长江口

ECOM模型(Estuarine,Coastal and ocean Model):是在POM的基础上发展起来 的,水平方向采用非正交曲线网格,时间上采取前差格式,并用半隐格式计算水位 方程,消除了CFL判据的限制。 Delft-3D模型:为荷兰Delft水力学研究所的三维可视化商业软件,主要应用于河 口及海岸带,包含多个模块,可模拟多种物理过程。 MIKE模型:为丹麦水资源及水环境研究所(DHI)开发的商业软件,发展成熟,如模 拟二维河口和地表水体的MKIE21,近海沿岸流LITPACK,及深海的三维MIKE3 等。 FVCOM模型(Finite volume Community ocean Model):为美国University of Massachusetts的school for Marine science and Technology陈长胜教授研究 组开发的三角形网格,有限体积,三维原始方程组海洋模型。它结合了有限元法 易拟合边界,局部加密的优点和有限差分法便于离散计算海洋原始方程组的优 点,数值计算采用方程的积分形式和更好的计算格式,使动量,能量和质量具有更 好的守恒性,用干湿判断法处理潮滩移动边界,应用Mellor&Yamada的2.5阶紊流 闭合子模型使模型在物理和数学上闭合,垂向采用σ 变换体现不规则的底部边 界,外模和内模分裂以节省计算时间。该模型己成功应用于美国的一些河口。
陈祖军Fra Baidu bibliotek韦鹤平,陈美发(2004)在前人对河口水域三维水动力研究的基础上,建 立了长江口水域三维非线性斜压浅海与陆架模式,并首次应用到长江口水域尾 水排放水动力数值模拟研究中。考虑到实际河口形状和海底地形,采用平面和 垂向三维坐标变换,在空间完全交错的网格系统上离散化控制方程组,并引入 ADI计算方法数值求解。数值模拟结果基本上反演了长江口水域的三维水动 力状况。马钢峰,刘曙光,戚定满(2006)利用CEMO模式建立了一个长江口水动 力盐度三维数值模型。当水底地形变化比较剧烈时,原CEMO模式中水平扩散 项的计算就可能产生虚假的流场和物质输运,所以文中首先对CEMO模式物质 输运方程的水平扩散项计算方法进行改进,采用返回z坐标系计算,离散变量利 用a层二次Lagrange插值得到。对于改进方法,采用Hunag&Spualding提出的 数值试验进行验证,证明此方法大大地提高了水平扩散项的计算精度。改进模 型采用长江口实测水文资料进行滤定验证,计算和分析了南北槽垂向盐度分布 和盐水通量过程,结果表明模型能较好反映测点盐度变化过程,也能较好地模 拟出垂向表底层盐度差异。
8
• 针对于河口区的模拟,目前国际上使用较广泛的河口海洋数值模型有: • POM模型(Princeton ocean Model):即美国的普林斯顿海洋模型,20世纪 70年代由Blumberg&Mellor发展起来,并在许多学者的共同努力下不断完 善,可被应用于河口、沿岸区域和大洋。它是一个垂向采用。坐标的三 维斜压陆架浅海模式,基于静力和Boussinesq近似的原始方程组之上的 海洋模型,包含一个2.5阶紊流闭合子模型,能给出随流速变化的紊动系数 。POM模型的主要特点是:垂直方向采用σ 坐标,因而可以方便地引入大 陆架地形;在确定垂向紊流钻性和扩散系数时,采用2.5阶紊流动能(TKE) 闭合方法,因而垂直差分为隐式,消除时间对垂直坐标的限制,可使海洋上 、下边界层的分辨率提高而保持计算稳定;在海面无刚盖近似;为了节省 计算时间和增加模式的计算稳定性,POM将海流的正压模和斜压模分离, 采用不同的时间步长,外模为二维,时间步长较短,内模为三维,时间步长较 长。在水平方向,POM采用Arakawa C 型交错网格系统。在垂直方向,紊 流能量方程、垂直扩散交换系数和垂直速度w与温度、盐度和海流场交 错设置。水平坐标系统可选择,既可为曲线正交坐标,也可为经纬度坐标 。
