夏季长江冲淡水扩展的数值模拟

夏季长江冲淡水扩展的数值模拟 第2O卷第5期 1998—09 海洋学报 ACTAOCEANOLOGICASINICA VoI.20.Ho.5 September,1998 一放夏季长江冲淡水扩数值模拟t27/ — 查沈焕庭 (华东师范大学河口海岸国家重点实验室,上海200062) 摘要建立一个坐标系下三维非线性斜压陆架模式,研究夏季径流量,台湾暖 流,黄海冷水团,风场对长江冲淡水扩展的影响.数值试验基本再现了夏季长江冲 淡水低盐水舌伸向东北的现象和渤,黄,东海的环流结构.长江径流量只影响近口 门附近冲淡水朝东南方向扩展势力和整个冲淡水扩展范围的大小.台湾暖流深受底 形的影响,流动路径稳定,且不受自身强度的影响,又主流远离长江口,对长江冲 淡水扩展的影响不大.黄海冷水团产生的余流在长江口海遁阻碍着冲淡水沿岸向南 扩展,在远离长江口海区诱导冲淡水向东南运动.总的黄海冷水团的作用是使长江 冲淡水低盐水舌伸向东北,黄海冷水团越强,这种作用就越明显.夏季风场在冲淡 水转向东北的过程中作用显着. 关薯词至丑蓝,垦煎量/堡塑垦黄海冷水团 1引言 挎 长江冲淡水的扩展,尤其是夏季长江冲淡水的转向现象,是黄东海陆架的一个突出的水 .一般认为,夏季长江径流出口门后,在惯性力的作用下,似应向东南方向运动,而 文特征 事实是转向东北.这一现象长期困惑着众多的海洋学家.由于长江巨量径流和它携带着的大 量泥沙,营养盐,污染物等,对东海的泥沙沉积,环流结构,水团组成海洋生产力等产生 着巨大影响,因此对它的研究具有重要的意义. 在以往夏季长江冲淡水转向原因的研究中,经常考虑的因紊为径流量,台湾暖流,风场 等,而黄海冷水团则较少被提到.对长江径流量,毛汉礼等,乐肯堂]-”,Beardsley等, WangE~],赵保仁认为它对夏季长江冲淡水转向起着重要的作用,但浦泳修0],顾玉荷],王 从敏等,于克俊”等认为它的作用有限,不是一个主要的因紊.袁耀初等],浦泳修,顾 玉荷,王从敏等,LeCI~],赵保仁等认为夏季台湾暖流与冲淡水转向东北有关.浦泳修 奉文于1997—0204收到.修改穑于199708—2l收到. 国家自然科学基金资助项目(编号:49406070)和上{孽市青年科技启啊星计翔资助硬目. 1)乐肯堂.长江冲淡水洪水期盐度丹布和{孽流结构的韧步丹析.渤{孽,黄海,东海调壹研究报告.中国科学院{孽洋研究所 编,1984.151,163. 第一作者简介;朱建荣.男.34岁.副教授.博士,现占L事河口上升瘴,陆海箱互作用和生态动力学研究. 展 海洋学报20卷 认为长江冲淡水下游段的动向与北部外海的玲涡(即黄海玲水团)有关,如果冷涡发展甚强, 则无论径流量多大,也得受冷环流的影响而渐渐转向东南.夏季长江口外海区盛行偏南风-毛 汉礼等],Yuan等,乐肯堂0认为风场对长江冲淡水转向东北所起的作用不重要,而袁耀 初等,顾玉荷,于克俊”认为风场起着重要的作用.赵保仁认为海面风应力涡度与 冲淡水转向有关. 以往对夏季长江冲淡水转向原因的研究,大多数是基于对观测资料的,其余的 是利用简单的数学模型和数值模式.利用观测资料的分析,对发现和证实某个现象是至关重 要也是十分必要的,但要从内在动力机制上作出合理解释,具有较大的局限性.