基于拉格朗日相干结构的近海余环流及污染物输运研究

Residual current is the main driven factor for the pollutant transport in coastal areas. Due to the particularities that they present, like influence of complex topography, coastline shape and the direct driving at the surface by variable wind forcing, coastal flow dynamics and pollutant transport remain still poorly understood. Lagrangian Coherent Structures, which based on the dynamical system theory, play an important role in the water transport and mixing. The different water transport regions could be detected by the LCSs, and it’s difficult to obtain from the Eulerian current fields. The method is useful to understand the mass transport, but it is not enough of the current research on the coastal circulation and pollutant transport. The project develops a high-resolution hydrodynamic model considering the meteorological condition, wave, tidal current in coastal areas, in China. Based on the model, the distribution of LSCs is calculated and the spatiotemporal variation and the dynamic mechanism of the LCSs are analyzed. The circulation structures are studied from the view of the different water transport regions. Combined with the pollutants monitoring data and numerical simulation, the temporal-spatial variation of the LCSs and its effect on the pollutant transport processes, accumulation and dispersion will be revealed. The project will explore the circulation structures which are underlying in the flow and divide the different water transport regions, and understand its effect on the transport and distribution of the pollutant. The results can provide scientific basis for the planning and control of the water environment.

近海余环流是影响水体中污染物长期输运和分布的主要动力之一。由于近海区域地形条件及动力因素的复杂性，对环流特征及污染物输运规律仍需要深入研究。基于动力系统理论的拉格朗日相干结构对水体的输运和混合具有重要调节作用，可获得难以从欧拉流场中得到的水体运动分区特征，是研究流体中物质输运的一个有力工具，但其在近海环流及污染物输运中的研究还比较缺乏。项目以我国近海为研究区域，建立一个考虑气象条件、波浪、潮流等动力因素相互作用的精细水动力模型，基于该模型提取海域拉格朗日相干结构，分析其时空变化特征及动力机制，从海域水体运动的分区特性角度研究近海环流结构；结合污染物实测资料和数值模拟方法，研究相干结构时空变化对污染物输运过程、聚集和扩散的影响。通过本项目的研究，将揭示隐藏于水动力场内部划分不同运动特征水体的环流结构，深入认识其对近海污染物输运和分布的影响机制，为海域水环境规划和治理提供科学依据。

近海余环流是影响水体中污染物长期输运和分布的主要动力之一。基于动力系统理论的拉格朗日相干结构对水体的输运和混合具有重要调节作用，可获得难以从欧拉流场中得到的水体运动分区特征，是研究流体中物质输运的一个有力工具，但其在近海环流及污染物输运中的研究还比较少。本项目采用数值模拟手段，结合近海污染物实测资料的方法开展研究，取得系列重要发现和成果，具有重要的理论价值和广阔的应用前景。主要成果有：（1）建立了适用于近海复杂条件的波流耦合海洋模型。将Mellor(2013)水面函数改进后的波浪辐射应力公式和波浪破碎效应的水滚项添加到水流模型原始控制方程中，建立了非结构网格下的近岸波流耦合模型。模型较好地给出了斜坡上沿程分布的回流速度，能准确地模拟人工岛周围的波生流。（2）建立了基于GPU并行的拉格朗日相干结构计算模型。该模型大大提高了拉格朗日相干结构的计算速度，使其更容易应用于实际海域中。结果表明对于MPI并行模式，粒子数较少时（1000~64000）加速能力较强，但随着初始粒子数的不断增加（260000），受到不同计算线程间数据交换带宽的限制，其加速能力提升减缓，而GPU并行模式的加速能力仍有大幅提升的空间。（3）分析了近海拉格朗日相干结构分布特征及其对污染物输运的影响。结果表明利用拉格朗日相干结构可以准确的识别出具有不同流动特性和水交换时间的水团，各水团具有相似的余流强度、方向及滞留时间，不同水团之间基本不发生掺混。因此采用拉格朗日综合描述方法能够分别从物质输移路径、水体输运时间尺度和不同运动特性水团的分区多方面揭示水体的输运特征。（4）结合污染物实测资料，分析了拉格朗日相干结构分布对近海污染物聚集和扩散的影响。结果表明象山港海域从西沪港至口门海域南岸和北岸水质等级存在明显差异，而利用拉格朗日相干结构分布表明该区域为两个运动特性不同的水团，相干结构南侧的水体为向湾外流动，而北侧的水体为向湾内流动，合理地解释了湾内水体水质分布差异的原因。