寒潮天气对区域海流能及温差能影响的模拟研究

【摘要】：气候资源主要是指大气中的风、辐射、降水等自然动力、热力、水汽资源。气候资源通过两种方式影响着人类生产生活：一种是气候资源直接作用,一种是气候资源的间接影响,如通过海气作用驱动海流、影响海温、改变局地海平面等。这种包括大气和海洋在内的自然能的相互影响与转换,使得海洋能成为一种新型气候能源,其开发和利用前景远大。 本论文探讨我国冬春季频繁发生的寒潮大风降温对我国沿海海洋要素分布与特征的影响,进而认识由此引起的沿海局域海流能和温差能在寒潮过程中的演变特征。由于局域海洋监测资料获取难度大,所以除对卫星资料和一些再分析资料的区域应用处理以外,重点采用区域海洋模式模拟,系统性地认识寒潮天气过程的大风降温对区域海洋要素时空演变的影响效应。 首先统计了近20年来(1991-2009)长江口、杭州湾影响较为显著的寒潮,按路径和强度将入侵长江口、杭州湾地区的寒潮进行分类分级。侵袭长江口、杭州湾的寒潮多发生在冬季与春季,其中高频次多出现在12月份,寒潮过程降温幅度最大可达13℃。寒潮入海路径主要可分为三类,Ⅰ类为北路,配合高空东北冷涡的寒潮冷锋沿我国东部海岸线南下；Ⅱ类为西路,寒潮冷锋从新疆入境,经青海、四川向东到达长江口杭州湾入海；III类为中路,寒潮冷锋从蒙古国入境,经陕西河南向东南扫过长江口杭州湾如海。 重点调查寒潮过程对近海区域海洋要素分布及特征的影响,因此选择寒潮强度大,路径差异明显的两次过程：2005年3月10日的北路寒潮,2008年12月20日的西路寒潮。对两次寒潮过程影响的海洋要素特征时空变化进行数值模拟,分别设计多种影响因子组合实验。如仅考虑天文潮、天文潮和寒潮大风、天文潮和寒潮降温、天文潮和寒潮大风降温、以及增加波浪驱动等几组数值试验。 试验研究结果显示：北路寒潮个例具有强的偏北大风,在其作用下东部沿海海区流场表现为沿海岸线偏南,尤其在长江口杭州湾口,为一致的向南海流。此次风生流流速最大值接近3m/s。西路寒潮携带强偏西风影响长江口杭州湾海域,在长江口杭州湾口,为显著的向偏东方向的海流。寒潮大风造成近岸水位的显著变化,北路寒潮时,长江口杭州湾因海流流动向南,在Ekman漂流向右的质量输运作用下,有向岸的海水流动,长江口杭州湾余水位显著增高,最大升高达2.2m。西路寒潮时,长江口杭州湾海流向偏东离岸方向,Ekman漂流向右的质量输运作用下,有向偏南离岸海水运动,造成长江口杭州湾余水位显著降低,出现负余水位1.8m。在动力因子中耦合波浪作用,对北路寒潮,风大浪高,造成水位有增大,对西路寒潮造成的近岸负水位,波浪对风场的响应,造成小风时段,水位有所降低,水位变化幅度也减弱。大风时段水位有进一步地下降,并与风速风力成正比。考虑波浪之后,对近岸流的流向基本影响不大,但流速有明显减小,这与波浪波动对表层流的扰动效应有关。波浪的影响在西路寒潮中表现为大风时段风生流方向保持不变,流速显著增大,波浪的存在削弱了潮流周期变化的效果。因此增加对波浪的耦合,FVCOM-SWAN模式能更合理的模拟近岸海洋要素的变化和对环境因子影响的响应。 两次寒潮过程均造成长江口杭州湾地区海水表层温度显著下降,北路寒潮造成长江口SST最大降温2。C；西路寒潮造成杭州湾口SST最大降温约1.5。C。寒潮过程造成海水上冷下暖不稳定结构,引起海水垂直混合,导致海洋水团性质和温跃层位置变化。在近浅海地区风场作用显著,风应力及波浪促使海水加快垂直混合。外海海水水层深厚,风应力影响的层次相对浅,且气温影响过程相对慢,整体层化现象明显。通过计算海水温度槽脊区内海水质量输送,调查寒潮过程对海水热力场与动力场配置的影响。计算结果显示,在寒潮降温的冷槽区,质量输送量值显著增加,在等温线呈辐散状的温度脊区,质量输送量值减小。整体上,质量输送方向符合密度非均匀梯度流流动方向。 进一步地探讨了寒潮引起的沿海局域海流能和温差能的演变特征。在长江口杭州湾,海流能一般在夏季较为丰富,冬季较差,可能与径流的冬季枯水期和夏季洪水期的流量差有一定关系。在寒潮天气下影响下,区域海洋的海流能将增加,应与寒潮大风驱动海流速度增加有关。区域海洋温差能也存在冬季弱夏季强的特征,这应与冬季近海海水混合增强,温差小,而夏季海水层化特征强,上下层温差大有关。由此对于寒潮天气,不仅有其灾害性的一面,也有其增加海洋能的一面,对寒潮过程的趋利避害,将有利于海洋能的开发利用,为人类造福。 【关键词】：长江口杭州湾 寒潮大风降温 海洋热力动力要素 海洋能
【学位授予单位】：南京信息工程大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：P743
【目录】：

