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基于三层嵌套网格的珠江口冬季盐度层化的数值模拟

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海洋与湖沼 2013年第3期44卷 545-556页

作者：周巍王东晓俎婷婷李海洋肖贤俊国家气候中心中国气象局气候研究开放实验室北京100081 中国科学院南海海洋研究所热带海洋环境国家重点实验室广州510301 广州市南沙区气象局广州511458

运用三层嵌套网格的ROMS模式较好地模拟了2009年冬季珠江口的主要水动力过程和盐度分布。结果表明,珠江口盐度层化具有明显的潮周期变化特征,涨潮时表底层盐度差较小,层化较弱;落潮时层化较强。利用势能异常变化平衡方程分析影响层化的... 详细信息

运用三层嵌套网格的ROMS模式较好地模拟了2009年冬季珠江口的主要水动力过程和盐度分布。结果表明,珠江口盐度层化具有明显的潮周期变化特征,涨潮时表底层盐度差较小,层化较弱;落潮时层化较强。利用势能异常变化平衡方程分析影响层化的贡献项,结果表明势能异常的平流项和应变项是影响珠江口势能异常变化的主要因素。

关键词： ROMS模式盐度层化势能异常珠江口

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理想河口盐度层化的减阻效应

理想河口盐度层化的减阻效应

作者：杜雅静天津大学

学位级别：硕士

本文建立了半闭合式的理想河口模型,基于FVCOM三维水动力及盐度模型模拟水动力和盐度扩散过程,通过比较考虑盐度和不考虑盐度的理想河口获得了盐度层化对河口水动力的影响规律,并分析了潮差和径流量对盐度层化及其减阻效应的影响。本文... 详细信息

本文建立了半闭合式的理想河口模型,基于FVCOM三维水动力及盐度模型模拟水动力和盐度扩散过程,通过比较考虑盐度和不考虑盐度的理想河口获得了盐度层化对河口水动力的影响规律,并分析了潮差和径流量对盐度层化及其减阻效应的影响。本文的主要结论如下。盐度层化对水动力的影响体现在垂向平均流速、流速剖面、摩阻特征三个方面。盐度层化使得水体的平均流速增大,且流速变化有所滞后;在大部分时刻盐度层化使得底部流速减小、上层流速增大,在层化比较剧烈的部分测站的落憩前后,由于盐水楔的存在,水体出现环流,而不考虑盐度层化的算例中无环流出现;摩阻特征上,盐度层化使得摩阻流速和粗糙高度减小,体现出减阻的特点;有环流(落憩前后)时,由于底部流速变化剧烈,得出方向相反且数值很大的摩阻流速。同时,各测站垂向平均流速滞后的相位、平均流速的增大幅度、在落急时刻的减阻程度都与当地的层化参数有明显的正相关关系,层化参数越大,减阻效应越明显。盐度层化减阻的机理可以解释为,考虑盐度的垂向紊动系数和紊动动能远小于不考虑盐度的情况。盐度层化的减阻效应是由于层化有效抑制了紊动,水流垂向掺混变弱,能量耗散减弱,剪切流发育,宏观上达到了减阻的效果。就盐度层化引起减阻的影响因素而言,潮差对减阻效应的影响为:潮差越大,层化的减阻效应的强度和范围越小。径流量对减阻效应的影响为:径流量越大,层化的减阻效应的强度越大,且减阻的范围向外海移动。

关键词：盐度层化减阻理想河口 FVCOM

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盐度层化对长江口水动力的影响

水道港口 2015年第2期36卷 93-104页

作者：孙继涛张庆河严冰赵张益杨华天津大学水利工程仿真与安全国家重点实验室天津300072 交通运输部天津水运工程科学研究所工程泥沙交通行业重点实验室天津300456

基于FVCOM三维水动力及盐度模型,在考虑盐度层化和不考虑盐度层化两种条件下对长江口附近海域进行了水动力盐度数值模拟。计算结果表明,盐度层化产生的紊动抑制对垂向紊动粘滞系数和水平流速有较明显的影响。与不考虑盐度层化的计算结... 详细信息

基于FVCOM三维水动力及盐度模型,在考虑盐度层化和不考虑盐度层化两种条件下对长江口附近海域进行了水动力盐度数值模拟。计算结果表明,盐度层化产生的紊动抑制对垂向紊动粘滞系数和水平流速有较明显的影响。与不考虑盐度层化的计算结果相比,考虑盐度层化后,垂向紊动粘滞系数变小,流速垂向平均值变大,表层流速变大,底层流速变小,与实测值更为吻合。

