（物理海洋學(xué)專業(yè)論文）黃河口海域風(fēng)浪誘導(dǎo)的泥沙再懸浮數(shù)值模擬和全球海面氣象參數(shù)遙感反演.pdf

獨(dú)創(chuàng)聲明 本人聲明所呈交的學(xué)位論文是本人在導(dǎo)師指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作及取得的 研究成果 據(jù)我所知 除了文中特別加以標(biāo)注和致謝的地方外 論文中不包含其 他人已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的研究成果 也不包含未獲得 l 洼 翅遺直墓絲盂要掛剔童明的 奎攔亙窒2 或其他教育機(jī)構(gòu)的學(xué)位或證書使 用過的材料 與我一同工作的同志對本研究所做的任何貢獻(xiàn)均已在論文中作了明 確的說明并表示謝意 學(xué)位論文作者簽名象面諮簽字嗍1 年易月牟日 學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書 本學(xué)位論文作者完全了解學(xué)校有關(guān)保留 使用學(xué)位論文的規(guī)定 有權(quán)保留并 向國家有關(guān)部門或機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件和磁盤 允許論文被查閱和借閱 本人 授權(quán)學(xué)?？梢詫W(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行檢索 可以采用 影印 縮印或掃描等復(fù)制手段保存 匯編學(xué)位論文 同時(shí)授權(quán)中國科學(xué)技術(shù)信息 研究所將本學(xué)位論文收錄到 中國學(xué)位論文全文數(shù)據(jù)庫 并通過網(wǎng)絡(luò)向社會公 眾提供信息服務(wù) 保密的學(xué)位論文在解密后適用本授權(quán)書 學(xué)位論文作者簽名 顰面 連 簽字日期 又 年 月干目 導(dǎo)師簽字 旁 礦t 黟 簽字日期 1 年占月年日1 黃河n 海域風(fēng)浪誘導(dǎo)的泥沙再懸浮數(shù)值模擬和全球海面氣象參數(shù)遙感反演 0 前言 在攻讀博士學(xué)位期間 由于科研課題的需要 作者分別開展了兩個(gè)方向的 研究工作 因此 本博士學(xué)位論文由兩部分組成 第一部分的題目是 黃河口海域風(fēng)浪誘導(dǎo)的泥沙再懸浮數(shù)值模擬 在中國 國家留學(xué)基金委 國家建設(shè)高水平大學(xué)公派研究生 項(xiàng)目 美國n o p p 的c s t m c o m m u n i t ys e d i m e n tt r a n s p o r tm o d e l 開發(fā)項(xiàng)目以及美國n o a a 的c h r p 0 7 項(xiàng)目的聯(lián)合資助下 作者在美國特拉華大學(xué) u n i v e r s i t yo f d e l a w a r e 進(jìn)行了這 部分研究 作者將水動(dòng)力模型r o m s r e g i o n a lo c e a nm o d e l i n gs y s t e m 第三 代波浪模型s w a n s i m u l a t i o nw a v en e a rs h o r e 和泥沙輸運(yùn)模型c s t m c o m m i n u t es e d i m e n tt r a n s p o r tm o d e l 三者耦合成的模型應(yīng)用于黃河口海域的 泥沙輸運(yùn)研究 模擬了這一海域波浪 流和懸浮泥沙濃度的變化過程 分析了 風(fēng)浪對黃河口海域泥沙再懸浮的作用 這部分內(nèi)容2 0 0 8 年3 月在美國o r l a n d o 召開的o c e a ns c i e n c em e e t i n g 上進(jìn)行了展示 第二部分的題目是 全球海面氣象參數(shù)遙感反演 這部分研究獲得了國家 科技部8 6 3 計(jì)劃 模塊化多源海洋遙感信息融合與同化技術(shù) 項(xiàng)目號 8 6 3 2 0 0 1 a a 6 3 3 0 3 0 課題的支持 作者提出了由a m s r e 微波傳感器產(chǎn)品反演 日平均和月平均海面比濕度的多參數(shù)回歸新公式 根據(jù)此公式 由a m s r e 數(shù) 據(jù)反演的日平均和月平均海面比濕度的結(jié)果較好 進(jìn)一步在海表面比濕度和海 表面空氣溫度的遙感中 首次引入了廣義可加模型方法 廣義可加模型能克服 參數(shù)回歸對模型假設(shè)嚴(yán)格的缺點(diǎn) 其適用性更強(qiáng) 而且解決了其它一些非參數(shù) 回歸方法的解釋性問題 作者建立了由a m s r e 產(chǎn)品反演瞬時(shí)和月平均海面比 濕度及氣溫的廣義可加模型 依據(jù)該部分研究成果 以第一作者身份發(fā)表論文2 篇 其中發(fā)表在d e e ps e ar e s e a r c h 期刊l 篇 國際會議論文l 篇 此外 作者在博士期間還進(jìn)行了遙感圖像處理 發(fā)表論文l 篇 海面氣象 參量低頻變化分析 撰寫論文l 篇 s c i 源期刊已錄用 以及d e l a w a r ei n l a n db a y 鹽 淡水混合數(shù)值模擬等工作 限于篇幅等原因 沒有收錄在本論文中 由于 時(shí)間倉促 論文中難免出現(xiàn)不足 懇請讀者閱讀后提出寶貴的意見和建議 黃j 口 幾海域風(fēng)浪誘導(dǎo)的泥沙再懸浮數(shù)值模擬和全球海面氣象參數(shù)遙感反演 第一篇黃河口海域風(fēng)浪誘導(dǎo)下的泥沙再懸浮數(shù)值模擬 摘要 河口和海岸區(qū)域的泥沙輸運(yùn)與人類的活動(dòng)密切相關(guān) 是人類生產(chǎn)生活活動(dòng)中 面臨的重要問題之一 在河口和海岸區(qū)域 泥沙的再懸浮是一種非常重要的物 理過程 再懸浮會影響水體中泥沙輸運(yùn)的通量 次級生產(chǎn)力以及污染物擴(kuò)散等 等 引起泥沙再懸浮的原因比較復(fù)雜 波浪通常在其中扮演中重要的角色 