河流淡水和潮汐对东海陆架环流的调整机制研究

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陆架环流是陆架上物质输运的一个主要驱动力,对海洋动力、生态和沉积过程产生显著的影响。陆架环流受到多种因素的调控,如风、潮汐、海温、盐度、地形、海平面高度、跨陆架水交换和背景大洋环流等,这些因素均可在不同程度上影响陆架环流的流向和强弱。东海是世界上受径流影响最大的区域之一,注入东海的河流淡水受到活跃的陆架环流系统的强烈影响。同时,这些河流淡水也调节了海洋的密度结构和动力高度,从而对陆架环流具有反馈调整作用。然而,以往的研究甚少关注冲淡水对陆架环流的影响,主要原因是河流的流量通常远小于陆架环流。另一方面,东海陆架是世界上最宽广的陆架之一,潮汐的作用也非常强烈。潮汐对近海的混合和输运产生了深远的影响,不但调节了盐度,还有改变底摩擦和产生潮致余流等方面的作用。在强烈潮汐作用下河流冲淡水和陆架环流的相互作用具有何种影响尚不明了,对其进行深入研究具有重要的科学价值。因此,本文基于区域海洋模型系统(ROMS)建立了一个覆盖东亚边缘海的数值模型,聚焦于东海,研究河流冲淡水和潮汐对东海陆架环流的影响,并对相应的动力机制进行分析。模型考虑了径流、潮汐、风、陆架环流等多个因子的作用,并与实测资料对比验证良好。本文使用气候态实验对比有和无河流的实验,发现无论是本地河流(如长江)还是外部河流(如珠江),都对陆架环流具有重要的调节作用。河流淡水抬升了邻近的海平面高度,改变了密度场,削弱了台湾暖流(~0.1 m/s),增强了浙闽沿岸流(~0.1 m/s)。在垂直方向上,受河流冲淡水影响,台湾暖流由表层强化转为底部强化。原因是在内陆架和中陆架的压强梯度发生了变化,在热成风平衡重新调节后,台湾暖流变为底部流速最大。在跨陆架方向上,由于底部Ekman输运增强,跨陆架的水交换增强,50 m等深线附近的底层流则表现出明显的向岸入侵强化。黑潮次表层水表现得更容易入侵陆架,其中入侵200 m等深线内的黑潮次表层水增加20%,100 m内增加5%。这些过程的基本机制是河流淡水影响下的正压和斜压调节。长江冲淡水还造成了秋冬季向南的沿岸流增强,沿岸的海平面升高。而冬季的长江冲淡水对浙闽沿岸流的强化可以用克努森关系来描述,通过计算得到的浙闽沿岸流流量增加了大约0.2Sv,也就是10倍的长江径流量。本文对比了有潮汐和无潮汐的气候态实验以研究潮汐对陆架环流的影响。结果表明,潮汐对东海环流的流速具有调整作用,略微减小了台湾暖流的流速(~0.1m/s),增大了黑潮的流速(0.1~0.5 m/s)。并且,潮汐影响了长江冲淡水的分布,使得浙闽沿岸流的锋面变宽,流轴外移。在对比了水平动量的结果后发现,受潮汐影响最大的动量项为压强梯度力项、科氏力项和水平对流项。潮汐调整导致近岸的水平对流项显著增大,与压强梯度力和科氏力形成了新的动量平衡。潮汐对环流的影响可以分为直接作用(即潮致余流和潮致底摩擦)和潮汐与冲淡水耦合的间接作用(即通过调节密度影响环流)。为进一步确定潮汐和河流冲淡水的影响,本文设置了几个控制潮汐和河流的数值实验,利用实验结果计算出这两种作用。通过分析潮汐的直接影响,发现潮汐改变了东海的海平面坡度,对黑潮、台湾暖流和浙闽沿岸流均产生一定程度的影响。其原因是在大尺度上,潮汐作用改变了东海海平面的倾斜,由此造成东海的地转平衡发生变化,其中黑潮的流速受此影响最为明显。同时,潮汐和密度结构联合作用,导致了锋面在水平和垂向上的混合发生了改变,从而改变地转流的形态。受潮汐影响的表底层差异混合和弥散有明显的季节性变化,在春夏季表层的混合变化大,底层变化小。在对比有潮汐和无潮汐影响下浙闽海域断面上的差异混合和弥散的差异后发现,潮汐的作用致使这两项在垂向上的差异呈带状分布,并且有明显的季节性变化。这些条带状差异在秋冬季出现在中层,而春夏季出现在表层。在分析这些差异后发现,潮汐对中外陆架上的垂向混合进行了调整,对内陆架上的水平和垂向混合进行了调整。
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