关键词：水动力盐度层化垂向涡粘系数 FVCOM 长江口

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理想河口盐度层化数值试验

中山大学研究生学刊（自然科学与医学版） 2014年第2期35卷 37-44页

作者：陈鼎豪唐权辉中山大学海洋学院近岸海洋技术与研究中心广州510275

本文采用了SELFE模型,设计了一个理想河口,进行了11组数值控制实验,研究了河口盐度层化发育及其参数的敏感性。数值试验的结果表明,在径流和潮汐作用相匹配时,11组试验均有盐度层化出现,水体交换范围和盐度的变化幅度差异不大。但不同... 详细信息

本文采用了SELFE模型,设计了一个理想河口,进行了11组数值控制实验,研究了河口盐度层化发育及其参数的敏感性。数值试验的结果表明,在径流和潮汐作用相匹配时,11组试验均有盐度层化出现,水体交换范围和盐度的变化幅度差异不大。但不同的参数情形对于地形的响应是有所差异,不同参数情形其盐度梯度变化随水深的变化也不尽相同。因此,在选择参数时,应该考虑这些参数的敏感性。

关键词：盐度层化敏感性试验理想河口 SELFE模型

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理想河口盐度层化的减阻效应研究

水道港口 2018年第4期39卷 416-421页

作者：杜雅静张庆河天津大学水利工程仿真与安全国家重点实验室天津300072

利用FVCOM三维水动力及盐度模型对半闭合式的部分混合理想河口进行了模拟,并对比了考虑盐度与不考虑盐度的理想河口情况。结果表明,盐度层化使得粗糙长度减小、摩阻流速减小,在整体上表现为明显的减阻效应。在空间分布上,减阻程度与层... 详细信息

利用FVCOM三维水动力及盐度模型对半闭合式的部分混合理想河口进行了模拟,并对比了考虑盐度与不考虑盐度的理想河口情况。结果表明,盐度层化使得粗糙长度减小、摩阻流速减小,在整体上表现为明显的减阻效应。在空间分布上,减阻程度与层化参数成正相关,即层化越强,减阻效应越明显。层化减阻的机理可解释为层化使得紊动粘滞系数减小,从而能量耗散减小。

关键词：盐度层化减阻理想河口 FVCOM

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基于一个年龄概念的河口污染物输运数值模拟

水科学进展 2009年第1期20卷 92-98页

作者：徐洪周林晶王东晓中国科学院南海海洋研究所LED实验室广东广州510301 Department of Marine Earth and Atmospheric SciencesNorth Carolina State University 华东师范大学河口海岸学国家重点实验室上海200062

根据Deleersnijder定义的一个平均年龄概念,运用耦合了物质输运模式的一个三维水动力-富营养化数值模型(HEM-3D),研究了位于美国北卡罗莱纳州Pamlico河口(PRE)的污染物输运时间在不同淡水流量影响下的分布情况。模型结果表明,在正常期,... 详细信息

根据Deleersnijder定义的一个平均年龄概念,运用耦合了物质输运模式的一个三维水动力-富营养化数值模型(HEM-3D),研究了位于美国北卡罗莱纳州Pamlico河口(PRE)的污染物输运时间在不同淡水流量影响下的分布情况。模型结果表明,在正常期,污染物被输运出PRE需要大约65d的时间。而在枯水期和洪水期,污染物分别需要230d和20d时间被输运出PRE。这表明物质输运过程明显受淡水流量的影响。污染物输运时间的空间变化显著受河口中盐度入侵的影响,咸水入侵在其可以达到的最大区域形成了一个盐度锋面,而这个锋面阻碍了污染物向外的输运。盐度层化对输运时间的垂向分布影响显著,输运时间垂向梯度随着盐度层化的增强而增大。

关键词： Pamlico河口输运时间淡水流量盐度层化污染物输运数值模拟

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伶仃洋河口泥沙絮凝特征及影响因素研究

海洋学报 2017年第3期39卷 55-67页

作者：田枫欧素英杨昊刘锋中山大学海洋科学学院河口海岸研究所广东广州510006

泥沙絮凝对河口细颗粒泥沙运动过程起着极其重要的作用。本文通过LISST-100激光粒度仪等仪器实测伶仃洋河口2013年洪季悬浮泥沙絮凝体现场粒径及水动力、泥沙条件,结合实验室悬沙粒径分析,研究大小潮期间伶仃洋河口泥沙絮凝特征,探讨紊... 详细信息