因 為波浪能夠增強(qiáng)底床上的湍流并增加底應(yīng)力 因而研究波浪對底沙的再懸浮作 用對于河口和海岸區(qū)域的泥沙輸運(yùn)研究有著重要的意義 黃河是中國第二大河 以多沙聞名于世 它攜帶大量的泥沙至河口地區(qū) 近 年來 由于自然因素和黃河中上游的水利工程 黃河入海的水沙量減少 黃河 河口動(dòng)力作用的減弱和水沙供應(yīng)的減少 使得黃河口海域的泥沙沉積格局發(fā)生 改變 部分岸線開始蝕退 在這種背景下 研究波浪對黃河口海域泥沙再懸浮 的作用具有重要的現(xiàn)實(shí)意義 本文將水動(dòng)力模型r o m s r e g i o n a lo c e a nm o d e l i n gs y s t e m 第三代波浪 模型s w a n s i m u l a t i o nw a v en e a rs h o r e 和泥沙輸運(yùn)模型c s t m c o m m i n u t e s e d i m e n tt r a n s p o r tm o d e l 三者耦合的模型應(yīng)用于黃河口海域的泥沙輸運(yùn)研究 模擬了這一區(qū)域波浪 流和懸浮泥沙的變化過程 作者對三角洲沿岸7 個(gè)點(diǎn)有波浪作用情況和無波浪作用情況下的懸浮泥沙 濃度的變化進(jìn)行了比較 對底層中波浪再懸浮作用產(chǎn)生的懸浮泥沙占底層總懸 浮泥沙的比例進(jìn)行了分析 通過比較和分析得知 在平均風(fēng)速為6 3m s 1 的情況 下 7 個(gè)點(diǎn)中波浪再懸浮作用產(chǎn)生的懸浮泥沙占底層總懸浮泥沙量比例最小為 1 3 8 最高為6 1 3 河口附近的三個(gè)點(diǎn)波浪的再懸浮作用產(chǎn)生的懸浮泥沙占 底層總懸浮泥沙的比例均超過2 7 由于黃河三角洲地區(qū)全年的平均風(fēng)速為5 3 m s 因此黃河口海域波浪誘導(dǎo)下的泥沙再懸浮作用非常的顯著 計(jì)算結(jié)果表明 冬季北風(fēng)情況下 波浪再懸浮作用導(dǎo)致的懸浮泥沙的濃度高 值區(qū)在孤東外海 漲潮時(shí)刻 高值區(qū)靠近岸邊 落潮時(shí)刻 高值區(qū)向外海移動(dòng) 在漲潮時(shí)刻 三角洲沿岸自神仙溝以南至清水溝老河口沙嘴處 是波浪再懸浮 作用導(dǎo)致的懸浮泥沙的濃度高值區(qū) 而三角洲東北部 由于漲潮時(shí)刻流速較高 2 黃j 日f 幾海域風(fēng)浪誘導(dǎo)的泥沙再懸浮數(shù)值模擬和全球海面氣象參數(shù)遙感反演 流致再懸浮作用強(qiáng)烈 波浪的再懸浮作用不顯著 在落潮時(shí)刻 自清水溝老河 口沙嘴處向北至三角洲東北部均是波浪再懸浮作用導(dǎo)致的懸浮泥沙的高值區(qū) 關(guān)鍵詞 黃河口 泥沙 波浪 再懸浮 r o m s s w a n c s t m 3 黃 口 i i 海域風(fēng)浪誘導(dǎo)的泥沙再懸浮數(shù)值模擬和全球海面氣象參數(shù)遙感反演 w in dw a v ein d u c e ds e di m e n tr e s u s p e n sio nint h ey eiio w riv e rm o u t h a b s tr a o t e s t u a r ya n dc o a s t a lr e g i o n sa r es u c hr e g i o n st h a tt h ei n t e r a c t i o n sb e t w e e nl a n da n d s e aa r eo b v i o u sa n dt h es e d i m e n tb e c o m e sb i gp r o b l e mf o rh u m a nb e i n g i nt h e e s t u a r ya n dc o a s t a le n v i r o n m e n t s e d i m e n tr e s u s p e n s i o ni sa ni m p o r tp r o c e s s w h i c h m a k e si n f l u e n c eo nt h es e d i m e n tm a s sf l u x s e c o n d a r yp r o d u c t i v i t y p o l l u t i o n d i s p e r s a la n ds oo n t h er e a s o n st h a tc a u s es e d i m e n tr e s u s p e n s i o na r ev e r y c o m p l i c a t e d w a v e w h i c hc a ne n h a n c et h eb e dt u r b u l e n c ea n dm a k et h eb o t t o ms h e a r s t r e s si n c r e a s e d u s u a l l yp l a y sak e yr o l ei nt h es e d i m e n tr e s u s p e n s i o n e s p e c i a l l yi n t h es h a l l o wa n dm i c r o t i d a la r e a y e l l o wr i v e ri sf a m o u sf o ri t sh i g hs e d i m e n tc o n c e n t r a t i o na n di tc a r r i e sah u g e a m o u n to fs e d i m e n ti n t ob o h a is e a r e c e n t l y d u et ot h eg l o b a lc l i m a t ec h a n g ea n d w o r k so nw a t e rc o n s e r v a n c yf a c i l i t i e si nt h eu p s t r e a mo ft h er i v e r t h ea m o u n to f s e d i m e n tt h a ty e l l o wr i v e rc a