用SOM神经网络方法研究长江冲淡水的多尺度时空变化规律

发布时间：2020-07-17 22:18

【摘要】：长江冲淡水与周围海水发生混合、层化作用,对东海及其相邻海区环流结构、水团组成、泥沙沉淀、生态环境和海洋生产力有重要影响。以往对长江冲淡水的研究已经相当充分,但多为定常态和瞬时场的分析,或者用经验正交函数(EOF)进行线性分解。这些均不能简洁而又客观地再现复杂动力条件下长江冲淡水的扩展方式和机制。本文运用神经网络SOM(self-organizing map)方法,对数值模型ECOM-si在真实动力条件下模拟结果进行数据特征提取和模态识别分析。模态结果展现了长江冲淡水区域的表层盐度和温度场的季节变化过程和潮汐变化特征,后聚焦于浙闽沿岸的穿刺锋现象,进一步研究了浙闽沿岸穿刺锋发生的时空规律及动力机制。长江口及其邻近海域全年的海表温度和盐度变化可以运用SOM方法分别聚类分析为9个模态,每一时刻对应其中一个模态。模态不仅展现出长江冲淡水的季节性变化特征,而且可以区分冲淡水大小潮以及天气尺度的变化特征。冬季长江冲淡水向南沿浙闽沿岸扩展,流幅较窄,冲淡水区形成一个低温带。黄海西海岸存在冷水区,向东南方向延伸成为低温水舌,由于该低温水舌与黑潮和台湾暖流区域的水体温差较大,从而产生了较大的温度梯度。夏季长江冲淡水的扩展范围增大,出口门后先顺势向东南方向流动,后转向东北方向,其低盐水舌可延伸至济州岛附近,夏季时苏北低温区范围减小,向东南方向扩展的低温水舌范围减弱。浙江近海特别是舟山群岛附近存在低温区,它产生于春季,在夏季时最为强盛。春、秋两季长江冲淡水处于转向时期,扩展范围和方向及其温度的分布变化都处于冬夏季间的过渡阶段。短时间尺度较稳定时期的冲淡水具有潮汐特征的周期性变化。小潮期间冲淡水表层的扩展范围较大,海表温度相对较高,而大潮期间冲淡水扩展范围小,海表温度较低。这是由于小潮期间水体垂向混合较弱,冲淡水更容易浮在水体表面有利于扩展,夏季表层的暖水与底层冷水混合减弱,使表层暖水的温度较高;大潮期间水体垂向混合较强,导致了相反的结果。运用SOM方法聚焦于浙闽沿岸穿刺锋面的分析,可以有效的识别出穿刺锋面发生的时间、位置以及形态,也可以对该海域的快速变化的表层流场进行分类识别。研究表明穿刺锋面最常出现的月份是每年的十到十一月份,有时也会发生在秋季和冬季的其它月份,在此期间出现的穿刺锋面伸展的方向全部都向东或者东南。夏季七、八和九月中上旬偶尔也会发生时间短跨度小的穿刺现象,形态为向东北方向延伸。穿刺锋面出现在28°N到30°N之间,特别是在28.5°N到29.5°N之间的区域,穿刺锋面出现较为频繁。穿刺锋发生时的流场方向和大小是交替变化的,并且常有向南的表层沿岸流,外海区域常有离岸流和涡旋出现。最后,本文对穿刺锋面产生的机制进行了探讨。28°N到30°N之间的区域是潮汐辐散区,潮汐引起的垂向混合减弱,容易引发水体跃层的波动,使海区域易发生穿刺现象。同时,十月和十一月份浙闽海域的海表高度造成的正压梯度力有利于长江冲淡水在浙闽沿岸产生穿刺锋面。风场是驱动穿刺锋面发生的重要因素,长时间强劲的偏北风和偏东北风过后,有利于穿刺锋的发生,风速较小的偏北风和东南风有利于穿刺锋面的维持,有时也会促成穿刺锋的产生。
【学位授予单位】：华东师范大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：P731.2
【图文】：

地形图,邻近海域,长江口,地形图

观测所得的长江冲淡水只能体现某一短时期的冲淡水分布形态。从以往的观测资料看，不同航次观测得到的冲淡水分布形态相差甚大。而且，现场大面调查往往无法对穿刺锋面等重要的冲淡水次级结构进行有效观测。卫星遥感对海表面温度等信息可以做较好的反演，但是它往往受到云量覆盖的影响，而且无法对更能代表冲淡水性质的盐度进行监测。因此，本研究采用数值模拟的方法，对长江冲淡水在真实动力条件下的多时空尺度变化进行模拟。为了有效地解析数值模拟得到的长江冲淡水影响区域海表

范围,课题组,模式,使用模型

19图 2.1 模型网格范围2.3 小结本章对本课题组所使用的三维数值模式 ECOM-si 做了介绍，包括模式源和算法，近年来本课题组对模式的改进，以及模式的控制方程、初始边界和潮滩动边界进行介绍。并介绍了本文使用模型的网格范围、初始和边界条选取，以及资料来源。

工程图,深水航道,工程,北槽

图 3.1 原模型地形（a），添加横沙东滩工程（粗黑线圈内区域）和北槽深水航道工程后（深灰色线段）模型地形（b）长江河口经过长期发展演变，形成三级分汊，四口入海的格局。它属于中等潮汐强度的部分混合型河口，地形复杂，拦门沙堆积量巨大，对航运事业造成了巨大的影响。1958 年以来，为了改善航运能力、调整河口流场，众多专家学者对长江口治理提出各种方案，最终确定在北槽修建长江口深水航道（范期锦，2005）。长江口的深水航道工程位于北槽的两侧，开始于 1998 年，2010 年完工。全部工程分为三期建设，分别完成水深为 8.5m、10.0m、12.5m 的建设目标，共修建了总长 92.5km 南北导堤，底宽 350-400 m 的双向航道（图 3.1）。初期深水航道的岛提丁坝高出海平面（八五高程）约 0.34m，在许多地方比原始的河床要高 4-8m。因此，它显著地阻挡了水流的跨导堤交换。2010 年以来南导堤丁坝被进一步加高至平均海平面以上 1.9m，且新建了挡沙堤，这更加阻挡了导堤两侧

【参考文献】