（物理海洋学专业论文）渤海盐度的拉格朗日潮际输运数值研究.pdf

渤海盐度的拉格朗日潮际输运数值研究 渤海盐度的拉格朗日潮际输运数值研究 摘要 盐度的长期变化会诱发海洋生态群落的演替，也会改变环流形态，在浅海环 流及物质长期输运过程中扮演着极为重要的角色。而用于描述浅海环流的速度 场、长期输运过程的温、盐、浓度场，均是经某种时间平均( 简称“时均 ) 消 除流的潮周期运动和温、盐、浓度的潮周期变化后的间接结果，并非海上实测值。 常用的时均方式分欧拉和拉格朗日两种。 本文在一般非线性浅海系统拉格朗日时均环流和输运初步理论的指导下，利 用三维斜压水动力模型h a m s o m 以及轨迹追踪模块，先对等深、阶梯状底形和 变截面阶梯状底形三种模型海的单频潮致拉格朗日时均环流及保守物质潮际输 运进行模拟，发现随着地形和岸界逐渐复杂，后两种模型的非线性较等深模型而 言明显增强，体现在拉格朗日余速度和潮际浓度对初始位相的依赖上：在初位相 由0 连续变化至2 z 的过程中，二者会表现为无穷多组时空场，且与初位相一一 对应。而等深模型海则仍为对流弱非线性系统，其拉格朗日余流可用物质输运速 度做最低阶近似；同时，由于其潮际浓度随初位相的变化以及潮际输运浓度与欧 拉时均浓度的差值，相对于海区和局地的浓度变化均可忽略，因此等深模型海的 拉格朗日潮际浓度可用欧拉时均浓度作为最低阶近似。各模型海的海区北部，以 及地形和岸线发生剧烈变化的阶梯及岬角处是垂直湍扩散拉格朗日时均量爵。最 明显的正负值区，这些区域与分析拉格朗日余流所得到的局地非线性较强的位 置一致。模型海试验部分还就河流径流量和用于时均的潮周期数n 两个变量对拉 格朗日余流及物质潮际输运的影响进行了研究，所得结论为接下来的渤海数值模 拟提供了参考和借鉴。 在将一般非线性拉格朗日时均理论应用到渤海的过程中，本文考虑了动力 热力学解耦( 正压) 、耦合( 斜压) 两种情况，对单频潮致渤海拉格朗日余环流 及盐度潮际输运进行了数值研究。结果显示渤海存在四个拉格朗日余流强流区， 它们具有底形或岸界复杂多变的共通点；渤海中央海盆为弱流区，属对流弱非线 性系统。单频正压潮致拉格朗日余流在潮际尺度上具有定常特点，而斜压潮致余 流则会发生变化，因为其斜压密度流分量主要是在潮际尺度上发生变化。同时， 渤海盐度的拉格朗日潮际输运数值研究 两种情况下的潮致余流又都会随潮内变量初始位相的变化而变化。潮际盐度、 母、以及潮际盐度与潮内瞬时盐度的差值均在潮际尺度上有所变化，也会随初 位相不同而发生细微变化。正压情况下模拟得到的潮际盐度值整体上要低于斜压 结果。此外，除较强的拉格朗日余流之外，河流径流也会引起潮际盐度随初位相 的变化。无论是正压还是斜压情况，无论河流径流量是大还是小，鲜明突出的研 正负值区均可被看做是潮际盐度随初位相发生较大变幅的区域。 从本文研究中，不难发现在处理和展示瞬时浓度的结果方面，拉格朗日潮际 输运方法比欧拉时均方法更具物理意义，因为前者自身的随体意义决定了它所得 到的潮际浓度场与拉格朗日余流场是相适应的。需要注意的是，拉格朗日追踪时 间不能过长，否则标识流体微团会分解或重新组合，就无法保证该方法的随体特 征了。文中引入的重排潮内瞬时浓度场求潮际浓度的研究方法，以及在追踪流体 微团轨迹的同时，积分原始输运方程的垂直湍扩散项，最后时均得到s 。的模拟 方式，成功地解决了潮际浓度的计算以及对潮际输运方程右端项的处理这两个关 键问题，在指导理论与实际应用之间搭建了沟通平台，促成了二者在数值模拟中 的有机结合。 关键词：一般非线性浅海系统，拉格朗日时均环流，潮际输运，盐度，渤海 i i 渤海盐度的拉格朗目潮际输运数值研究 n u m e ric ai s t u d yo nl a g r a n g ia nin t e r _ tid ai t r a n s p o r t s o fs aiinit yint h eb o h ais e a a b s tr a c t l o n g t e r m v a r i a t i o no fs a ii n i t ym i g h tc a u s es u c c e s s i o no fm a r i n e e c o i o g i c a ic o m m u n i t y 。a n da is oi n f i u e n c et h eo ir c u i a t i o nt y p e i tp i a y s a nim p o r t a n tp a r tint h ec o a s t aicir c uia tio na n dio n g t e r mm a s s t r a n s p o r t t h ev e i o c i t yf i e i df o rd e s c ri b i n gc o a s t a ic ir c u l a t i o n a n d t h e t e m p e r a t u r e s a ii n i t ya n dm a s sc o n c e n t r a t i o nf i e i d sf o rd e s c r i b i n g io n g - t e r mt r a n s p o r tp r o c e s s e s a r en o tin - sit uo b s e r v a tio nd a t a 。