潮汐不对称性的时间变化特征及其对工程的响应

潮汐是普遍存在的一种海面周期性升降的运动。根据天体运动规律,潮汐信号可以分解成有限个对称的、不同频率正弦或余弦波的叠加,因此可以通过傅里叶分析得到不同频率信号的振幅和相位,实现对潮汐信号的理解以及潮汐预测。然而对于浅海陆架、海岸及河口地区,由于受到岸线和水下地形的影响,潮波会发生不同程度的变形,导致涨潮时间和落潮时间的差异,或者低水位到平均海平面的距离与高水位到平均海平面距离的不同,两者都称为潮汐不对称现象。差异越大则不对称性强度越强。对于潮汐动力为主的水域,潮汐不对称是引起潮周期内盐度、泥沙、营养盐以及污染物等物质余输运的重要动力机制。因此,深入了解潮汐不对称性的表现特征、时空变化、动力机制,具有重要的理论和实践意义。本文以潮汐涨落潮时间不对称性——即水位上升时间与水位下降时间的差异——为研究对象,采用水位时间导数的偏度来定量这一潮汐不对称性,从全球尺度、河口陆架尺度到局部海域尺度研究其以下三个方面的性质:1.潮汐不对称性的大小潮(半月)变化特征及其全球分布大量观测和理论研究都证实了潮汐不对称性的强度甚至方向存在大小潮的周期性变化,但对其具体的表现特征和空间差异还有待系统分析。本文假设水位过程可以使用有限个分潮的叠加来表达,采用2个太阴日为积分周期,将水位时间导数的偏度展开得到一个可以体现潮汐不对称性大小潮变化特征的公式。该公式得到481个分布于全球的潮位站数据的有效检验。并应用分辨率高达1/30°的全球TPXO8-atlas调和常数研究了潮汐不对称性大小潮变化的全球分布。研究结果显示潮汐不对称性的大小潮变化在大洋中十分普遍,体现了天体运行周期对潮汐不对称性的影响。有三种分潮相互作用可以对潮汐不对称性的半月变化产生重要影响:主天文潮和长周期分潮之间的相互作用(D0/D1)、主天文潮之间的相互作用(D1/D1)、主天文潮和浅水分潮之间的相互作用(D1/D4)。他们的本质是引潮力朔望周期通过不同的方式来影响潮汐不对称性:D0/D1代表通过日均水位的影响;D1/D1代表直接影响;而D1/D4代表通过改变浅水效应来影响。在大洋中,D1/D1主导了约80%海域的潮不对称性半月变化,这主要是由于大洋水深较深,浅水分潮难以成长,而天文因素产生的长周期分潮振幅有限;D1/D4主导的海域约为18.7%,体现近岸海域浅水效应的重要作用;而D0/D1主导的海域仅有0.3%,多分布于极地海域,根据平衡潮理论,这与半月潮振幅在极地最强有关。若记D0/D1、D1/D1和D1/D4相互作用产生的潮汐不对称性半月变化幅度分别为A0、A1和A4,根据481个实测站点的统计,A1与潮型指数F =(aK1+aO1)/(aM2+aS2)存在一个非线性关系。若定义 G =(aM4+aMS4)/(aM2+aS2)和H=(aMSf+aMf)/(aM2+aS2),则那么A4与A0的比与G/F2存在非线性关系,A0与A1的比则与H+4H/F2存在非线性关系。如此,我们可以使用F、G和H这三个参数来快速估计某个站点的潮汐不对称性半月变化可能是哪类分潮相互作用主导的。验潮站的结果还显示,在D1/D1相互作用占主导时,潮汐不对称性有可能小潮强于大潮。而当D1/D4相互作用主导时,大潮时更强的非线性作用往往导致更强的潮汐不对称性。2.河口区潮汐不对称性在陆海相互作用下的时空变化特征以径流量丰沛的长江口为例,分析了多个站点连续一年的逐时潮位数据。