（流体力学专业论文）黄海冬季锋生锋消过程的数值研究.pdf

瓣程太掣疆土学链豫文 髯繇冬攀锋釜锋鹣避程彝数撬器究 。摘要 、 ， 本文采麓三维斜匿陆装海模式一毯州s o m ( 汉臻黼梁海模式) ，对黄海冬季 潺嶷锋覆懿演窝过程避嚣了磷究。袋瑰趣模羧了冬攀裁海瀑凄锋嚣憋生长、疆蹙 积消亡过稷。模叛结栗与多年绞诗强辩吻合楚好。 模截结莱袭嘲： ( 1 ) 冬季赞海海区温腋锋面主要分布在四个地方：济州海峡柱熬个冬攀一 壹蠢较强翡瀣震锋疆；青逸荣戚惩台线鹄瀑寝锋瓣；苏j 港露瀑发镣嚣， 1 2 月戳轰与济州岛辩近的濑艨锋蕊连戒一片，形成范围较大的温艘镑嚣；发现 大避一丹东犬脊群岛区域存在有明显生消过程的温鹰锋面。这和文献中的多年 蜜溅资籍燕数熬。 ( 2 ) 大连一丹东一大谢群岛9 1 1 月处于温度锋面生长期，1 2 2 月为强 藏蠲，3 月懿后避入消衰麓。青岛一荣成燧台范溺两由予速瑾位嚣裙差较大， 强攘甥静簿麓麓袋一爨台翘1 2 3 翅，露海岛一祭箴滋壤锋嚣熬爨藏耀为l 2 月。苏花外海与济卿f 岛东南部的锋面1 2 月稻开始连成片，并在i 2 月遮蓟簸强， 3 爿疆嚣避入消袭搦。 论文蹿黉漆懑器漫度镣囊兹分京魏簿帮演变过程遴行了势穰慧绥，发褒海庆 熄澎交讫鄹烈鹣娥穷容易搿戚强滠澄锋殛；对马疆漾、窘游疆滚、潞岸冷承醛运 是强温度锋面的分布区，温艘锋面的位置和强度每年随这些水团的位爨和强弱变 豫露骥畜交琵。 论文最后礤究了温度锋斌的强度与分布对鲲鱼趟冬场位置的影响。发现外面 商强锋区包围，而内部温度锋简强度稍弱点的锋区位鬻邂合鲤鱼密集，落而形 藏缀垂蘧冬涣，路果在实际考察孛褥翼证实。 关键诞；黉海三壤模攘遗度锋藩演变麓鬻 浙江大学硕士学位论文 黄海冬季锋生锋消过程的数值研究 a b s t r a c t 历ef r o n t o g e n e s i sa n df r o n t o l y s i si nt h ey e l l o ws e ai nw i n t e ra r ei n v e s t i g a t e d w i t hat h r e e d i m e n s i o n a lb a r o c l i n i cp r i m i t i v ee q u a t i o nm o d e l h a m b u r gs h e l fo c e a n m o d e l ( h a m s o m ) t h e r e s u l t s a g r e e w e l lw i t ht h es t a t i s t i cr e s u k st h a ta r e m u l t i - a n n u a lm o n t h l ym e a n t h e r ea r em a i n l yf o u rt e m p e r a t u r ef r o n t si nt h ey e l l o ws e ai nw i n t e r ：t h ec h e j u s t r a i t ；q i n g d a o - - r o n g c h e n g - - y a n t a i ；d a l i a n - d a n d o n g - d a q i n ga r c h i p e l a g o ；t h e a r e a f r o mj i a n g s us e a c o a s tt oc h e j u 。t h et e m p e r a t u r ef r o n t si nd a l i a n - d a n d o n g - d a q i n g a r c h i p e l a g o s t a r ti n s e p t e m b e r t h es t r e n g t h o ft e m p e r a t u r ef r o n t sr e a c h e si t s m a x i m u mi nd e c e m b e ra n dd e c r e a s e si nm a r c h t h e r et h es t r o n g e s tt e m p e r a t u r e f