b u t p o s t p r o c e s sr e s uit s 。f r o mw hic ht h etid aiv a ria tio n so fin s t a n t a n e o u s v eio cit y t e m p e r a t u r e ，s aiinit ya n dc o n c e n t r a tio nh a v eb e e nr e m o v e db y ac e r t a i nt i m e m e a nm e t h o d ，s u c ha se u i e ri a no r l a g r a n g i a nt i d a li y a v e r a g e dm e t h o d inc o m m o nu s e b a s e do nap ri m a r yl a g r a n g i a nt i d a ii y - a v e r a g e dt h e o r yo nc ir c u i a t i o nw i t h in t e r tid ait r a n s p o r tp r o c e s s e sinag e n e r ain o niin e a rc o a s t ai e s t u a rir e s y s t e m s i n g i e - f r e q u e n c yt i d ei n d u c e dl a g r a n g i a nr e s i d u a lc ir c u i a t i o n w i t hin t e r tid ait r a n s p o r t so fc o n s e r v a tiv es u b s t a n c ec o n c e n t r a tio nin t h r e em o d e is e a sa r es i m u i a t e db ya3 - db a r o c ii n i ch y d r o d y n a m i cm o d e l h a m s o mw it ht r a j e c t o r yt r a c kin gs u b - m o d ei t h r e em o d ei s e a sa r e c o n s t r u c t e df o rdif f e r e n tt o p o g r a p h yo rc o a s t aii ir e t e r m e da sis o b a t hic m o d e i s t a irm o d e i a n dc a p em o d e i i tjsf o u n dt h a tt h en o n i n e a r i t i e s o fs t a ira n dc a p em o d e ia r es t r o n g e rt h a nt h a to fi s o b a t h i cm o d e j s h o w n b yt h eo b s e r v a b i ed e p e n d e n c eo fl a g r a n g i a nr e s i d u a iv e i o c i t y i n t e r - t l d a i c o n c e n t r a t i o no nt i d a ip h a s e s f o ras e to f i n f i n i t et e m p o r a i s p a t i a i f i e i d so fv e i o c i t y c o n c e n t r a t i o ni se x h i b i t e da st h et i d a ip h a s ev a r i e s c o n t i n u o u s i yo v e ro n et i d a ic y c i e e a c ho fw h i c hc o r r e s p o n d st oas p e c i f i c v a i u eo ft i d a ip h a s e s t h ec o n v e c t i v e i yw e a k i yn o n ii n e a rc o n d i t i o ni s s t ii is a t i s f i e di nt h ei s o b a t h i cm o d e l 。