本文研究区域集中于从徐六泾到牛皮礁的南北支、南北港和南北槽这四个入海通道中,并称之为河口区。径流量可以加强向海的正压梯度力和河道中的底摩擦,阻碍潮汐向上游传播,从而减小河道中的潮汐振幅。这一机制使得南支各站的M2振幅呈现"冬季大、夏季小"的特点,但是在北槽出口的牛皮礁站,其振幅呈现"夏季大、冬季小"的特点,变化幅度达0.10m。一个可能的解释是夏季河口区以外海域更强的层化强度减小了湍粘滞系数,减弱了湍流耗能作用,从而增大M2振幅。北支由于其特殊的喇叭状地形,使得M2振幅的季节性变化更为显著,夏季振幅较冬季大约0.30m。在径流的作用下,长江口的落潮历时显著长于涨潮历时。夏季更多的径流量增加河道中的落潮时间,加强了河口区的潮汐不对称性。由于径流在河口区上游的影响更显著,潮汐不对称性及其季节性变化幅度和大小潮变化幅度总体上都呈现"上游大、下游小"的特征。2009年的实测水位资料显示,长江口的潮汐不对称性在一年内会出现两个峰值:8月份的峰值更大,主要受到径流量的直接影响;3月份的峰值较小,可能与3月份较低的平均水位有关。由于长江口水深较浅,加之强烈的径流-潮汐的非线性相互作用,使得长江口的浅水分潮较为显著。因此D1/D4相互作用主导了长江口的潮汐不对称性及其大小潮变化。需要注意的是,长江口潮汐不对称性的大小潮变化幅度也呈现一个"春秋大、冬夏小"的半年周期变化特征,这不仅受到D1/D4相互作用的影响,还与D1/D1相互作用有关。3.开阔岛礁海域堵汊工程对局地潮汐不对称性的影响及其机制通过实测数据分析和FVCOM模型研究了杭州湾口洋山深水港区潮汐不对称性的空间特征及其随着工程的变化。洋山港海域潮汐不对称性及其半月变化的主要来源是D1/D4相互作用,表明浅水效应是导致该海域潮汐不对称的主要机制。小洋山站的长期观测显示,工程的进行加强了该站的浅水效应,增强了浅水分潮的振幅,使得该站的潮汐不对称性有明显增强。根据FVCOM模型结果,一期堵汊工程对此的贡献十分明显,工程引起的该站附近局部水域的地形变浅也是一个重要原因。观测资料同时表明,洋山海域的潮汐不对称性具有显著的空间差异性,工程后呈现由东口门向西口门逐渐增强再往西则减弱的分布特征。FVCOM的模型结果表明,堵汊工程显著增强了东口门的峡道效应。而峡道效应的一个重要特征是减弱潮汐振幅,且分潮频率越高(周期越短),其影响越大。由于该海域潮汐不对称性由M2/M4和M2/S2/MS4主导,工程后更强的峡道效应减小了 M4、M2的振幅比,从而减弱了东口门的潮汐不对称性。这与小洋山站增强的潮汐不对称性正好相反。同时,堵汊工程还使得(沿潮汐传播方向)汊道下游振幅减小,从而也减弱了下游的潮汐不对称性;而上游则恰好相反。综上,本文的研究成果认为,自然状态下的潮汐不对称性具有显著的大小潮变化特征,且在半日潮海区一般表现为大潮强小潮弱的特点。在河口区域,径流量的季节性变化和分潮相互作用同样也会导致潮汐不对称性的季节性差异,而且从口内到口外,季节性变化逐渐减弱。人类活动日益频繁,海岸工程的建设也能改变局部海域的潮汐动力及其不对称性。

潮汐不对称性; 大小潮变化; 偏度; 涨落潮历时; 潮汐调和常数; 长江口; 洋山深水港; FVCOM海洋模型; TPXO;

973计划; 国家自然科学;

丁平兴; 王小华;

P731.26;P75

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