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

獨創(chuàng)聲明 本人聲明所呈交的學位論文是本人在導師指導下進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 或其他教育機構的學位或證書使 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均已在論文中作了明 確的說明并表示謝意 學位論文作者簽名象面諮簽字嗍1 年易月牟日 學位論文版權使用授權書 本學位論文作者完全了解學校有關保留 使用學位論文的規(guī)定 有權保留并 向國家有關部門或機構送交論文的復印件和磁盤 允許論文被查閱和借閱 本人 授權學?？梢詫W位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關數(shù)據(jù)庫進行檢索 可以采用 影印 縮印或掃描等復制手段保存 匯編學位論文 同時授權中國科學技術信息 研究所將本學位論文收錄到 中國學位論文全文數(shù)據(jù)庫 并通過網(wǎng)絡向社會公 眾提供信息服務 保密的學位論文在解密后適用本授權書 學位論文作者簽名 顰面 連 簽字日期 又 年 月干目 導師簽字 旁 礦t 黟 簽字日期 1 年占月年日1 黃河n 海域風浪誘導的泥沙再懸浮數(shù)值模擬和全球海面氣象參數(shù)遙感反演 0 前言 在攻讀博士學位期間 由于科研課題的需要 作者分別開展了兩個方向的 研究工作 因此 本博士學位論文由兩部分組成 第一部分的題目是 黃河口海域風浪誘導的泥沙再懸浮數(shù)值模擬 在中國 國家留學基金委 國家建設高水平大學公派研究生 項目 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)項目以及美國n o a a 的c h r p 0 7 項目的聯(lián)合資助下 作者在美國特拉華大學 u n i v e r s i t yo f d e l a w a r e 進行了這 部分研究 作者將水動力模型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用于黃河口海域的 泥沙輸運研究 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 計劃 模塊化多源海洋遙感信息融合與同化技術 項目號 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果較好 進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)回歸對模型假設嚴格的缺點 其適用性更強 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 幾海域風浪誘導的泥沙再懸浮數(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浪誘導下的泥沙再懸浮數(shù)值模擬 摘要 河口和海岸區(qū)域的泥沙輸運與人類的活動密切相關 是人類生產(chǎn)生活活動中 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的通量 次級生產(chǎn)力以及污染物擴散等 等 引起泥沙再懸浮的原因比較復雜 波浪通常在其中扮演中重要的角色 因 為波浪能夠增強底床上的湍流并增加底應力 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 河口動力作用的減弱和水沙供應的減少 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)實意義 本文將水動力模型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 三者耦合的模型應用于黃河口海域的泥沙輸運研究 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 個點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 浮泥沙的比例進行了分析 通過比較和分析得知 在平均風速為6 3m s 1 的情況 下 7 個點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 河口附近的三個點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)全年的平均風速為5 3 m s 因此黃河口海域波浪誘導下的泥沙再懸浮作用非常的顯著 計算結果表明 冬季北風情況下 波浪再懸浮作用導致的懸浮泥沙的濃度高 值區(qū)在孤東外海 漲潮時刻 高值區(qū)靠近岸邊 落潮時刻 高值區(qū)向外海移動 在漲潮時刻 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 由于漲潮時刻流速較高 2 黃j 日f 幾海域風浪誘導的泥沙再懸浮數(shù)值模擬和全球海面氣象參數(shù)遙感反演 流致再懸浮作用強烈 波浪的再懸浮作用不顯著 在落潮時刻 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致的懸浮泥沙的高值區(qū) 關鍵詞 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 海域風浪誘導的泥沙再懸浮數(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 