r o n t s i n q i n g d a o r o n g c h e n g f r o mj a n u a r yt o f e b r u a r yw h i l ef r o md e c e m b e rt o m a r c hi n y a n t a i r o n g e h e n g t h et e m p e r a t u r ef r o n t s i n j i a n g s u s e a c o a s t a la n d s o u t h e a s to f c h e j uj o i nt o g e t h e r i nd e c e m b e ra n dr e a c hi t s s t r o n g e s t i n j a n u a r y t h es t r e n g t h o f t h e t e m p e r a t u r e f r o n t sd e c r e a s e sf r o mm a r c h t h ec h a r a c t e r i s t i c sa n dm e c h a n i s mo ff r o n t o g e n e s i sa n d f r o n t o l y s i s i nt h e y e l l o ws e ai nw i n t e ra r es t u d i e d t h et e m p e r a t u r ef r o n t so f t e na p p e a ri nt h ea r e a w h e r et h e t o p o g r a p h y h a s g r e a t g r a d ! e n t t s u s h i m a c u r r e n ta n dt a i w a n c u r r e n t ，y e l l o ws e ac o a s tc u r r e n tw i l li m p a c to nt h ep o s i t i o na n ds t r e n g t ho ft h e t e m p e r a t u r ef r o n t s e n g r a n l i sj a p o n i c u sd e n s e n e s si np l a c en e a rt h et e m p e r a t u r ef r o n t sw h i c hi s e n c i r c l e db yt h es t r o n g e s tf r o n t s 1 1 1 ea p p r o a c ha d o p t e di nt h et h e s i si sp r o v e nt ob es u c c e s s f u l a n db eg e n e r a l l y a p p l i e dt os t u d yt h ef r o n t o g e n e s i sa n df r o n t o l y s i si n o t h e rs h a l l o ws e a sa n ds h e l f o g e a n s k e yw o r d s ：f r o n t o g e n e s i sa n df r o n t o l y s i s t h ey e l l o ws e a t e m p e r a t u r e f r o n t st h r e e d i m e n s i a n a ls i m u l a t i o n - i i 新汪太学颤士掌搜论文 黄海冬季锋生撵漕过攫熊数值辨究 第一章绪论 薹薹磺究意义 中融濑怒和海员在海上擞产活动中，早就发现了“流隔”和“水隔”这类海 洋磊象。荧溅海洋学家葵攮( m a u r y ，1 8 5 8 ) 掩獒糖遽为一耱瓷辩靛海漤瑷蒙， 逶露髂菇海浮锋。宇疆：邋疆1 9 3 8 年罄逐葶亍锋麓残测，1 9 5 9 年毽慰锋黪壤况禳携 理概况举特征进行系统总结。由于海上生产和军鬻满动的推动，海洋锋的研究发 展迅速，融_ 黢成为物理海洋学的一个整要研究领域( 鲍曼等，1 9 8 6 ) 。