坦帕湾海洋环境动力诊断和海水滞留时间的研究

发布时间：2018-04-11 06:52

本文选题：河口环流 + 盐平衡　；参考：《中国海洋大学》2014年博士论文

【摘要】：本文采用有限体积方法、非结构网格和基于原始方程的近岸海洋模式FVCOM，建立了适用于坦帕湾的三维斜压高分辨率数值模型。为了较准确地模拟重要物质输运通道（如航道、口门、桥洞、河道以及相邻的水道）对坦帕湾水动力和水交换的影响，模型设计网格大幅提高了在这些部分的分辨率（最高分辨率达20m）。通过较为满意的观测与模拟资料的对比以及相对于之前的坦帕湾模拟结果的改进，作者对所建立模型的合理性进行了验证。基于已经建立的坦帕湾高分辨率数值模型，论文以2001年秋季为例，首先模拟分析了坦帕湾的环流特性。主要包括坦帕湾在潮汐和河流，以及潮汐、河流和风两种作用情况下的潮特性，如潮位和潮流，以及非潮特性，如非潮水位（non-tidal elevation）、非潮流场（non-tidal current）、非潮盐度场（non-tidalsalinity）等的分布。论文总结了坦帕湾潮特性的相关规律，分析了重力对流和风对坦帕湾环流结构的影响。研究发现，在潮汐和河流的共同影响下，经典的河口两层环流结构在坦帕湾得以建立（表层流向湾外，，底层流向湾内），并且在航道处的非潮水位较低，非潮流场较强。由湾内指向湾外方向（2001年秋季）的风应力促进了坦帕湾流向湾外的表层流，同时水位梯度力发生了反转，变成了由湾口指向湾顶，这同时又加强了流向湾内的底层流。在浅水区，风应力通过湍流混合可影响到底层，从而使浅水区域的表层和底层都有和风向近乎一致的流动。在深水区，表层流的变化多和风应力的方向一致，底层流的变化多和风应力的方向相反。接着，论文对坦帕湾的盐平衡进行了系统的诊断分析，包括基于盐输运方程的盐平衡的逐项分析，水平和垂直盐对流项的分解，以及三维结构的盐通量的诊断。研究发现，坦帕湾湾内任意位置的盐平衡和盐通量都是完全的三维结构。从三个月的平均来看，总的盐对流（水平方向加垂直方向）主要由垂向盐扩散来平衡，但在航道底部，水平盐扩散的作用同样不可忽略。从瞬时盐平衡来看，盐度的变化主要由总的盐对流来决定，垂直盐扩散以及航道底部的水平盐扩散同样发挥作用，但作用相对较小。和平均流有关的盐对流在水平方向和垂向方向的量值非常大，并且近乎完全抵消，当对它们求和时，得到一个非常小但却非常重要的量。和潮汐泵（tidal pumping）有关的盐对流在水平方向和垂向方向的量值相对较小，并且也存在相互抵消的趋势，当对它们求和时，得到一个与总的平均流部分的盐对流量级相等的量。受地形（如航道）以及河流淡水的影响，在不同断面的轴向盐通量的分布并不相同，但不管它们如何变化，与平均流有关的轴向盐通量要比与潮汐泵有关的轴向盐通量大一个数量级。其次，论文通过对坦帕湾以及其湾内5个主要子区域的示踪物浓度的数值模拟，分析了潮汐、河流、风以及复杂地形（如航道、口门）对滞留时间的影响，并研究分析了产生这些影响的原因。研究发现，潮汐单独作用时，由于坦帕湾潮汐较弱，潮程较短，坦帕湾跟其临近海域的水交换较弱，且主要发生在湾口附近，但当用于水交换的多个口门存在时，口门之间的潮流相位差可大大加速其内水体的水交换。坦帕湾海水滞留时间的长短和其三维环流的强弱有关，而河流和风通过加强坦帕湾的三维环流大大促进了湾内的水交换。在坦帕湾海水滞留时间的分布具有较大的空间差异：在航道和湾口处海水滞留时间较短，水交换较强，而在Old Tampa Bay的西侧和北侧，海水滞留时间较长，水交换能力较弱。论文同时针对滞留时间长于模拟计算时间的情况，采用双指数曲线拟合方法估算了这些区域滞留时间值。最后，论文将对坦帕湾水动力和海水滞留时间的研究应用到了坦帕湾可能的工程建设——坦帕湾航道的加深加宽。研究发现，坦帕湾航道加深加宽会导致湾内潮特性（如分潮振幅增加，分潮迟角降低）和非潮特性（如非潮流加强）发生变化，这可能会对海洋工程建设以及海洋生态产生较大影响。研究同时发现，航道加深加宽对坦帕湾的水交换有一定的促进作用。
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【学位授予单位】：中国海洋大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：P731.2

【参考文献】