坦帕灣海洋環(huán)境動(dòng)力診斷和海水滯留時(shí)間的研究.pdf

1、本文采用有限體積方法、非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格和基于原始方程的近岸海洋模式FVCOM,建立了適用于坦帕灣的三維斜壓高分辨率數(shù)值模型。為了較準(zhǔn)確地模擬重要物質(zhì)輸運(yùn)通道(如航道、口門(mén)、橋洞、河道以及相鄰的水道)對(duì)坦帕灣水動(dòng)力和水交換的影響,模型設(shè)計(jì)網(wǎng)格大幅提高了在這些部分的分辨率(最高分辨率達(dá)20m)。通過(guò)較為滿意的觀測(cè)與模擬資料的對(duì)比以及相對(duì)于之前的坦帕灣模擬結(jié)果的改進(jìn),作者對(duì)所建立模型的合理性進(jìn)行了驗(yàn)證。
　　基于已經(jīng)建立的坦帕灣高分辨率數(shù)值模

2、型,論文以2001年秋季為例,首先模擬分析了坦帕灣的環(huán)流特性。主要包括坦帕灣在潮汐和河流,以及潮汐、河流和風(fēng)兩種作用情況下的潮特性,如潮位和潮流,以及非潮特性,如非潮水位(non-tidal elevation)、非潮流場(chǎng)(non-tidal current)、非潮鹽度場(chǎng)(non-tidal salinity)等的分布。論文總結(jié)了坦帕灣潮特性的相關(guān)規(guī)律,分析了重力對(duì)流和風(fēng)對(duì)坦帕灣環(huán)流結(jié)構(gòu)的影響。研究發(fā)現(xiàn),在潮汐和河流的共同影響下,經(jīng)典的

3、河口兩層環(huán)流結(jié)構(gòu)在坦帕灣得以建立(表層流向?yàn)惩?底層流向?yàn)硟?nèi)),并且在航道處的非潮水位較低,非潮流場(chǎng)較強(qiáng)。由灣內(nèi)指向?yàn)惩夥较?2001年秋季)的風(fēng)應(yīng)力促進(jìn)了坦帕灣流向?yàn)惩獾谋韺恿?同時(shí)水位梯度力發(fā)生了反轉(zhuǎn),變成了由灣口指向?yàn)稠?這同時(shí)又加強(qiáng)了流向?yàn)硟?nèi)的底層流。在淺水區(qū),風(fēng)應(yīng)力通過(guò)湍流混合可影響到底層,從而使淺水區(qū)域的表層和底層都有和風(fēng)向近乎一致的流動(dòng)。在深水區(qū),表層流的變化多和風(fēng)應(yīng)力的方向一致,底層流的變化多和風(fēng)應(yīng)力的方向相反。

4、　　接著,論文對(duì)坦帕灣的鹽平衡進(jìn)行了系統(tǒng)的診斷分析,包括基于鹽輸運(yùn)方程的鹽平衡的逐項(xiàng)分析,水平和垂直鹽對(duì)流項(xiàng)的分解,以及三維結(jié)構(gòu)的鹽通量的診斷。研究發(fā)現(xiàn),坦帕灣灣內(nèi)任意位置的鹽平衡和鹽通量都是完全的三維結(jié)構(gòu)。從三個(gè)月的平均來(lái)看,總的鹽對(duì)流(水平方向加垂直方向)主要由垂向鹽擴(kuò)散來(lái)平衡,但在航道底部,水平鹽擴(kuò)散的作用同樣不可忽略。從瞬時(shí)鹽平衡來(lái)看,鹽度的變化主要由總的鹽對(duì)流來(lái)決定,垂直鹽擴(kuò)散以及航道底部的水平鹽擴(kuò)散同樣發(fā)揮作用,但作用相對(duì)較

5、小。和平均流有關(guān)的鹽對(duì)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,當(dāng)對(duì)它們求和時(shí),得到一個(gè)非常小但卻非常重要的量。和潮汐泵(tidal pumping)有關(guān)的鹽對(duì)流在水平方向和垂向方向的量值相對(duì)較小,并且也存在相互抵消的趨勢(shì),當(dāng)對(duì)它們求和時(shí),得到一個(gè)與總的平均流部分的鹽對(duì)流量級(jí)相等的量。受地形(如航道)以及河流淡水的影響,在不同斷面的軸向鹽通量的分布并不相同,但不管它們?nèi)绾巫兓?與平均流有關(guān)的軸向鹽通量要比與潮汐泵有關(guān)的軸向鹽

6、通量大一個(gè)數(shù)量級(jí)。
　　其次,論文通過(guò)對(duì)坦帕灣以及其灣內(nèi)5個(gè)主要子區(qū)域的示蹤物濃度的數(shù)值模擬,分析了潮汐、河流、風(fēng)以及復(fù)雜地形(如航道、口門(mén))對(duì)滯留時(shí)間的影響,并研究分析了產(chǎn)生這些影響的原因。研究發(fā)現(xiàn),潮汐單獨(dú)作用時(shí),由于坦帕灣潮汐較弱,潮程較短,坦帕灣跟其臨近海域的水交換較弱,且主要發(fā)生在灣口附近,但當(dāng)用于水交換的多個(gè)口門(mén)存在時(shí),口門(mén)之間的潮流相位差可大大加速其內(nèi)水體的水交換。坦帕灣海水滯留時(shí)間的長(zhǎng)短和其三維環(huán)流的強(qiáng)弱有關(guān),而河

7、流和風(fēng)通過(guò)加強(qiáng)坦帕灣的三維環(huán)流大大促進(jìn)了灣內(nèi)的水交換。在坦帕灣海水滯留時(shí)間的分布具有較大的空間差異:在航道和灣口處海水滯留時(shí)間較短,水交換較強(qiáng),而在Old Tampa Bay的西側(cè)和北側(cè),海水滯留時(shí)間較長(zhǎng),水交換能力較弱。論文同時(shí)針對(duì)滯留時(shí)間長(zhǎng)于模擬計(jì)算時(shí)間的情況,采用雙指數(shù)曲線擬合方法估算了這些區(qū)域滯留時(shí)間值。
　　最后,論文將對(duì)坦帕灣水動(dòng)力和海水滯留時(shí)間的研究應(yīng)用到了坦帕灣可能的工程建設(shè)——坦帕灣航道的加深加寬。研究發(fā)現(xiàn),坦帕