ELCIRC模型(Eulerian-Lagrangian ClRCulation):是美国俄勒冈州Oregon Health & Science University的OGI School of Science&Engineering研究人员,基于对哥 伦比亚河的研究开发的哥伦比亚环流模型CORIE的一部分,可以单独用于模拟计 算。ELCIRC采用了基于水平向无结构网格、垂向z坐标体系下,半隐格式的欧拉拉格朗日有限体积/有限差分方法来解浅水方程。算法上考虑了多种紊流闭合模 式,也包括了潮汐势,大气压梯度项及水气交换,可以模拟多种物理过程。模型已进 行基准测试,并应用到哥伦比亚河的物理过程的模拟,国际上陆续有学者在其相应 研究领域运用了此模型,国内还较少。垂向σ 坐标体系的版本已实现但尚未公开 发布。 UnTRIM模型(Unstrustured grid TRIM model):是意大利Trento university的 Vincenzo Casulli教授为首开发的模型,利用半隐格式的有限差分/有限体积法解三 维浅水方程以及三维输运方程(热盐,溶解物及悬沙)。模型基于非结构正交网格计 算,采用雷诺平均的N-S方程,可考虑包括源汇,风应力,与大气和底部的热交换等多 种因素,可计算潮流,盐度,温度及悬沙浓度。ELCIRC模型即是参考UnTRIM而来。
研究区域：
长江口及毗邻碧海行动计划的范围包括海 域和陆域两部分, 其中陆域包括江苏、浙江 两省所属沿海沿江14 个地市及上海市全市。 江苏省有苏州市、无锡市、泰州市、南通 市、镇江市、常州市、扬州市和南京市; 浙 江省有台州市、舟山市、宁波市、绍兴市、 杭州市、嘉兴市; 陆域面积共计10.36万 km2。海域包括三省市近岸海域, 即长江口、 杭州湾及毗邻海域, 范围为32o00`~ 29o30` N,123o E以西海域, 面积约3.8万km2。生 态模型研究区域包含长江口、杭州湾大范 围水体, 地形见右图：
• 国内在海洋数值模型上与国际的差距较明显, 缺少自己研制的在国际上有影响力的数值模 型,多使用国外的开放模式,但在实际问题中 给出原因和改进的不多,虽有很多学者也在致 力于开发自己的模型,但公开较少。
1
研究背景及意义
2
国内外研究现状 模型应用举例
3
4
展望
长江口及毗邻海域水质和生态动力学模型与应用研究
研究区域地形示意
长江口及毗邻海域二维水质模型：
选用MIKE21建立长江口及毗邻海域二维水质模型。 基本方程为对流扩散方程:
模型范围和网格划分： 模型范围包含长江口、杭州湾大范围水体。 长江上游边界取在江苏江阴, 海域东边界为 东经123o, 南边界在北纬29o30’, 北边界在江 苏吕四港以北北纬32o15’。计算范围的网格 点共有( 170 x 198 ) 个, 网格长度1.5km x 1.5 km。
国外
国外的海洋模型的发展已成一定规模,模型复杂多样,且研究对象各有侧 重,如: ROMS(Regional ocean Model System),SEOM(spectral Element Ocean Model),TOMS(Terrain following ocean Modeling System),ACOM(Australian Community ocean Mdoel),ECOMsi:Estuarine,Coastal and ocean Model(semi-implicit),ELCIRC(EulerianLagrangian CIRCulation),FVCOM(Finite Volume Community ocean Model),GOTM(General Ocean Turbulence Model),MITgcm(MIT General Circulation Model),POM(Princeton Ocean Mdoel)等等。
模拟指标： 第1类指标为富营养化控制指标, 包括溶解性无机氮( DIN ) 和溶解 性无机磷( DIP )。第2类指标为有 机物污染指标, 为高锰酸盐 ( CODMn ) 和氨氮( NH3-N )。