r d e di n t ob o h a is e aw a sr e d u c e d s o m ed e p o s i t i o na r e a n e a rt h ee s t u a r yc h a n g e dt ob ee r o s i o na r e a i ti sv e r yi m p o r tt os t u d yt h ew i n dw a v e i n d u c e ds e d i m e n tr e s u s p e n s i o ni nt h ey e l l o wr i v e rm o u t h w ea p p l i e dac o u p l e dm o d e lt ot h ee n t i r eb o h a is e aw i t he m p h a s i so nt h ey e l l o w r i v e rm o n t h t h i sm o d e lc o u p l e sw i t har e g i o n a lo c e a nc i r c u l a t i o nm o d e l r o m s r e g i o n a l o c e a nm o d e l i n gs y s t e m at h i r d g e n e r a t i o nw a v em o d e l s w a n s i m u l a t i o nw a v en e a rs h o r e a n das e d i m e n tt r a n s p o r tm o d e l c s t m c o m m i n u t e s e d i m e n tt r a n s p o r tm o d e l t h em o d e ls i m u l a t e dt h ec u r r e n t w a v e sa n ds e d i m e n t t r a n s p o r td u r i n gw i n t e rs e a s o n t h e nt h ew i n dw a v ei n d u c e ds e d i m e n tr e s u s p e n s i o n i nt h ea r e aw a sa n a l y z e d s e v e ns t a t i o n sa r o u n dt h ey e l l o wr i v e rd e l t aw e r es e l e c t e d w ec o m p a r e dt h e s u s p e n d e ds e d i m e n tc o n c e n t r a t i o na f f e c t e db yt h ew a v ei n d u c e dr e s u s p e n s i o ne f f e c t a n dt h es u s p e n d e ds e d i m e n tc o n c e n t r a t i o nw i t h o u tt h ew a v ei n d u c e dr e s u s p e n s i o n e f f e c ti nt h e s es t a t i o n s t h e nw ec a l c u l a t e dt h ep e r c e n t a g eo ft h ew a v ei n d u c e d r e s u s p e n d e ds e d i m e n ti nt h a to ft h eb o t t o ml a y e ro ft h e s es t a t i o n s t h ep e r c e n t a g e 4 黃 f 門海域風(fēng)浪誘導(dǎo)的泥沙再懸浮數(shù)值模擬和全球海面氣象參數(shù)遙感反演 v a l u e so fs t a t i o n sa r ev a r i o u sf r o ml3 8 t o61 3 i nt h et h r e es t a t i o n sn e a rt h e y e l l o wr i v e rm o u t h w a v er e s u s p e n d e dm o r et h a n2 7 b o t t o ms e d i m e n t t h em e a n w i n ds p e e do ft h ep e r i o dt h a tw ea n a l y z e di s6 3m s t h em u l t i y e a ra v e r a g e dw i n d s p e e di nt h ey e l l o wr i v e rm o n t hi s 5 3m s 一 t h e r e f o r e t h ew i n dw a v ei n d u c e d r e s u s p e n s i o ni sv e r yi m p o r tt ot h es e d i m e n tt r a n s p o r ti nt h i sa r e a u n d e rt h en o r t hw i n dc o n d i t i o n t h eh i g h e s tc o n c e n t r a t i o nc e n t e ro fw a v e r e s u s p e n d e ds e d i m e n to c c u r r e dn e a rt h eg u d o n gt o w n d u r i n gt h ef l o o dt i d e t h e c e n t e ri sn e a rt h ec o a s t l i n e f r o ms h e n x i a n g o uc h a n n e lt ot h eo l dy e l l o wr i v e r m o u t h t h ec o n c e n t r a t i o n so fw a v ei n d u c e dr e s u s p e n d e ds e d i m e n ta r er e l a t i v e l yh i g h d u r i n gt h