本文關(guān)鍵詞：潮汐不對稱性的時間變化特征及其對工程的響應(yīng)　出處：《華東師范大學》2017年博士論文　論文類型：學位論文

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【摘要】：潮汐是普遍存在的一種海面周期性升降的運動。根據(jù)天體運動規(guī)律,潮汐信號可以分解成有限個對稱的、不同頻率正弦或余弦波的疊加,因此可以通過傅里葉分析得到不同頻率信號的振幅和相位,實現(xiàn)對潮汐信號的理解以及潮汐預(yù)測。然而對于淺海陸架、海岸及河口地區(qū),由于受到岸線和水下地形的影響,潮波會發(fā)生不同程度的變形,導(dǎo)致漲潮時間和落潮時間的差異,或者低水位到平均海平面的距離與高水位到平均海平面距離的不同,兩者都稱為潮汐不對稱現(xiàn)象。差異越大則不對稱性強度越強。對于潮汐動力為主的水域,潮汐不對稱是引起潮周期內(nèi)鹽度、泥沙、營養(yǎng)鹽以及污染物等物質(zhì)余輸運的重要動力機制。因此,深入了解潮汐不對稱性的表現(xiàn)特征、時空變化、動力機制,具有重要的理論和實踐意義。本文以潮汐漲落潮時間不對稱性——即水位上升時間與水位下降時間的差異——為研究對象,采用水位時間導(dǎo)數(shù)的偏度來定量這一潮汐不對稱性,從全球尺度、河口陸架尺度到局部海域尺度研究其以下三個方面的性質(zhì):1.潮汐不對稱性的大小潮(半月)變化特征及其全球分布大量觀測和理論研究都證實了潮汐不對稱性的強度甚至方向存在大小潮的周期性變化,但對其具體的表現(xiàn)特征和空間差異還有待系統(tǒng)分析。本文假設(shè)水位過程可以使用有限個分潮的疊加來表達,采用2個太陰日為積分周期,將水位時間導(dǎo)數(shù)的偏度展開得到一個可以體現(xiàn)潮汐不對稱性大小潮變化特征的公式。該公式得到481個分布于全球的潮位站數(shù)據(jù)的有效檢驗。并應(yīng)用分辨率高達1/30°的全球TPXO8-atlas調(diào)和常數(shù)研究了潮汐不對稱性大小潮變化的全球分布。研究結(jié)果顯示潮汐不對稱性的大小潮變化在大洋中十分普遍,體現(xiàn)了天體運行周期對潮汐不對稱性的影響。有三種分潮相互作用可以對潮汐不對稱性的半月變化產(chǎn)生重要影響:主天文潮和長周期分潮之間的相互作用(D0/D1)、主天文潮之間的相互作用(D1/D1)、主天文潮和淺水分潮之間的相互作用(D1/D4)。他們的本質(zhì)是引潮力朔望周期通過不同的方式來影響潮汐不對稱性:D0/D1代表通過日均水位的影響;D1/D1代表直接影響;而D1/D4代表通過改變淺水效應(yīng)來影響。在大洋中,D1/D1主導(dǎo)了約80%海域的潮不對稱性半月變化,這主要是由于大洋水深較深,淺水分潮難以成長,而天文因素產(chǎn)生的長周期分潮振幅有限;D1/D4主導(dǎo)的海域約為18.7%,體現(xiàn)近岸海域淺水效應(yīng)的重要作用;而D0/D1主導(dǎo)的海域僅有0.3%,多分布于極地海域,根據(jù)平衡潮理論,這與半月潮振幅在極地最強有關(guān)。若記D0/D1、D1/D1和D1/D4相互作用產(chǎn)生的潮汐不對稱性半月變化幅度分別為A0、A1和A4,根據(jù)481個實測站點的統(tǒng)計,A1與潮型指數(shù)F =(aK1+aO1)/(aM2+aS2)存在一個非線性關(guān)系。若定義 G =(aM4+aMS4)/(aM2+aS2)和H=(aMSf+aMf)/(aM2+aS2),則那么A4與A0的比與G/F2存在非線性關(guān)系,A0與A1的比則與H+4H/F2存在非線性關(guān)系。如此,我們可以使用F、G和H這三個參數(shù)來快速估計某個站點的潮汐不對稱性半月變化可能是哪類分潮相互作用主導(dǎo)的。驗潮站的結(jié)果還顯示,在D1/D1相互作用占主導(dǎo)時,潮汐不對稱性有可能小潮強于大潮。而當D1/D4相互作用主導(dǎo)時,大潮時更強的非線性作用往往導(dǎo)致更強的潮汐不對稱性。2.河口區(qū)潮汐不對稱性在陸海相互作用下的時空變化特征以徑流量豐沛的長江口為例,分析了多個站點連續(xù)一年的逐時潮位數(shù)據(jù)。本文研究區(qū)域集中于從徐六涇到牛皮礁的南北支、南北港和南北槽這四個入海通道中,并稱之為河口區(qū)。徑流量可以加強向海的正壓梯度力和河道中的底摩擦,阻礙潮汐向上游傳播,從而減小河道中的潮汐振幅。這一機制使得南支各站的M2振幅呈現(xiàn)"冬季大、夏季小"的特點,但是在北槽出口的牛皮礁站,其振幅呈現(xiàn)"夏季大、冬季小"的特點,變化幅度達0.10m。一個可能的解釋是夏季河口區(qū)以外海域更強的層化強度減小了湍粘滯系數(shù),減弱了湍流耗能作用,從而增大M2振幅。