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水交换模型的理论方法及应用研究

作　者: 宋军
导　师: 鲍献文；薛惠洁
学　校: 中国海洋大学
专　业: 物理海洋学
关键词: 东中国海黑潮谱聚类谱混合模型水团分析水交换嵌套模型
分类号: P731.26
类　型: 博士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

基于嵌套的海洋环流数值模型,分别对东中国海陆架海区与近岸局部海区的两个具有代表性的水交换问题进行了探讨。对于每个水交换问题的具体需要,选取了不同网格构造方式但紧密耦合的数值模型,并结合相应的观测资料首先对所在海区影响水交换的主要物理背景因素进行了分析。针对这两个互为补充的水交换问题,分别构建和使用了相应的研究方法。其互补性表现为：前者是在给定的水交换强度下,对水交换区域的面积和位置的时空分布规律进行了研究；后者是在研究区域给定的情况下,研究了该区域与外海水的水交换强度情况。利用三维的海洋环流数值模型ROMS (Regional Ocean model System)对东中国海海域的黑潮流系系统(东中国海黑潮流系)的季节变化与年际变化进行了模拟和研究。数值模型积分时间自1991年到2008年。东海黑潮流系的变化规律被自西向东划分为三段分别进行了讨论。本论文给出了东海黑潮流系穿越东海大陆架200米等深线的体积通量以及其变化规律,并使用最新的经过质量验证的31个剖面Argo浮标轨迹对此体积通量结果的年平均状态进行了验证。从月平均结果上来看,此向岸的体积通量于夏季减到最小,为0.4796 Sv(1 Sv≡106m3 s-1)；于冬季达到最大值,为1.69 Sv。通过对长时间模型模拟结果的时间序列分析,本文揭示了黑潮于台湾岛东部的通量的季节变化幅度,在2000年之后相对于2000年之前呈现出变化减弱的现象。谱聚类方法被引入到海洋科学研究,并以此为基础初步构造了一个研究水交换与混合的新的研究方法：谱混合模型(Spectral Mixture Model)。本研究使用谱混合模型定义了东海黑潮流系与东中国海大陆架水的交换区,并研究了其变化规律。该交换区的变化与上述东海黑潮流系穿越东中国海大陆架200米等深线的向岸体积通量的变化呈现出-0.78的显著的负相关关系。研究结果同时指出来自太平洋的季节内信号有可能穿越黑潮主轴进入东中国海海域。基于对2006年夏季与2007年冬季在123.51°E,38°N位置一个月海流和水位观测数据的分析,发现夏季余流呈现两层结构,上层流向为西北,下层流向东南,并且在大潮日期附近,在跃层附近深度存在若干流速较强的水层；冬季余流除了个别层以外基本上均为西北向流入北黄海,从中可以看到风场改变所引发的异常增减水和强流出现。对潮流椭圆的分析表明,半日潮族分潮流的最大流向自夏季至冬季存在着顺时针的旋转,旋转角大约为16～18°,并且夏季半日潮族随深度顺时针,全日潮族随深度逆时针旋转,而冬季基本上由表层到底层上下一致。长海县位于黄海北部海域,辖五个乡镇,经济皆以水产为主,海域营养物质的交换能力对其增养殖潜力影响较大,其中海域的营养物质可以用颗粒有机物(POM)和溶解有机物(DOM)表征。应用国际先进的无结构有限体积法的海洋模型FVCOM (An Unstructured Grid, Finite-Volume Coastal Ocean Model),基于四个连续测流站、三个水位计以及此海域中一个ADCP的观测资料,分不同季节共二十种情况对此海域及其五个乡镇表征营养物质的颗粒有机物和溶解有机物的交换能力分别进行了计算,分析了各种因素在此交换过程中所占的比重,并给出了所研究海域水滞留时间的空间与时间分布规律。本文研究成果的科学意义主要表现为：构建了用于解决水交换以及水团分析问题的谱混合模型方法的框架；基于动力学关系给出了两个水交换问题的一般研究方法；完善了东中国海物理环境演变理论体系。