数学模型为 了能求出解析解,往往作了太多的近似,能够考虑的因子也很有限,具有明显的不足-至今 为止,数值模+毒丢(丘),() 式(1)为连续方程,其中总水深日一—f}式(2),(3)分别为,Y向动量方程,式(4) 为静力方程,状态方程(5)取Eckart给出的形式s;式(6),(7)分别为盐度和温度方程. E,,,e,e为水平涡动粘滞和扩散项中与地形,水位等有关的项.一般为小量,可忽略不计. 5期朱建荣等:夏季长江冲淡水扩展的数值模拟 其余各符号如常用. 动量方程中的水平压强梯度力为 古墓一+等(塞+)a,cs 古詈一蓦+等(考+考)a.c. 海表面和海底的运动学边界条件,在坐标系中,垂向速度m为零}动力学边界条件在 海表面考虑风应力,在海底引入底摩擦应力,并采用广泛使用的二次率进行参数化;热力学 边界条件在海表面和海底均不考虑热盐通量引起的盐度和温度改变.岸边界条件海流取粘滞 边界条件,盐度和温度无通量.本模式垂向涡动粘滞和扩散系数的给出基于Kolmogorov— Prandtl涡动粘滞概念,并引入依赖于Richardson数的阻尼函数进行修正[“.水边界条件和初 始条件的给出见下面的数值试验. 2.2数值计算方法 数值计算方法为在完全交错的空间阿格系统上,离散化海洋控制方程组,采用ADI方法 数值求解.其中对计算稳定性有重要影响的垂向涡动粘滞项和产生快速传播的外重力波的项 (动量方程中由水位梯度引起的水平压强梯度力项和连续方程中的辐散辐合项)采用隐式差分 格式.动量方程中的非线性项采用半动量格式,以保证二次能量守恒.盐度和温度方程中的 平流项采用迎风格式,以排除物理信息从下游传向上游的伪物理过程,垂向对流项和涡动扩 散项采用隐式”.模式的计算区域为整个渤,黄,东海,考虑实际海岸线形状,和向水 平分辨率为7.5X7.5,垂向分11层,表层和底层分辨率为0.05,第二层至第十层为0.1,时 间步长取为1341.42s. 3夏季长江冲淡水扩展的数值试验及结果分析 3.1夏季长江冲淡承扩晨的控制数值试验 本文先给出一个外界作用因子取为一般大小的控制数值试验B,然后针对其他某个作用 因子,改变其大小,进行数值试验,把其模拟结果与控制数值试验结果比较,讨论这个作用 因子如何影响长江冲淡水的扩展. 在水边界长江口,台湾海峡,台湾以东黑潮流入区,大隅一吐噶喇海峡和对马海峡,海流 的水边界条件由流量确定.据Shen_1”等,长江年径流总量为924X10’IT1,夏季7,8,9三月 的月分流比分别为l2,l3,l2”,由此可推算出夏季长江平均径流量约为0.045×10’ m/s.据赵保仁等”,王辉等的结果,本文取台湾海峡,台湾以东黑潮流入区,大隅一吐噶 喇海峡和对马海峡的夏季流量分别为2×10’,29.91×10’,29×10和2.955X10m/s,以保 证各水边界处总的流量进出平衡.盐度和温度水边界条件除在长江IZl门处各层给定为10X10’ m/s和28×10m/s外,其余水边界处取流入定常,流出无梯度的辐射边界条件.初始条件 海流取为静止,水位偏差为零.初始盐度取为均一(33),初始温度场给出8月黄海冷水团的 分布(资料主要取自文献[21]).据COADS等资料,黄,东海夏季月平均风速为3m/s左右. 在本文夏季渤,黄,东海偏南风取为3m/s的南风.从海洋初始状态开始,先计算出渤,黄, 东海稳定的流场,随后再数值积分4000步,约62.10d,输出结果进行分析. 海洋学报20卷 由图1a可见,由于受北上的东海沿岸流,台湾暖流和南风等的作用,长江径流出口门后. 