河口交换流对径流变化的响应机制研究

The exchange flow at the estuarine mouth has great influences on the physical and biogeochemical processes in the estuary and river plume. Some recent studies found that when using isohaline-averaging method to calculate the exchange flow, the inflow volume and salinity almost do not change as river discharge increases, but outflow volume and salinity change a lot. However, they did not explain the mechanisms of this response clearly. This project will study the responses of the exchange flow to river discharge from two aspects. On one hand, based on the difference between Eulerian and isohaline averaging methods, the outputs of validated estuarine numerical models will be used to study the relationship between the response of the exchange flow to river discharge and tidal dispersion term. On the other hand, from the view of the estuarine adjustment, analytical derivations and idealized models will be used to study how high-frequency estuarine mixing process adjusts the response of exchange flow at the mouth when river discharge inputs low-frequency disturbance. The outcome of this study will help us understand the estuarine adjustment process and provide reference for the related studies in the estuary and river plume.

河口入海口处的交换流对河口内部以及冲淡水区域的物理生态等过程都有着重要的影响。最近的一些研究发现，当采用沿等盐面平均方法对几个河口的交换流进行分析时，随着河流径流量的变化，入海口断面处的交换流对应的入流体积通量和入流平均盐度几乎不变，而出流体积通量和出流平均盐度则变化较大。然而，现有的研究尚未对这一现象给予清晰的解释。本项目拟从两方面对这一现象的可能机制进行研究：一方面，从平均方法的角度出发，根据沿等盐面平均方法与欧拉平均方法的差异，利用经过验证的数值模型结果，讨论交换流对径流量的响应规律与潮弥散项之间的关系；另一方面，从河口自适应调整的角度出发，利用理论推导和理想数值模型手段，探讨当径流输入低频扰动时，河口内部的高频混合过程是如何进行调整，从而影响入海口处交换流的响应规律的。预期成果将有助于深入地理解河口的自适应调整过程，同时为河口内部和冲淡水区域的相关研究提供科学参考。

本项目通过采用理论方法，推导了盐度垂向连续变化的河口中，入海口处交换流、河流径流量、河口内部盐度混合、湍动能耗散率和盐度垂向分层之间的定量关系。进一步结合三维河口数值模型实验（基于ROMS模型），解释了入海口处交换流对河流径流变化的响应机制，即：当河流径流输入低频扰动信号时，河口内部的盐度分层强度发生变化，变化的盐度分层在与底边界层和跃层处剪切应力的共同作用下，导致河口内部的盐度混合强度产生变化，从而调节了入海口处交换流的大小，而这一过程也会受到潮流大小的影响。在深入理解这些动力过程之间联系的基础上，项目组还进一步将本项目进行过程中推导的盐度方差守恒方程应用到了数值混合的离线诊断中，并通过与相关专家合作，对长江河口中一些相关的动力过程和环境效应等进行了探讨。基于项目研究成果，项目组在本领域的主流学术期刊已发表SCI论文6篇（均有标注）。项目负责人协助培养了1名博士研究生和2名硕士研究生（1名毕业，1名直博）。项目执行期间，项目负责人积极拓展与国内外知名科学家的合作与交流，分别赴美国伍兹霍尔海洋研究所和加州大学洛杉矶分校进行访问交流，并与国内相关专家合作，开展长江口的相关研究工作。本项目的实施也启发项目负责人开始关注河口和浅海锋面过程的研究，并孵化出一系列值得深入研究的科学问题，为项目负责人进一步深入开展浅海与河口动力学研究起到了培育作用。