北支由于其特殊的喇叭狀地形,使得M2振幅的季節(jié)性變化更為顯著,夏季振幅較冬季大約0.30m。在徑流的作用下,長江口的落潮歷時顯著長于漲潮歷時。夏季更多的徑流量增加河道中的落潮時間,加強了河口區(qū)的潮汐不對稱性。由于徑流在河口區(qū)上游的影響更顯著,潮汐不對稱性及其季節(jié)性變化幅度和大小潮變化幅度總體上都呈現(xiàn)"上游大、下游小"的特征。2009年的實測水位資料顯示,長江口的潮汐不對稱性在一年內(nèi)會出現(xiàn)兩個峰值:8月份的峰值更大,主要受到徑流量的直接影響;3月份的峰值較小,可能與3月份較低的平均水位有關(guān)。由于長江口水深較淺,加之強烈的徑流-潮汐的非線性相互作用,使得長江口的淺水分潮較為顯著。因此D1/D4相互作用主導(dǎo)了長江口的潮汐不對稱性及其大小潮變化。需要注意的是,長江口潮汐不對稱性的大小潮變化幅度也呈現(xiàn)一個"春秋大、冬夏小"的半年周期變化特征,這不僅受到D1/D4相互作用的影響,還與D1/D1相互作用有關(guān)。3.開闊島礁海域堵汊工程對局地潮汐不對稱性的影響及其機制通過實測數(shù)據(jù)分析和FVCOM模型研究了杭州灣口洋山深水港區(qū)潮汐不對稱性的空間特征及其隨著工程的變化。洋山港海域潮汐不對稱性及其半月變化的主要來源是D1/D4相互作用,表明淺水效應(yīng)是導(dǎo)致該海域潮汐不對稱的主要機制。小洋山站的長期觀測顯示,工程的進行加強了該站的淺水效應(yīng),增強了淺水分潮的振幅,使得該站的潮汐不對稱性有明顯增強。根據(jù)FVCOM模型結(jié)果,一期堵汊工程對此的貢獻十分明顯,工程引起的該站附近局部水域的地形變淺也是一個重要原因。觀測資料同時表明,洋山海域的潮汐不對稱性具有顯著的空間差異性,工程后呈現(xiàn)由東口門向西口門逐漸增強再往西則減弱的分布特征。FVCOM的模型結(jié)果表明,堵汊工程顯著增強了東口門的峽道效應(yīng)。而峽道效應(yīng)的一個重要特征是減弱潮汐振幅,且分潮頻率越高(周期越短),其影響越大。由于該海域潮汐不對稱性由M2/M4和M2/S2/MS4主導(dǎo),工程后更強的峽道效應(yīng)減小了 M4、M2的振幅比,從而減弱了東口門的潮汐不對稱性。這與小洋山站增強的潮汐不對稱性正好相反。同時,堵汊工程還使得(沿潮汐傳播方向)汊道下游振幅減小,從而也減弱了下游的潮汐不對稱性;而上游則恰好相反。綜上,本文的研究成果認為,自然狀態(tài)下的潮汐不對稱性具有顯著的大小潮變化特征,且在半日潮海區(qū)一般表現(xiàn)為大潮強小潮弱的特點。在河口區(qū)域,徑流量的季節(jié)性變化和分潮相互作用同樣也會導(dǎo)致潮汐不對稱性的季節(jié)性差異,而且從口內(nèi)到口外,季節(jié)性變化逐漸減弱。人類活動日益頻繁,海岸工程的建設(shè)也能改變局部海域的潮汐動力及其不對稱性。
[Abstract]:In this paper , we study the characteristics of tide asymmetry , the difference between tide asymmetry and tide asymmetry . On the basis of the statistics of 481 measured sites , there is a non - linear relationship between A1 and F = ( aK1 + aO1 ) / ( aM2 + aS2 ) . If G = ( aM4 + aMS4 ) / ( aM2 + aS2 ) and H = ( aMSf + aMf ) / ( aM2 + aS2 ) are defined , it is possible to estimate the tide asymmetry in the river . The results show that the tidal asymmetry in the sea area decreases the amplitude ratio of M4 and M2 . The results show that the tidal asymmetry in Yangshan sea area decreases the amplitude ratio of M4 and M2 .

【學位授予單位】：華東師范大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2017
【分類號】：P731.26;P75

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