象山港潮及其余流的數(shù)值研究.pdf

1、象山港作為浙江省最大的水產(chǎn)養(yǎng)殖基地，其海洋環(huán)境狀況受到大家的普遍重視，而對環(huán)流結(jié)構(gòu)及動力機制的清晰認(rèn)識是研究該海域環(huán)境問題的基礎(chǔ)。象山港周圍被低山丘陵所環(huán)繞，河流源近流短，故而風(fēng)和徑流對海灣環(huán)流的貢獻(xiàn)微弱。因此，屬于強潮海灣的象山港，潮致余流是該海域環(huán)流的主要分量。然而受制于人們對潮致余流的認(rèn)知水平，目前拉格朗日和歐拉時均意義的余流概念并存。為了探究何種時均意義下的潮致余流才能表征象山港的輸運結(jié)構(gòu)，本文利用數(shù)值模型分別模擬了該海域的拉格

2、朗日和歐拉余流結(jié)構(gòu)。通過與該海域鹽度分布的對比肯定了拉格朗日潮致余流在象山港的輸運作用，不僅為海灣環(huán)境保護(hù)提供了參考，具有切實的應(yīng)用意義，同時也豐富和完善了人們對潮致余流的認(rèn)識，具有重要的科學(xué)意義。
　　為增進(jìn)對象山港水動力場的了解，更為保證模型底摩擦參數(shù)化的精確性，研究組先后四次在象山港進(jìn)行原位觀測，取得了潮位、潮流資料。實測資料顯示，象山港潮是半日潮波，且具有兩個明顯特征：其一潮位不對稱性質(zhì)沿海灣發(fā)生反轉(zhuǎn)，由灣口的漲潮歷時短變

3、為灣頂?shù)臐q潮歷時長；其二盡管內(nèi)灣潮波變形劇烈，但漲、落潮流的峰值卻大致相當(dāng)，且漲潮流存在一大一小兩個峰值而落潮流只有一個峰值?；趯崪y資料建立起的一維潮波動力方程顯示象山港潮波主要為壓強梯度力項和局地加速度項平衡，壓強梯度力是驅(qū)動潮流形成單、雙峰結(jié)構(gòu)的主要原因。利用實測資料，本文分別通過潮波動力方程和湍流邊界層理論得到了底拖曳系數(shù)，量值為0.81×10-3和0.17×10-3,皆小于東中國海其他海域的研究結(jié)果，這可能是該海域布滿細(xì)顆粒沉

4、積物的結(jié)果。盡管兩種方法得到的底拖曳系處于同一量級，但其具體量值有明顯差別，究其原因是因為后者僅代表界面阻力，而前者還包含海域形狀阻力的貢獻(xiàn)。象山港岸線曲折，底形復(fù)雜，數(shù)值模型須充分考慮海灣形狀阻力的作用。
　　以實測結(jié)果為模型底應(yīng)力參數(shù)化方案的參考，以O(shè)TPS預(yù)報的水位數(shù)據(jù)為開邊界條件，本文建立起高分辨率的象山港FVCOM模型。通過與實測資料以及前人結(jié)果的對比，模型很好的再現(xiàn)了象山港潮波的主要特征，在潮位、潮流模擬方面具有相當(dāng)?shù)?/p>

5、精度，可以用來研究該海域的潮不對稱機制以及潮致余流場結(jié)構(gòu)。
　　本文首先利用該模型討論了引起象山港潮不對稱的各個非線性機制具體作用。數(shù)值結(jié)果顯示引起象山港潮不對稱的非線性機制可以分為具有相反作用的兩類：一類是淺水非線性和對流非線性，它們?nèi)菀自斐蓾q潮歷時短的不對稱；另一類是潮周期內(nèi)海灣寬度的變化，它則容易造成漲潮歷時長的不對稱。淺水非線性以及對流非線性在灣口處占主導(dǎo)地位，而在內(nèi)灣處，潮灘所引起的海灣寬度的變化則更重要，從而造成潮不對

6、稱性質(zhì)沿海灣的反轉(zhuǎn)。這兩類非線性機制產(chǎn)生的倍潮異位相，其效果可相互抵消。底摩擦的非線性作用對象山港的潮不對稱貢獻(xiàn)不大，其耗散作用則可使?jié)q潮歷時縮短。
　　再次，本文利用該模型討論了象山港的潮致余流輸運結(jié)構(gòu)。模式分別采用粒子追蹤方法和潮流定點周期平均的方式得到了象山港拉格朗日和歐拉潮致余流結(jié)構(gòu)，二者存在顯著不同。象山港外灣拉格朗日余流場可大致分為東西兩支，這兩支余流貫通南北，連接灣外南北海域。歐拉余流場則以“多渦”結(jié)構(gòu)為主，南北海域

7、不能通過余流相連通。歐拉余流在牛鼻水道斷面流向多次交錯，而拉格朗日余流則比較規(guī)律，呈現(xiàn)出東側(cè)入流西側(cè)出流的結(jié)構(gòu)，與實測鹽度斷面相吻合，說明拉格朗日余流才是造成象山港鹽度分布的基本動力機制。而且斷面統(tǒng)計的流量凈通量顯示拉格朗日余流可以保證物質(zhì)守恒性而歐拉余流則不能。故而拉格朗日余流才能真正代表潮致余流在象山港的輸運作用。
　　象山港外灣拉格朗日余流結(jié)構(gòu)與地形有密切關(guān)系，在牛鼻水道為東側(cè)深溝入流西側(cè)深溝出流的結(jié)構(gòu)，而在佛渡水道則為“深