ee b bt i d e t h eh i g h e s tc o n c e n t r a t i o nc e n t e rm o v e so u to ft h ec o a s t l i n e f r o m t h eo l dy e l l o wr i v e rm o u t ht ot h en o r t h e a s to ft h ey e l l o wr i v e rd e l t a t h e c o n c e n t r a t i o n so fw a v ei n d u c e dr e s u s p e n d e ds e d i m e n ta r er e l a t i v e l yh i g h k e y w o r d s y e ii o wr i v e t s e d i m e n t w a v e s r e s u s p e n s i o n r o m s s w a n c s t m 黃 a i v i 海域風(fēng)浪誘導(dǎo)的泥沙再懸浮數(shù)值模擬和全球海面氣象參數(shù)遙感反演 1 引言 1 1 研究背景 河口和海岸區(qū)域通常是經(jīng)濟(jì)相對發(fā)達(dá) 生產(chǎn) 貿(mào)易等人類活動(dòng)頻繁的地區(qū) 因此針對河口和海岸區(qū)域的動(dòng)力因素 生態(tài)環(huán)境 地貌演變等的研究具有重要 的意義 河口和海岸區(qū)域處于陸地和海洋相互作用的地帶 動(dòng)力條件復(fù)雜 潮 汐 徑流 波浪等各種動(dòng)力因素互相作用 互相影響 構(gòu)成了河口和海岸區(qū)域 復(fù)雜的動(dòng)力系統(tǒng) 復(fù)雜多變的動(dòng)力條件會直接影響到這些區(qū)域的泥沙輸運(yùn) 而 河口和海岸區(qū)域的泥沙輸運(yùn)與人類的活動(dòng)密切相關(guān) 是人類生產(chǎn)生活中面臨的 重要問題之一 這些區(qū)域的泥沙輸運(yùn)對于岸線的變遷 航道 海港的沖淤演變 重金屬和有毒廢棄物經(jīng)泥沙顆粒吸附后的輸運(yùn)等等有著非常重要的影響 b o o t h 等 2 0 0 0 l 因此更好地認(rèn)識泥沙輸運(yùn)的過程對于人類開發(fā)利用這些區(qū)域以及 保護(hù)這些區(qū)域的環(huán)境有著重要的意義 以前 人們對河口和海岸區(qū)域泥沙輸運(yùn)的研究主要依賴于現(xiàn)場的觀測 現(xiàn)場 觀測獲取的數(shù)據(jù)可以真實(shí)地反映這一區(qū)域的水文泥沙運(yùn)動(dòng)特征 但是 現(xiàn)場觀 測的時(shí)空范圍是有限的 不能夠提供這些區(qū)域詳細(xì)的泥沙空間分布特征 觀測 的時(shí)間序列的長度也是有限的 而且在海況較差的情況下很難進(jìn)行觀測 因而 缺乏一些極端天氣條件的泥沙觀測資料 而認(rèn)識這種情況下的泥沙輸運(yùn)又是非 常重要的 鑒于觀測手段的限制 科學(xué)家開始嘗試將數(shù)學(xué)模型應(yīng)用于泥沙輸運(yùn)的研究 在潮流數(shù)學(xué)模型研究的基礎(chǔ)上 2 0 世紀(jì)7 0 年代末開始出現(xiàn)懸沙輸運(yùn)的數(shù)學(xué)模型 k e r s s e n s 等 1 9 7 9 1 2 隨著計(jì)算機(jī)能力和計(jì)算技術(shù)的不斷提高 泥沙輸運(yùn)的 數(shù)學(xué)模型逐漸發(fā)展完善 泥沙輸運(yùn)的數(shù)學(xué)模型可以模擬不同條件下的動(dòng)力 泥 沙運(yùn)動(dòng)規(guī)律 因而在河口 海岸區(qū)域的泥沙研究中得到了廣泛的應(yīng)用和發(fā)展 有效的彌補(bǔ)了觀測手段的不足 成為一種重要的研究工具 2 0 世紀(jì)9 0 年代以來 人們逐漸的認(rèn)識到波浪和流的共同作用對沉積物搬運(yùn)起著不可忽視的作用 j e w e l l 等 1 9 9 3 1 3 尤其在我國 河口和海岸多為粉沙和淤泥所覆蓋 在潮 流和波浪共同作用下 泥沙極易懸浮和輸移 因此 科學(xué)家在波流共同作用下 的泥沙運(yùn)動(dòng)數(shù)值模擬方面做了大量的工作 曹祖德和王桂芳 1 9 9 3 1 4 建立一個(gè) 6 黃河門海域風(fēng)浪誘導(dǎo)的泥沙再懸浮數(shù)值模擬和全球海面氣象參數(shù)遙感反演 波浪掀沙 潮流輸沙的數(shù)學(xué)模型 針對先前對潮流和波浪共同作用下挾沙能力 的研究僅限于經(jīng)驗(yàn)分析的狀況 竇國仁等 1 9 9 5 1 5 j 進(jìn)行了理論上的闡述 給出 了波 流共同作用下的輸沙率公式 丁平興等 2 0 0 2 1 6 j 導(dǎo)出了適合于河口和海 岸區(qū)域 能夠合理反映波浪影響的三維流場方程和在波 流共同作用下一般形式 的三維懸沙擴(kuò)散方程 胡克林 2 0 0 3 7 利用s w a n 波浪模型發(fā)展了一個(gè)波流 共同作用下的二維懸浮泥沙輸運(yùn)數(shù)學(xué)模型并應(yīng)用于長江口的二維懸浮泥沙輸運(yùn) 研究 梁丙臣 2 0 0 5 8 利用c o h e r e n s 水動(dòng)力模型和s w a n 波浪模型發(fā)展了 波流共同作用下的三維水動(dòng)力 懸浮泥沙耦合數(shù)學(xué)模型并應(yīng)用于黃河三角洲濱 海區(qū)的潮流和懸浮泥沙輸運(yùn)規(guī)律的研究 w a m e r 等 2 0 0 8 p j 結(jié)合r o m s 水動(dòng) 力模型和s w a n 波浪模型開發(fā)了包含懸沙粒徑分組 底床分層等先進(jìn)特性的波 流共同作用下的三維泥沙輸運(yùn)模型 1 2 黃河口海域泥沙數(shù)值模擬研究現(xiàn)狀 黃河是中國第二大河 以多沙聞名于世 它攜帶大量的泥沙至河口地區(qū) 在 河口及毗鄰海域形成高的懸浮泥沙濃度 提供了一個(gè)特殊的泥沙研究環(huán)境 從 八五 期間開始 對黃河口海域的泥沙輸運(yùn)數(shù)值模擬研究就已經(jīng)開始 曾慶 華 1 9 9 5 l o 