近岸水域自然对流传输的理论研究及实地应用

The sloping bottom in nearshore water bodies is an important feature that affects the nearshore circulation. Due to the varying depth, a horizontal temperature gradient is generated when the water body is subjected to heating or cooling. This temperature gradient drives a circulation that promotes exchanges across shore. Many field observations revealed that this convective circulation affects the water quality and is of significant biological implications for calm near shore waters. This problem is approached here through an integration of theoretical analysis, numerical simulations, and field data analysis. The aim of this project is to use a more realistic model in the theoretical analysis, including the effect of periodic thermal forcing and the three dimensional nature of the topography, to quantify the dependency of flow properties, such as velocity , temperature, and phase delay, on the controlling parameters. This project also aims to monitor the dynamic transport of suspended particles in the convective circulation, and analyze their transport process under different thermal forcings. We will also use the open data sources (multiple remote sensing and mooring data) from Australia's Integrated Marine Observing System to analyze the effect of natural convection in the calm regions of the Great Barrier Reef lagoon and its biological implications. This is a quite innovative step. This integrative approach embodied here can be generally applied to calm nearshore waters (lakes, reservoirs and gulfs) to assess the resilience of water body to pollution and its ecological status, which are of great significance in the successful management of these water resources.

近岸水域的斜坡地形是驱动水体循环的重要因素，在该地形的影响下，水体在热动力作用下产生近远岸之间的水平温度梯度，驱动近远岸之间的水体交换，大量实地观测表明该机制为缓流水域的水体循环提供了重要的驱动力，具有重要的水质及生态环境影响。本研究采用理论分析、数值模拟、野外实测数据分析相结合的方法研究近岸水域由对流引起的传输。旨在研究比以往更接近实地情况的理论模型，考虑周期性变化的热动力以及三维地形因素的影响，量化不同亚流域的流速、温度、相位延迟与流动控制参数之间的关系，并通过数值模拟对颗粒物在对流驱动下的动态传输过程进行模拟，分析污染物的运移规律。同时利用大堡礁泻湖区公开的观测数据（包括多种卫星遥感和现场数据），将理论研究结果首次应用在分析实地缓流水体中的自然对流及其环境影响，是本研究领域一个新颖的尝试。此方法对评估一般野外缓流水体（湖泊、水库、海湾）的自更新能力及生态环境具有重要指导作用。

近岸水域白天受到太阳辐射加热、夜间受到冷却。由于水深沿离岸方向逐渐加深，近岸比远岸的水量少，因而受相同加热或冷却作用的情况下，近岸产生的温度变化比远岸要大，由此在近、远岸之间产生了水平方向的温度梯度。此温度梯度驱动水体循环，促进了近远岸之间的水体交换，大量实地观测表明该机制为缓流水域的水体循环提供了主要驱动力，具有重要的水质及生态环境影响。本研究采用比以往更接近实地情况的强度随时间周期性变化的热动力，将理论分析、数值模拟与野外实测数据分析相结合研究近岸水域的自然对流。数值模拟结果表明，流动响应与热动力的周期长度密切相关，不同周期下的流动响应截然不同，在短周期情形下，流动在整个周期内均被冷却流主导，不存在反转，而长周期情形下则存在明显的昼夜反转。在理论分析方面，将半解析解与尺度分析相结合对周期性流动进行量化。将热动力的变化周期与热边界层到达准稳态所需时间进行对比，将流动化分为短周期和长周期两种情形。分析表明野外实地情况属于长周期情形。与以往针对恒定或线性加热或冷却下自然对流的尺度分析相比，周期性变化热动力下自然对流的尺度分析更加复杂，其结果与周期长度有关。尺度分析推导了瑞利数的两个关键函数，分别刻画热边界层在流动接近反转时是否清晰和以及是否稳定。通过两个关键函数识别了不同亚流域的范围，并对不同亚流域的流速以及流动相对于热动力的相位延迟进行了量化。这些结果均得到了数值模拟的验证。模拟结果显示在长周期情形下，在冷却相位时由非稳定性产生的热羽流使得夜间冷却流在强度上比白天受热所引起的流动更大。流动的相位延迟随周期长度的增加而减少。最后，将理论推导结果应用于分析野外实地情形，分析结果与实地观测十分吻合。同时，将大堡礁泻湖区由卫星获取的海面温度作为示踪剂，估算出该区域不同地段的扩散系数值。此综合分析方法对评估一般野外缓流水体（湖泊、水库、海湾）的自更新能力及生态环境具有重要指导作用。