朝东南方向扩展有限,很快向北扩展,然后作反气旋式旋转,朝东南运动.在长江口以东海 区出现一弱流区.随深度的增加,径流量减小,径流在口门外的量值和分布范围也趋于减小, 而斜压效应趋于明显,近底层出现向陆的密度流.在水深较浅海区由风应力产生的风生流明 显.从20m层次上的流场看(图lb),长江口外海区的流动是朝着西北方向即长江口方向运动, 这是由长江冲淡水引起的斜压效应和台湾暖流末梢北上造成的;黄海气旋式环流明显.数值 试验B基本模拟出了夏季中国近海的黑潮,台湾暖流,对马暖流,黄海环流等,总的环流结 构与管秉贤据实测资料给出的流系图是较为一致的.从整个流场来看,苏北沿岸海区北向 的风生流有助于长江冲淡水向北扩展,闽浙沿岸海区北上的海流阻碍了长江冲淡水向南扩展, 而黄海冷水团产生的气旋式环流则诱导远离长江口门的长江冲淡水向东南流动(iS见下面的 讨论).从盐度分布看图lc,ld),数值试验再现了夏季长江冲淡水向东北扩展的现象,且漂浮 图1控翩数值试验B中0m层流场(a),2Om层流场(b),0m层盐度(c),10?层盐度(d) 5期朱建荣等:夏季长江冲淡水扩展的数值模拟 在距海面较簿的水层内,冲淡水扩展的范围随深度的增加而减小. 3.2径流量对夏季长江冲淡水扩晨的影响 两个数值试验B1,B2,前者径流量为控制数值试验B中径流量的一半?后者则为 一 倍. 在径流量减小一半的情况下,径流在1:3门外的量值减小,尤其朝东南方向扩展的径流减 小明显,扩展的距离也更小{原在长江1:3以东海区的弱流区消失,出现向北的海流;冲淡水 扩展的范围明显减小,但远口门处冲淡水低盐水舌的扩展趋势仍指向东北(图2a).在径流量 增大一倍的情况下,近口门处向东南方向扩展的径流势力大增,其中一部分冲淡水沿浙江海 岸一直扩展至约29.N的地方,同时有效地阻止了长江口以东海区北向的海流,弱流区范围向 南扩大;冲淡水扩展的范围明显增大,尤其是沿浙江海岸向南的扩展;近El门处等盐度线指 向东南,与数值试验B,B1相比,远口门处等盐度线偏向东北的现象趋于不明显(图2b)- 图2效值试验B1(a)和B2(b)中0m层盐度 观测资料表明,在夏季的一些特殊年份,如1977年8月,1993年8月,1986年7Yt,实测资 料的径流量远大于”临界径流量”(4×10’m/s),但冲淡水并不转向东北].而在另一些特殊 年份,如1979年6月为特枯月份,而同年7,8月观测到的冲淡水却向东北偏转,1981年5,6月 也为枯水月份,6月观测到的冲淡水同样向东北偏转蜘.这就径流量的大小是长江冲淡水 转向东北的主要原因的观点是和上面观测资料相悖的.而本文取径流量为特殊情形下的模拟 结果与在特殊年份观测到的结果是一致的. 3.3台湾暖流对夏季长江冲淡木扩展的影响 数值试验B3为封闭台湾海峡的情形,台湾暖流只能来源于台湾东北的黑潮朝陆架的入 侵.与控制数值试验B相比,台湾暖流量值减小,但流动路径还是类似的(见图3a).这里沿 闽浙海岸朝东北方向的流动,除了黑潮的入侵外.还有风应力等产生的海流的作用.冲淡水 低盐水舌仍伸向东北,变化很不明显. 在数值试验B3中尽管封闭了台湾海峡,但仍有黑潮的入侵而形成台湾暖流.为此.在数 值试验B4中再封闭台湾以东黑潮流入区.从0m层流场(见图3b)可见,黑潮完全消失,台 湾暖流不再出现,闽浙沿岸只出现由风应力等产生的东海沿岸流.