s oi t ss e to fi n f i n i t e i 渤海盐度的拉格朗日潮际输运数值研究 t e m p o r a l s p a t i a if i e i d so fv e i o c i t y c o n c e n t r a t j o nc o u i db er e d u c e dt oa s i n g l e v a i u ea ss h o w nt r a d i t i o n a ii y i e m a s s t r a n s p o r t v e i o c i t y e u l e r i a nt i d a ll y - m e a n c o n c e n t r a t i o n 品，t h e l a g r a n g i a nt i m e - m e a n v a i u eo ft h ev e r t i c a id i f f u s i o no fi n s t a n t a n e o u sc o n c e n t r a t i o n ，s h o w s c i e a rp o s i t i v eo rn e g a t i v ea tn o r t h e r np a r to fe a c hm o d e is e a a n da i s o a tt h ep o s i t i o n so fs t a ir so rc a p e s ，w h i c ha r eh a p p e n e dt ob et h er e g i o n s w i t he n h a n c e di o c a in o n ii n e a r i t yi nc ir c u i a t i o na n a i y s is a d d i t i o n a il y i n f l u e n c e so ft h er i v e r i r er u n o f fa n dt h en u m b e ro ft i d a i c y c l e sf o r t i m e a v e r a g i n g ，n ，o nl a g r a n g i a nt i d a il y - a v e r a g e dc ir c u l a t i o nw i t h i n t e r t i d a it r a n s p o r t sa r ea i s os t u d i e di nt h em o d e is e a s c o n c i u s i o n s o ft h e s ee x p e ri m e n t sm ig h tb eh eip f uit ot h en u m e ric al si m uia tio nint h e b o h a is e a w h e nt h el a g r a n g ia nt i d a ii y - 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t i d a is a li n i t y 昌o fs a ii n i t y ，a n dt h ed i f f e r e n c eb e t w e e ni n t e r - t i d a ia n di n t r a - t i d a i ( i n s t a n t a n e o u s ) s a li n i t ya lit a k eo nv a r i a t i o n si nb o t ht h e i n t r a a n d i n t e r t i d a lt i m es c a l e s g e n e r a ll y s p e a k i n g 。