門海域風浪誘導的泥沙再懸浮數(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 海域風浪誘導的泥沙再懸浮數(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)濟相對發(fā)達 生產(chǎn) 貿(mào)易等人類活動頻繁的地區(qū) 因此針對河口和海岸區(qū)域的動力因素 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 動力條件復雜 潮 汐 徑流 波浪等各種動力因素互相作用 互相影響 構成了河口和海岸區(qū)域 復雜的動力系統(tǒng) 復雜多變的動力條件會直接影響到這些區(qū)域的泥沙輸運 而 河口和海岸區(qū)域的泥沙輸運與人類的活動密切相關 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 因此更好地認識泥沙輸運的過程對于人類開發(fā)利用這些區(qū)域以及 保護這些區(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)可以真實地反映這一區(qū)域的水文泥沙運動特征 但是 現(xiàn)場觀 測的時空范圍是有限的 不能夠提供這些區(qū)域詳細的泥沙空間分布特征 觀測 的時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行觀測 因而 缺乏一些極端天氣條件的泥沙觀測資料 而認識這種情況下的泥沙輸運又是非 常重要的 鑒于觀測手段的限制 科學家開始嘗試將數(shù)學模型應用于泥沙輸運的研究 在潮流數(shù)學模型研究的基礎上 2 0 世紀7 0 年代末開始出現(xiàn)懸沙輸運的數(shù)學模型 k e r s s e n s 等 1 9 7 9 1 2 隨著計算機能力和計算技術的不斷提高 泥沙輸運的 數(shù)學模型逐漸發(fā)展完善 泥沙輸運的數(shù)學模型可以模擬不同條件下的動力 泥 沙運動規(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用和發(fā)展 有效的彌補了觀測手段的不足 成為一種重要的研究工具 2 0 世紀9 0 年代以來 人們逐漸的認識到波浪和流的共同作用對沉積物搬運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 科學家在波流共同作用下 的泥沙運動數(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 6 黃河門海域風浪誘導的泥沙再懸浮數(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)驗分析的狀況 竇國仁等 1 9 9 5 1 5 j 進行了理論上的闡述 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)展了一個波流 共同作用下的二維懸浮泥沙輸運數(shù)學模型并應用于長江口的二維懸浮泥沙輸運 研究 梁丙臣 2 0 0 5 8 利用c o h e r e n s 水動力模型和s w a n 波浪模型發(fā)展了 波流共同作用下的三維水動力 懸浮泥沙耦合數(shù)學模型并應用于黃河三角洲濱 海區(qū)的潮流和懸浮泥沙輸運規(guī)律的研究 w a m e r 等 2 0 0 8 p j 結合r o m s 水動 力模型和s w a n 波浪模型開發(fā)了包含懸沙粒徑分組 底床分層等先進特性的波 流共同作用下的三維泥沙輸運模型 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 懸沙擴散和海底沖淤變化 所得的結果與實測資料吻合 李東風 1 9 9 8 a 1 9 9 8 b 1 1 1 1 2 1 利用二維數(shù)學模型分別計算了釣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 風吹流和波浪等多動力作用下 一 二維連 接的多沙河口沖淤數(shù)學模型 并通過模型探討了黃河口入海水沙與潮流 風吹 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 用二維動邊界全沙數(shù)學模型對黃河三角 洲洪 枯季懸沙分布以及底床的沖淤進行了數(shù)值模擬 進而據(jù)此探討了黃河三 角洲洪 枯季的沖淤變化規(guī)律 李東風 2 0 0 4 a 2 0 0 4 b 1 1 5 1 1 用二維數(shù)學模型進 行了典型水沙條件下黃河河口泥沙運動規(guī)律的模擬研究 其結果揭示了黃河清 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 將三維水動力 波浪和懸浮泥沙耦合數(shù)學模型應用于黃河三角洲 7 黃河門海域風浪誘導的泥沙再懸浮數(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 模型研究了黃河口泥沙輸運過程 數(shù)值模擬顯示黃河口切變鋒在漲 落潮時段 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 導致 河口泥沙集中在切變鋒的向岸 n 隨落潮流向北側傳輸 在漲潮時河口向海排 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)學模型對 清水溝時期黃河入海泥沙的輸移擴散規(guī)律進行了分析研究 隨著河口三角洲的 演變 河口海洋動力輸沙能力也相應變化 