泥沙絮凝对河口细颗粒泥沙运动过程起着极其重要的作用。本文通过LISST-100激光粒度仪等仪器实测伶仃洋河口2013年洪季悬浮泥沙絮凝体现场粒径及水动力、泥沙条件,结合实验室悬沙粒径分析,研究大小潮期间伶仃洋河口泥沙絮凝特征,探讨紊动剪切强度、含沙量、盐度分层及波浪等因素对伶仃洋河口泥沙絮凝的影响。结果表明:伶仃洋河口水体中现场粒径平均值为148.53μm,大于实验室悬沙分散粒径36.74μm,河口絮凝现象明显;沉速与有效密度、粒径呈正相关,絮团平均有效密度为153.49kg/m3,平均沉速达1.13mm/s;小潮时絮团平均粒径大于大潮,垂向上表底层絮团粒径小、中层大,中底层絮团沉速大于表层。伶仃洋河口水动力、泥沙条件是影响其泥沙絮凝的重要因素,低剪切强度(小于5s-1)、低含沙量(小于50mg/L)及高体积浓度有利于细颗粒泥沙之间的相互碰撞,促进絮凝作用;当剪切强度与颗粒间碰撞强度高于絮团所能承受的强度时,絮团易破碎分解成小絮团或更细的泥沙颗粒;伶仃洋河口盐度层化引起的泥沙捕获现象增大中层泥沙体积浓度,有利于中层絮凝体的发育;观测期相对较大的波浪增强水体紊动,增大了水体细颗粒泥沙的碰撞几率,表层絮团粒径随波高峰值的出现而增大。

关键词：伶仃洋泥沙絮凝沉速盐度层化波浪紊动剪切强度

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长江口泥沙运动及深水航道淤积数值模拟研究

长江口泥沙运动及深水航道淤积数值模拟研究

作者：孙继涛天津大学

学位级别：硕士

长江口深水航道工程自建设以来已经发挥了巨大经济效益和社会效益,但同时也面临着航道回淤量较大、回淤位置比较集中的问题。为了研究长江口深水航道泥沙运动规律,探索航道回淤原因,本文基于FVCOM三维水动力、盐度、悬沙数学模型和平面... 详细信息

长江口深水航道工程自建设以来已经发挥了巨大经济效益和社会效益,但同时也面临着航道回淤量较大、回淤位置比较集中的问题。为了研究长江口深水航道泥沙运动规律,探索航道回淤原因,本文基于FVCOM三维水动力、盐度、悬沙数学模型和平面二维浮泥模型建立了长江口深水航道工程海域的水-沙-盐度数学模型,对深水航道工程区域的泥沙运动规律和航道淤积机理就行了研究。本文的具体研究内容和主要结论如下:(1)提出了综合考虑温度、粒径、含沙量、盐度、紊动强度对絮凝影响的粘性泥沙沉速公式,并结合现场观测及实验数据确定公式中部分参数,得到了适用于长江口深水航道工程的泥沙沉速公式,公式计算得到的沉速范围与前人研究结果基本一致。(2)根据建立的长江口深水航道工程三维水动力、盐度、泥沙数学模型模拟结果,研究并分析了盐度层化效应对长江口附近海域水动力和悬沙垂向分布的影响,结果表明考虑盐度层化效应后,密度层化产生的紊动抑制使得垂向紊动粘性减小,表层流速变大,底层流速变小,流速垂向平均值变大,悬沙分层更为明显,表层含沙量变小,底层含沙量变大,考虑层化效应的速度和含沙量分布与实测值更为吻合。层化效应对长江口水动力和泥沙运动有重要影响。(3)对本文所建立的三维数学模型进行验证,含沙量、水沙通量以及淤积结果均与实测值吻合良好,表明本文所建立三维泥沙数学模型能较好地反映长江口深水航道工程附近海域的水流、泥沙运动特性。在此基础上,分析了悬沙以及浮泥的运动规律,结果表明,由边滩进入航道的浮泥是深水航道淤积的最重要来源。

关键词：长江口深水航道工程 FVCOM模型粘性泥沙沉速公式盐度层化

长江口最大浑浊带对水体层化的响应：过程与机理

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长江口最大浑浊带对水体层化的响应：过程与机理

作者：卢婷华东师范大学

学位级别：硕士

河口是陆海相互作用的敏感地带,该区域咸淡水交汇、径潮流相互作用。细颗粒沉积物的起动、絮凝、沉降和最大浑浊带形成演化等河口沉积动力过程决定了河口沉积物的时空分布,并深刻影响着河口及近岸海域的地貌演化、土地利用、港口的安全... 详细信息