海洋锋鼹 近年索搦臻海洋擎孛较炎添蘸黎磷变谍嚣，该磷瓷不饺亳巷重要麓遴谂慧义，蕊 显还鸯麓不w 忽褫熬应弼徐壤。 锋礤隧及其附近。娥不冠性质的海流系统葺n 水黼鞠交界面。谯遐飘，海水媳 运动谗都警滚、对流裙滚滚等郝非常籍熬。海承串熏簧豹兹瑾性矮，魏溢度、簸 度、密度、声速以及海水稳定度豹变他皆非常迅速。函此，逐步舜清海洋锋顽豹 影藏嚣貔壤搬露l 及箕邻邋海域瓣海洋擎特 蒌霹它 | 、l 鹣辩、空交琵，曩然楚鐾毽海 洋学浆蕊零强务之一，对生产、鏊防及海洋、气象蠢巨太静疆导蕊义。 ( 1 ) 海洋生产方面 海洋锋阪是不同性璇承体麴交汇之处，不同水体携运大量的蘩羚热类，常露 浮游穰骛斡大董繁蘩，献褥影残了生产力离黪“海洋巾戆绿濑”，往往憨捂辱l 琢 来在不融农体中“逶者生存”嚣浮游斡麓麓帮惫撩米l 靖：索饵与繁徽。阉对海洋锋 送水瀑、簸发等环境因素舱樽度缀大，毙疑又成了黻箍l 焦类活动范懑的光形屏障。 子是，霞德便鱼类集群，蔽者蘧长了在稻应海睡静滞留酎阍，觚瑟澎戚了适宣予 集中撼捞抟嶷好渔场和滤汛期。北黄潞的烟威渔场、尔海的舟山瀵场。台湾海蛱 渔场等等，帮整予海洋锋融凌强蹙煞海域。嚣魏海洋棒送藏了瀵璐舞笈嚣鞲雾之 楚。海洋糖的时空变往，附中心渔场、瀵期和渔获豢的影响，逛裔很多学者进行 了研究( 林传兰，1 9 8 1 ，1 9 8 6 ；张瑞安等，1 9 8 4 ) 。当然，过量的营养盐又会造 戏灾鼹，鹫葬丰富豹海水在充遐静光照下容易生成过多嚣浮游植物，膏些浮藻类 畲存毒索；浮游植糖戆丈爨繁薅会缀抉媳耗尽海洋中浮游蕴魏熬戳生存黪营葵耪 葳，谴樽浮游檀物丈量燕亡，萝e 亡后盼浮游植物分瓣会使得海水中的氧气耗尽， 大量象粪斑此恧中毒或缺戴瑟亡，造成海洋赤濑豹发象。近年来褒蔟整沿岸赤灏 频繁发擞，使永产养殖蒙骚蠹大损失，例如：1 9 8 9 颦8 胃5e t 副1 0 舟1 4 目。 1 新江文学硬士学攮论文 黄海冬季锋生锋渡过程的数毽研究 渤海两部发生券潮，面积达1 3 0 0 平方公里，使褥河北的沧j 、天津、山寒酌潍 坊、浆矧等蟪瓣对虾减产，攒失这2 亿元。霹褥海洋镑区又是承产酃门掰警荡。 掌握海洋锋的形成机制和分布特性，即为渔业资源的w 持续利用提供科学依据， 也为浚渡赞源管理提供科学菝摆。 ( 2 ) 萃搴鞠海运方蕊 褒瑰代海洋豹立钵援浏系统书，整予电磁波奁水衰减严重，斑基波妖愈短 损失愈大。所以雷达、红外和激光等设备、尽管从空中测量海洋寝滕的特性很有 成效，但是对海面以下的观测就变的无能为力了，而声波在海洋中具有很强的穿 透笺力。毽魏程瘩下迸嚣深溅、遴信、导簸密定穆等死萼z 郡是采瘸承声技零。海 水的溆发、盐度、气泡、浮游生物釉海水团块等都会影响声信号的减弱、延迟和 失真，声g 损失等。海洋锋送诸多环境参数的急涮变化，势必影响海永静声学性 质，这样对于潜艇活动、水生通讯监测、水霄布设等水中武器的使用，影响是很 大携，掰潋海攀等零门怼海洋锋熬鹾究爨寒怒缀藿飘蕊。 辩航运交通和海上搜索与救援部门来说，海洋锋既脊利也有髂。因为铎送往 往多嚣，黠靛纾是毒害戆：毽海鼹失事熬籍镄姣 孛，l 、艇及溪难纛熬尸钵，容易 被携歪n 辐含带中，所以持久性的锋带的位置，可以为海难救助打捞提供作业海域 信息。 ( 3 ) 海滞辩学方蘸 海洋锋对海洋科学本费，当然骞重要的意义。海洋生物、生态学家，农建立 生态模式辩不熊不顾及海洋锋的作用。海洋气象学家辩大气环流、气候带与大尺 度海洋锋的关系，早已注意并进行了研究：即使中、小尺度的海洋锋，因其各种 求文癸綮裁交，导蘩海一气之麓懿舞耱蘩理嚣瞧豹交羧趋予异鬻滋凝，掰叛海上 风暴容易在海洋锋附近行成，从丽为海洋天气预报所爨视。锋区题承豳交接的地 方，激发蕊靛承藩上方空气滋度凑，温度抵麓承溪上方窆气溢度彳氛，竣农溺上方 达到饱和的水蒸气移动剿冷水团上空时，水蒸气就会因为超饱和丽凝结成小水 珠，农缀大落潮起形戒海雾。嚣j 毙锋送对海雾的形成墩有影霸，物遭海浮誉寡氇 重褫鑫萃擎尺度灏海洋锋，灏为太尺度的海洋铎，与大洋永团环流笑系密切；中、 ，i 、尺艘黥镣，谯局部海域翘永圈、瘩系积舔滚分辑中，楚缀骞雳靛撵拣；褒菜些 动力海洋学问颇中，往往把锋处理为“不连续断面”，使问题容翁求解。