象山港潮及其余流的数值研究

发布时间：2020-07-16 20:05

【摘要】：象山港作为浙江省最大的水产养殖基地，其海洋环境状况受到大家的普遍重视，而对环流结构及动力机制的清晰认识是研究该海域环境问题的基础。象山港周围被低山丘陵所环绕，河流源近流短，故而风和径流对海湾环流的贡献微弱。因此，属于强潮海湾的象山港，潮致余流是该海域环流的主要分量。然而受制于人们对潮致余流的认知水平，目前拉格朗日和欧拉时均意义的余流概念并存。为了探究何种时均意义下的潮致余流才能表征象山港的输运结构，本文利用数值模型分别模拟了该海域的拉格朗日和欧拉余流结构。通过与该海域盐度分布的对比肯定了拉格朗日潮致余流在象山港的输运作用，不仅为海湾环境保护提供了参考，具有切实的应用意义，同时也丰富和完善了人们对潮致余流的认识，具有重要的科学意义。为增进对象山港水动力场的了解，更为保证模型底摩擦参数化的精确性，研究组先后四次在象山港进行原位观测，取得了潮位、潮流资料。实测资料显示，象山港潮是半日潮波，且具有两个明显特征：其一潮位不对称性质沿海湾发生反转，由湾口的涨潮历时短变为湾顶的涨潮历时长；其二尽管内湾潮波变形剧烈，但涨、落潮流的峰值却大致相当，且涨潮流存在一大一小两个峰值而落潮流只有一个峰值。基于实测资料建立起的一维潮波动力方程显示象山港潮波主要为压强梯度力项和局地加速度项平衡，压强梯度力是驱动潮流形成单、双峰结构的主要原因。利用实测资料，本文分别通过潮波动力方程和湍流边界层理论得到了底拖曳系数，量值为0.81×10-3和0.17×10-3,皆小于东中国海其他海域的研究结果，这可能是该海域布满细颗粒沉积物的结果。尽管两种方法得到的底拖曳系处于同一量级，但其具体量值有明显差别，究其原因是因为后者仅代表界面阻力，而前者还包含海域形状阻力的贡献。象山港岸线曲折，底形复杂，数值模型须充分考虑海湾形状阻力的作用。以实测结果为模型底应力参数化方案的参考，以OTPS预报的水位数据为开边界条件，本文建立起高分辨率的象山港FVCOM模型。通过与实测资料以及前人结果的对比，模型很好的再现了象山港潮波的主要特征，在潮位、潮流模拟方面具有相当的精度，可以用来研究该海域的潮不对称机制以及潮致余流场结构。本文首先利用该模型讨论了引起象山港潮不对称的各个非线性机制具体作用。数值结果显示引起象山港潮不对称的非线性机制可以分为具有相反作用的两类：一类是浅水非线性和对流非线性，它们容易造成涨潮历时短的不对称；另一类是潮周期内海湾宽度的变化，它则容易造成涨潮历时长的不对称。浅水非线性以及对流非线性在湾口处占主导地位，而在内湾处，潮滩所引起的海湾宽度的变化则更重要，从而造成潮不对称性质沿海湾的反转。这两类非线性机制产生的倍潮异位相，其效果可相互抵消。底摩擦的非线性作用对象山港的潮不对称贡献不大，其耗散作用则可使涨潮历时缩短。再次，本文利用该模型讨论了象山港的潮致余流输运结构。模式分别采用粒子追踪方法和潮流定点周期平均的方式得到了象山港拉格朗日和欧拉潮致余流结构，二者存在显著不同。象山港外湾拉格朗日余流场可大致分为东西两支，这两支余流贯通南北，连接湾外南北海域。欧拉余流场则以“多涡”结构为主，南北海域不能通过余流相连通。欧拉余流在牛鼻水道断面流向多次交错，而拉格朗日余流则比较规律，呈现出东侧入流西侧出流的结构，与实测盐度断面相吻合，说明拉格朗日余流才是造成象山港盐度分布的基本动力机制。而且断面统计的流量净通量显示拉格朗日余流可以保证物质守恒性而欧拉余流则不能。故而拉格朗日余流才能真正代表潮致余流在象山港的输运作用。象山港外湾拉格朗日余流结构与地形有密切关系，在牛鼻水道为东侧深沟入流西侧深沟出流的结构，而在佛渡水道则为“深入浅出”的结构。非线性机制中的对流项对形成此种环流结构贡献最大，而二次底摩擦、浅水非线性以及海湾宽度变化所引入的非线性则对此结构影响不大。底摩擦的耗散作用对环流结构也有明显影响，较强的底摩擦可促进牛鼻水道两岸的水交换。
【学位授予单位】：中国海洋大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：P731.2
【图文】：

