湍流非线性对拉格朗日余流的影响研究

The effect of the tidal straining on the shallow sea circulation has been a hot topic in recent years, on which a number of findings have been made. However, all of these studies were based on the Eulerian residual currents and were diagnostic. Although the Lagrangian residual currents have been proved appropriate to represent the inter-tidal mass transport, few studies explored the influence of the turbulent nonlinearity on the residual circulation. Only Feng and Lu (1993) established the equations of Lagrangian residual currents with a turbulence closure model assuming the homogeneous turbulent kinetic energy equation. The contribution of the turbulent nonlinearity to the shallow sea circulation will be studied in this project in the view of the Lagrangian residual current. The semi-analytic solution to the equations of Lagrangian residual currents with a turbulence closure model will be given first in a typical ideal system. Then the diagnosed solutions based on the definition of the Lagrangian residual currents will be drawn from the numerical model with the same settings as in the semi-analytic model, and the results will be corroborated. The numerical solution procedure will be applied to the general situation to get the Lagrangian residual currents. The results will then be used to discuss the influence of the turbulent nonlinearity on the shallow sea circulation and transport in different dynamic situations. Finally, the adaptability of the equations of Lagrangian residual currents with the turbulence closure model will also be evaluated by analyzing the results.

潮汐应变对浅海环流的影响是近年来浅海环流研究的热点问题，已经取得不少成果，但是这些研究都是基于欧拉余流开展的，且都是诊断研究。而拉格朗日余流尽管已经证明能够正确表达浅海物质输运，不过此前的研究多忽略了湍流非线性的影响，仅有Feng and Lu (1993)在湍动能齐次方程假设下，建立了湍封闭的拉格朗日余流动力学方程组。本项目拟以拉格朗日余流的观点来研究湍流非线性对于浅海环流的贡献。首先在典型理想系统中求得湍封闭的拉格朗日余流方程组的半解析解，并用数值模型从拉格朗日余流定义出发诊断得到同样设置下的数值解，与半解析解相互印证；然后数值求解更加一般性情形下的拉格朗日余流，讨论湍流非线性对浅海环流和输运结构产生的影响，及其在不同浅海动力环境下的相对贡献，并从上述结果分析湍封闭拉格朗日余流方程组的适用性。

潮汐应变对浅海环流的影响是近年来浅海环流研究的热点问题，已经取得不少成果，但是这些研究都是基于欧拉余流开展的，且都是诊断研究。而拉格朗日余流尽管已经证明能够正确表达浅海物质输运，不过此前的研究多忽略了湍流非线性的影响，而本项目则是以拉格朗日余流的观点来研究湍流非线性对于浅海环流的贡献。.本项目主要是从以下4方面开展了研究：三维潮致拉格朗日余流的实验室直接测量；湍粘性系数和地形对拉格朗日余流影响的数值研究；狭长海域变湍粘系数下的三维潮流及拉格朗日余流解析解；三维潮致拉格朗日余流控制方程组的数值求解。取得了三项创新性成果：实现了实验室水槽中拉格朗日余流三维结构的直接测量；获得狭长海域变湍粘性系数下的三维潮流和拉格朗日余流解析解；建立拉格朗日余流控制方程组的数值求解方法。.通过研究得到以下四点认识：.1）水槽实验结果表明拉格朗日余流满足水量守恒，而欧拉余流不满足，这是拉格朗日余流适宜描述潮致余流的实验证据。.2）随时间变化的湍粘性系数会使得拉格朗日余流的结构变复杂，强度变小，而二次底摩擦会产生更复杂更强的拉格朗日余流，显示出湍流非线性对拉格朗日余流的作用。.3）拉格朗日余流对湍粘性系数的大小敏感，对其垂向结构不敏感。潮致体力的三分量中斯托克斯漂的湍粘性效应项决定整个潮致拉格朗日余流的整体流态；平流贡献项虽小一个量级，但受垂向湍粘性系数的结构影响较大；科氏力的局地加速度项也比斯托克斯漂的湍粘性效应项的作用低一个量级，但余流系统自身的旋转效应可与斯托克斯漂的湍粘性效应项相当。.4）地形决定了拉格朗日余流的分布结构，当地形平缓时，拉格朗日余流呈现垂向分布的结构，当地形陡峭时，则倾向于横向分布的结构。.本研究中建立的方法可以为进一步研究潮流和拉格朗日余流打下基础，取得的新认识可用于解释近海水环境变化的动力机制，对于预测近海水质提供理论依据。