一般非線性河口和近海中環(huán)流與長期輸運(yùn)問題的研究及其初步應(yīng)用.pdf

1、隨著海洋開發(fā)和利用的迅速發(fā)展，海洋，尤其是淺海海域的環(huán)境污染問題日益嚴(yán)重。海洋環(huán)境的一個最典型特點(diǎn)就是海水處于無時無刻的運(yùn)動之中，海水的各項(xiàng)物理性質(zhì)、海洋中的各種物質(zhì)也隨之運(yùn)動。因而，除了各個界面的輸入輸出以及生物地球化學(xué)作用外，物質(zhì)在海洋中的時空分布就主要取決于海水的運(yùn)動。而近海物質(zhì)的長期遷移則主要取決于近海的環(huán)流而非潮流，因此，淺海環(huán)流問題成為淺海環(huán)境研究中的一個核心問題。 環(huán)流，是指海洋中時間平均的準(zhǔn)定常流動。馮士榨、R.

2、T.Cheng及其合作者自上世紀(jì)八十年代以來逐步發(fā)展和建立了在潮占優(yōu)的對流弱非線性系統(tǒng)中的Lagrange余環(huán)流和長期輸運(yùn)理論，并在全球多個近海海域獲得較好的應(yīng)用。但是在近岸極淺海區(qū)或地形、岸線變化劇烈處，由于非線性效應(yīng)的增強(qiáng)，對流弱非線性的假定不復(fù)存在，其模擬結(jié)果就有待商榷了。因此，無論從實(shí)際應(yīng)用的角度來講，還是從理論發(fā)展的邏輯上來看，發(fā)展和建立一個一般非線性的淺海或河口系統(tǒng)中的Lagrange余環(huán)流和長期輸運(yùn)理論是必要的，也是重要的

3、。 本文在一個潮流占優(yōu)的、雙時間尺度的非線性動力一熱力學(xué)系統(tǒng)中，通過理論分析從三方面嚴(yán)格證明了在淺海系統(tǒng)中，以Lagrange時均速度作為其環(huán)流速度是正確的、合理的。首先，在滿足了約束條件——標(biāo)識流體微團(tuán)的凈位移的尺度小于流場水平尺度——的前提下，一般非線性下的Lagrange平均速度可用來表達(dá)環(huán)流尺度下的瞬時速度；也就是說用以平均的時間不能太長。其次，該Lagrange余速速必須為一管量場，即滿足不可壓縮流體的連續(xù)性方程。最后

4、，也是非常重要的一點(diǎn)是，一般非線性下的Lagrange余速度被證明滿足物質(zhì)面守恒方程。我們發(fā)現(xiàn)在一般非線性系統(tǒng)中，Lagrange余速度場不再是一個單一的速度場，而是具有無窮多個速度場，每個速度場對應(yīng)于一個初始位相值。 長期輸運(yùn)過程緊密聯(lián)系著、甚至非線性耦合著環(huán)流場，我們導(dǎo)出了一般非線性系統(tǒng)中的長期(inter-tidal)輸運(yùn)方程，這時的對流輸運(yùn)速度是Lagrange余速度。此時的濃度場也不再是傳統(tǒng)意義上原始濃度的Euler時

5、均場，商是在環(huán)流尺度上變化的濃度場，與速度場一樣，當(dāng)初始位相在一個潮周期內(nèi)連續(xù)變化時，濃度場也隨之表現(xiàn)為無窮多個時空場。通過構(gòu)造不同地形和岸線形狀的模型海，利用一般非線性下Lagrange余速度的定義，本論文數(shù)值模擬了在不同初始位相下的Lagrange余速度及濃度分布，結(jié)果發(fā)現(xiàn)隨著系統(tǒng)對流非線性的增強(qiáng)，Lagrange余速度和濃度場對初始位相的依賴性越來越顯著，從數(shù)值上展示和說明了該理論的正確性。而且發(fā)現(xiàn)在一般非線性淺海動力學(xué)系統(tǒng)中，僅

6、以參數(shù)k(參看Feng，1987)來衡量系統(tǒng)的非線性效應(yīng)是不完備的，尤其是在底形、岸線變化劇烈的海區(qū)，衡量參數(shù)建議變?yōu)閗·，其中，λ為潮波波長，L為局地流場的水平尺度。 渤海是我國研究得比較多的一個海區(qū)，但迄今為止，有關(guān)渤海環(huán)流問題還沒有一個能獲得大家完全認(rèn)同的結(jié)果。在本文中，根據(jù)一般非線性下的Lagrange余環(huán)流理論，采用較新的地形數(shù)據(jù)，在1×1的高分辨率網(wǎng)格上，模擬了渤海在M<,2>分潮驅(qū)動下的Lagrange余環(huán)流。結(jié)果