等采用二維非恒定流模型和不平衡輸沙模式 模擬了黃河口外潮 流場 懸沙擴(kuò)散和海底沖淤變化 所得的結(jié)果與實(shí)測資料吻合 李東風(fēng) 1 9 9 8 a 1 9 9 8 b 1 1 1 1 2 1 利用二維數(shù)學(xué)模型分別計(jì)算了釣1 2 1 河道分洪泥沙 清水溝 漢河流路入海泥沙對東營港的沖淤影響 張世奇 1 9 9 7 1 1 3 1 基于非恒定流不平 衡輸沙原理 建立了徑流 潮流 風(fēng)吹流和波浪等多動(dòng)力作用下 一 二維連 接的多沙河口沖淤數(shù)學(xué)模型 并通過模型探討了黃河口入海水沙與潮流 風(fēng)吹 流及波浪相互作用下的輸沙規(guī)律以及黃河口的沖淤地形及規(guī)劃方案中各條流路 河口的淤積范圍 李誼純等 2 0 0 3 1 1 4 1 用二維動(dòng)邊界全沙數(shù)學(xué)模型對黃河三角 洲洪 枯季懸沙分布以及底床的沖淤進(jìn)行了數(shù)值模擬 進(jìn)而據(jù)此探討了黃河三 角洲洪 枯季的沖淤變化規(guī)律 李東風(fēng) 2 0 0 4 a 2 0 0 4 b 1 1 5 1 1 用二維數(shù)學(xué)模型進(jìn) 行了典型水沙條件下黃河河口泥沙運(yùn)動(dòng)規(guī)律的模擬研究 其結(jié)果揭示了黃河清 水溝河口所處海域的潮流潮汐特性和泥沙輸移規(guī)律 梁丙臣 2 0 0 5 s 和l i a n g 等 2 0 0 7 1 1 7 1 將三維水動(dòng)力 波浪和懸浮泥沙耦合數(shù)學(xué)模型應(yīng)用于黃河三角洲 7 黃河門海域風(fēng)浪誘導(dǎo)的泥沙再懸浮數(shù)值模擬和全球海面氣象參數(shù)遙感反演 濱海區(qū)的潮流和懸浮泥沙輸運(yùn)規(guī)律的研究 王厚杰等 2 0 0 6 1 1 8 1 采用三維數(shù)學(xué) 模型研究了黃河口泥沙輸運(yùn)過程 數(shù)值模擬顯示黃河口切變鋒在漲 落潮時(shí)段 存在兩種不同的形態(tài) 切變鋒對河口泥沙的向海傳輸有重要的阻隔作用 導(dǎo)致 河口泥沙集中在切變鋒的向岸 n 隨落潮流向北側(cè)傳輸 在漲潮時(shí)河口向海排 沙量降低 少量泥沙隨漲潮流沿岸向南傳輸 張世奇 2 0 0 7 l9 用數(shù)學(xué)模型對 清水溝時(shí)期黃河入海泥沙的輸移擴(kuò)散規(guī)律進(jìn)行了分析研究 隨著河口三角洲的 演變 河口海洋動(dòng)力輸沙能力也相應(yīng)變化 河口沙嘴突出岸線的程度越大 海 洋輸沙能力越大 輸入外海的泥沙越多 對于特定的岸邊界 海洋輸沙能力的變 化取決于入海水沙搭配關(guān)系 1 3 本文的研究內(nèi)容 在河口和海岸區(qū)域 泥沙的再懸浮是一種非常重要的物理過程 泥沙再懸浮 會影響水體中泥沙輸運(yùn)的通量 次級生產(chǎn)力以及污染物擴(kuò)散等等 引起泥沙再 懸浮的原因比較復(fù)雜 波浪通常在其中扮演中重要的角色 因?yàn)椴ɡ四軌蛟鰪?qiáng) 底床上的湍流并增加底應(yīng)力 因而研究波浪對泥沙再懸浮的作用對河口和海岸 區(qū)域的泥沙輸運(yùn)研究有著重要的意義 g r a b e r 等 1 9 8 9 b r y d s t e n 1 9 9 2 j i n g 和r i d d 1 9 9 6 b a i l e y 和h a m i l t o n 1 9 9 7 b o o t h 等 2 0 0 0 2 0 2 3 1 近年來 由于黃河中上游人類活動(dòng)的頻繁和自然因素 黃河入海的水沙通量 大幅減少 河流泥沙的補(bǔ)給不能夠補(bǔ)償海洋輸運(yùn)所帶走的泥沙 黃河三角洲開 始向陸蝕退 王厚杰 2 0 0 2 2 4 1 由于黃河河口動(dòng)力作用的減弱和水沙供應(yīng)的 減少 黃河口海域的泥沙沉積格局將發(fā)生改變 由于部分岸段受到強(qiáng)烈的侵蝕 作用 將影響到勝利油田的生產(chǎn)以及黃河口濕地的生態(tài)環(huán)境 在這種背景下 研究波浪對黃河口海域泥沙的再懸浮作用具有重要的現(xiàn)實(shí)意義 本文將水動(dòng)力 波浪和泥沙的耦合模型應(yīng)用于黃河口海域 模擬了這一區(qū)域 2 0 0 6 年冬季波浪 流和懸浮泥沙的變化過程 著重分析了風(fēng)浪對這一區(qū)域泥沙 的再懸浮作用 本文共分為5 章 第2 章描述了黃河口的水文泥沙概況 第3 章介紹了水動(dòng)力 波浪和泥沙的耦合模型的基本結(jié)構(gòu) 各個(gè)子模型的控制方程 邊界條件等等 第4 章分析了風(fēng)浪對黃河口海域泥沙再懸浮的作用 第5 章是 總結(jié) 得出研究的結(jié)論 提出研究工作存在的問題和進(jìn)一步研究的方向 8 黃 口 幾海域風(fēng)浪誘導(dǎo)的泥沙再懸浮數(shù)值模擬和全球海面氣象參數(shù)遙感反演 2 黃河口海域的水文泥沙概況 2 1 黃河入海水沙 黃河是中國第二大河 其顯著特點(diǎn)是水少多沙 黃河入海水沙具有明顯的季 節(jié)變化和年際變化特征 水沙主要集中在汛期入海 每年的7 1 0 月為汛期 受 季風(fēng)影響強(qiáng)烈 降雨量增大 汛期平均徑流量和輸沙量占全年的8 0 以上 4 6 月份為枯水季節(jié) 平均徑流量和輸沙量迅速減少 王厚杰 2 0 0 2 2 4 1 受流域 氣候條件的影響 年徑流量和輸沙量不同 據(jù)利津水文站1 9 5 2 2 0 0 5 年的統(tǒng)計(jì)資 料 黃河多年平均徑流量約31 3 億m 3 多年平均輸沙量為7 7 8 億t 2 0 0 6 年利津站 的徑流量比多年平均值偏d 3 9 為1 9 1 7 億m 3 中國河流泥沙公報(bào) 2 0 0 6 2 5 1 2 2 潮汐 潮流和余流 渤海為半封閉的海區(qū) 固有振動(dòng)小 潮汐主要是大洋潮汐脅迫振動(dòng) 潮波進(jìn) 入渤海后 由于受地轉(zhuǎn)偏向力和地形的影響 一支向北繞遼東灣左旋 一支向 南繞萊洲灣右旋 與到達(dá)渤海灣頂受阻折回的潮波相遇 分別在遼東灣西南部 和神仙溝口外形成無潮點(diǎn) 黃河海域沿岸的潮差分布特點(diǎn)是無潮點(diǎn)區(qū)域低 向 兩側(cè)逐漸增高 