珠江河口潮汐应变环流动力结构与形成机制

Tidal straining circulation is the major process of the estuarine circulation, which is critical in controlling the longitudinal transport and vertical diffusion of material such as sediment, nutrient elements, and pollutant in estuaries. At present, the lack of studying on salt advection, stratification and mixing of estuarine circulation still exists, and there is a large gap in high resolution measuring on stratified shear flow. Based on the high resolution in-situ observation on mean flow and turbulence, which is taken by the microstructure profiler, the halocline observation system and the bottom-mounted tripod in distinct stratified region, this project will take the Huangmaohai Estuarine Bay in Pear River Estuary for example to clarify the temporal and spatial distribution of dynamical structures, stratification and mixing of tidal straining circulation. Combined with numerical modeling, it will confirm the relative importance of the tidal straining circulation in estuarine circulation. And the influence of the main dynamic factor (e.g. tide, runoff, wind) on the tidal straining circulation will be discussed. It also aims to estimate the momentum balance, turbulent energy balance and salt balance of the tidal straining circulation, and to reveal the formation mechanism of the tidal straining circulation by theoretical analysis. This research is expected to deepen our knowledge on formation mechanism of the estuarine circulation, help to promote the development on stratified shear flow and small scale dynamic process. It also has practical significance in estuarine channel regulation, riverbed evolution and saltwater intrusion.

潮汐应变环流是河口环流的主要动力结构，对于河口悬沙、营养盐、污染物等物质的纵向输运和垂向扩散均有重要影响。目前关于河口环流中盐度的平流作用、层化与混合等方面的研究还比较薄弱，对于高分辨率分层剪切流的观测相对缺乏。本项目拟以珠江黄茅海河口为例，通过湍流微结构剖面仪、跃层观测系统、座底三脚架观测系统等先进观测技术，在层化发育的特征站位进行高分辨率平均流和湍流观测，阐明潮汐应变环流的动力结构和层化混合的时空分布规律。应用数学模型，确定潮汐应变环流在河口环流中的相对重要性，讨论河口主要动力因素对潮汐应变环流的影响。基于分层剪切流和湍流边界层动力理论，估算潮汐应变环流的动量平衡、湍流能量平衡和盐度平衡，揭示潮汐应变环流形成的动力机制。研究可深化我们对河口环流动力机制的认识，促进河口分层剪切流和小尺度动力过程理论的发展，对于河口区航道整治、河床冲淤演变、防治盐水入侵等具有现实意义。

潮汐应变环流是河口环流的主要动力结构，对于河口悬沙、营养盐、污染物等物质的纵向输运和垂向扩散均有重要影响。项目在前期工作基础上，拟以珠江黄茅海河口为例，通过跃层观测系统、座底三脚架观测系统等先进观测技术，在层化发育的特征站位进行高分辨率平均流和湍流观测，阐明潮汐应变环流的动力结构和层化混合的时空分布规律。应用数学模型，确定潮汐应变环流在河口环流中的相对重要性，讨论河口主要动力因素对潮汐应变环流的影响。基于分层剪切流和湍流边界层动力理论，估算潮汐应变环流的动量平衡、湍流能量平衡和盐度平衡，揭示潮汐应变环流形成的动力机制。经过近四年的工作，得到以下主要结论：（1）在黄茅海河口盐水楔前缘，河口环流和盐度层化表现出明显的涨落潮不对称。涨潮层化增强，形成表层从浅滩指向深槽、底层从深槽指向浅滩的侧向环流。落潮层化减弱，形成表层从深槽指向浅滩、底层从浅滩指向深槽的侧向环流。（2）河口余流分解表明，拉格朗日余流均表现为“表层向海、底层向陆”的两层环流结构。欧拉余流在大潮期表现为两层环流结构，但在多潮平均下表现为指向外海的单向流结构。斯托克斯余流始终表现为指向上游的单向流结构。EOF分析表明，径流和河口剪切两者共同作用，是控制黄茅海河口环流的主要动力因素。（3）理论分析和数学模型结果显示，应变环流主要由混合潮汐不对称所产生，混合不对称的相位决定了应变环流的垂向结构。动量平衡分析表明，由潮汐混合产生的垂向涡动扩散项是主要的动力项，与局地加速度项和正压项相平衡。上述研究成果可深化我们对河口环流动力机制的认识，促进河口分层剪切流和小尺度动力过程理论的发展，对于河口区泥沙输运、河床冲淤演变、防治盐水入侵等具有现实意义。