t h es i m u l a t e ds a li n i t yi n b a r o t r o p i cc o n d i t i o ni sl o w e rt h a nt h a ti nb a r o c ii n i cc o n d i t i o n ，b e s i d e 渤海盐度的拉格朗日潮际输运数值研究 s t r o n g e rl a g r a n g i a nr e s i d u a iv e i o c i t y ri v e ti r er u n o f fc o u i da i s or e s u i t i nt h ev a r i a t i o no fin t e r t i d a is a ii n i t yw i t ht h et i d a ip h a s e s i nb o t h c o n d i t i o n s t h ep r o m i n e n tp o s i t i v eo rn e g a t i v ea r e a so f 母c o u i da is o b em a r k e da so b v i o u sv a r i a t i o no fi n t e r t i d a is a ii n i t yw i t ht h et i d a i p h a s e sw h e t h e rt h er u n o f fb eia r g eo rn o t i tc o u i db ef o u n di nt h ist h e s ist h a tl a g r a n g i a nt i d a ii y - a v e r a g e dm e t h o d ism o r em e a n i n g f u it h a ne u i e r ia nt i m e m e a nm e t h o di nd e s c r i b i n gt h e in t e r tid ait r a n s p o r tp r o c e s s e s 。f o rit ss u b s t a n tialp r o p e r t yd e t e r min e s t h ei n t e r t i d a ic o n c e n t r a t i o ni sa d a p t i v et ot h el a g r a n g i a nr e s i d u a l v e i o c i t y i ts h o u i db ep o i n t e do u tt h a tt h et r a c k i n gt i m ec o u i dn o tb e t o oi o n g o re is et h es u b s t a n t i a ip r o p e r t ym i g h tb ei o s t t h es i m u l a t i o n o fin t e r 。tid aic o n c e n t r a tio nb yr e a rr a n gin gin s t a n t a n e o u sc o n c e n t r a tio n f i e i da n dt h ec a i c u i a t i o no f 爵b yi n t e g r a t i n gv e r t i c a id i f f u s i o no f in s t a n t a n e o u sc o n c e n t r a tio naio n gt r a j e c t o r yw h e nt r a c kin gw a t e rp a r c eis 。 b o t ho fw h i c ha r ep r o p o s e di nt h i st h e s i s s u c c e s s f u ii ys o i v et h ek e y p r o b i e m si nt h ea p p ii c a t i o no ft h el a g r a n g i a nt h e o r y a n da i s op r o m o t e t h ec o m b i n a t i o no ft h e o r ya n dr e a ii t yi nt h en u m e ri c a is i m u l a t i o n k e yw o r d s ：ag e n e r ai n o niin e a rc o a s t ai e s t u a rir es y s t e m l a g r a n g ia n t i d a ii y - a v e r a g e dc ir c u i a t i o n i n t e r t i d a it r a n s p o r t s s a ii n i t y t h e b o h a is e a v 独创声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含未获得 ( 注! 