弯曲河道涌潮侧向流动和湍流发育过程研究

发布日期:2024-02-02 阅读:382

近日,我室近海动力与生态环境方向周锋研究员团队与合作者在国际知名期刊Journal of Physical Oceanography上发表了题为Structures of Lateral Flow and Turbulence in a Breaking Tidal Bore Rushing through a Curved Channel of the Qiantang Estuary的研究成果。第一作者为我室助理研究员张乾江,通讯作者为周锋研究员,合作者包括浙江省水利河口研究院潘存鸿正高级工程师、浙江省海洋科学院辜伟芳高级工程师。

钱塘江河口的涌潮过程举世闻名,具有潮差大、潮流强以及湍流混合剧烈的特点。涌潮在动量交换、物质扩散和地形演变中发挥着关键作用,并且在钱塘江河口的生物系统中扮演独特角色。目前对涌潮的认识主要建立在水平和垂向的二维结构上,对于涌潮在蜿蜒河道的侧向动力过程仍然缺乏探究。

文章利用高频流速剖面数据,解析出了涌潮侧向流动的规律和涌潮潮头湍流发育过程。结果显示涌潮经过弯曲河道时,侧向流首先指向凸岸,继而发展为表层指向凹岸底层指向凸岸的螺旋流,最后侧向流整体指向凹岸。弯曲河道内潮波传播速度受到凸岸凹岸水深差异的影响,产生了凹岸水位涨势迅猛,凸岸水位涨势较慢的现象,所造成的侧向正压是驱动侧向流的重要原因。涌潮锋面位置湍流发育显著,湍动能首先来自涌潮破碎,随后涌潮潮头崩塌,其激发的次生波通过波生湍流机制持续产生湍流。

1706860884528491.png

图1. 杭州湾-钱塘江河口系统的水下地形图和观测站点。(a) 杭州湾-钱塘江口系统位于中国东部毗邻东海(红色方框)。(b) 杭州湾宽度自口门向陆逐渐缩窄、水深逐渐减小。涌潮通常形成于澉浦至尖山河段,在大缺口至盐官河段充分发育,盐官河段之上,涌潮逐渐消散(Pan and Huang, 2010)。黑色虚线显示了杭州湾的平均潮差(Pan et al,2019),其自口门向陆逐渐增大。(c)观测站点的位置(黑色圆点)以及涨落潮的河道曲率半径。(d) 涌潮到达观测站点时潮头翻滚破碎。(e) 观测站位河道的横截面地形图,该图显示了涌潮前后的水位,用于估算涌潮弗洛德数(Fr)。

1706860927147425.png

图2. (a) 表层(红线)和底层(蓝线)侧向流速的时间变化序列,灰线显示了水位变化过程。(b)涌潮锋面侧向流速呈现整体向凸岸的特征(红线),(c)涌潮锋面过后,侧向流程呈现表层指向凹岸,底层指向凸岸的螺旋流结构,(d)涨潮末期,涌潮侧向流速整体指向凹岸。

1706860962638404.png

图3. 流速剪切(a),湍流剪切生成(b),主流向雷诺应力(c),侧向雷诺应力(d),以及湍动能的潮内变化过程(e),(f)涌潮潮头湍动能的局部放大图,湍动能强度和自由表面波动具有明显的相关关系

本研究由国家自然科学基金(41906146、 42276176)、中央级公益性科研院所基本科研业务费专项资金项目(JG2308)和浙江省重点研发计划资助(2022C03044)。

论文引用:Zhang, Q., C. Pan, W. Gu, and F. Zhou*, 2024: Structures of Lateral Flow and Turbulence in a Breaking Tidal Bore Rushing through a Curved Channel of the Qiantang Estuary. J. Phys. Oceanogr., 54, 301–317, https://doi.org/10.1175/JPO-D-23-0044.1.


  • 卫星海洋环境动力学国家重点实验室

    © 2021卫星海洋环境动力学国家重点实验室 版权所有.
    浙ICP备10040255号-4   流量统计   

  • 地址:杭州市保俶北路36号
    邮编:310012
  • 总机号码:+86-571-8196 3198
    传真:+86-571-8883 9374