尽管东海陆架东北向的流 海洋学报20卷 动势力大为减弱,但冲淡水向南扩展的范围并未发生大的变化,低盐水舌仍然伸向东北,只 是32等盐度线在东北部分大约比控制数值试验B中内缩10左右(约18.5km)(图3c).就是 说,如果没有台湾暖流,长江冲淡水仍转向东北,只是向东北扩展的距离有所减小,但并不 明显. 数值试验B5则为台湾海峡流量由控制试验B中2×10m./s增加到3×10’m./s的情形- 结果表明,台湾暖流明显增强,但长江冲淡水的扩展并未发生大的变化,尤其是32等盐度线 在东北部分位置几乎不变,只是等盐度线在东南部分略微向内凹进了一点,水舌向东扩展有 所增强(图3d).台湾暖流的增强对长江冲淡水扩展的影响不明显. 通过以上的数值试验,笔者得出台湾暖流对夏季长江冲淡水转向东北几乎不起什么作用 的结论,台湾暖流的强弱对冲淡水的南北偏移影响也不大,这多少出乎笔者原先的预料.为 此,笔者针对台湾暖流的分布和变化作了数值试验,在增加和减少台湾海峡流量的情形下,除 了台湾暖流流速的大小有明显的变化外,台湾暖流主流流动的路径稳定,均沿闽浙海岸朝东 图3数值试验B3(a),B4(b)中Om层流场,数值试验B4(c),B5(d)中0m层盐度 5期朱建荣等:夏季长江冲渍水扩展的数值模拟 北方向运动,并在舟山群岛以东海区转向东流,主流远离长江口.而在海底取为平底的数值 试验中,情况就大不一样,台湾暖流流幅增大,越过长江口一直向北流动.这表明台湾暖流 的流动深受底形的影响,并决定了它对夏季长江冲淡水扩展的作用不大. 3-4黄海冷水团对长江冲淡水扩展的影响 在控制数值试验B中,黄海冷水团已取为8月份量强盛的时期,在数值试验B6中,不考虑 黄海冷水团的存在,而在数值试验B7中,取10月份较弱的黄海冷水团.为了能更好地讨论黄 海冷水团对长江冲淡水扩展的作用,先模拟分析它所产生的余流分布. 黄海冷水团产生气旋式的黄海环流,并导致黄海中央水位下降.在苏北沿岸海区,因水 深浅且底形平缓,余流不明显.一个引人注目的现象是夏季黄海冷水团诱发了沿阉浙海岸北 上的余流.这支沿岸北上的海流越过长江口以东海区后,继续北进,然后作反气旋式旋转,和 黄海环流西南侧部分的余流合并后,流向东南.这样的流场分布对夏季长江冲淡水转向东北 是极其有利的.但在考虑海底为平底的情况下,黄海冷水团不再诱发出北向东海沿岸流.因 此可以说,由黄海冷水团产生的余流分布,除了黄海冷水团本身的存在外,底形也起着重要 的作用. 在数值试验B6中,由于投有考虑黄海冷水团的存在,黄海冷水团产生的黄海环流和东海 措岸流均不再出现,它们对长江冲淡水扩展的作用消失,结果导致小部分径流向南扩展,一 直可达舟山群岛以南29.N左右.等盐度线不再出现伸向东北的现象,而是基本上朝正东方向 扩展(图4a).这说明夏季黄海冷水团的存在在长江冲淡水伸向东北的过程中起着重要的作用. 在数值试验B7中,黄海冷水团强度减弱,从而导致黄海气旋式环流减小,与控制数值试验B 相比,冲淡水低盐水舌伸向东北现象趋于不明显(图4b). 图4数值试验B6(a)和B7(b)中0irltl层盐度 3.5风场对长江冲淡水扩展的影响 数值试验B8为无风情形,数值试验B9为强南风6m/s情形,数值试验B1o则为不考虑风 场和黄海冷水团存在的情形. 在无风情形下,长江冲淡水朝东南方向的运动明显增强,部分沿浙江海岸向南扩展到了 28.5.左右.