杭州湾潮滩变化对其局地和远程潮汐特征的影响机理研究

The local and far-field impacts of man-induced tidal flat variations on tidal dynamics in a macro-tidal estuary, Hangzhou Bay, are numerically modeled using the Finite Volume Coastal Ocean Model combined with sketched-geometry theoretical model and observationally studied by detailed field measurements. The calibrated hydrodynamic model, which uses high-resolution unstructured grids, special-various bottom stress on tidal flat, has good performance to reproduce the hydrodynamics in Hangzhou Bay. Then, the impacts of tidal flat variations on shallow water tides, and then on local and far-field tidal residual, mixing and tidal energy, are analyzed and determined. Finally, tidal flat variations impact the bottom stress, advection and shoaling effects. The sketched-geometry theoretical model is used to find out the key impact factors. The key impact factors are then incorporated in the numerical model to study the mechanism of these changes on the generation and dissipation of shallow water tides, and then impacts the tidal residual, mixing and energy. This study is scientifically essential for the mechanism of tidal flat variation on tides in a macro-tidal estuaries with high-intensity of human activities.

针对国内外潮滩与潮汐相互作用研究中存在的不足，特别是缺乏对人类活动密集型强潮河口潮滩变化影响远程潮汐特征的机理研究，以潮滩变化较大的杭州湾为例，基于高分辨率监测数据、高效能非结构化网格水动力数值模型，结合概化地形理论分析，研究杭州湾潮滩变化对其局地和远程潮汐特征的影响。重点揭示不同潮滩变化引起的底床摩阻、趋浅效应和对流作用等过程变化，进而影响局地和远程余流、潮混合和潮能等潮汐特征的作用机理。通过高分辨率地形网格、多样化底摩阻参数、多时空验证等途径，提高数值模型的效能。通过数值模拟、通量分析、潮汐调和分析和差异分析等方法，分析潮滩不同变化对潮汐的影响特征。通过概化地形理论分析优选关键影响因子，并嵌入数值模型，研究杭州湾潮滩变化影响潮汐特征的科学机理。该项目可望在人类活动密集型强潮河口潮滩变化影响远程潮汐特征的机理研究方面取得较有创新特色的研究结果，具有重要的科学价值。

针对国内外潮滩与潮汐相互作用研究中缺乏对人类活动密集型强潮河口潮滩变化影响远程潮汐特征的机理研究，以杭州湾为例，基于数值模型与观测手段，结合理论分析，研究潮滩变化对潮汐特征的影响，重点揭示不同潮滩变化引起的底床摩阻、趋浅效应和对流作用等过程变化，进而影响潮汐特征的作用机理。进一步建立了杭州湾表层悬沙浓度遥感反演模型与三维泥沙动力数值模型，研究了杭州湾悬沙浓度的多年变化机制及对潮滩减少的响应特征。主要结果如下：.（1）杭州湾三维水动力与泥沙动力数值模型。采用高分辨率地形网格和多样化底摩阻参数，建立了水动力数值模型，双向耦合水沙密度，考虑絮凝与浮泥特征，建立了三维水沙耦合数值模型。经多时空角度观测数据验证，模型能准确反映杭州湾水动力与泥沙动力特征。结果显示，湾内涨潮占优，分潮振幅从湾口到湾顶逐渐增大，潮能主要汇集到北部深槽。悬沙浓度时空分布不均，呈北进南出、表北南底运移趋势；潮泵输运和横向环流是悬沙输移主要机制之一。.（2）潮滩变化对潮汐特征的影响机理。潮滩位置、面积、坡度等参数变化，影响纳潮量、浅化、对流与耗散等过程，影响分潮振幅与相位，进而影响潮汐不对称特征。杭州湾潮滩面积减少，导致最大潮差略有增大，部分区域涨潮占优增强。湾顶潮滩减少对潮汐特征影响较大。.（3）表层悬沙浓度年际变化特征。遥感数据显示，杭州湾表层最大浑浊带面积有下降趋势，高悬沙浓度区域占比降低。长江来沙减少、潮滩减少、钱江洪水等均降低湾内悬沙浓度。.（4）潮滩变化对悬沙动力特征的影响。数值模型结果显示，潮滩减少改变湾内流速与潮泵效应，进而改变悬沙浓度分布特征与湾内悬沙输运特征。.项目成果在潮滩变化影响河口动力特征的机理研究方面取得较有创新的结果，对海岸带防灾减灾与环境保护有重要的科学价值。