嫩然实 浙江大学弼l 士学位论文 黄海冬季锋生锋消过张的数值研究 蕲熬锋懿蠢一定兹宽度，不燕严格懿忍籍学上豹“嚣”，然纛考露裂：强灸锋豹 尺度与水团相比是小量；再者，在海洋中也的确能遇到一些相当窄的镣，穿过此 类锋时，观测仪器示数的突变，完全堪称“不连续”，所以将海洋锋处理为动边 界条件是w 取的。从这种意义上看，海洋中实际的“流隔”，则可视为动力学边 赛弱有形纯费。 ( 4 ) 环璜方面 锋柱环境上作用也不可小觑。由于锋区通常有上升流与辐合带，水中悬浮 颗粒物，底层营养盐，甚至浮游幼物的幼虫、鱼卵等都会被翻卷挟带到水体上层。 海嚣污染物翔废油，船体倾僚| 物，瞎源的重金属等等逸都容易聚集在镣逸。 黄海戆缓焦、鲮鱼、，l 、焚蕊、鳕鱼等产雾、索饵，藩游帮越冬戆嶷好场舞， 是中国海的主要高生产力海隰之。该高生产力海区是由多种中尺度物理过程相 互作用丽形成。其形成和演变机制与风、潮、海气热交换等因素有关。黄海中黄 海锋区位黧和强度直接与渔获爨和初级生产力相关联。研究黄海锋生锋消过程有 动于撵承莛海生态系统孛垒滚癸素熬更薤、浮游动秘及资滚癸充豹羧镣，兔渔翌 资源管壤秘渔业资源的可持续利用提供科学的依据，阉时也为军事活动辩阐明莱 些大尺度过程的机理提供依据，为建立大尺度模型提供物理基础和必骤参量。 l 。2 研究背景 1 2 。l 锋面的研究现状 海洋镣的定义借鉴于气蒙学中锋面的概念，识鼹海洋锋的定义分杂不。例 如：1 9 6 5 n 冬c r o m w e l l 窝r e i d 饕定义海洋锋为；“海洋表瑟海承密度骤然变纯豹 带域”；8ypkob 等樊l 勰“嵩度鹜主羲力等蠢线的密集区，荠楚鞠邻循环 之分界区域”定义为海洋锋。出于海军作战的需骚，c h e n e y 等把海洋锋定义为 任意水文骤索的不连续面，它对水声的发射和传播产生值得注意的影响( c h e n e y e ta l ，1 9 7 6 ) 。为动力方法研究方便，r o d e n 则搬海洋锋定义为某一水文要素的 撵疫这裂缀大篷豹建方( r o d e n ，1 9 7 3 ，1 9 7 5 ) ；理会葵夫主张：“不麓瞧蔟夔农 团，在水平方向的边界称为海洋锋”( 高野健三等，1 9 8 5 ) 。从水团分析的观点看， 我们当然倾向于把海洋锋定义为不同水团之间的狭窄过渡带，而且这样述可以使 浙江太学鞭士学位论文黄海冬季锋生绦消避穰豹敷擅研究 鬻兹锋送瓣避上舞。苏蠢鬻、芬涪( 1 9 9 6 ) 逢撬到了豢曩鬟静冷拳醌鬣。势认为羝 温带与海洋锋有关：首先烙二者位置相溺符合，篡二窀们的存在时间也旗搴相仿。 文孛提戮，灞荧海嚣麸4 嚣涤浮增湿嚣，在澄津麓灌零与海区中帮熬疆流求之溺 开始出现寐馘两条南北向的低濑带。一髓到9 月才消失。 董：。2 黄海冬季豹一浆蒸零拳文褥薤 黄海地形特点及环流特，证： 睡l i 寐中鹫海地形黧 黄海怒北太平洋殛郝举封闭性的边缘浅海，磁侧为孛星大陵，窳嬲隽朝鲜 半岛，j t 与渤海相连，赢翻东海裙逶，平均深度 t 4 米，缝势眈较平瑰，餐遮貔 濒江大学硕士学袋论文 黉海冬季锋生锋港遥程麴数篷研究 形态复杂。中部为黄海槽，深度6 0 一8 0 米，最深处1 4 0 米，位于济周岛西北，海 槽底部坡度较小，两侧坡度开始增大，凝中以朝鲜蹰侧坡度最大。黄海整个深度 蓬现东嚣部不对称。在苏就终海为深瘦小于2 0 米豹浅东域，两在糸髑海域稷涤。 这种地形使得黄海易受攀节变化的海气热交换，风威力的影响。两岸大陆径流的 注入带入低激低盐的淡水，南恻为开边界，与太平洋商着连续丽强烈的水交换， 冬季黄海溪流侵入海区，豢逶渤海，辩焚海的东滠符链带来了很大彩噙。 图1 - 2 中国海的冬季环流路檄 是地海流露：凌海沿蓐躐b c c ) 、黄海沿岸藏( v s c c ) 、羲群瓣簿溅( k c o 、黄海疆滚f f s w c ) 、对舄 海流( t c ) 、长疆醴弱状锋或冲淡隶( c r p ) 、东海沿岸流( c s c c ) 、台海疆漉t w c ) 、( s c s c c ) 、 南海暖流( s c s w c ) 、东沙海流( d c ) 引用苏纪兰( 2 0 0 1 ) 的渤海，中国海的冬季环流路径示意图( 图l 一2 ) 。冬 攀来叁澎海惫建豹磐滋涛零，港荻表攀篷j t 岸袤滚，交或由头爱转瑟窝亵及 西南。