發(fā)布時間：2017-05-20 21:07

  本文關鍵詞：長江入海水沙輸運擴散，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

【摘要】：長江是中國徑流量最大的河流,輸沙量全國第二。大量徑流入海,使得長江口外常年存在沖淡水。長江沖淡水有著十分明顯的季節(jié)性變化規(guī)律,夏季沖淡水的擴散最為顯著。由于夏季徑流量巨大,沖淡水進入外海后浮于水體上層形成羽狀鋒,在潮流、夏季風等作用下向東北方向擴散可達到濟州島海域。冬季長江徑流量在一年中最小,沖淡水沿岸向南擴展,范圍也最不顯著。長江水體具有一定的含沙量,大量泥沙被輸運至口門及外海,輸沙量也存在明顯的季節(jié)性變化,這對長江口的水下地形構造、航道疏浚和圍墾工程等產(chǎn)生影響。研究沖淡水的季節(jié)性變化特征對研究長江口外物質輸運、生物地球化學過程等都具有重要的意義。本文基于多年長江口外大規(guī)模走航觀測資料,分析長江沖淡水在夏季、冬季及春季常態(tài)情況下的空間分布特征,包括沖淡水平面擴散特征及垂向結構特征。同時由于夏季沖淡水特征最為顯著,本文著重分析了夏季臺風過境,低徑流條件和高徑流條件下沖淡水分布所受的影響。觀測資料表明,夏季、冬季和春季沖淡水主軸方向分別指向東北、東和南；臺風過境對沖淡水的平面及垂向分布均造成顯著的影響；在較低徑流量條件下,沖淡水擴散的路徑變化不大,主要表現(xiàn)為擴展的范圍明顯小于夏季常態(tài)情況下的擴散范圍;在高徑流條件下,長江口門附近淡水分布與常年區(qū)別不大,而離岸海區(qū)上層水體鹽度值比常年偏低。為了對長江口外沖淡水及物質輸運的季節(jié)性變化從動力學角度進行分析研究,并對極端天氣(臺風)和徑流量突變情況下長江口外沖淡水的響應機制進行定量探討,本文在ECOM-si基礎上建立三維水動力泥沙數(shù)值模式,模式計算區(qū)域覆蓋了長江大通站以下的河道和整個渤海、黃海和東海。模式綜合考慮了徑流、風、潮汐和陸架環(huán)流等作用；采用高階HSIMT-TVD格式對物質平流項進行求解,保證數(shù)值計算無頻散；采用CUDA并行計算技術,在不損失計算精度的情況下大幅提高了數(shù)值計算的效率;由于長江口地形十分復雜,潮灘眾多,模式使用干濕判別法處理潮灘動邊界。由于長江口外海域開闊,風程較長,風應力對整個海區(qū)的作用較為明顯,故對風場計算的精度要求較高,故本文建立WRF風場模型,模型為二重嵌套,第一重覆蓋整個西太平洋,第二重嵌套包含了水動力模式。由于長江口及鄰近海域水深較淺,波浪作用明顯,本文還建立了覆蓋渤海、黃海和東海的SWAN波浪模型,為水動力泥沙模型提供波浪參數(shù)條件�；诖罅繉崪y資料對本文建立的各個數(shù)值模型進行驗證。對WRF模式的驗證包括氣象測站的風速、風向驗證及臺風路徑驗證。對SWAN模式的驗證包括有效波高,波周期。對三維水動力泥沙模型的驗證包括整個海區(qū)海岸的水位、野外船測定點的流速、流向、鹽度、含沙量的隨時間變化序列,及東海大規(guī)模觀測的鹽度平面分布及斷面分布、斷面過水通量及懸沙濃度的平面分布。