翅遗直墓丝盂要挂别虚明的：奎拦豆窒2 或其他教育机构的学位或证书使 用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：毛初乏签字日期：如刁年多月彦日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人 授权学校可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用 影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。同时授权中国科学技术信息 研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并通过网络向社会公 众提供信息服务。( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名： 五难 签字日期：，口3 7 年月孑日 导师签字：附 签字日期：砷年月驴日 渤海盐度的拉格朗日潮际输运数值研究 o 引言 0 1 研究浅海环流及长期输运的重要意义 在全球变化的科学背景下，浅海与人类社会可持续发展之间的联系日益密 切。丰富的生物和油气资源、便利的港口航运，使沿海经济发展迅速、人口高度 ：- 一 密集；同时，浅海又是受人类活动影响最直接、最严重的海域，随着海洋开发不 断增加，海事活动日益频繁，由此引发的大面积、持续性海洋污染，加上人类对 海洋生物、矿产等资源的过度索取，给浅海海洋生态系造成了严重的破坏，这反 过来又会威胁到人类的生存、制约经济的发展。 近年来，浅海资源的可持续利用越来越受到关注，浅海环境问题更成为各国 海洋科学工作的重中之重，许多国际重大研究计划相继从物理、化学、生物、地 质等方面展开。人们愈加意识到，浅海海域的健康是沿海经济持续发展的重要支 撑，是人类赖以生存的一个重要外部环境。 我国浅海海域辽阔，东部沿海地区集中了大部分人口，经济发展迅速，生活、 工业废弃物大量涌向海洋，给海洋环境带来了极大的破坏，环境问题极其严峻， 尤其是渤海。海水水质恶化、海洋生态系统失衡、赤潮灾害频发等重大海洋生态 环境问题已成为环渤海地区社会经济可持续发展的重大制约因素。于是，自2 0 世纪9 0 年代后期，渤海环境保护作为国家战略任务之一，国家环保总局和国家 海洋局分别联合环渤海三省一市以及高等学校、研究院、所等机构，相继分别制 定了渤海碧海行动计划和渤海综合整治规划等，着重开展包括主要化学 污染物排海总量控制在内的渤海海洋生态环境质量预防、控制和治理等研究( 王 修林和李克强，2 0 0 6 ) 。 浅海物质包括淡水、营养盐、浮游植( 动) 物、沉积物等，其长期输运过程 与浅海环流密切相关，对任一方面的研究必然关联着另一方面。总的说来，研究 浅海环流及物质长期( 潮际) 输运是维护浅海环境持续健康发展的客观要求，有 助于人们深入了解海区内的地球生物化学过程，为预测溢油等污染物在近海的输 运、排污口的拟设等一系列实际问题给以启示。 渤海盐度的拉格朗日潮际输运数值研究 o 2 浅海环流及长期输运研究的简要回顾 与经典的大洋环流理论所描述的风生环流、风生一热盐环流不同，在浅海中， 。 最显著的经久不息的运动是伴随天文潮波的周期性潮流，二般情况下，风海流或 斜压流要比潮流小一个量级。描述浅海环流的速度场和长期输运过程的温、盐和 浓度场，并非是由海上观测得到的直接实测结果，而是由海上直接观测到的以潮 流占优的实测流速和温、盐、浓度实测值，经某种时间平均( 简称“时均) 消 除流的潮周期运动和温、盐、浓度的潮周期变化后的间接结果。也就是说，描述 浅海时均环流和长期输运过程的诸场量乃第二性的，而非第一性的实测值。被众 多科研工作者们习以为常，频繁使用的一种处理和展示瞬时数据的方式是进行定 点潮周期时均得到欧拉余流和欧拉时均温、盐、浓度场，而另一种处理方式则是 通过质点轨迹追踪得到拉格朗日余流和潮际输运温、盐、浓度场。下面将从这两 种方式讲起，简要回顾浅海环流和长期输运研究的发展。 0 2 1 欧拉余流的缺陷 在浅海环流动力学的研究史上，最原始的观点认为：欧拉余流可用以体现“环 流的速度场，且其驱动力主要是由像海面平均风场和密度场的水平梯度等非潮 汐影响因子所组成，通常称为“风生一热盐”环流( r a m m i n g 和k o w a l i k ，1 9 8 0 ) 。 这种传统观点的不完备性在上世纪七十年代中期分别被c s a n a d y ( 1 9 7 6 ) 与n i h o u l 和r o n d a y ( 1 9 7 5 ) 独立指出。n i h o u l 和r o n d a y 对深度积分的二维浅海动力学方 程进行了时间平均，结果表明，占优势的天文潮自身非线性耦合的潮周期平均效 应可以产生所谓的“潮应力”，它像海面平均风应力那样作用于欧拉余流，从而 影响了大尺度的环流运动。冯士稚等将这种作法用于三维浅海欧拉余环流模型的 建立，结果发现，对于欧拉余环流，不仅存在海面“潮应力”，还存在“海面潮 源”与“潮致体力”( f e n ge ta 1 ，1 9 8 4 ) 。