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的通量 次級生產(chǎn)力以及污染物擴散等等 引起泥沙再 懸浮的原因比較復雜 波浪通常在其中扮演中重要的角色 因為波浪能夠增強 底床上的湍流并增加底應力 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 河流泥沙的補給不能夠補償海洋輸運所帶走的泥沙 黃河三角洲開 始向陸蝕退 王厚杰 2 0 0 2 2 4 1 由于黃河河口動力作用的減弱和水沙供應的 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)實意義 本文將水動力 波浪和泥沙的耦合模型應用于黃河口海域 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 章介紹了水動力 波浪和泥沙的耦合模型的基本結構 各個子模型的控制方程 邊界條件等等 第4 章分析了風浪對黃河口海域泥沙再懸浮的作用 第5 章是 總結 得出研究的結論 提出研究工作存在的問題和進一步研究的方向 8 黃 口 幾海域風浪誘導的泥沙再懸浮數(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 季風影響強烈 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 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) 固有振動小 潮汐主要是大洋潮汐脅迫振動 潮波進 入渤海后 由于受地轉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 黃河海域沿岸的潮差分布特點是無潮點區(qū)域低 向 兩側逐漸增高 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)域為不規(guī)則全日潮外 其它海域為不規(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差6 個小時 對于半日潮海區(qū) 大約相差半個潮周期 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 旋轉橢圓率小 具有往復流性質(zhì) 旋轉方向為逆時針 神仙溝以南的東部海域 旋轉方向為順時針 流速以m 2 分潮無潮點區(qū)最大 約為0 8 1 2m s 流速分布 形勢與潮差分布相反 由無潮點區(qū)域向兩側潮流流速逐漸減小 余流主要是由于風 徑流 密度差 氣壓差等因素引起的 其大小 流向變 化復雜 從整個黃河三角洲海域來看 風生余流超過了其它因素導致的余流 春 夏季盛行的偏南季風 產(chǎn)生的表層余流多向北流動 而冬季在偏北季風的 作用下 表層余流多向南運動 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 海域風浪誘導的泥沙再懸浮數(shù)值模擬和全球海面氣象參數(shù)遙感反演 余流較為明顯 沿河流動力軸線方向 遠離河口逐漸減弱 2 3 風 波浪 本區(qū)域主要盛行季風 全年風向變化明顯 總體而言 冬半年盛行偏北風 夏半年盛行偏南風 據(jù)黃河海港區(qū)域的風向統(tǒng)計資料 3 8 月均以南風為主 而 且均為各月的最大風向頻率 從9 月開始受北方冷空氣的影響 風向轉向偏北 9 1 0 月以東北風為主 1 1 月以西北風為主 而在1 2 月 風向以東北風為主 全年平均風速為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浪 其大小隨風速變化 強浪向為n e 向 次強 浪向為n n w 向 常浪向為s 向 自十月份開始 寒潮形成的波浪較大 一般導 致的波高在3 米以上 臺風對該海區(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 擠壓海流而導致該海區(qū)流速較大 從而也存在 著一個懸沙濃度較高的區(qū)域 此外就是在三角洲的北部 也存在一個懸沙高濃 度區(qū) 此處距黃河口較遠 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 黃河幾海域風浪誘導的泥沙再懸浮數(shù)值模擬和全球海面氣象參數(shù)遙感反演 3 三維數(shù)學模型 3 1 模型概況 本文所用的數(shù)學模型包含水動力模型 波浪模型和泥沙模型三大部分 其中 水動力模型采用美國r u g s t e r 大學開發(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)不同的應用需求 模式里不同的組件可以在模式編譯時通 黃j 町幾海域風浪誘導的泥沙再懸浮數(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行時高效 鑒于r o m s 的諸 多優(yōu)點 c s t m 在開發(fā)時就選用了r o m s 作為它的水動力模型 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系統(tǒng) r o m s 的架構 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 在笛卡爾坐標系統(tǒng)下 r o m s 采用的動量控制方程如下 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c x y z t 