驗證結果表明,建立的模式能夠很好地反映出長江口外海域各水文和泥沙要素的分布及變化特征。由于夏季時有臺風經(jīng)過長江口外海域,本文基于2014年8號“浣熊”臺風的路徑,設計了三組不同臺風路徑的數(shù)值試驗,進而對不同臺風過境情況下長江沖淡水輸運擴散所受影響進行分析討論。臺風中心過境前,臺風風圈已經(jīng)影響到長江口外海域,引起余流場顯著變化并導致長江口外沖淡水向北偏轉；臺風過境時臺風引起的強烈混合作用使得沖淡水垂向結構發(fā)生顯著變化,臺風過境后當風況條件恢復至夏季常態(tài)情況長江口沖淡水的平面和垂向結構進入重塑階段,重塑期在一周左右。通過模式徑流邊界上在短時間內(nèi)增加長江徑流量,進而研究長江口外沖淡水區(qū)域鹽度對徑流量變化的響應過程及響應時間。本文中沖淡水區(qū)域鹽度對徑流變化的響應時間定義為鹽度變化達到最大值的10%的時刻與徑流開始變化時刻的時間差。在模式中,通過在大潮和小潮期間短時間內(nèi)增加大通徑流量,得到長江口外沖淡水區(qū)域對徑流變化的響應過程及響應時間。模式結果表明,在夏季長江口門附近表層鹽度對徑流的響應時間在1天左右,在沖淡水外緣響應時間超過15天,且大小潮變化對響應時間無太大影響。長江口外淡水體積和水體垂向結構對徑流變化的響應過程也做了一定的研究。冬季、春季和秋季沖淡水對徑流變化的響應過程和響應時間也在文中加以研究。針對溶解的輸運擴散問題,通過采用水齡的計算方法分析了溶解物從大通輸運至長江口外的時間尺度,數(shù)值試驗結果表明水齡分布的范圍及量值都具有十分明顯的季節(jié)性變化,其中冬季長江口門水齡在40天左右,夏季長江口門水齡在10天左右。通過設置無風和無潮汐作用的數(shù)值試驗,探討了風和潮汐對水齡的平面分布的作用,結果表明風和潮汐對水齡分布的影響都十分顯著,在無風的情況下水齡在各個季節(jié)分布特征相同,只是由于各個季節(jié)流量大小不同導致口外各區(qū)域的水齡大小不同；在無潮汐作用下,水齡更多地沿岸分布。針對長江口及鄰近海域懸浮泥沙分布的季節(jié)性變化,本文基于近十幾年來的觀測資料對長江口外懸沙濃度的平面及垂向分布進行描述；基于1998年至2014年逐年平均的表層含沙量的衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)分析了長江口及鄰近海域表層懸沙分布的年際變化特征,同時利用經(jīng)驗正交函數(shù)(EOF)對2003年至2014年各個季節(jié)表層懸沙分布的變化進行分解,進而得到長江口及鄰近海域表層懸沙分布的季節(jié)性變化特征。利用三維水動力泥沙模型計算了氣候態(tài)情況下長江口外懸沙濃度的季節(jié)性分布特征。通過設置單因子數(shù)值試驗分析了風浪和陸架環(huán)流對長江入海泥沙輸運的影響,得出波浪的作用在冬季更為明顯,陸架環(huán)流作用在夏季更為明顯。
【關鍵詞】：長江河口 徑流量 沖淡水 數(shù)值模擬 響應時間 懸浮泥沙 季節(jié)性變化
【學位授予單位】：華東師范大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：TV148
【目錄】：