这说明由于浅海系统的非线性，其环 流的强迫力，不仅有海面风应力和热盐因素，还应包含潮汐导致的非线性耦合效 应，通常的欧拉观点却不能很好地体现这种潮致作用，而且，欧拉余流虽为管量 场，但并不满足流场中流体微团组成的物质面守恒的条件( f e n g1 9 7 7 ，1 9 8 6 ， 1 9 8 7 ，1 9 9 0 a b ；f e n ge ta 1 ，1 9 8 4 ，1 9 8 6 a ，b ) 。若用欧拉余流作为环流的体现，即 2 渤海盐度的拉格朗日潮际输运数值研究 用它作为经典长期输运方程的对流速度，则会引进一个物理机制难以解释的“潮 弥散 项( f i s c h e re t a 1 ，1 9 7 9 ) ，这无疑增加了问题的复杂性。也许正像c s a n a d y ( 1 9 8 2 ) 所指出的那样，欧拉平均速度除了表示一个平均数以外，不再有更丰富 的内涵。 综上所述，在潮流占优的河口一近海系统中，传统欧拉时均观点下的余流不 能体现潮致非线性耦合作用。此外，欧拉余流虽为管量场，但并不满足流场中流 体微团组成的物质面守恒的条件。而今，人们越来越认识到，浅海中物质、动量 和能量的长期输运过程并不取决于欧拉余流，而是依赖于流场中运动着的流体微 团经过一个或多个潮周期后所导致的净位移，或等价地依赖于正比于该净位移的 拉格朗日平均速度。 o 2 2 对流弱非线性下拉格朗日余环流及长期输运理论 拉格朗日余流及其输运过程的研究是相当近代的课题。l o n g u e t h i g g i n s ( 1 9 6 9 ) 首先把有限振幅表面波中的物质输运速度( m a s st r a n s p o r tv e l o c i t y ) 和 斯托克斯公式推广到海洋大中尺度运动问题，并以双开尔文波为例作了详细分 析。七十年代t e e ( 1 9 7 6 ) 的贡献可能是在文献上所见到的试图依据斯托克斯公 式作浅海环流数值模拟的首次努力，同时，也正是在该论文中使用了拉格朗日余 流这一术语。真正开始系统论述拉格朗日余流概念和计算方法的论文当推 z i m m e r m a n ( 1 9 7 9 ) 与c h e n g 和c a s u l l i ( 1 9 8 2 ) 。z i m m e r m a n ( 1 9 7 9 ) 在指出了 物质输运速度仅为一个欧拉一拉格朗日双重变换的一阶近似以后，进一步从原则 上给出了计算拉格朗日平均速度的方法。c h e n g 和c a s u l l i ( 1 9 8 2 ) 利用“标识微 团追踪法 对旧金山南湾的拉格朗曰余流进行了数值计算。类似的研究还有若干 ( a w a j ie ta 1 ，1 9 8 0 ；a w a j i ，1 9 8 2 ；i m a s a t o ，1 9 8 3 ；俞光耀和陈士俊，1 9 8 3 ；李 龙章等，1 9 8 8 ；窦振兴等，1 9 8 6 ) 。 冯士箨教授及其合作者们自上世纪八十年代中期开始发表了一系列论文 ( f e n ge t a 1 ，1 9 8 6 a ，b ；c h e n ge t a 1 ，1 9 8 6 ，1 9 8 9 ；f e n g ，1 9 8 6 ，1 9 8 7 ；冯士稚， 1 9 8 8 a ，b ；魏更生，1 9 8 8 ；郑连远，1 9 8 8 ；s u ne ta 1 ，1 9 8 9 ；f e n g ，1 9 9 0 a ，b ；王 辉，1 9 8 9 ；冯士榨，1 9 9 2 ) ，建立了三维对流弱非线性下拉格朗日余环流及长期 输运理论，定义拉格朗日余流为满足散度为零的拉格朗日平均速度。其研究成果 渤海盐度的拉格朗日潮际输运数值研究 表明，拉格朗日余流的一阶近似乃经典的物质输运速度( f e n ge ta 1 ，1 9 8 6 a ) ， 物质输运速度不仅为一管量场，并在最一般的意义下满足流场中流体微团组成的 物质面守恒条件( f e n g ，1 9 8 7 ) 。此外，该理论也严格证明了在对流弱非线性条 件下，对瞬时浓度场做欧拉时均所得结果与采用一阶近似拉格朗日余流作为对流 输运速度的长期输运方程所描述的相一致。 l u ( 1 9 9 1 ) 鉴于实际浅海运动往往由于潮、风、热盐及非线性耦合等因素而存 在多重时间尺度，。于是利用多重时间尺度摄动法，导出了一新型长期输运方程的 非定常形式，用于模拟和预测物质浓度的长期变化。 对流弱非线性理论的应用主要有三种途径：一是直接从对流弱非线性浅海环 流及物质输运方程组出发，建立数值模型进行模拟；二是从现有模式出发计算瞬 时潮流，在固定空间点上时均后求得欧拉余速度，而后应用斯托克斯公式求得斯 托克斯漂移速度，二者线性叠加即得到物质输运速度一阶拉格朗日余速度； 第三种是追踪流体微团的运动轨迹，将瞬时速度进行随体平均，或求净位移，再 计算得拉格朗日平均速度。 