潮差0 7 3 m 1 7 7 m 黃河口為弱潮型河口 h u 等 1 9 9 8 2 酬 沿岸潮汐類型 除神仙溝口外局部區(qū)域?yàn)椴灰?guī)則全日潮外 其它海域?yàn)椴灰?guī)則 半日潮 日潮不等現(xiàn)象比較明顯 渤海灣沿岸與萊州灣沿岸漲潮時(shí)差6 個(gè)小時(shí) 對于半日潮海區(qū) 大約相差半個(gè)潮周期 潮流表現(xiàn)為明顯的半日潮型 三角洲北部海區(qū)的神仙溝至釣口段海域 潮流 旋轉(zhuǎn)橢圓率小 具有往復(fù)流性質(zhì) 旋轉(zhuǎn)方向?yàn)槟鏁r(shí)針 神仙溝以南的東部海域 旋轉(zhuǎn)方向?yàn)轫槙r(shí)針 流速以m 2 分潮無潮點(diǎn)區(qū)最大 約為0 8 1 2m s 流速分布 形勢與潮差分布相反 由無潮點(diǎn)區(qū)域向兩側(cè)潮流流速逐漸減小 余流主要是由于風(fēng) 徑流 密度差 氣壓差等因素引起的 其大小 流向變 化復(fù)雜 從整個(gè)黃河三角洲海域來看 風(fēng)生余流超過了其它因素導(dǎo)致的余流 春 夏季盛行的偏南季風(fēng) 產(chǎn)生的表層余流多向北流動(dòng) 而冬季在偏北季風(fēng)的 作用下 表層余流多向南運(yùn)動(dòng) 流速一般在0 2 m s 以左右 在河口 徑流產(chǎn)生的 9 黃河n 海域風(fēng)浪誘導(dǎo)的泥沙再懸浮數(shù)值模擬和全球海面氣象參數(shù)遙感反演 余流較為明顯 沿河流動(dòng)力軸線方向 遠(yuǎn)離河口逐漸減弱 2 3 風(fēng) 波浪 本區(qū)域主要盛行季風(fēng) 全年風(fēng)向變化明顯 總體而言 冬半年盛行偏北風(fēng) 夏半年盛行偏南風(fēng) 據(jù)黃河海港區(qū)域的風(fēng)向統(tǒng)計(jì)資料 3 8 月均以南風(fēng)為主 而 且均為各月的最大風(fēng)向頻率 從9 月開始受北方冷空氣的影響 風(fēng)向轉(zhuǎn)向偏北 9 1 0 月以東北風(fēng)為主 1 1 月以西北風(fēng)為主 而在1 2 月 風(fēng)向以東北風(fēng)為主 全年平均風(fēng)速為5 2 8m s 1 粱丙臣 2 0 0 5 8 1 黃河口海域的波浪主要是風(fēng)浪 其大小隨風(fēng)速變化 強(qiáng)浪向?yàn)閚 e 向 次強(qiáng) 浪向?yàn)閚 n w 向 常浪向?yàn)閟 向 自十月份開始 寒潮形成的波浪較大 一般導(dǎo) 致的波高在3 米以上 臺風(fēng)對該海區(qū)波浪影響較大 但出現(xiàn)幾率小 一般海況下 的波高為1 5 米 2 4 泥沙 在黃河口附近 由于受入海泥沙的直接影響 存在一個(gè)懸浮泥沙高濃度區(qū) 懸沙在平面上呈舌狀向東偏南方向發(fā)展 在三角洲南側(cè)老河口 由于沙嘴的向 海突出和海底坡度較陡的原因 擠壓海流而導(dǎo)致該海區(qū)流速較大 從而也存在 著一個(gè)懸沙濃度較高的區(qū)域 此外就是在三角洲的北部 也存在一個(gè)懸沙高濃 度區(qū) 此處距黃河口較遠(yuǎn) 所以該海域的高懸沙濃度與黃河入海泥沙并沒有直 接的關(guān)系 主要是再懸浮作用引起的 王厚杰 2 0 0 2 2 4 1 1 0 黃河幾海域風(fēng)浪誘導(dǎo)的泥沙再懸浮數(shù)值模擬和全球海面氣象參數(shù)遙感反演 3 三維數(shù)學(xué)模型 3 1 模型概況 本文所用的數(shù)學(xué)模型包含水動(dòng)力模型 波浪模型和泥沙模型三大部分 其中 水動(dòng)力模型采用美國r u g s t e r 大學(xué)開發(fā)的r o m s r e g i o n a lo c e a nm o d e l i n g s y s t e m 波浪模型采用d e l r 理工大學(xué)開發(fā)的第三代淺水波浪模型s w a n s i m u l a t i o nw a v en e a rs h o r e 泥沙模型采用的是c s t m c o m m i n u t es e d i m e n t t r a n s p o r tm o d e l 模型的基本框架如下圖所示 3 2r o m s 模型 圖3 1 模型基本框架圖 r o m s 是一個(gè)被廣泛使用的三維區(qū)域海洋模型 h a i d v o g e l 等 2 0 0 0 m a r c h e s i e l l o 等 2 0 0 3 p e l i z 等 2 0 0 3 d il o r e n z o 2 0 0 3 d i n n i m a n 等 2 0 0 3 b u d g e l l 2 0 0 5 w a r n e r 等 2 0 0 5 a 2 0 0 5 b w i l k i n 等2 0 0 5 2 7 3 5 1 它的功 能比較完善 除了水動(dòng)力模塊外 模型中還包含了海冰模塊 生態(tài)過程模塊 同化模塊等等 根據(jù)不同的應(yīng)用需求 模式里不同的組件可以在模式編譯時(shí)通 黃j 町幾海域風(fēng)浪誘導(dǎo)的泥沙再懸浮數(shù)值模擬和全球海面氣象參數(shù)遙感反演 過修改預(yù)處理文件來選擇或者剔除 這樣使得只有需要的內(nèi)存空間才被分配 只有需要的算法才被編譯 確保編譯出的模式在運(yùn)行時(shí)高效 鑒于r o m s 的諸 多優(yōu)點(diǎn) c s t m 在開發(fā)時(shí)就選用了r o m s 作為它的水動(dòng)力模型 r o m s 是在垂向靜壓近似和b o u s s i n e s q 假定下 求解自由表面下r e y n o l d s 平均 的n a v i e r s t o k e s 方程 c h a s s i g n e t 等 2 0 0 0 h a i d v o g e l 等 2 0 0 0 s h c h e p e t k i n 和m c w i l l i a m s 2 0 0 5 h a i d v o g e l 等 2 0 0 7 3 6 2 7 3 7 3 8 1 模型在水平方向使用 曲線的a r a k a w ac 網(wǎng)格 