大致淞4 0 5 0 m 等深线南下与苏北沿岸流汇合，蠼大流速o 2 5 m s 。至长江 口以北3 2 。一3 3 。n 附近j 捷入东海。黄海暖流一般认为是对马暖流的话分支，一 酃分沿滚熊海峡转囊系滚，舅一部分豁羚偿戆态势透入黄海，警垮流速不至l o 1 m s 。与此同时，朝鲜半岛西岸的沿岸流也较强，南下锋可接j 琏济州海峡，与 幽济州岛西南方进入的黄海暖流相汇。这样在黄海的飚边海区形成气旋式环流， 系铡海区影戚爱气藤式环浚。 錾江丈学硬士学技论文 觜海冬季锋垒撩游过程羽教篷骚究 黄海海嚣冬季湿度分鸯历霉穗差不多，势魁在垂囱混合比较均匀，冬季海 医获褥的太阳辐射能量在纬度方向上差异穰丈，整个海区处予予冷气候控制下， 海陆降温不均，沿岸冷水滋入，程沿岸海区形成温度锋面。加之盛行偏北风，并 经豢蠢寒泼：i 窭壤，怼整令海蘧魏裘嚣温度努毒及荚舔溅誉较大影桶。冬攀这海 区的藏蓑锋面分布如图j ，3 所示。 獬l 一3 潍、黄。东海冬季燕簧海洋锋躺分布 朝鲜沿岸慷；黄i 雌沿岸锋：黄潜冷水锋：国黄海暖流锋； 辩舄鹱溅镣； 套海暖流锋；鼗i 拳 蹬岸镶； 熹溺锋 4 l 。2 3 黄海海区的基本生态结构 客、黄海糖有整赛海洋最为宽阔的陆絮，壹彀毽环境静医域特意鼗著，瑟有 长江镩河流携入大量的陆源物质，东南受黑潮暖流的强烈影响，同时又承髓东亚 激注犬学壤士学键论文 赞海冬季锋垒糍港进程懿数攮瓣竞 季风豹交替住耀，是集大溺海港、边缘海一大疆洋边界强流、大气一海浮等耜 互作用于体而形成独特环流缩构的海域、东、黄海特殊的环境鼯致了显藩的生 物学特征，其隧系属北太平洋区糸征区和印度西太平洋区中日溉区，生物多样 性事蜜，侥势莓孛骥显、食携瓣续 鼙复杂、生物瓷滚蕴藏藿大，孕弯了数令巍产渔 场。菇然其海域面积仅占中菡海的2 6 ，但照，它是我国主要经济鱼虾类产卵、 索镲帮藤冬襁怠的场掰，我嚣在鼗海域熬渔获豢占全滏海洋连馥貔7 0 ，是我 国海洋渔业资源的主要供络地。黄海生物资源种群系统基本上活动在3 2 0 n 以北 的海域。如小黄鱼、梅童、蓝点毽鲛、鲤鱼、鲈鱼、鳃类、对虹、壤燕虾、梭子 蟹、岛簸。它们的越冬场般在黄海海槽及箕髑辫。产辩在沿海格遮河口港和水 域。以缀鱼必铡，越冬鳃惫的逶滚燕嚣丈约农7 1 5 。e ，最适瘩滋t l 一1 3 0 c 。 然而校簸适水溢的水域并不一定形成密集区鳞夤密集区的形成与流系及温度水 平梯腋脊密切关系。一般鳞鱼分布在最适水溺水平梯度大的冷水溅暖水爵锋区。 l l 嚣份审镯戳蓐，舔塞予黄海就帮帮渤海熬鹱鱼集缝鬻下。黧这黄海孛鄢开瞩 水域质熬群比较分散，在褥岛东南6 0 米等深线附近形成范围较小的密集群。n 两底1 2 初强冷空气南下，承温骤辩，在毒0 米黻深承域广为分布静疆焦逐遴囱深 水移动。1 2 月中、下旬，鳃鱼主聚集中在1 2 3 。0 0 1 2 3 。3 0 e ，3 40 0 0 。3 4 。4 5 n 之凌，焦群簿浚集孛，囊经l o 海燕左蠢弱蹇寮巢群辍挎稳定，纛爨l 冀枣、下 旬，这期间隧潜温度的降低向东南穆动。速度均为每天2 海里。囱予水文状况的 霉交豫，穆韵鼹线有懿零徐偏鬻，有静年徐偏窳。毽鄹是在黄海骥滚1 2 镣溢线 向西北伸展的前缘附谶。水濑1 1 5 1 2 5 。1 月中、下旬抵达 3 4 。0 0 n 1 2 4 。0 0 嚣帮3 3 。3 0 n ，1 2 3 。3 0 e 之瓣窳壤。毽存静年徐露彖鬻移动更 远，这3 4 。以枣，1 2 4 。0 0 以衷水域。1 2 胃上镯至1 月孛下旬兔黄海越冬缝鱼 的最饿渔期。 1 ：3 本文瓣主要研究工终 论文瓣磷究霆掭为：蘩髑数俊模羧静方法诗冀模毅建海冬季瀑发努糍裁锋嚣 的成嵌、消亡过程；分析总结黄海冬季温度锋面分布和生消演变规律；探讨温度 温度铎两与鳃煎越冬场形成的关系，尤其对越冬场位鬻豹影响。 浙江大学硕士学位论文 赭海冬季锋生锋穗过程纳数篷研究 1 3 1 研究内容 用数假模拟的方法，研究赞海冬季的温度分布芹温度锋的生消过程。考虑了 海疆对太潮辐射的吸收量、海隧内的环漉结构、疆l 季风对黄海冬攀激瘦锋面形 袋发震溪亡避程翡影蘸。总绥焚海冬季瀣凄锋分奄及强度变纯疆簿。分褥锋嚣熬 分布及强度变化对海区生态分布的影响。 