河口区径流潮汐相互作用及其机制研究

It is widely known that river discharge plays a significant role in tidal modulation with respect to amplitude reduction and wave retard in estuaries; however, there are insufficient understandings of how tides are modulated by river discharge of different magnitude. To explore river tides influenced by varying river discharges, this work is devoted to examining: (a) spatial and temporal evolutions of tidal properties and tidal frequency spectra under varying river conditions; and (b) the mechanisms governing river-tide interactions. Attempt is made by a case study of the Changjiang River estuary (CRE), which is a large scale system controlled by high river flow and strong tides, thus providing a natural laboratory for river-tide interaction study. We aim to (a) analyze long time series of tidal heights in the CRE by multiple methods (e.g., non-stationary harmonic analysis and continuous wavelet transformation), and (b) employ analytical and numerical models to examine tidal wave propagation and deformation and their sensitivity to river discharge and varying non-linear processes thus unveil the controlling mechanisms of river-tide interaction. Understandings from this work will have broad implications in general regarding tidal prediction and management of navigation and tidal ecosystem etc.

在长江河口这样径流和潮汐共同作用的大型河口，发现不同频率的分潮在空间和季节上表现出显著的差异特征，但目前对其尚缺乏系统全面的定量认识，而径流影响下的河口潮汐传播和变形过程是河口动力学研究的关键内容。为此本课题将聚焦于径流潮汐相互作用的非线性特征及控制机制这一基础科学命题，以长江河口为例，基于多站位、长序列的潮汐实测资料，采用非平稳潮汐调和分析和小波分析等方法，分析连续变化的径流情况下的潮汐传播和变形特性在河口系统的时空变化和规律；采用基于潮汐动力方程的解析和数值模型的手段，模拟不同非线性因素、不同径流控制情况下的河口潮汐过程，以期更科学准确的量化径流对潮波衰减和变形的作用，探讨径流潮汐相互作用的关键动力机制。由此深化对河口动力特征的认识，同时也可为径流影响下的潮汐预报及相关的动力沉积地貌研究打下理论基础，为河口航运资源开发及生态环境管理提供科学依据。

海洋潮波传入河口后，受到地形和径流改造作用明显，已往研究主要关注了地形幅聚效应和径流对天文潮的衰减作用，本项目研究更进一步的研究了不同大小的径流对潮波传播和变形的多重作用，同时扩展研究径潮相互作用及机制。首先通过结合传统调和分析、近似非恒定分析、连续小波分析等多种手段，系统分析了长江河口潮波传播和变形的时空特征，认识到长江口的潮差具有显著的半月、月、半年和年际的变化特征，大小潮引起的潮差变化最大，年际变化与径流及海洋因素共同有关，其中洪季大径流对江阴以上的近口段潮汐衰减作用显著大于枯季，江阴以下的河口段的平均潮差年内秋季最大。此外还分析认识到口内高频浅水分潮M4的振幅在河口下段(徐六泾)最大，且振幅洪季大于枯季；而低频浅水分潮如MSf则在河口上游(南京)振幅最大。小波分析结果表明，从口门往河口上部，半日和全日周期的潮汐信号逐渐衰减，四分之一日潮信号在徐六泾最大，而后向上游衰减，半月等低频信号则往上游逐渐增大。以上分析综合表明径流对潮汐改造的非线性作用。进而结合潮汐动力模拟等手段，模拟分析了主要天文分潮和浅水分潮的振幅沿程变化、季节变化特征和规律，由此进一步揭示了径流增大对潮波传播和变形的非线性作用，即随着径流增大，河口上游潮平均水位抬升，天文分潮衰减加剧，浅水分潮先增强而后减小，而河口下游的浅水分潮增强，由此表明中等径流量下河口潮波变形最显著。通过对非线性的摩擦作用的敏感性模拟分析，认识到摩擦非线性的双重作用，表现为对天文潮的衰减和对浅水分潮的强化，两者的净效果决定了河口上下游的差异性响应特征。这些研究拓展了关于河口潮波传播和变形的基础认识，可为水道航运及相关河口研究提供科学参考和依据。