象山港,潮滩

图 1-1 象山港区域地形图其中红色区域为潮滩，而左上角子图则标示了象山港在东中国海的位置。《中国海湾志》（1992）给出了象山港基本的潮汐潮流特征：象山港的潮振动是太平洋潮波传入东海后所引起的谐振动，它是典型的半日潮港，除口门外的钱仓站外，浅水分潮均十分显著；象山港潮差较大，自口门至湾顶增长明显；海湾中潮不对称现象明显，涨潮历时大于落潮历时，且越往湾内涨潮历时越长。对于该海域潮不对称的现象，研究者做了大量工作探讨其潮波变形机制及控制因子。蔡伟章等（1985）通过分析实测流速资料，认为该海域潮不对称现象的产生是受 1/4 日分潮共振和湾内大面积潮滩的共同影响。但浙江沿岸的几个主要河口和海湾都存在大片潮滩，象山港内的潮滩面积或面积比例均不是最大的，但其潮不对称却是最激烈的（Gao 等，1990；陈耕心和许卫忆，1992），因此也有学者认为象山港的潮波变形可能受其他因素的控制。董礼先和苏纪兰（1999a）

示意图,流速,坐标,示意图

图2-1 ADCP以beam坐标记录流速示意图“方差法”是基于雷诺应力的定义，利用ADCP以beam坐标系记录的原始流速bi（i=1,2,3,4）经过一系列的数学运算最终得到该湍流参量的方法。根据ADCP的方向角即Heading（φ1）、和姿态角即Pitch（φ2）和Roll（φ3），以及四beam与仪器中心轴（即z方向）夹角θ（本文为20°），可得beam坐标系下记录的原始流速bi（即沿beam方向的流速）与笛卡尔坐标系下ui，vi和wi（i=1,2,3,4）的转换关系1 1 3 1 3 1 2b -u (sin cos ) - w (cos - sin ) v cos (2.3)2 2 3 2 3 2 2b u (sin - cos ) - w (cos + sin ) v cos (2.4)3 3 2 3 2 3 3b -v (sin - cos ) - w (cos + sin )-u cos (2.5)b -v (sin + cos ) - w (cos - sin )-u cos

观测站,站位,象山港

242.2. 观测方案的具体实施以及象山港的潮汐、潮流特征图2-2 观测站位分布三角形（B1-B3）代表同时观测潮位和潮流的站位，而方形（D1-D2）则为只有潮位观测的站位,星形站位（A3-A5,A1-A2）所标示断面为董礼先和苏纪兰（2000a）的观测位置。图中虚线所示为本文图 4-4 中断面所在位置，而左上角的子图则表示象山港在东海中的位置。为了测得潮动力平衡方程中的各项以及该海域高频湍流脉动数据，研究组沿海湾主轴（图2-2中B1、B2和B3站）布放三个海床基平台（图2-3），其中B3站的设计站位位于航道之上，实际布放位置更偏向岸边，但该处海湾宽度不足5 km，主轴、岸边处水位差别微小，对压强梯度的计算影响不大。坐底平台上配备RDI WH600kHz ADCP一台

【引证文献】