基于上述环流理论，孙文心( 1 9 8 7 ) ，魏更生( 1 9 8 8 ) ，唐永明等( 1 9 9 0 ) ， 郑连远( 1 9 9 2 ) ，王辉等( 1 9 9 2 ，1 9 9 3 ) ，杨宗严( 1 9 9 2 ，1 9 9 3 a ，b ) 等人作了一 系列数值实验，成功模拟了渤海潮致余流、潮致一风生一热盐环流以及南黄海和 东海陆架环流，并探讨了海湾及河口中溶解态的非保守物质及悬浮物的长期输运 过程，获得了若干具有启发性及令人鼓舞的结果。这无疑证明了对流弱非线性理 论对实际应用的指导意义，同时也展示了将该理论进行深入探讨和推广应用的诱 人前景和可行性。 对流弱非线性下导出的长期输运方程适于描述温度、盐度、密度以及任意示 踪物或示踪物质浓度的输运过程( 冯士榫，1 9 9 2 ) 。d o r t c he ta 1 ( 1 9 9 2 ) 计算 c h e s a p e a k 湾1 9 8 5 年的盐度分布，其结果与实测值非常一致；在其基础上，c e r c o 和c o l e ( 1 9 9 3 ) 进行了c h e s a p e a k 湾1 9 8 4 - 1 9 8 6 年2 2 个变量的富营养化模拟， c e r c o ( 1 9 9 5 a ) 进行了c h e s a p e a k 湾1 9 5 9 - 1 9 8 8 共3 0 年的长期富营养化趋势的 模拟，c e r c o ( 1 9 9 5 b ) 进行了l o 年间c h e s a p e a k 湾对氮磷输入量减少的响应模 拟，均取得了较好的模拟结果。f o r e m a ne ta 1 ( 1 9 9 2 ) 模拟了v o n c o u v e r 岛西南 岸的流动，发现即使不考虑风和浮力驱动的流动，仅计算潮致拉格朗日余环流， 渤海盐度的拉格朗日潮际输运数值研究 s w i f t s u r eb a n k 也没有涡的存在；d e l h e z ( 1 9 9 6 ) 在对西北欧洲陆架环流的模拟 中也得到了同样的结论：英吉利海峡海岬处的涡旋对在拉格朗日时均模拟中消失 了。岬角涡旋对的消失是拉格朗日余环流与欧拉余环流在数值模拟研究中的一个 显著差异。同样的结果在渤海环流的研究中也出现了，对比黄大吉等( 1 9 9 6 ) 和 w | e ie ta 1 ( 2 0 0 1 ) 即可。 王学昌等( 2 0 0 2 ) 采用不规则三角形网格建立了西涌湾及邻近海域的二维变 边界潮流数值模型，用微团追踪方法计算拉格朗日余流，对拟建排污口标识质点 的运移轨迹进行跟踪，给出了西涌湾及邻近海域的水交换活跃区和滞缓区，并为 拟设排污口进行了优化选择。b i l g i l ie ta l ( 2 0 0 5 ) 利用嵌入二维有限元模式的拉格 朗日追踪方法研究了g r e a tb a y 河口系统中的物质输运以及海洋与河口间的物质 交换过程，探讨了微团释放时间、大小潮、河流淡水输入，以及扩散强度对物质 交换过程的影响。s e n t c h e v 和k o r o t e n k o ( 2 0 0 5 ) 对东英吉利海峡水平混合过程 进行了随机走步拉格朗日微团追踪数值模拟，尽管欧拉余流与拉格朗日余流在该 模拟区域并不总保持一致，但二者都显示法国近海存在北向沿岸流，它受淡水径 流主控，也受大小潮调节，这个北向的沿岸流也多次出现在航次观测以及a r g o s 浮标观测中。王悦和林霄沛( 2 0 0 6 ) 利用嵌套p o m 模式应用斯托克斯公式对渤 海湾m 2 潮致拉格朗日余流进行了模拟，讨论了地形变化对渤海湾环流以及污染 物输运的影响。 0 2 3 一般非线性理论的提出 对流弱非线性条件下，衡量某一海区非线性强弱的重要参数为彭( 水位变化 与水深之比) ，当暂 1 ，就认为该区域符合对流弱非线性系统的要求。但在较浅 或底形、岸线变化剧烈的区域，k 仍小于1 ，却明显低估了非线性强度，若再采 用弱非线性理论就不合适了。因此，建立一个一般非线性近海一河口系统中的拉 格朗日时均环流及长期输运理论是必要的，也是重要的。 在一个潮流占优的、双时间尺度的浅海非线性动力一热力学系统中，f e n ge t a 1 ( 2 0 0 8 ) 从三方面严格证明了以拉格朗日时均速度作为环流速度的正确性、合 理性，并发现在单频潮致一般非线性系统中，拉格朗口余速度场彳、= 再是一个单一 的速度场，而是具有无穷多个速度场，每个速度场对应于一个初始位相值。 渤海盐度的拉格朗日潮际输运数值研究 物质长期( 潮际) 输运过程紧密联系着、甚至非线性耦合着环流场。于是由 原始输运方程 i o c + 厅v c ：s t + s ( o 2 1 ) 导出了一般非线性系统中的潮际( i n t e r - t i d a l ) 输运方程： _ o c + v c ：昌。