联合卫星大地测量与海洋模式定量研究河口物质迁移对海平面异常变化的机制

Estuary mouth is an important interface between land and ocean, where earth mass is migrated or discharged into the open ocean. The mass migration causes a complex interaction among shallow water tides, ocean circulation and undersea delta, to mention but a few. Research studies have been focused on the application of hydrodynamic and ocean models to investigate estuary sediment transport and fresh water plumes mechanism. However, hydrodynamic and ocean modeling experts only assign an averaged mass flux in the continuity equation over the coastal ocean outside the estuary mouth to model the surface height difference. In principle, Ocean water due to tide propagation causes damping to time-varying mass flux. The time-varying mass flux should be distributed according to estuary mouth location relative to sea level anomaly observations, bathymetry depth and its time variation, and other elements. This serves as a basis of this project. This project aims to: (1) analyze the spatio-temporal pattern of altimetry-derived sea level anomaly in the near and the far field under the influence of estuary mass flux outside the Yangtze river and Mekong river estuary mouth, respectively, in East and South China Sea, via multi-source observations; (2) establish a spatio-temporal regionalized empirical model (i.e. variogram) incorporated into both external and internal mode of ocean model to yield a better simulated surface elevation; (3) reach a balance closure between the observed sea level anomaly and calculated sea level anomaly from all geophysical components so that the refined ocean model can be applied to the estuary mass migration into the ocean.

河口位于陆地与浅海的交界，是物质迁移(称为物质通量)入海较为重要的自然出口，而物质迁移与浅海潮汐、环流、水下三角洲地形等因素相互作用。国内外研究主要针对河口外部的泥沙运动、冲淡水扩展等过程，应用水文动力和海洋模式作出机理的分析；但研究至今，研究水文动力和海洋模式的学者在其连续方程中只把时变通量平均分配至河口外部，以改正水位差。从理论上，海水因潮汐传播对河口物质迁移造成阻尼，时变通量分配理应全面考虑河口外部海平面异常观测对河口的距离、水深及其时变等要素，此为本项目研究的依据。本项目从长江和湄公河口出发，分别处于中国东海和中国南海，通过多源多尺度的观测，分析河口物质通量对外部时变海平面异常所造成的近场和远场时空变化规律；建立时空区域化变量经验模型，融入并修正海洋内部和外部模式对水位数值的模拟，达致时变海平面异常的观测与计算值相互平衡，实现可应用于河口或物质迁移入海的精化海洋模式。

河口物质迁移与浅海潮汐、环流、水下三角洲地形等因素相互作用。本项目从长江和湄公河口出发，通过多源多尺度的观测和同位素实测，详细分析了湄公河河口物质通量与外部时变海平面异常所造成的近场和远场时空变化规律；建立了经验模型，修正河口水位与流量关系，并探索了时空变化模式，融入海洋模式对水位数值的模拟，实现可应用于河口或物质迁移入海的精化海洋模式。主要成果：(1) 提出了数据标准化准则，估算长江和湄公河流域河口水位和流量变化；对比传统遥感观测，该方法将相对误差从12%降至6%，量化了海洋潮汐对水位与流量关系的效应约为8%以下，为河口内部水位和外部海平面异常的相关性与修正作出基础性的探索；(2) 提出了基于卫星重力GRACE在海洋中的储水量与河口流量进行互相关性分析，研究了河口物质迁移到海洋的时空模式，发现GRACE储水量以冲淡水的形式在海洋表面时空变化具有一定的传播模式，可多达3个月的传播时间，该发现与同位素实测的时间计算一致；(3) 分析了湄公河三角洲水位、流量及其标准化形式与海潮高度的关系，发现长周期分潮（Sa，Ssa）是影响湄公河三角洲区域水位流量关系的重要因素，建构经验模型，去除长周期分潮的影响，获得更稳定的水位流量关系曲线；(4) 提出了以指数衰减模式将河口时变通量分配至河口外部格网的方法，并从正压耗散、M2潮调和常数的模拟结果分析，指出其在补足传统点源法在模拟冲淡水的远场传播时具有一定的潜力。.(5) 基于多个海潮模拟方案的正压耗散的统计结果，发现湄公河口外部海区冲淡水的影响区域主要局限于水深小于60米且距离河口200千米以内的范围之内，此模拟结果可为基于卫星观测数据的河口物质迁移研究提供了理论支撑；(6) 利用不同水深模型作为输入，根据湄公河口外海区的M2潮调和常数模拟结果对水深变化的响应，发现在河口附近的浅海区域（水深小于30米）潮汐对水深变化较为敏感。此结论为进一步考虑海底地形季节性变化的时变水深对海潮的影响打下了基础。