基于三重嵌套海岸环流模型对珠江口动力机制的数值研究

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位于广东省东部海岸的珠江口是一个低能的弱潮至中潮环境的半封闭河口。珠江口的环流和水文要素分布对有河口生物和化学环境等有很大影响。为了模拟珠江口环流及其变化和调查河口的主要物理过程,本文基于Princeton Ocean Model(POM)建立三重嵌套海岸海洋环流模型体系。模型体系由三个范围递减的子模式组成:(a)低分辨率(~7 km)的外模式,范围从渤海、黄海、东海到南海北部;(b)中分辨率(~3 km)的中模式,范围涵盖南海北部部分地区;(c)高分辨率(~1.2 km)的内模式,范围为珠江口及其邻近水域。外模式为二维正压模式,中模式和内模式均为三维斜压模式。  运用该模型体系来重现从1992年初到1995年底四年间潮汐、入海径流量、表层水热通量、风应力和大气扰动等共同作用下珠江河口的三维环流和水文要素分布。1993年1月东北季风寒潮期间和1993年6月强台风Koryn期间的模型结果的分析,表明珠江口及其邻近水域的三维海岸环流和水文要素分布在很大程度上受到潮汐、风、入海径流引起的浮力的影响,具有明显的季节性变化和天气尺度变化。模型结果较好地再现了珠江口及其邻近水域温度和盐度结构的季节变化。  为了研究珠江口河口羽状锋和流场在风应力、潮汐、径流和其它当地动力作用下的特征和动力机制,运用嵌套模型体系进行了过程研究。除了控制试验(Exp-Control-Run)外,增加了另外三个敏感性试验:无潮试验(Exp-No-Tide),无风试验(Exp-No-Wind)和无径流试验(Exp-No-River)。四个不同敏感性试验模型结果的比较表明入海径流主要影响整个珠江口地区的盐度分布和盐度锋区内的流场;风应力主要影响内陆架深水区的流场和盐度分布;潮汐主要影响珠江河口内的流场和盐度分布。控制试验和无风试验模型结果的比较表明冬季盛行的东北季风加强了表层陆架水的入侵以及表层水和次表层水之间的垂直混合。此外,东北季风还减小了表层羽状锋区的宽度。冬季沿河口纵轴方向羽状锋的位置比夏季偏北33-60 km,沿河口中部淇澳岛-内伶仃岛一线附近羽状锋的位置比夏季偏西约14 km。在小风或静风条件下,珠江口三维环流可以近似看作是高频变化的潮流和相对低频变化的密度驱动两层流的结合。盐度锋锋区和沿河口纵轴方向南端上层的盐度以及沿断面流场的垂直分布随潮汐而显著变化。  丰水期(5月至9月),大量径流从珠江进入珠江口及其邻近水域,显著的影响了该区域的三维环流和水文要素分布。作者认为丰水期河口羽内的三维环流可以近似看作是潮汐和风引起的正压动力,而斜压动力与潮汐和风动力的相互作用则对锋区和珠江口外深水区的三维环流和水文要素分布非常重要。丰水期水平和垂直的盐度梯度较大。表层水平盐度梯度约为1.08 psu km-1,近底层约为2.8 psu km-1。在盐跃层,垂直盐度梯度高达2.85 psu m-1。丰水期大型低盐河口羽占据了珠江口,珠江口环流表现为典型的两层河口环流,上层低盐河口水向海,下层高盐陆架水向陆。  枯水期(11月至翌年3月),珠江入海径流较少,低盐河口羽及相应的盐度锋局限在珠江口西部和北部口门附近水域。枯水期表层和近底层的水平盐度梯度相近,约为1.4 psu km-1。枯水期尤其是秋末和冬季,不仅河口羽内垂直分层很弱,内陆架深水区垂直分层也很不明显。这些区域的三维环流可以近似看作是正压动力形成的。枯水期斜压动力对锋区的环流起到非常重要的作用。
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