• 論文摘要7-10
• Abstract10-16
• 圖目錄16-20
• 表目錄20-21
• 第一章 緒論21-30
• 1.1 研究背景和意義21-24
• 1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀24-28
• 1.2.1 國內(nèi)外入海水沙的研究現(xiàn)狀24-25
• 1.2.2 數(shù)學模型的研究現(xiàn)狀25-28
• 1.2.2.1 水動力和泥沙模型25-27
• 1.2.2.2 波浪模型27
• 1.2.2.3 風場模型27-28
• 1.3 尚存在的問題28
• 1.4 本文的工作28-30
• 第二章 三維水動力泥沙數(shù)值模式介紹及驗證30-79
• 2.1 水動力泥沙模式介紹30-44
• 2.1.1 控制方程組30-38
• 2.1.1.1 水動力模塊30-34
• 2.1.1.2 泥沙模塊34-38
• 2.1.2 初始條件38
• 2.1.3 邊界條件38-41
• 2.1.4 數(shù)值求解方法41-43
• 2.1.5 CUDA并行計算43-44
• 2.2 WRF風場模式44-45
• 2.3 SWAN波浪模式45
• 2.4 模型設置45-52
• 2.4.1 ECOM模式設置45-51
• 2.4.2 WRF模式設置51-52
• 2.4.3 SWAN模式設置52
• 2.5 模式的驗證52-77
• 2.5.1 WRF模式驗證53-57
• 2.5.2 SWAN模式的驗證57-59
• 2.5.3 水動力泥沙模式驗證59-77
• 2.5.3.1 水位59-66
• 2.5.3.2 長江口門流速、流向、鹽度及懸沙濃度66-70
• 2.5.3.3 長江口外流速流向70-74
• 2.5.3.4 長江口外鹽度分布74-76
• 2.5.3.5 長江口外懸沙濃度76-77
• 2.6 小結77-79
• 第三章 長江沖淡水季節(jié)性變化特征79-90
• 3.1 夏季沖淡水79-86
• 3.1.1 夏季氣候態(tài)79-81
• 3.1.2 臺風過境81-84
• 3.1.3 低徑流量84-85
• 3.1.4 高徑流量85-86
• 3.2 冬季沖淡水86-88
• 3.3 春季沖淡水88
• 3.4 小結88-90
• 第四章 臺風對長江沖淡水擴散的影響90-107
• 4.1 數(shù)值試驗設置90-93
• 4.2 臺風對沖淡水擴散的影響93-105
• 4.2.1 對表層流場及垂向湍能混合的影響93-95
• 4.2.2 對表層沖淡水平面分布影響95-99
• 4.2.3 對垂向分層的影響99-105
• 4.2.3.1 垂向分層空間變化100-104
• 4.2.3.2 垂向分層時間變化104-105
• 4.3 小結105-107
• 第五章 長江沖淡水對上游徑流的響應時間107-142
• 5.1 研究背景和意義107-109
• 5.2 數(shù)值試驗設置109-111
• 5.3 沖淡水對徑流變化的響應過程及響應時間111-136
• 5.3.1 夏季沖淡水對徑流變化的響應過程及響應時間111-124
• 5.3.1.1 夏季控制試驗111-113
• 5.3.1.2 口外表層鹽度對徑流變化的響應113-119
• 5.3.1.3 口外沖淡水垂向結構對徑流變化的響應119-121
• 5.3.1.4 口外咸淡水體積對徑流變化的響應121-122
• 5.3.1.5 大通徑流量變化量對響應時間的影響122-124
• 5.3.2 冬季沖淡水對徑流變化的響應過程及響應時間124-128
• 5.3.2.1 冬季控制試驗124-125
• 5.3.2.2 口外表層鹽度對徑流變化的響應及響應時間125-128
• 5.3.3 春季沖淡水對徑流變化的響應過程及響應時間128-132
• 5.3.3.1 春季控制試驗128-129
• 5.3.3.2 口外表層鹽度對徑流變化的響應及響應時間129-132
• 5.3.4 秋季沖淡水對徑流變化的響應過程及響應時間132-136
• 5.3.4.1 秋季控制試驗132-133
• 5.3.4.2 口外表層鹽度對徑流變化的響應及響應時間133-136
• 5.4 水體溶解物(示蹤劑)輸運時間尺度136-141
• 5.4.1 長江口外水齡分布的季節(jié)性變化136-138
• 5.4.2 口外風場對水齡分布的影響138-139
• 5.4.3 潮汐對水齡分布的影響139-141
• 5.5 小結141-142
• 第六章 長江口外懸浮泥沙時空分布特征142-169
• 6.1 長江口外懸浮泥沙時空分布特征142-167
• 6.1.1 基于野外觀測資料142-147
• 6.1.2 基于衛(wèi)星資料147-160
• 6.1.3 基于數(shù)學模型160-167
• 6.1.3.1 懸浮泥沙平面分布161-163
• 6.1.3.2 懸浮泥沙垂向分布163-164
• 6.1.3.3 無波浪情況164-166
• 6.1.3.4 無陸架環(huán)流情況166-167
• 6.2 小結167-169
• 第七章 總結169-172
• 7.1 主要結論169-170
• 7.2 創(chuàng)新之處170-171
• 7.3 不足與展望171-172
• 附錄172-174
• 參考文獻174-181
• 后記181-18

【相似文獻】

中國博士學位論文全文數(shù)據(jù)庫 前1條

1 袁瑞;長江入海水沙輸運擴散[D];華東師范大學;2015年

  本文關鍵詞：長江入海水沙輸運擴散，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

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本文編號：382794