• 摘要6-8
• Abstract8-11
• 第一章 绪论11-21
• 1.1 引言11-12
• 1.2 研究背景和意义12-14
• 1.2.1 研究背景12-13
• 1.2.2 研究目的和意义13-14
• 1.3 相关领域研究进展14-19
• 1.3.1 海气热传输研究进展14-15
• 1.3.2 寒潮过程研究进展15-16
• 1.3.3 近海数值模拟研究进展16-17
• 1.3.4 海流能及温差能调查研究进展17-19
• 1.4 本文讨论及拟解决的问题19-20
• 1.5 论文结构20-21
• 第二章 区域海洋模式(FVCOM)介绍21-31
• 2.1 环流数值模式21-25
• 2.1.1 模式特点21-22
• 2.1.2 两种坐标系下的控制方程组22-24
• 2.1.3 边界条件及网格划分24-25
• 2.2 海浪数值模式(FVCOM-SWAVE)25-29
• 2.2.1 模式控制方程组25-27
• 2.2.2 白帽破碎27-28
• 2.2.3 数值离散28-29
• 2.3 耦合模型29
• 2.4 本论文模式设置29-31
• 第三章 模式验证及热动力要素模拟31-38
• 3.1 FVCOM模式验证31-33
• 3.1.1 模式地形及网格31
• 3.1.2 计算模型配置31-32
• 3.1.3 模拟过程描述32-33
• 3.2 区域海洋热动力要素模拟33-37
• 3.2.1 水位验证34
• 3.2.2 潮流验证34-35
• 3.2.3 温度检验35-37
• 3.3 小结与讨论37-38
• 第四章 寒潮天气统计研究及典型个例分析38-48
• 4.1 我国沿海寒潮概况38
• 4.2 影响长江口、杭州湾的寒潮38-42
• 4.2.1 资料和方法39
• 4.2.2 寒潮特征39-42
• 4.2.3 典型寒潮的选取42
• 4.3 两种典型寒潮诊断分析42-46
• 4.3.1 降温实况42-43
• 4.3.2 大尺度环流背景43-44
• 4.3.3 主要影响系统发生发展44-45
• 4.3.4 局地强降温各影响因子比较45-46
• 4.4 小结与讨论46-48
• 第五章 两种典型寒潮对区域海洋要素的影响48-69
• 5.1 试验方案48-51
• 5.2 两种典型寒潮对水动力要素影响51-57
• 5.2.1 对水位的影响51-54
• 5.2.2 对海洋环流的影响54-57
• 5.3 两种典型寒潮对热力要素的影响57-64
• 5.3.1 海水表层温度58-61
• 5.3.2 温度垂直传输特征61-62
• 5.3.3 寒潮影响的海水质量输送62-64
• 5.4 波浪驱动的影响64-67
• 5.4.1 波浪对水位的影响65-66
• 5.4.2 波浪对环流的影响66-67
• 5.5 小结与讨论67-69
• 第六章 两种典型寒潮对区域海流能及温差能特征的影响69-79
• 6.1 近海海洋热动力要素的时空分布69-72
• 6.1.1 海流时空分布特征69-70
• 6.1.2 海水温度时空分布特征70-72
• 6.2 寒潮对近海区域海流能资源分布的影响72-75
• 6.2.1 海流能的特征量的计算73-74
• 6.2.2 近海海流能功率密度的季节分布74
• 6.2.3 典型寒潮过程海流能功率密度分布74-75
• 6.3 寒潮对近海区域温差能资源分布的影响75-77
• 6.3.1 温差能的特征量计算76
• 6.3.2 近海温差能功率密度季节分布76-77
• 6.3.3 典型寒潮过程时温差能功率密度分布77
• 6.4 小结与讨论77-79
• 第七章 结论与展望79-82
• 7.1 主要结论79-80
• 7.2 存在问题和展望80-82
• 参考文献82-86
• 致谢86-87
• 作者简介87

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