垂向采用地形擬合的可伸縮坐標(biāo)系統(tǒng) r o m s 的架構(gòu) 靈活 有多種不同的算法可以選擇 例如 湍封閉模型可以選擇m e i l o r y a m a d a 的2 5 層模型 m e l l o r 和y a m a d a 1 9 8 2 3 9 1 k 模型 k 模型等 u m l a u f 和 b u r c h a r d 2 0 0 3 w a r n e r 等 2 0 0 5 4 0 1 3 4 1 對流算法可以選擇兩階 三階 四 階和正定等算法等 開邊界條件等也均有多種選擇 3 2 1 模型的方程組 在笛卡爾坐標(biāo)系統(tǒng)下 r o m s 采用的動(dòng)量控制方程如下 象 礦 v u f v 一警一麥 可可一y 翁 f u d u o d v w v v f u 一囂一毫 可一y o r f v d v 3 1 3 2 式中仍 云 p 為總壓 p 為海水密度 u v 和w 分別為速度礦在x y 和z 方向 的分量 f 為科氏參量 若設(shè)c x y z t 為溫度或鹽度 則溫度或鹽度的對流擴(kuò)散方程可以表示為 蓑 礦 v c 一熹 可一y e 筆 f c d c 3 3 海水狀態(tài)方程為 p p t s p 3 4 在b o u s s i n e s q 近似下 動(dòng)量方程中除了浮力項(xiàng)外其他項(xiàng)中密度的變化被忽略 考慮到垂向靜力近似 因此有 j5 弘 昭一舶 2 一 絲釔 黃河幾海域風(fēng)浪誘導(dǎo)的泥沙再懸浮數(shù)值模擬和全球海面氣象參數(shù)遙感反演 連續(xù)方程為 o d u x o d y v o a w z 0 采用參數(shù)化的r e y n o l d s 應(yīng)力和湍流通量來閉合方程 一u i w i 一k m 象 一v i w p 一k m 警 一i w t 一 一k c 差 式中k m 為垂向渦動(dòng)粘性系數(shù) k 為垂向擴(kuò)散系數(shù) 垂向邊界條件 在海面邊界 z 瓴y t 在海底邊界 z h x y k m 釜 t 淞 t k m 耋 x y t k c 筆 0 一w 奇 7 h 0 1 3 3 6 3 7 3 8 3 9 3 1 0 3 1 1 3 1 2 3 1 3 3 1 4 3 1 5 3 1 6 3 1 7 d d 弘 m 取 u f 叩 怕怕嗇簧 一 加一把 打一把 優(yōu)一鈀 w k k 黃河n 海域風(fēng)浪誘導(dǎo)的泥沙再懸浮數(shù)值模擬和全球海面氣象參數(shù)遙感反演 3 2 2 模型的坐標(biāo)系統(tǒng) 河口海岸區(qū)域往往具有不規(guī)則的邊界 包括岸線邊界和海底邊界 直角坐標(biāo) 系統(tǒng)對邊界的概化采用直角坐標(biāo)下的方形網(wǎng)格 往往會降低數(shù)學(xué)模型計(jì)算的精 度 甚至產(chǎn)生較大的誤差 在r o m s 中 對于水平不規(guī)則岸線 采用正交曲線網(wǎng) 格來擬合海岸的不規(guī)則變化趨勢 并可以對局部區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格的加密處理 對 于海底邊界的擬合 采用了s 坐標(biāo)變換 將不同網(wǎng)格點(diǎn)的垂向尺度均變換n o 1 的范圍內(nèi) 進(jìn)行垂向的均勻或者不均勻分層 根據(jù)研究的需要 可對表層和底 層分別或同時(shí)進(jìn)行加密處理 3 2 2 1 垂向s 坐標(biāo) p h i l l i p s 1 9 5 7 4 1 提出了垂向坐標(biāo)伸縮變化方法 在p o m 等模型中得到了 廣泛的使用 坐標(biāo)變換的方程為 d 娑 3 18 d 而 3 l8 其中 z 是坐標(biāo)變換前垂向的物理坐標(biāo)變量 h 為變換前的海底垂向物理坐標(biāo) 為變換前的自由海面垂向物理坐標(biāo) o 為坐標(biāo)變換后的垂向物理坐標(biāo)變量 經(jīng)過 坐標(biāo)變換后 在任意水深點(diǎn)處 垂向的坐標(biāo)尺度均統(tǒng)一到了0 1 的范圍內(nèi) 標(biāo)準(zhǔn) 的 坐標(biāo)采用的是垂向均勻的分層 而作為a 坐標(biāo)的擴(kuò)展 s 坐標(biāo)可對垂向坐標(biāo)做 非線性伸縮 能夠在表面或底面獲得更好的垂向分辨率 從而能對混合層 溫 躍層等進(jìn)行更好地模擬 坐標(biāo)變換的方程為 z 1 9 h s h h e c s 3 1 9 式中z 是坐標(biāo)變換前的垂向的物理坐標(biāo)變量 h 為變換前的海底垂向物理坐標(biāo) 為變換前的自由海面垂向物理坐標(biāo) s 為坐標(biāo)變換后的垂向的物理坐標(biāo)變量 h c 是最小水深或是一個(gè)較淺的水深 在這個(gè)水深上我們想獲得較高的分辨率 c s 定義如下 c s 1 b 鬻 b s i n h 0 s 勻卜s t n h 睦e 1 4 02 3 l j e 工嶇 h nat2 黃河幾海域風(fēng)浪誘導(dǎo)的泥沙再懸浮數(shù)值模擬和全球海面氣象參數(shù)遙感反演 式中0 和b 分別是表面和底面控制參數(shù) o 和b 分別滿足0 052 0 和0sb5 1 當(dāng)0 值增大時(shí) h 深度以上的垂向分辨率會增高 當(dāng)b 0 時(shí) 隨著0 值的增大 表層 分辨率增高 當(dāng)b l 時(shí) 隨著0 值的增大 表層和底層的分辨率均增高 圖3 2 a b b d 圖3 2 不同0 和b 下的垂向分層 a o 0 0 0 0 1 b 0 b 0 8 b 0 c 0 8 b 1 d 0 2 9 b 0 9 對于s 坐標(biāo)變換 變換算子為 式中 0 z s 一 0 s 殺 z s 一 夠s 丟 毫 吳 壺未 3 2 1 3 2 2 3 2 3 黃河幾海域風(fēng)浪誘導(dǎo)的泥沙再懸浮數(shù)值模擬和全球海面氣象參數(shù)遙感反演 h 一0 z 1 1 z d s 3 2 4 根據(jù)上回的變換算子 式 3 i 全式 3 6 經(jīng)燹換后如f 所不 h a i d v o g e l 等 2 0 0 0 1 