象山港潮及其余流的数值分析-numerical analysis of xiangshan harbor tide and other flows.docx

I I 象山港潮及其余流的数值研究 摘 要 象山港作为浙江省最大的水产养殖基地，其海洋环境状况受到大家的普遍重 视，而对环流结构及动力机制的清晰认识是研究该海域环境问题的基础。象山港 周围被低山丘陵所环绕，河流源近流短，故而风和径流对海湾环流的贡献微弱。 因此，属于强潮海湾的象山港，潮致余流是该海域环流的主要分量。然而受制于 人们对潮致余流的认知水平，目前拉格朗日和欧拉时均意义的余流概念并存。为 了探究何种时均意义下的潮致余流才能表征象山港的输运结构，本文利用数值模 型分别模拟了该海域的拉格朗日和欧拉余流结构。通过与该海域盐度分布的对比 肯定了拉格朗日潮致余流在象山港的输运作用，不仅为海湾环境保护提供了参考， 具有切实的应用意义，同时也丰富和完善了人们对潮致余流的认识，具有重要的 科学意义。 为增进对象山港水动力场的了解，更为保证模型底摩擦参数化的精确性，研 究组先后四次在象山港进行原位观测，取得了潮位、潮流资料。实测资料显示， 象山港潮是半日潮波，且具有两个明显特征：其一潮位不对称性质沿海湾发生反 转，由湾口的涨潮历时短变为湾顶的涨潮历时长；其二尽管内湾潮波变形剧烈， 但涨、落潮流的峰值却大致相当，且涨潮流存在一大一小两个峰值而落潮流只有 一个峰值。基于实测资料建立起的一维潮波动力方程显示象山港潮波主要为压强 梯度力项和局地加速度项平衡，压强梯度力是驱动潮流形成单、双峰结构的主要 原因。利用实测资料，本文分别通过潮波动力方程和湍流边界层理论得到了底拖 曳系数，量值为 0.81×10-3 和 0.17×10-3,皆小于东中国海其他海域的研究结果， 这可能是该海域布满细颗粒沉积物的结果。尽管两种方法得到的底拖曳系处于同 一量级，但其具体量值有明显差别，究其原因是因为后者仅代表界面阻力，而前 者还包含海域形状阻力的贡献。象山港岸线曲折，底形复杂，数值模型须充分考 虑海湾形状阻力的作用。 以实测结果为模型底应力参数化方案的参考，以 OTPS 预报的水位数据为开 边界条件，本文建立起高分辨率的象山港 FVCOM 模型。通过与实测资料以及前人 II II 结果的对比，模型很好的再现了象山港潮波的主要特征，在潮位、潮流模拟方面 具有相当的精度，可以用来研究该海域的潮不对称机制以及潮致余流场结构。 本文首先利用该模型讨论了引起象山港潮不对称的各个非线性机制具体作 用。数值结果显示引起象山港潮不对称的非线性机制可以分为具有相反作用的两 类：一类是浅水非线性和对流非线性，它们容易造成涨潮历时短的不对称；另一 类是潮周期内海湾宽度的变化，它则容易造成涨潮历时长的不对称。浅水非线性 以及对流非线性在湾口处占主导地位，而在内湾处，潮滩所引起的海湾宽度的变 化则更重要，从而造成潮不对称性质沿海湾的反转。这两类非线性机制产生的倍 潮异位相，其效果可相互抵消。底摩擦的非线性作用对象山港的潮不对称贡献不 大，其耗散作用则可使涨潮历时缩短。 再次，本文利用该模型讨论了象山港的潮致余流输运结构。模式分别采用粒 子追踪方法和潮流定点周期平均的方式得到了象山港拉格朗日和欧拉潮致余流 结构，二者存在显著不同。象山港外湾拉格朗日余流场可大致分为东西两支，这 两支余流贯通南北，连接湾外南北海域。欧拉余流场则以“多涡”结构为主，南 北海域不能通过余流相连通。欧拉余流在牛鼻水道断面流向多次交错，而拉格朗 日余流则比较规律，呈现出东侧入流西侧出流的结构，与实测盐度断面相吻合， 说明拉格朗日余流才是造成象山港盐度分布的基本动力机制。而且断面统计的流 量净通量显示拉格朗日余流可以保证物质守恒性而欧拉余流则不能。故而拉格朗 日余流才能真正代表潮致余流在象山港的输运作用。 象山港外湾拉格朗日余流结构与地形有密切关系，在牛鼻水道为东侧深沟入 流西侧深沟出流的结构，而在佛渡水道则为“深入浅出”的结构。非线性机制中 的对流项对形成此种环流结构贡献最大，而二次底摩擦、浅水非线性以及海湾宽 度变化所引入的非线性则对此结构影响不大。底摩擦的耗散作用对环流结构也有 明显影响，较强的底摩擦可促进牛鼻水道两岸的水交换。 关键词： 象山港；潮不对称；潮致余流；底拖曳系数；FVCOM； PAGE PAGE VI A model study of tide and its redidual current in Xiangshan Bay, East China Sea Abstract As the biggest aquaculture base in Zhejiang province, Xiangshan Bay draws much attention for its protection of marine environment. Hence it is necessary to iden