+ 咒 ( 0 2 2 ) u - g ( 0 2 1 ) 中c = c ( y c ，t ；r ) 为物质浓度、盐度或温度；s r 表示湍扩散项；s 为涉 及生物、化学和物理过程的源汇项，( o 2 2 ) 中品= ( 品( 矗+ 手( ，；丁) ，；f ) ) ， 既= p ( 蜀+ 手( f ；r ) ，f ；f ) ) ，s t 。和既分别是品和s 的拉格朗日时均量。这时的对流输 运速度是拉格朗日余速度，浓度场也不再是传统意义上原始浓度的欧拉时均场， 而是在环流尺度上变化的浓度场。与速度场一样，当初始位相在一个潮周期内连 续变化时，浓度场也随之表现为无穷多个时空场。鞠莲( 2 0 0 7 ) 通过构造不同地形 和岸形的模型海，对不同初始位相下的拉格朗日余速度及浓度分布进行数值模 拟，发现随着系统对流非线性的增强，拉格朗日余速度和浓度对初始位相的依赖 性越来越显著。 0 3 渤海环流的研究综述 渤海是我国惟一的内海，是一个嵌入中国北部大陆的典型的半封闭浅海，甚 至可以看成是准封闭海区。它西起1 1 7 。3 2 e ，东至1 2 2 。0 8 e ，南始3 7 。0 7 n ，北 至4 0 。5 5 n ，东北一西南纵长约5 5 5 k m ，东西宽约3 4 6 k m ，面积约7 7 x1 0 4 k m 2 ， 海岸线总长度约3 7 8 0 k m ，平均水深仅1 8 m ，最深处位于老铁山水道西侧，也不 过8 6 m 。整个渤海由南面的莱州湾、西面的渤海湾、北面的辽东湾、中部的中央 海盆和东面的渤海海峡五个部分水域组成。莱州湾面积约7 0 1 0 3 k m 2 ，水深较 浅，平均深度约1 3 m 。渤海湾面积约1 3 1 0 4 k m 2 ，平均水深2 0 m ，洼地水深2 6 m 。 辽东湾水域面积约1 8 1 0 4 l 2 ，平均水深2 2 m ，最大深度3 2 m 。中央海盆是渤 海的主体部分，水深般为2 0 2 5 m ，最大水深3 0 m 。渤海仅通过渤海海峡与外 海水域黄海相通，以辽东半岛老铁山与山东半岛北岸的蓬莱连线为界，庙岛 列岛南北纵列于海峡中、南部，把渤海海峡分成1 2 条水道，各水道宽度和深度 6 渤海盐度的拉格朗日潮际输运数值研究 不一，大体北宽南窄，南浅北深，其北部的老铁山水道为最宽最深的水道( 王修 林和李克强，2 0 0 6 ；冯士律等，2 0 0 7 ) 。 管秉贤先生等依据海流观测，特别是温、盐观测结果，推断出了渤海冬、夏 ， 季环流的简单流型：冬季，黄海暖流余脉自黄海通过渤海海峡北部进入渤海，其 后像一股射流通过渤海中部直抵渤海西岸，且由此分为南北两个分支：北向分支 沿西海岸进入辽东湾并形成一俐1 0 j i 时针的大流环；而南向分支，进入渤海湾，沿 岸南下，途经黄河三角洲进入莱州湾，形成了一个逆时针大流环，并最终经由渤 海海峡南部流出渤海而进入黄海；夏季环流，其流型大体与冬季环流相似，仅辽 东湾环流与冬季不同，呈现一逆时针流环，但管秉贤和陈尚及两位先生认为辽东 湾这一逆时针流环是不稳定的，在长期时均条件下，前述顺时针环流更具代表性 ( g u a n ，1 9 9 4 ) 。赵保仁等( 1 9 9 5 ) 根据2 0 世纪8 0 年代以后的实测海流资料综合推断， 认为辽东湾的流环( 除夏季某些年个别月份外) 是顺时针向的，而渤海湾流环则 是北部为逆时针向，南部为顺时针向的双环结构。 2 0 世纪9 0 年代以来，研究人员在渤海相继开展了拉格朗日追踪观测。江文 胜等( 1 9 9 7 ) 于1 9 9 3 年夏季在渤海湾进行了人工水母的投放，得出了渤海湾底层 环流基本上是一个顺时针结构的结果。2 0 0 0 年夏季再次在整个渤海投放了人工 水母，并得到高质量数据，结果表明渤海的底层环流基本在5 c m s 以下，海峡的 北进南出以及渤海湾的顺时针流环也基本上能由观测数据反映出来。但是这次观 测中发现同时同地释放的人工水母经过一定时间后会出现背道而驰的现象，进一 步的数值模拟表明如果给人工水母一随机扰动，那么这种情况是可以出现的( 江 。文胜等，2 0 0 2 ) 。说明在渤海这样不具备强环流的海区，研究环流是十分困难的。 张淑珍等( 1 9 8 4 ) f f l j 用浅海风生热盐环流全流定常模型，对渤海冬、夏季环流 分别做了诊断数值计算，并对其动力机制作了探讨，这大概是专门针对渤海环流 作数值模拟和动力学探讨的首次尝试。就深度平均正压渤海冬季风生环流而言， 窦振兴等( 1 9 8 6 ) ，m i a o 和l i u ( 1 9 8 8 ) ，王宗山等( 1 9 9 2 ) ，王辉和王为民( 1 9 9 4 ) ，赵 保仁和曹德n 刃( 1 9 8 8 ) ，f a n ge ta 1 ( 2 0 0 0 ) ，黄磊等( 2 0 0 2 ) 也得到了大体如管秉贤等 结