2 7 1 象 礦m f v 一丙0 0 一f 鷲p o 塑0 x g 爰 壺未畢鏟簧 f u u 3 2 5 象 礦 乳 f u 一等一 幫舅一g 考 壺未擘 衛(wèi)等 f v v 3 2 6 面0 c 再v c 瓦1 蕊0 掣簧 f c d c面盯 v 皓瓦蕊掣尋 c d c 3 2 7 p o t s p 3 2 8 嬰 一 g h z p 3 2 9 一 一一 u s p o i 0 h z o h z u o h z v o h i z 1 2 0 a t a xa v a s 3 3 0 式中 一v u v jq 礦 v u 三 v 面or i o o x d 們r(jià)d s 式中q 是s 坐標(biāo)中的垂問速度 f x mt 毒w 一蒜裳一u 耋一v 孑 且有 w 蓑 u 耋 v 凳v q h z 十u 十v 十1 2 h u lu 五u 垂向邊界條件經(jīng)變換后如下 在海面邊界處 s 0 1 6 3 3 1 3 3 2 3 3 3 3 3 4 黃河n 海域風(fēng)浪誘導(dǎo)的泥沙再懸浮數(shù)值模擬和全球海面氣象參數(shù)遙感反演 在海底邊界處 s 1 3 2 2 2 水平曲線網(wǎng)格 罷 礅x x y t 磊o v t 鯫y t h z k c 蝕 0 c 齋 n 0 卻罷 t i x j y t 卻蕓 x y t 蓑 o q 0 3 3 5 3 3 6 3 3 7 3 3 8 3 3 9 3 4 0 3 4 1 3 4 2 在海岸區(qū)域 通常有復(fù)雜變化的海岸線和河流 如果直角坐標(biāo)系統(tǒng) 大部分 情況下網(wǎng)格與海岸或者河道吻合不好 而且網(wǎng)格的布置也受到較大的限制 從 而影響了計(jì)算的精度 如果為了準(zhǔn)確擬合岸界而增加網(wǎng)格 勢必會造成計(jì)算量 的增加 而采用正交曲線網(wǎng)格能夠較好的解決這個(gè)問題 r o m s 采用了正交曲線 網(wǎng)格 設(shè)虧僅y 和t 1 億y 為曲線坐標(biāo) 則有 d s 嚴(yán)0 d 3 4 3 d s q 加 3 4 4 式中s 為水平方向的弧長 m 和n 是比例因子 速度分量在新坐標(biāo)系統(tǒng)中表示為 7 l u 3 4 5 移 葫 v 3 4 6 v 了12v l 1 7 黃 町n 海域風(fēng)浪誘導(dǎo)的泥沙再懸浮數(shù)值模擬和全球海面氣象參數(shù)遙感反演 經(jīng)水平坐標(biāo)變換 式 3 2 2 至式 3 2 7 變換為 l 扒 i m l z n u h ia h z u 2 品 吳 一 勻 v 吳 書一u 品 書 h z v 一 器 詈褰 g 爰 志吳嚴(yán)鏟期 熹c f u d u 晏 吳 品 警 晏 等 志 v 彘 一u 殺 h z u 3 4 7 一e 暖 面g p 丙0 z g 磊 去晏f 鏟期 忑h z c r d v 晏 o 帥 h z u c 品 晏 i h z f 2 c 三吳 掣訇 m熹 fc dc 1 1 mn mr 一一l 一一l l a slh a sl 7 3 4 8 3 4 9 p p t s p 3 5 0 警 一 晏法 晏 品 韻 未 3 5 1 3 3s w a n 模型 s w a n 是第三代淺水波浪模型 適用于從陸架海到破碎帶的風(fēng)浪 涌浪以及 混合浪的模擬 模型全面考慮了風(fēng)能輸入 波浪的折射 反射 破碎以及淺水 區(qū)域的波 波相互作用等等 模型采用曲線正交網(wǎng)格 可選用直角坐標(biāo)系和球面 坐標(biāo)系 支持嵌套網(wǎng)格 1 8 黃河幾海域風(fēng)浪誘導(dǎo)的泥沙再懸浮數(shù)值模擬和全球海面氣象參數(shù)遙感反演 s w a n 采用二維動(dòng)譜密度表示隨機(jī)波 而非能譜密度 因?yàn)樵诹鲌鲋?動(dòng)譜 密度守恒而能譜密度不守恒 在直角坐標(biāo)系下 動(dòng)譜平衡方程為 d a t n d a 王c x n d a y c y n 殺c a n 品c n 曇 3 5 2 式中n 為動(dòng)譜密度 6 為相對頻率 0 為波向 c x c y c o g l c o 分別為x y 0 和0 空間的波浪傳播速度 s 為以譜密度表示的源匯項(xiàng) 包括風(fēng)能輸入 三波和四 波相互作用和由于底摩擦 白浪 破碎等引起的能量損耗 s s i n s n l 3 s n l 4 s d s w s d s 山 s d s b r 3 5 3 對于波與波之間的非線性相互作用 在淺水域 三波相互作用占主要因素 能量由低頻向高頻出轉(zhuǎn)移 e d e b e r k y 等 1 9 9 6 4 2 1 等提出了集合三階近似模 型 這是在e d e b e r k y 和b a t t j e s 1 9 9 5 4 3 1 提出的離散三階近似模型上改進(jìn)而成 該模型模擬能量從譜峰向高頻轉(zhuǎn)移的機(jī)理相當(dāng)成功 在各個(gè)譜方向上 s n l 3 o 0 s j 3 o 0 s n 1 3 d e 3 5 4 式中 s 南 們 m a x o 僅e b 2 1 1 c c g l 2 i s i np i e 2 仨 一2 e i 0 e 啦j 3 5 5 并且 s j 3 o 0 2 s n 1 3 2 仉e 3 5 6 式 3 5 5 中a e b 是n i i 周比例函數(shù) p 可以近似的表示為 p 一詈 扣h 3 5 7 式中u r 為u r e l l 數(shù) u 赤下h s t 2 3 5 8 i 萼 3 5 9 黃河n 海域風(fēng)浪誘導(dǎo)的泥沙再懸浮數(shù)值模擬和全球海面氣象參數(shù)遙感反演 當(dāng)0 u r t c e m 時(shí) 3 6 4 式q b e o m 是侵蝕度常數(shù) p 是底沙頂層的密實(shí)度 模型中 侵蝕的通量應(yīng)該小于 底層頂層的泥沙總質(zhì)量 模型在求解方程時(shí) 采用的按順序分別求解方程中各項(xiàng)的方法 即按順序分 別求解垂向沉降項(xiàng) 源匯項(xiàng) 水平對流項(xiàng) 垂向?qū)α黜?xiàng) 垂向擴(kuò)散項(xiàng) 最后求 解水平對流項(xiàng) 采用