沿岸上升流研究—观测、动力分析和模型

发布时间：2020-11-11 23:50

　　 走航观测、遥感、理论解和数值模型是物理海洋学研究的重要手段。本文综合利用以上手段,结合上升流指数,探讨风应力大小、风场持续时间、地形斜坡、潮混合、岬角以及近岸峡谷对近岸上升流的影响。 本论文首先基于遥感资料,利用离岸Ekman输运(U1W)和海表温度差(UISST)两类上升流指数(UI)来研究本格拉海域上升流系统的时空变化特征。因上升流可以加强近岸的初级生产力,本文以叶绿素α(Ch1-α)浓度作为参照,比较UISST和U1w两类上升流指数来量化上升流强度的优缺点,进一步讨论造成本格拉海域分别以UISST、UIWw和Chl-a指示上升流强度时空变化差异的原因。通过比较分析27-28。S区域的UISST、U1W和绝对动力地形(ADT)发现：上升流冷水区往外海延展受该区域反气旋涡位置的影响。此外,基于遥感卫星数据,本文探讨了2006年本格拉厄尔尼诺对上升流区的影响,以及在Hondeklip海岸和Columbine峡角区风场效应对上升流区形成的贡献。 其次,为了解释美国东西海岸上升流强度差异的机理,本文利用理想化的理论和数值模型来检验上升流对风场和地形斜坡的响应。研究结果表明：陡坡造成跨岸狭窄的表面Ekman辐散带和较大的垂向速度；可诱导上升流的风应力越大跨岸表面Ekman辐散带越宽广,垂直速度越大；风场持续时间对近岸上升流的宽度和强度起决定性作用。近岸上升流的发展程度可以用上升流年龄(upwelling age)来指示。上升流年龄定义为可诱导上升流的风场持续时间与密度跃层下冷水到海表所需要的对流时间的比值。对流时间由爬坡和涌升时间组成,后者与表层Ekman离岸输运造成的辐散有关。爬坡和涌升过程的分界点位于水深0.9DE处(DE为Ekman深度)。通过估算公式计算出来的对流时间与数值模型利用粒子轨迹分析得到的结果相一致。上升流年龄理论结果显示：相对于美国东西海岸地形斜坡的差异,不同的风场对两地上升流特征差异起更重要的作用。 再次,遥感海表面温度数据显示在非洲西北部沿岸上升流区跨岸最低海表温度的位置沿等深线分布,本文利用二维解析模型进一步解释该现象。模型综合考虑表底层的Ekman输运、沿岸地转流和底地形的变化。模型在实际地形下跨岸断面的垂直速度分布较好地解释了该断面海表温度降低的变化趋势。利用理想化的解析模型,探讨垂向粘性系数、科氏参数和跨岸风对跨岸最低海表温度位置的影响。实验结果显示：跨岸风场通过跨岸方向压力梯度的调整对最冷水上升至海表的位置具有显著的影响。该结果进一步得到遥感数据的证实：跨岸风应力与跨岸最低海表温度位置对应的水深之间的最大相关系数为-0.65,后者滞后于前者约一天。 最后,本文利用观测和数值模型手段综合研究台湾海峡北部夏季上升流的特征和机制。遥感数据资料显示其上升流区域呈条带状分布,同时在夏季至少持续 半时间。上升流的概率分布图显示上升流区存在两个低温核心,分别位于平潭岛岬角效应的下游和三沙湾外的近岸峡谷处。遥感数据分析和数值模型结果表明南风是该区域上升流条带状分布形成的主要动力,潮混合加强了垂向粘性系数导致上升流冷水带向外海移动。进一步理想化的模型结果表明垂直速度在岬角和近岸峡谷的下游变大,涡度方程应力平衡结果显示相对涡度沿着流线的变化和涡度摩擦扩散决定岬角和峡谷附近的垂直速度,相对涡度沿着流线的变化在其下游为正值,是该处上升流形成核心的机理。 总之,本文研究了利用UIw和UISST两类指数作为上升流强度指标的优缺点；拓展了上升流年龄理论使其包含爬坡和涌升过程,作为UIw新的上升流指标,其综合考虑了风场持续时间、风应力大小和地形斜坡的影响；同时本文进一步探讨动力因素对跨岸最大上升流强度位置的影响,以及上升流在岬角和近岸峡谷下游加强的原因,加深了对沿岸上升流的了解。
【学位单位】：厦门大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2013
【中图分类】：P731.2;P714.1
【文章目录】：
摘要
ABSTRACT
Chapter 1 INTRODUCTION
    1.1 Background
    1.2 Motivation
    1.3 A Brief Review of the Methodology
        1.3.1 Upwelling Indices
        1.3.2 In-situ Observations
        1.3.3 Remote Sensing
        1.3.4 Analytic Solution
        1.3.5 Numerical Model
        1.3.6 Combination of Multi-methodology
    1.4 Dissertation Outline
Chapter 2 BENGUELA UPWELLING STUDY USING UPWELLINGINDICES
    2.1 Introduction
    2.2 Data and Methods
    2.3 A Comparison of Upwelling Indices and Discussion
        2.3.1 Latitudinal Variation
        2.3.2 Seasonal Trend
        2.3.3 Interannual Evolution
    2.4 Summary
Chapter 3 ROLES OF SHELF SLOPE AND WIND IN UPWELLING
    3.1 Introduction
    3.2 Modeling Study
        3.2.1 Analytical Model
        3.2.2 Numerical Model
    3.3 Model Experiment Schemes and Results
        3.3.1 Model Experiment Schemes
        3.3.2 Analytical Model Results
        3.3.3 Numerical Model Results
        3.3.4 Comparison of Analtytical and Numerical Model Results
        3.3.5 Importance of Wind and Shelf Slope
        3.3.6 Particle Release Experiment and Advection Time
    3.4 Discussion
    3.5 Summary
Chapter 4 CROSS-SHORE MAXIMUM UPWELLING INTENSITY
    4.1 Introduction
    4.2 Data and Analytic Solution
    4.3 Results and Discussion
        4.3.1 Remote Sensing Observations and Analytic Solution Results
        4.3.2 Analytical Model Experiments
        4.3.3 Verification Using Remote Sensing Data
    4.4 Summary
Chapter 5 CAPE AND CANYON EFFECTS ON WIND-DRIVENUPWELLING
    5.1 Introduction
    5.2 Data,Theory and Numerical Model
        5.2.1 Hydrological Survey and Satellite Data
        5.2.2 Vorticity Equation
        5.2.3 Numerical Model Configurations and Control Experiments
    5.3 Evidence of Upwelling
        5.3.1 Hydrographic Survey Results
        5.3.2 Remote Sensing Results
        5.3.3 Model Results
    5.4 Mechanisms of Upwelling
        5.4.1 Effect of Tide
        5.4.2 Effect of Wind
        5.4.3 Effects of Cape and Coastal Canyon
    5.5 Discussion
    5.6 Summary
CHAPTER 6 CONCLUSIONS AND RECOMMENDATIONS
    6.1 Summary and Conclusions
        6.1.1 Comparison of Upwelling Indices
        6.1.2 Roles of Shelf Slope and Wind
        6.1.3 Cross-shore Maximum Upwelling
        6.1.4 Effects of Cape and Canyon
        6.1.5 Summary
    6.2 Recommendations
REFERENCES
APPENDIX A UPWELLING AREA IDENTIFICATION
APPENDIX B DERIVATION OF HORIZONTAL VELOCITY
APPENDIX C DYNAMIC EQUATIONS IN ROMS
ACKNOWLEDGEMENTS
PUBLICATIONS

【共引文献】

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本文编号：2879927