模型输入条件
1、气象水文输入条件 长江口流场、盐度场、温度场和泥沙场直接采用华东师范大学河口海岸国家重点实 验室水动力模型的模拟结果。风速、风向、气温、太阳辐射等外部输入资料同水动力 模型。 2、污染物负荷 模型概化的长江口及毗邻海域的河流入海口及直排源共计33 个。CODMn、TN、TP、 氨氮、无机氮的入海总量分别为224.5、137.6、8.2、19.4、104.0 kt。 调查区2005 年入海污染物中, CODMn 、TN、TP、氨氮、无机氮的入海总量分别为 226.9、130.1、8、16、98kt。 3、初始浓度场取值 最初计算时,CODMn、氨氮、无机氮、磷酸盐分别取0.5mg/L、0.15 mg/L、0.25mg/L、 0.05mg/L。为消除初始浓度场影响, 率定和验证模拟计算的初始时刻比丰水期水质监测 时段提前1a, 模拟时段为2004年6 月~ 2006 年6 月。水质模型计算稳定( 模拟时段超过 约1a ) 后, 取计算稳定后的水质浓度场作为初始浓度场。 4、时间步长的选取 为保持模型计算稳定并尽量节省计算时间, 经反复调试, 时间步长取300s。 5、水质模型边界 上游流入边界取同步实测浓度过程线。外海水质边界取不同水期的实测结果。
模拟结果图
长江口及毗邻海域三维生态动力学模型
大气复氧 reaeration 浮游植物
植物吸收 oxygen release
光合作用产氧
对流扩散
对流扩散
营养盐
碎屑
矿化作用: oxygen demand
长江口生态系统动力学模型概述
Y14物理海洋 陈天华 S14070700023
主要内容
1
研究背景及意义
2
国内外研究现状
3
模型应用举例
4
展望
研究背景及意义
长江口是我国第一大河口,世界第三大河口,自然条件优越,生物品种多样, 但随着长江三角洲经济的发展和人类对海洋资源的开发利用,长江口面临 着严峻挑战:由于入海泥沙减少,近年来,尽管长江口潮间带滩地保持着较 高的淤涨趋势,但水下三角洲堆积速率已明显趋缓,专家初步研究表明,近 20年长江口水下三角洲已出现大范围的侵蚀;长江虽携带着大量的营养 物质,但同时伴有大量的污染物质下泄，多年的环境污染、过度捕捞、高 度围垦以及各种海岸工程的建设,使长江口生态环境己失去平衡,湿地面 积减少,河口生态系统也全面衰退;海平面的逐年上升也会威胁到海堤的 安全,盐水入侵对沿海居民的生活影响逐渐加剧。 2002年国家海洋局发布实施了《全国海洋功能区划》,对长江口—杭州 湾海域功能进行了规划,提出将环境治理,经济发展和生态保护等因素共 同考虑,这对于维护健康长江具有重要意义,也关系到我国构建和谐社会 和经济社会可持续发展。而综合开发、整治长江口和利用丰富的自然资 源,要求充分了解长江口的水动力环境特征以提供智力支持。
1
研究背景及意义
2
国内外研究现状 模型应用举例
3
4
展望
国内
对于河口的数值模型研究,部分学者使用国外模型如Delft3D,MIKE,ECOM等,部分学者也着力发展自己的模型,如:刘桦等(2000)建 立了计算河口密度分层效应的三维潮流、盐度数学模型,垂直方向为R坐 标系,水平方向为直角笛卡儿坐标系,模态分离后外模态用改进的ADI法求 解;为了合理确定垂直涡粘性和涡扩散系数,应用了与PMO类似的非均质 流体的两方程紊流模式。该模型首次复演了完整的长江口三维潮流场,并 对三维盐度场进行了初步模拟。同时,回顾了近年来国内外河口与海岸三 维水动力学数学模型研究的新进展,着重讨论了三维水动力学数学模型研 究中的若干基本问题。对河口三维潮流和密度流问题而言,其基本方程已 经基本解决,但是在风暴侵袭期间,多种尺度的动力因素同时存在,建立其 合理的流动模型是一项重要的基础性工作;尽管己有一些成功的河口三维 流动数学模型,但是寻求基于并行计算技术的数值模拟系统将是值得努力 的方向。此外,河口大规模动边界和漫滩水流的模拟仍有待作进一步研究。