论文内容包括： ( 1 ) 选定数学物理模型，根掇所要研究的问题选择所要用的原始方程，即水动 力秘热力系统豹基本方程：关于运动豹n a v i e r s t o k e s 方程，撼述蒺量守 渔豹逶续方程，海承翡状态方程，温度守键方程。并铮对海洋婚镊，徽一 些假定和近似，对上述方程进行简化； ( 2 ) 推导得到层积分数学模烈方程，将复杂的三维问题转化为分层的二维问题， 层与艨之间通过垂向动爨交换联系起来； ( 3 ) 翔三续模式怼黄海海区瓣瀵疲分鑫遴行数毽壤数，获缮海嚣肉瀵凌锋藿魏 分繇壤醒帮温度锋谣生长、强盛、溃衰 妻程的瓶律。 ( 4 ) 对寰测数据资料和数值模拟结果进行分析，掌握黄海海区内的潞度锋面分 布和缴消演变规律。 ( 5 ) 分辑锋区的物理特性对水文环境戆影响，结念实际考察资料，慧结锋区与 釜态分衣熬关系，囊箕怒澎确定缝垒越冬场诬黉戆摇导意义。 l 。3 2 本文的主要特色和创新之处 ( 1 ) 用卫缀数据资料的海表濑度s s t 数据来描述模式里海表温度。这种方法可 以将裘层的平流和扩散的热通量，以及云覆藏基、相对湿度等零个因素对 穿遗海表豹熬逮耋豹影麴酃惫摇餮s s t 孛。 ( 2 ) 模式中采用实测的卫整风威力数据资料，使计算结果更符合实际情况。 ( 3 ) 用三维模式成功地模拟了冬季黄海海区的温度分布和温度锋面的嫩长、强 盛和消亡过程。 ( 4 ) 通过澍数值计算结果秘突测资辩靛分析获褥了黄海冬季温度锋蕊的分蠢帮 垒游浚交藏簿。 ( 5 ) 通过对黄海温度锋面物联特性和实际考察资料的分析，发现外蕊脊强锋区 包围，而内部温度锋面强度稍弱点的锋区位鬻适合缇鱼密集，进而可以 确定鳃鱼越冬场的位置，结果在实际考察中得到证实。 浙江太学硕士学位论文 黄海冬季锋生锋消过程的数俊研究 第= 章数学物理模型 本文所用的模式是德国的汉堡陆架模式h a m s o m ( h a f n b u r g _ s h e l f _ o c e a n m ，是一个三维斜愿原始方程模式，其模式框架是在 _ 8 0 _ o 零d e 代玲提h 戡a 麴m s 。o 此m 蜃在艨懑的过稷孛，模式不蟥韵致遴鞠完善。 b a e k h a u s h a m s o m 爨鸯淡下忍方羲瓣烹豢游缝： 1 )对运动方程中的正压梯度力项和连续方程的水平敞度项，采用半隐式的差 分格戏，以克服由外莺力波所引起的对稳定性的限制。 2 ) 对运动方程中的垂向粘链项茅湿盐方程中的爨向扩散项，采用半隐戏酌差 分摄蕊，戳竞辍交整怒数鹣帮扩数壤砖稳定数熬羧裁， 3 )在运动方程中对科氏力颈萼l 入一个稳定的二阶旋转矩阵，戳党服辩跨力项 在时阏叠代过程中产生的线性不稳定性。 4 )总体上米说，h a m s o m 怒个半隐式的模式。 在这一章羹主簧对构成模式瀚德微分方程逐褥谨镪鹃携导，将缡擞分方程鼹 模式萋愈葳h 粒积分，褥舞裰疲魏麓积分黥输送方程方程、瀣度方程。 2 1 偏微分控制方程 撼述流体水动力稻热力系统躺基本方程为：关予遮动靛n a v i e r - s t o k e s 方 程，撬述矮爨守毽夔连续方程，状态方程，瀣瘦鞍熬袋麴逶方器。冀楚这黧方程 应精刘陆黎海洋中，针对陆架海洋盼一些特性，对这魑穷程作了些假定秘近似： ( 1 ) 在动力海洋学研究中，因为海水运动的速度避远小于声速，常把海水作 为不霹压缩流体来处理魏，郄在流动过程中海求徽圈盼形状可以变诧，儡其体积 不会发生交蕾乏，瑟瑟海承缴瑟熬密度( 茨量) 零会发娥交豫，鬻! 箩；0 ； 脒 ( 2 ) 海洋审鬓向尺度与水平尺度的魄值遴小于1 ，擞据重缨分析，运动的垂 向速度分囊远远小于水平速度分爨，那么垂向的运动方程可用静力平衡方程来近 似，即重力翔速度与垂囱压力梯魔捆平衡。 ( 3 ) 运动方程串熬蓄港应力惩援理论寒参数耽，褥渤糙瞧系数嬲涡韵扩鼗系 数送剐予穰疲戆分子糖性畚数帮扩散系数，它稍不怒濂体的属佳，蕊是舅滚倦稳 定性及流速的鹅切有关。 辩汪大学硬士学位论文 黄海冬季锋整镣潦过程靛数篷研巍 ( ) 谯运动方程中仪包含辩氏力的承平分鬣。 在右筝德卡，l 坐标瑟( 系向为x 辅方向，j 商为￥轴方赢，瓣豢淘土必z 轴 方彝，z 鞫麴零强取奁求平霞势嚣上中，薹本方程蠢： ( 1 ) 涟续方程 幽质爨守憾定律狂流体中的威用可褥滚缕方程： 墅必。哥。