三维数值模拟长江中下游流场

三维数值模拟长江中下游流场

0数值计算模式的确定长江是中国的一条主要河流，河口形状复杂。它分为三个海湾（南支和北支、南槽和北槽、南港和北港）。靠近口门附近有一座水下水库（图1）。长江河口的动力过程也十分复杂,影响因子有径流、潮流、波浪、密度流等,其中潮汐潮流在这个系统中起着重要作用。长江河口是中等强度的潮汐河口,口外是正规半日潮,口内是非正规半日潮。南支的潮差范围从口门到上游逐渐减小。口门附近的中浚测站的多年平均潮差为2.66米,最大值是4.62米。黄浦江附近的吴淞站潮差是2.21米。由于北支的河槽呈喇叭状,所以其潮差大于南支,并且由口门向上游逐渐增大。潮流在口门内作往复运动,在口门外为旋转流。通常,由于长江河口径流作用,落潮流速度大于涨潮流的速度。长江口门外潮波传播方向大约为305度。杭州湾因为喇叭形,属于强潮差海湾。以往对长江河口、杭州湾的数值研究在计算区域的确定上大都是分开的,模式较为简单,如垂向平均的二维模型,网格大都为锯齿状矩形网格。我们知道,长江口紧邻杭州湾,物质交换频繁,若分开计算,边界条件很难给出,也将影响计算域内计算结果。在长江口拦门沙区域,存在着盐水楔现象,斜压效应明显,表层流因径流作用向海,底层流因密度分布不匀引起的压强梯度力作用而向陆,流速、流向垂向变化明显不同,这要求采用三维模式;长江河口、杭州湾岸线和底形复杂,对动力过程具有直接的强迫作用,这需要高分辨率曲线网格来拟合岸界;长江河口、杭州湾受多种动力因子作用,其相互作用是非线性的,又咸淡水混合产生的斜压效应明显,这要求采用非线性和斜压模式;因河口浅水和潮流作用,河口存在着强烈的混合作用,垂向湍流涡动粘滞和扩散系数是随时间和空间变化,这要求模式采用湍流闭合模型。以往垂向平均二维模式不能重构流场、盐度和温度等的垂向变化,也完全忽略了垂向混合过程。基于以上理由,我们建立了一个三维的、高分辨率曲线网格的、非线性的、斜压的、原始方程湍流闭合的长江口、杭州湾和邻近海区河口海洋数值模式,研究此区域的动力过程。本文给出长江口、杭州湾和邻近海区的潮汐潮流模拟结果,并做动力分析。1非正交曲线网格湍流闭合数值模拟因长江河口、杭州湾岸线和底形十分复杂,为更好地模拟和预报河口和海岸动力过程,模式网格线恰当地拟合岸线和航道显得十分重要。Chen等和Zhu等基于Blumberg和Mellor的三维海洋环流模式,发展了一个非正交坐标变换模式。这个模式耦合了Mellor和Yamada的2.5阶湍流闭合模型,以提供随时间和空间变化的垂向湍流混合参数。我们在Chen等发展的模式的基础上,建立了一个长江口、杭州湾及邻近海区三维高分辨率非正交曲线网格湍流闭合数值模式(限于篇幅,不再给出原始方程组,初始和边界条件方程),研究此区域动力过程。图2为计算区域和曲线网格,北支上游的分辨率大约为300m,长江口附近为2-3km,南边界和东边界附近为5-6km。垂向方向采用σ坐标系,使水浅处能享有和水深处相同的分辨率。垂向分11层,垂向分辨率在长江口附近大约是1m,东南水深最深处大约为8m。模式时间步长取为180s。2长江口潮位及流场的时空分布本文对4个主要分潮M2,S2,K1,O1作数值模拟。边界条件由4个分潮的调和常数振幅和位相合成给出。由静止开始,积分7天,流场稳定以后,继续积分一个月,用最小二乘法作潮汐潮流调和分析,输出结果进行分析。我们整理和分析了长江口和杭州湾27个验潮站的数据,这里仅给出三条港、杨林站和中浚站潮位计算值与观测值的比较(图3)。在长达半个月的计算中,模式均较好地体现了潮位的变化过程。从模拟的4个分潮的等振幅线和同潮时线分布看出(图略),长江口的潮波深受东海前进潮波系统的影响,半日分潮M2、S2在口门外从东南向西北传播,全日分潮K1、O1从北向南传播。它们在向西的传播中受到长江口内和杭州湾内的海岸限制,而沿岸向西传播。