在无风生流的情况下,表层出现了明显的气旋式黄海环流.近口门处冲淡水向东 海洋学报2O卷 南方向扩展明显增强,远口门处冲淡水低盐水舌仲向东北的现象不明显(见图Sa)-这表明,控 制数值试验B中3m/s的南风对夏季冲淡水偏向东北起着明显的作用. 在强南风6m/s情形下,径流一出口门就转向北流,不再出现向东南扩展,而是在苏北海 区向北扩展(图5c).整个渤,黄,东海的表层风生流,尤其在水深较浅海区处,明显增大.等 盐度线分布不再指向东北,而是指向北方.这表明夏季在平均南风达6m/s的情形下,风对冲 淡水的扩展起到了十分显着的作用. 在不考虑风场和黄海冷水团存在的情形下,长江径流出口门后,分两部分扩展,一部分 朝北扩展,过长江口北岸后,作反气旋式旋转,随后转向东流;一部分朝东南扩展,并沿浙 江海岸向南扩展(图5b).长江冲淡水不再出现向东北扩展的现象,而是沿浙江海岸向南扩展 (图5d).在这里,径流量大于”临界径流量”,也存在着台湾暖流,但并未使冲淡水转向东北. 结合以上的数值试验,可以得出夏季长江冲淡水是否转向东北,取决于风场和黄海冷水团的 图5数值试验B8(a),B10(b)中0I?层盐度,数值试验B9(c),BIO(d)中0nl层漉场 5期朱建荣等;夏季长江冲淡术扩展的数值模拟 作用,而不是径流量和台湾暖流的作用- 4结论 本文建立一个坐标系下三维非线性斜压陆架模式,研究夏季长江冲淡水扩展的动力机 制.数值试验结果表明以下结果. 4.1长江径流量只影响近口门附近冲淡水朝东南扩展势力的大小和整个冲淡水扩展的范围, 径流量越大,冲淡水朝东南扩展的势力越大,整个冲淡水扩展的范围也越大,但并不决定冲 淡水低盐水舌是否向东北扩展? 4.2由于台湾暖流深受底形的影响,流动路径稳定,且不受自身强度的影响,又主流远离长 江口,因此台湾暖流的强弱对长江冲淡水扩展的影响不大,不是夏季长江冲淡水转向东北的 原因. 4.3夏季黄海冷水团除产生气旋式的黄海环流外,因受海底地形影响还诱发了{晋闽渐海岸北 上的海流.黄海冷水团总的作用是使长江冲淡水低盐水舌伸向东北,并随黄海冷水团增强,这 种作用趋于明显.黄海冷水团的存在,是夏季长江冲淡水伸向东北过程中一个不可缺少的因 子,起着重要的作用. 4.4夏季长江冲淡水的扩展对风场的响应十分敏感.夏季月平均风场在冲淡水转向东北的过 程中起着显着的作甩. 4.5数值试验基本再现了夏季长江冲淡水低盐水舌伸向东北的现象和渤,黄,东海的环流结 构. 参考文献 1毛汉札,甘于韵,蓝教芳.长江冲淡承盈其混音同题的初步研究.{簟洋与期褶-1963—5(3):183~205 2乐肯堂.长江冲菠水路径的新步研究I.橇式.海洋与期沼,1984,15(2)t157~167 3乐肯堂.关于长江冲淡水路径的若干同题.海洋科学曩刊,第27曩,北京:科学出版杜一1986—221,228 4Beard~eyRC.LimeburnerR,YuHDischargeoftheChangila~(YangtzeRiver)intotheEastChinaSea? 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Keywo]~dsEstuaryandoceanmodel,Changjiangdilutedwater,runoff,TaiwanWarmCurrent,Huanghai SeaColdWaterMass