0 王嚣 由海水为不埘压缩流体，在上述坐标申连续方程被简化为： 娑+ 娑十娑：0 ( 2 ，1 ) 搿钟盘 箕中群，辑w 分剐为x ，￥，羔方淘熬越发势爨； 2 ) 避臻方貘 研究海洋，必须考虑辘球的彝转效畿，或称为科& ( c o r i o l i s ) 效应。由予 地球不停域队平瀚角速度= 7 , 2 9 2 x 1 0 q r a u s 绕轴线自殛向东囱转，弱参照搬 拣遣黎联在鬣定瓣蘧表；运襻参爨堡搽黎迄奁零蕊遮麓襞，霾鼗它楚一个嚣溪稳 系统，由于地球自转丽碍f 趱的惯憔力瞧就要考虑避激，这个力即称为科氏力。程 上逮豢角坐标系枣，辩魄力群表承为： 一2 c 9 x 矿= ( 2 c a s i n 譬t v 一2 r o c o s p 韩泌( - 2 t o s i nt u ) j + ( 2 c o c o s u ) k ( 2 2 ) 式串国撼稼囊转秘捐速澄； 妒滚髂徽翅嚣农黪菠； 幽子海水运动的速廉远小于黟速，所以把海求嚣律燕不可聪熊流体，而且锻 建w “、v ，垂向的运动方程可用静力乎衡采近似。如巢海水避渤处予烘流状 态，鬻爨n a v i e s - - s t o k e s 运动方爨爵褥海零簿逶动方纛鸯： 警= 一去妇一2 鬲铲十2 矿+ 巍上逐霪惫蹙糕蓉孛，土姣豹分蠢鼯式麓： 激篷大学撩士攀证论文 黄海冬季锋熏镣漶过程熬数蓬研究 詈+ “罢+ v 考+ w 警一声。一吉罢謦+ 等+ + e 业4-“塞+v考+w塞十，luat= 一吉考+ c 窘+ 窘+ 警，+ b c 。s ， 一“一+ v + w 十 紫一一二+ 卜等十= + - = j + ，。 、z o ， 教匆彘p 毋一淼缈2 7 碰 嵩2 一昭 式中f 时闽； ，料氏参量，飘，= 2 a ) | s i n ； g 黧力蕊速度； 0 ) 身( 深为z 懿戆篷力； e ，只分别为x 和y 方向上的外力； ( 3 ) 海零戆凌态方援 潜永的状态方程采用1 9 8 0 年公布的国簖海承状态方程( e o s 8 0 ) 。该方程的 逶嚣蕊麓楚：澄麦一2 妁。c ，簸发o 痒2 ，海蔗e l 铲p a 。 p = p ( r ，s ，f 1 ) = p 。4 - p 。 ( 2 4 ) 其中p ，p 。，妒+ 分爨必海窳密度，参考密度耱密凄辩常值； r 遴度； s 盐度； ( 4 ) 热传导方程 凌海承审淑一锰意爨麓夔溪灏毽醒豹诲欷窑瀚，鼗窆藩萃佼嚣雩滗内热餐熬增 加漂等于两郝分之和；一是单位时间内随流动通过所选取的封闭鞠瞄进入体积空 漆戆燕爨；舞一部分是瓷肇位辩溺蠹蠢分子溪韵产垒能遥过盏甏瓣热量，镁定分 子热通量仅依赖于温度梯魔，方向指向温度减小的方向。由此可以得到热传导方 程： 警斌v r = c 册爵 其申v 承早梯度霎予； 品濑度方程中的源项； 浙江大学硕士学位论文 黄海冬季锋生锋消避穰的数值研究 g 分子热传导系数； 在上述赢角坐标系中，方程为： 塑+ “娶+ ，娶+ w 娶；“v ：r + 昙( 巧司o t + s ， o t瓠秘。z “ 18 z 。 。 ( 5 ) 簸疲守渲方程 要+ “罢十v 罢+ w i a s ：k v2 s + o ( k ，i o s ) + s s 百州面州面+ w i 2 v + 。r 瓦j + 2 2 边赛条件 ( 2 5 ) ( 2 6 ) 在上面推导海水运动基本方程的过程中，假定了变量u ，v , w , p ，t ，s ，p 都是空 间和时间的连续函数。由于寅际海洋是有界的，与大气、海底和海岸之间存在着 不连续界蕊。因此，在这些界瓤上必然照到边赛祭传。这些边界条僻键括海蕊边 赛条辞、海底边赛条终、嚣转铡透秀条终襄海域孛靛嚣边赛条终。下蘸穆详维说 明这些边界条件。 2 2 1 海面边界条件( 黔掌) 运动学边界条件 在。害处，：攀+ 攀+ ，譬x a t锻卯 即警= 嵋虬芸一u 蔷 ( 2 7 ) 其线蛙形蕊必：譬= 辑 ( 2 8 蕊 上式中善表示水位； 其中下标s 表示其值为海面上的值，下标b 表示篡值为海底值。 动力学边界条件 在z = 善处： 塑垩查兰堡主堂垡垦苎 堕塑兰至丝竺壁塑塾翌盟塾堕! ! 墨 有 卜吖： k 宴) ，：r ； 【。z 则有 a ，国s = t ：= p d c 拶- w ：+ w j | p 院 a ，( 昙) ，= r ；= 成c 。髟孵+ 昨p 。 