进入口门后由于河槽的约束,传播方向基本上与河槽轴线一致。潮波进入长江口后,受科氏力的作用,潮汐振幅是垂直与潮波传播方向上向右递增,潮差北岸大于南岸,向上游逐渐减小;杭州湾由于喇叭形,其潮振幅向西增大。在四个主要分潮中,M2最大,S2次之,K1次小,O1最小。表1为M2分潮振幅和位相计算值与观测值比较,误差大多数10%以内。沈家门、龙山的误差比较大,因为它们附近水道较深,又有一些小岛屿,而我们的网格无法体现这些变化。高桥站位的误差也大,原因是站位凹进在岸线内。在长江口外主要为旋转流,进入长江口门后转变为往复流;杭州湾基本上是往复流。长江口外M2、S2椭圆要素的长轴方向大致是西北-东南,K1、O1的长轴方向大致是西南-东北,但在口内四个分潮方向与河轴平行(图略)。M2,S2,K1,O1潮流椭圆长短轴的分布在垂直方向上都自表层向底层减小,表层的旋转性比底层强,底层往复性强,这主要由底摩擦作用造成的。在长江口潮位的模拟值在小潮时段与实测值存在偏差,因为模型中还未考虑密度流,风生流,潮滩等影响因子。长江口外的潮差的大小主要有天文因素控制,而口内的潮差除受天文因素制约外,还受到上游径流和河段地形等影响,小潮时其他因子的影响比大中潮时大;并且模型只考虑了M2,S2,K1,O1四个分潮,没有考虑浅水分潮,但实际上潮波进入长江河口后,因水深变浅及径流作用的加大,逐渐发生变形,浅水分潮明显增大。1996年2月曾对长江河口进行过多船同步观测,本文针对此次观测,考虑径流量和潮汐潮流作用,模拟三维流场的分布。限于篇幅,本文选取在空间分布上具有代表性的4个测站,北支1C、南支上游2、北港3B、南港4B(见图1)。图4、5、6、7分别为测站1C、2、3B、4B上、下层流速、流向计算值与观测值的比较。因底摩擦的作用,流速在垂直方向存在着明显的差异,上层流速明显大于下层流速,处于南北港的测站4B、3B尤为明显。测站4B上层的最大流速为110cm/s,下层的最大流速仅60cm/s。潮流具有不对称性,由于径流的作用,落潮时间明显大于涨潮时间。测站4B、3B落潮时间一般为7小时,涨潮时间为5小时。落潮流历时与涨潮流历时的差值由口门向里增大。处于南支的测站2落潮时间一般为8小时,涨潮时间为4小时。长江口落潮流一般大于涨潮流,但在象北支涨潮槽中,涨潮流反而比落潮流大。流场的以上空间分布、时间变化与实测结果基本一致。3潮位和潮流场运用已建立的三维、高分辨率曲线网格湍流闭合的河口海洋数值模式,把长江河口、杭州湾和邻近海区作为整体,模拟了该区域M2,S2,K1,O1四个主要分潮及1996年2-3月观测期间流场。结果表明:(1)长江口外潮波深受东海、黄海潮波系统的影响。在长江口外半日分潮M2、S2从东南向西北传播,全日分潮K1、O1从北向南传播。进口门后,潮波受海岸的限制,由口外的旋转流转变为往复流。长江口外M2、S2潮流椭圆长轴方向大致是西北-东南向,K1、O1的长轴方向大致是西南-东北,口门内与河轴平行。四个分潮潮差在长江河口南支向上游递减,而在长江河口北支和杭州湾,因其喇叭形状,而向上游递增。在这4个分潮中,潮差M2最大,S2次之,K1次小,O1最小。模拟的潮位变化过程与实测值较为一致,在27个验潮站计算的4个分潮振幅、位相与观测值比较,误差大多数10%以内(见表1)。在岸线、底形、浅滩、岛屿分布复杂的长江河口、杭州湾,本文较好地模拟出了潮汐潮流的分布和变化。(2)针对1996年2-3月长江河口观测,考虑径流的作用,模拟得出的流场在垂直方向存在明显的差异。即使在冬季口门内,在流体斜压性较小的情况下,因底摩擦和垂直湍流混合作用,下层流速明显小于上层的流速。这表明要正确模拟长江河口流场,必须使用三维模拟,以往垂向平均二维模式无法重构这种流速垂向分布。(3)潮流具有不对称性,因径流的作用,落潮历时大于涨潮历时2-4小时,向上游逐渐增大,落潮流速一般大于涨潮流速。但在涨潮槽,涨潮流