全文目录

摘要  5-7
Abstract  7-12
1 前言  12-28
  1.1 引言  12-13
  1.2 背景知识  13-23
    1.2.1 研究海域物理背景  13-18
    1.2.2 相关研究现状  18-23
  1.3 本文结构  23-24
  1.4 本文创新点  24-26
  1.5 附图  26-28
2 嵌套模型的配置与验证  28-36
  2.1 大区太平洋模型  28-29
    2.1.1 模型简介与模型配置  28-29
    2.1.2 模型结果  29
  2.2 模型嵌套  29-30
  2.3 小区渤黄海模型  30-32
    2.3.1 模型简介  30-31
    2.3.2 模型配置  31
    2.3.3 模型结果  31-32
  2.4 附图  32-36
3 黑潮与东中国海陆架水交换区的定义与变化规律  36-62
  3.1 前言  36
  3.2 数值模拟结果分析  36-41
    3.2.1 东海黑潮流系的结构及其季节变化规律  36-39
    3.2.2 台湾岛以东、九州岛以南、台湾海峡、对马海峡以及东中国海200米等深线五个断面水通量的变化规律  39-41
    3.2.3 东海的平均温度盐度结构  41
  3.3 谱混合模型  41-48
    3.3.1 前言  41-42
    3.3.2 算法综述  42-43
    3.3.3 谱聚类  43-46
    3.3.4 概率密度函数  46-47
    3.3.5 对任意数量指定聚类混合区的定义  47-48
  3.4 谱混合模型在黑潮水与东中国海陆架水交换研究中的应用  48-49
  3.5 小结  49-52
  3.6 附图  52-62
4 近岸小海区水交换与水滞留时间时空分布研究  62-103
  4.1 前言  62-63
  4.2 北黄海潮流的季节变化  63-70
    4.2.1 资料获取  63-64
    4.2.2 数据分析方法  64-65
    4.2.3 温盐垂直断面  65
    4.2.4 余流分析  65-68
    4.2.5 潮流分析  68-69
    4.2.6 小结  69-70
  4.3 长海县海域潮汐特征的研究  70-75
    4.3.1 计算方法  70-71
    4.3.2 长海县海域潮汐水位特征  71-74
    4.3.3 小结  74-75
  4.4 长海县海域温盐特征及其季节变化  75-78
    4.4.1 春季温度和盐度断面分布  75-76
    4.4.2 夏季温度和盐度断面分布  76-77
    4.4.3 秋季温度和盐度断面分布  77
    4.4.4 冬季温度和盐度断面分布  77-78
    4.4.5 小结  78
  4.5 模型结果分析  78-81
    4.5.1 模型结果验证  78-79
    4.5.2 潮流场结果分析  79-80
    4.5.3 潮余流场结果分析  80-81
    4.5.4 小结  81
  4.6 长海县海域的营养物质交换  81-86
    4.6.1 敏感性数值试验设计  81-83
    4.6.2 潮汐对长海县海域水交换与营养物质交换的影响  83-84
    4.6.3 环流与海面风对长海县海域水交换与营养物质交换的影响  84-85
    4.6.4 径流输入对长海县海域水交换与营养物质交换的影响  85-86
  4.7 长海县海域水滞留时间的模拟计算  86-88
    4.7.1 水滞留时间的生态意义  86
    4.7.2 计算模型  86
    4.7.3 计算结果与长海县海域水滞留时间的变化特征  86-88
  4.8 附图  88-103
5 结论与展望  103-106
  5.1 结论  103-104
  5.2 展望  104-106
参考文献  106-121
6 附录ROMS模型与FVCOM模型介绍  121-150
  6.1 ROMS模型介绍  121-128
    6.1.1 动力和热力学方程  121-122
    6.1.2 S坐标系统  122-125
    6.1.3 湍封闭模型  125-126
    6.1.4 开边界条件  126-127
    6.1.5 河流计算模块  127
    6.1.6 温度计算模块  127-128
  6.2 FVCOM模型介绍  128-150
    6.2.1 原始方程组  128-129
    6.2.2 σ坐标下的控制方程  129-130
    6.2.3 二维(垂向平均)方程组  130-132
    6.2.4 三角形网格的设计  132-133
    6.2.5 数值离散过程(外模和内模的分裂)  133-137
    6.2.6 二维外模和三维内模的离散形式  137-146
    6.2.7 干湿网格处理技术  146-150
致谢  150-152
个人简历  152
发表的学术论文  152-153
研究成果  153

水交换模型的理论方法及应用研究

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