河口是陆海相互作用的敏感地带,该区域咸淡水交汇、径潮流相互作用。细颗粒沉积物的起动、絮凝、沉降和最大浑浊带形成演化等河口沉积动力过程决定了河口沉积物的时空分布,并深刻影响着河口及近岸海域的地貌演化、土地利用、港口的安全性和航道稳定性。河口最大浑浊带发育与演化的动力因素与成因机制十分复杂,主要包括垂向环流模式、潮波变形输沙、底床沉积物再悬浮作用、水体层化效应、絮凝沉降过程等。已有水体层化效应的研究大多关注盐度层化,事实上,最大浑浊带的悬沙层化亦十分显著,但悬沙层化对最大浑浊带影响机制尚不清楚。因此,兼顾盐度-悬沙层化效应与最大浑浊带时空演化的分析与研究,有助于加深对河口沉积动力过程的机理认识及预测未来最大浑浊带的演变趋势。本文采用现场观测与数值模拟相结合的研究方法,通过剖析长江口南槽的案例,分析最大浑浊带对盐度-悬沙层化效应的响应过程,探讨其物理机制。2018年7月和12月在长江口南槽最大浑浊带进行了两次现场观测,采用锚系船载剖面结合坐底式水下三脚架的方法获得连续沉积动力过程观测数据,并收集了2013年2月和9月在南槽最大浑浊带的历史观测资料。根据层化效应指标（Richardson数）对洪枯季的盐度、悬沙层化特征进行分析,利用经验正交函数（EOF）定量研究了影响悬沙浓度的主控因素,揭示了盐度、悬沙层化与沉积物分布之间的沉积动力学联系;通过FVCOM数值模拟进行理想实验,讨论影响显著的层化效应,包括盐度层化和悬沙层化的区别与联系,以及它们对于最大浑浊带范围与强度的贡献。获得的主要结论如下。（1）根据实测资料分析,在长江口南槽最大浑浊带,落潮历时大于涨潮历时,存在显著的潮汐不对称现象。对于流速,受径流作用,口内大潮时流速高于其下段。对于盐度,受洪枯季径流量差异以及枯季较强风浪的影响,口门处在2018年洪季盐度存在分层,而在枯季则是强烈混合。对于悬沙浓度,大、小潮对比上,枯季口内口外大潮平均悬沙浓度高于小潮,而受层化效应影响,洪季口门处小潮最大悬沙浓度高于大潮;洪、枯季对比上,2013年与2018年洪季最大悬沙浓度均超过5 g/L,且均超过枯季的3倍;年际变化上,2018年洪季最大悬沙浓度位于口门,而2013年观测时在其下段。（2）针对层化时空分布特征分析发现,2018年洪季的盐度层化和悬沙层化均比枯季显著:在长江口南槽最大浑浊带,盐度导致的分层主要分布在上层和中层,而悬沙的分层主要在近底层。除盐度、悬沙对层化效应有贡献外,低流速剪切作用也很重要,一方面促进稳定层化,另一方面通过稳定层化“捕获”大量近底沉积物加强流速剪切,最终形成的层化状态是流速剪切与垂向密度梯度相互作用、相互制衡的结果。（3）利用经验正交函数（EOF）分析方法发现,2013年洪季拦门沙海域大潮时6 g/L高悬沙浓度形成的主要原因是潮流导致的沉积物再悬浮作用,叠加涨潮流携带的口外水下三角洲再悬浮沉积物;2018年洪季,拦门沙海域悬沙浓度,在大潮期间主要受潮流再悬浮作用以及盐度和悬沙层化影响,在小潮期间则主要受到盐度和悬沙层化效应的影响,同时与絮凝沉降过程相关。（4）最大浑浊带的层化效应机制包含盐度层化与悬沙层化。盐度层化能够抑制湍流的产生,阻碍近底层的沉积物向上层扩散,悬浮沉积物在底部聚集形成超过5 g/L的高悬沙浓度;同时,底部高悬沙浓度与上层较低的悬沙浓度之间形成悬沙密度梯度,导致了悬沙层化,有利于在近底捕获更多的悬浮沉积物。盐度层化与悬沙层化形成了层化效应与悬浮沉积物之间的“正反馈机制”,其中盐度层化是导致悬沙层化的重要因素,理想实验的结果也表明相较于仅考虑悬沙层化,仅考虑盐度层化条件下会形成更高的悬沙浓度。（5）经过验证的FVCOM模型进行理想实验表明,枯季最大浑浊带范围、强度小于洪季,大潮小于小潮。洪季盐度或悬沙层化影响下的浑浊带范围与强度高于枯季,大小潮的相对差异小于洪枯季。仅考虑悬沙层化条件下,浑浊带范围与强度虽随洪枯季和大小潮周期变化,但浑浊带中心位置均保持不变,位于九段沙上段以下15 km。仅考虑盐度层化条件下,浑浊带中心位置则随洪枯季和大小潮变化:相较于枯季大潮,枯季小潮浑浊带中心向上段迁移约5 km;相较于洪季小潮,枯季小潮向上段迁移约10 km。在全球变化与人类活动的影响下,极端事件频发和河口工程建设等因素使得长江口水深变化数据难以及时更新,给精细化的悬沙数值模拟工作带来挑战。未来需进一步加强层化效应和最大浑浊带对工程建设及短时间尺度的极端事件等的响应过程研究。

关键词：盐度层化悬沙层化最大浑浊带悬沙浓度理想实验洪枯季大小潮长江口