為溫度或鹽度 則溫度或鹽度的對流擴散方程可以表示為 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 動量方程中除了浮力項外其他項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 黃河幾海域風浪誘導的泥沙再懸浮數(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 為垂向渦動粘性系數(shù) k 為垂向擴散系數(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 海域風浪誘導的泥沙再懸浮數(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 系統(tǒng)對邊界的概化采用直角坐標下的方形網(wǎng)格 往往會降低數(shù)學模型計算的精 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)域進行網(wǎng)格的加密處理 對 于海底邊界的擬合 采用了s 坐標變換 將不同網(wǎng)格點的垂向尺度均變換n o 1 的范圍內(nèi) 進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 層分別或同時進行加密處理 3 2 2 1 垂向s 坐標 p h i l l i p s 1 9 5 7 4 1 提出了垂向坐標伸縮變化方法 在p o m 等模型中得到了 廣泛的使用 坐標變換的方程為 d 娑 3 18 d 而 3 l8 其中 z 是坐標變換前垂向的物理坐標變量 h 為變換前的海底垂向物理坐標 為變換前的自由海面垂向物理坐標 o 為坐標變換后的垂向物理坐標變量 經(jīng)過 坐標變換后 在任意水深點處 垂向的坐標尺度均統(tǒng)一到了0 1 的范圍內(nèi) 標準 的 坐標采用的是垂向均勻的分層 而作為a 坐標的擴展 s 坐標可對垂向坐標做 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 躍層等進行更好地模擬 坐標變換的方程為 z 1 9 h s h h e c s 3 1 9 式中z 是坐標變換前的垂向的物理坐標變量 h 為變換前的海底垂向物理坐標 為變換前的自由海面垂向物理坐標 s 為坐標變換后的垂向的物理坐標變量 h c 是最小水深或是一個較淺的水深 在這個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 黃河幾海域風浪誘導的泥沙再懸浮數(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0 值增大時 h 深度以上的垂向分辨率會增高 當b 0 時 隨著0 值的增大 表層 分辨率增高 當b l 時 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 黃河幾海域風浪誘導的泥沙再懸浮數(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rd s 式中q 是s 坐標中的垂問速度 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 海域風浪誘導的泥沙再懸浮數(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 通常有復雜變化的海岸線和河流 如果直角坐標系統(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 而影響了計算的精度 如果為了準確擬合岸界而增加網(wǎng)格 勢必會造成計算量 的增加 而采用正交曲線網(wǎng)格能夠較好的解決這個問題 r o m s 采用了正交曲線 網(wǎng)格 設虧僅y 和t 1 億y 為曲線坐標 則有 d s 嚴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 海域風浪誘導的泥沙再懸浮數(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浪 涌浪以及 混合浪的模擬 模型全面考慮了風能輸入 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 可選用直角坐標系和球面 坐標系 支持嵌套網(wǎng)格 1 8 黃河幾海域風浪誘導的泥沙再懸浮數(shù)值模擬和全球海面氣象參數(shù)遙感反演 s w a n 采用二維動譜密度表示隨機波 而非能譜密度 因為在流場中 動譜 密度守恒而能譜密度不守恒 在直角坐標系下 動譜平衡方程為 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 包括風能輸入 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而成 該模型模擬能量從譜峰向高頻轉移的機理相當成功 在各個譜方向上 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 海域風浪誘導的泥沙再懸浮數(shù)值模擬和全球海面氣象參數(shù)遙感反演 當0 u r t c e m 時 3 6 4 式q b e o m 是侵蝕度常數(shù) p 是底沙頂層的密實度 模型中 侵蝕的通量應該小于 底層頂層的泥沙總質(zhì)量 模型在求解方程時 采用的按順序分別求解方程中各項的方法 即按順序分 別求解垂向沉降項 源匯項 水平對流項 垂向對流項 垂向擴散項 最后求 解水平對流項 采用