不同非线性和层结下拉格朗日余流动力机制分析

We have proved that the nonlinear turbulent term makes the structure of the Lagrangian residual velocity (LRV) more complex than that with linear turbulent term in the bay with weakly nonlinear condition and uniform density. What are the dynamic mechanisms for the LRV in the bays with different nonlinear conditions and stratifications? The current study will use the numerical simulation and theoretical analysis to quantitatively evaluate the effects of the stratification, tide, wind, river runoff and the Coriolis force on the LRV in the bays with different nonlinearity. In the weakly nonlinear condition, the governing equations of the LRV are decomposed to obtain the numerical solution of the LRV induced by different dynamic mechanisms and each term in the tidal body force; in the general nonlinear condition, the nonlinear advection term, nonlinear turbulent term and density gradient term in the momentum equations of the tidal velocities are calculated to evaluate the nonlinearity of the bay. The mass transport velocity, Lagrangian drift velocity and the remain higher order terms are calculated to evaluate the contribution of each dynamic mechanism and their nonlinear coupling effect to the LRV. The aim of the research is to evaluate the effects of dynamics and their nonlinear coupling on the LRV in the bays with weakly and general nonlinear conditions, which is the forerunner to the development of the analytical solution of the LRV and has a profound significance on the understanding of the long-term mass transport and the circulation in the estuary and coastal seas.

我们已经表明，在对流弱非线性和密度均一的海湾中，湍流非线性下的拉格朗日余流较湍流线性下呈现更为复杂的结构。那么，在非线性和层结强弱不同的海湾中，拉格朗日余流诱导机制将有何差异？本研究将在不同非线性的海湾中，利用数值和理论分析方法定量评估层结、潮汐、风、径流和科氏力的变化对拉格朗日余流的影响。在弱非线性下，本研究将分解拉格朗日余流的控制方程，得到各动力项及潮致体力中各项诱导的拉格朗日余流的数值解并评估各组分的贡献；在一般非线性下，先通过计算潮流动量方程中非线性平流项、湍粘性项及斜压密度梯度项，定量评估海湾非线性的强弱；再通过计算一阶物质输运速度、二阶拉格朗日漂移速度及高阶项，衡量各动力机制及其非线性耦合作用的贡献。本研究旨在回答不同非线性和动力条件下，各动力机制及其非线性耦合作用如何影响拉格朗日余流这一关键科学问题。这将对拉格朗日余流解析解的发展和浅海环流及物质长期输运的认识具有前瞻性意义。

项目背景：拉格朗日余流对营养盐、沉积物和污染物等的长期输运有着重要的作用。关于不同动力机制对欧拉余流的贡献的定量分析研究已有很多，但关于拉格朗日余流的动力机制方面研究却很少。.主要研究内容：本研究分别推导出了弱非线性下和一般非线性下拉格朗余流各组分的数值解；继而在不同层结下定量分析了拉格朗日余流各组分的贡献，探讨控制拉格朗日余流结构的主导机制。.重要结果：1）根据弱非线性下拉格朗日余流的控制方程，把总的拉格朗日余流分解为潮致体力项组分、风应力组分、斜压压强梯度力组分、科氏力组分和径流组分；并把潮致体力项组分解为非线性项组分、斯托克项组分和潮拉伸项组分。在狭长的海湾中，当只考虑潮汐或者同时考虑弱风和潮汐两种情况下，非线性平流项组分决定了总的拉格朗日余流的结构。在考虑密度梯度时，斜压压强梯度力组分决定了总的拉格朗日余流的结构。风和斜压的作用不影响非线性平流项和斯托克斯漂项两个组分，主要通过影响风应力项组分、潮拉伸项组分和斜压压强梯度力组分，进而影响了总的拉格朗日余流的结构。潮拉伸项组分在加风和斜压情形下分别是正压情形下1-2倍。2）在一般非线性下，本研究将动量方程每一项沿着粒子运动的轨迹积分一个潮周期，得到拉格朗日平均各动力项，进而得到拉格朗日余流各动力项组分。这个方法分别被用于研究理想海湾、强混合的象山港和周期分层的珠江口中拉格朗日余流的动力机制。正压压强梯度力组分、斜压压强梯度力组分和湍粘性项组分是主导项。总的湍粘性项组分在正压情形下主要由潮拉伸项组分主导，在斜压情形下主要由湍平均项组分项（k0u1）决定。大、小潮主导项组分基本一致，只是大潮主导项组分的量级比小潮主导项组分的量级大。.科学意义：本研究所建立的方法，为进一步探讨影响浅海和河口拉格朗日余流的产生机制奠定基础，为浅海和河口生态环境的改善提供重要的理论指导。

内容获取失败，请点击重试