积浓度和抽滤质量浓度具有较好的相关性,并将夏冬两季悬浮体体积浓度转换为质量浓度。四季节悬浮体浓度整体上表层低于底层,潮流是控制南黄海悬浮体分布的重要动力因素,秋季大潮期悬浮体浓度高于冬季小潮期,冬春两季悬浮体浓度分布相类似;受到强台风影响,夏季悬浮体浓度高于秋冬季,以温跃层为界,底层悬浮体浓度较高,最高达26.9mg/L,以细粉砂粒级为主,上层悬浮体浓度低于2mg/L,悬浮颗粒粒径大于31.6μm。夏季,黄海冷水团西边界锋面处为粉砂为主的高悬浮体浓度区,与南黄海中部泥质区西侧厚沉积带位置对应。冬季,黄海西部沿岸流流经区域悬浮体以极细砂粒级为主,黄海暖流海域各个粒级悬浮体浓度都比较高,以粉砂粒级以上为主,整个断面中较粗颗粒的悬浮体含量较多。     

渤、黄、东海内潮的数值模拟

在全球的海洋中,中国东海和临近海域是最显著的内潮生成地之一。本文采用NODC(Levitus) World Ocean Atlas 1998提供的季平均温、盐资料,计算海水的密度,并计算垂向密度梯度的最大值点,得到一个较符合海水实际的密度分层。使用三维非线性数值模型(将海洋分为2层)研究了潮汐(M2,S2,K1,O1分潮)作用下渤黄东海的内潮,揭示了整个海区内潮起伏的空间分布,结果发现大振幅的波动均发生在台湾东北(冲绳海槽)海域和中国近海地形突变之处,其中前者更显著。对于各分潮模拟得到的表面潮与TOPEX/Poseidon高度计资料基本一致。研究结果表明上层海水的深度和厚度的梯度对内潮有一定的影响;冬季分布区域比夏季小,强度比夏季大。     

渤海西南部海域潮流数值计算

采用二维有限差分解法对渤海西南部海域进行潮流数值模拟,得出M_2分潮的潮波图,椭圆长短轴图,最大流速分布和不同时刻的潮流场图,并根据实测资料对其进行了验证。从而可系统地了解这一海区M_2分潮的潮波系统及逐时潮流场等海洋要素的分布情况。     

渤海悬浮颗粒物三维输运模式的研究 Ⅱ.模拟结果

利用本文Ⅰ给出的悬浮物输运的三维动力数值模式，在渤海中进行了两种情形下的模拟。首先模拟了黄河排出的细颗粒物在渤海中的运动，结果表明，这些颗粒物大部分将滞留在渤海内，而且其分布与气象条件有密切关系。另外对大风情况下悬浮物的输运进行了模拟，结果显示，大风到来时海水中的悬浮物浓度急剧上升，海底侵蚀增强，而风停止时，悬浮物浓度经过一段时间延迟后，会恢复到正常状态。这与实际观测的趋势是一致的，表明用本模式研究悬浮物的输运是可行的。     

渤海台风暴潮的数值模拟以及黄河口附近台风暴潮的数值估算

本文在分析渤海台风暴潮特征的基础上,将进入渤海的台风,按其路径的不同分为三种类型,采用动力数值计算方法,模拟了具有代表性路径的三次台风暴潮实例,取得了计算值与实测值基本一致的结果。进而用模式风暴进行风暴潮的数值估算,文中给出了10条台风移动路径,计算了在不同风速和移行速度影响下黄河口近岸12个地点的风暴潮的高度值。