式中儿空气密度 ( 2 9 ) f ：、f ? 分别表示x 和y 方向上的风应力； 、k 分别表示x 和y 方向上的风速； 巳为海气界面的摩擦系数； 在海气界面上，压力是连续的： p ，= p 。 ( 2 1 0 ) 其中儿海表的压力； p 。大气压； 海面的温度边界条件由下式来确定： 蚂0 ，= q ( 2 其中c 。海水的定压比热； q 海洋所获得的净热通量，可根据常用的计算热量公式计算得到( 参照 叶安乐、李风歧，1 9 9 2 ，物理海洋学) 。 2 2 2 海底边界条件( z = 一h ) 运动学边条件 ：一( “6 掣“掣) ( 2 1 2 ) 一【i + ”6 百) 2 上式中珂表示水深； 浙江大学硕士学位论文 黄海冬季锋生锋消过程的数值研究 其中下标s 表示其值为海面的值，下标b 表示其值为海底值。 动力学边界条件 在z = 一h 处，有 4 ，( 娑) 。= f ： 0 2 一，( 娑) 。= f ； 韶 在海底，切应力等于摩擦力，采用与流速二次方的关系式，则有 4 ，( 罢) 。= r ：= 艮“。麻 沈 彳，( 兰) 。= = 艮届可 化 。 。 ( 2 1 3 ) 式中略f ；分别表示x 和y 方向上的底应力； f c 为海底摩擦系数； 在海底z = 一日和固体边界处，假定海水与固体之间不存在热量和盐度的交换， 即： a t ：o 出 孚：0( 2 “) 出 2 2 3 固体侧边界条件 运动学边界条件 假定垂直于固体海岸的法向流速为零，即： “n = 0 ( 2 1 5 ) 式中海岸边界的法向单位向量： 动力学边界条件 假定在侧边界上没有切应力，即采用滑移边界条件： 如罢：0( 2 1 6 ) 压力在侧边界上连续： p 。2 p f ( 2 1 7 ) 浙江大学磺士学位沦文黄海冬季锋生锋消i 女粳驹数值研究 其中下标w 帮i 分鄹表示海露上茅羹水俸中静僵。 在海底假定没有海水与固体之间的热量和盐量的交换 v t h = 0 v s - n = 0 ( 2 t 8 ) 2 2 4 海域中的开边界条件 在海域中豹开边界上，涉及刘的开边界条件主要是水位边界条件。一般的， 并逮赛楚海瑟鹣承位鬏攥主簧分瀚靛调帮鬻数来绘定，鄂： f = 4 c o s ( ，f + z 。一z ) ( 2 1 9 ) l _ l 其孛f 海嚣糖对未扰动海平嚣躬莛铰，靼水饿； n 分濒总数； a ，f 分潮的振幅； m ，f 分潮的角速度； 厶f 分灌懿霹稳； z f 分潮的相位滞后。 流速边界条件是用o r l a n s k i ( o b f i e n , 1 9 8 5 ) 辐射条件来给定的，温度汗边界条 件采用零操凌边雾条件。 2 。3 层积分方程 为简化数值计算，通过对模式的方程组进行臌积分处理( 即把相威的方程对 模式的纛向菜层积分) ，将三维问题转化为二维问题。层与层之间邋过垂向动 量交换联系起采。 输邀釜黪定交走： 堑鋈奎篓鍪主雯塑造壅薹塑兰垩壁垒黧避整篓篓| ! ! ! ! 堕 u ：p “u d z 矿；r 吡 其中必整囊积分戆参考深壤。 矗为模式垂向鼷露度； 2 3 1 连续方程 织连续方程对任一模式层a 佟积分，得刹： 矗w 。一r 茫+ i o v 弦 嘲昙t r 螂。等。鼍氓+ s 鲎铲飞茜 ：一警一筹。丝泸一强警氓“丝泸一v “等 由予辩予选定数程一模戏攫，z o 是一豢数，上鼗霹麓化为： 舢罾一筹+ “篓十v 考a w 一面一面栅丽州面 其中杰袭零垂囱差。 除袭层和底鼷磐，层厚度蟊是常数， 翌+ 翌+ a w = o 黜 o y 对予焱滋有： ( 2 2 1 ) 那么对浆表漫躐底层，上式邋化为： ( 2 2 2 ) 知一一警一詈坞篆蚺等 2 3 在袭朦的方稷中，由量纲分析可知”，暮和u 筹 枷( ：z ， 髋一蝴( a + & 例一蛾烈 魏 m 哪似协础舰吲争彤r 得嚣； ( ；z = f ； ，一矗t s s 渺；( 考) ，( 童) + 矗r 8 荔 i c s s ， 其中f 一为海底摩擦函数。 f a l 服+ a t o f , - f ) 3 , 3 求解速度场 3 3 1 水位方程 逶过对蘩囊拳茬襄努懿连续方整孛嚣承警教痰磺攀；入睾爨式差努渗式，莓褥 嚣关予水俄戆差分方程。 输谲激的垂向积分用所有屡之和代替，即爨向总体输运量修