海洋环流与波动重点实验室知识库

       悬浮泥沙的起动、输运和沉积对海底地形、海岸工程、海滩养护、港口维护等至关重要，也对海洋生态环境有深远影响。本研究利用2017年2月和2019年8月获得的长时序、多参数海床基观测数据，对渤海秦皇岛海域的冬夏季水动力和悬沙浓度（SSC）特征进行对比研究；基于ROMS三维海洋模型对渤海海域水动力环境与悬沙分布的季节变化开展数值模拟，揭示秦皇岛海域常年保持低悬沙浓度的沉积动力机制，并探讨渤海表层悬沙分布显著季节变化的动力成因。本研究对渤海海域生态环境的变化、海底地形地貌的演变以及海岸工程和港口输运安全等有重要应用价值，同时也为其他近海海域研究悬沙沉积动力过程提供参考。
      渤海秦皇岛海域冬夏季海床基观测数据的对比分析显示：在夏季，相对较弱的余流向东北方向流动，且与风场关系不大，尤其是中层水体。在冬季，余流增强，在强风期间流向东北，在间歇期流向西南。在由风引起的海表面高度变化诱发的压强梯度力的驱动下，冬季余流与风速密切相关，相关系数在0.4至0.6之间，余流滞后风速10小时。夏季SSC较低，主要受潮流控制。冬季SSC的变化主要受海面风场的控制。强风能够增强水体的垂向混合，增大水体的雷诺应力和湍动能，进而引发较为显著的沉积物再悬浮，并导致水体中SSC增加。冬季频繁的沉积物再悬浮进一步降低了海底沉积物的固结程度。对于悬沙通量，平流项在冬季和夏季的贡献都在80%以上，而垂向环流项在冬季贡献了13%，在夏季的贡献约为冬季的一半。从悬沙输运的角度来讲，研究海域悬浮泥沙被往复输运，在冬季和夏季分别有少量的北向和东北向净输运，这可能是秦皇岛附近海域常年保持低SSC的原因之一。
      针对整个渤海海域悬浮泥沙季节变化及其影响机制的数值研究相对缺乏且机制尚不清晰，本研究基于ROMS三维海洋模型对渤海海域水动力环境与悬沙分布开展数值模拟。模拟结果显示，渤海海峡环流终年“北进南出”，夏季环流明显强于冬季，并呈现外围逆时针环、内部顺时针环的“双环”结构。冬季的风应力和夏季的热盐环流分别驱动了渤海海峡环流的“北进南出”结构。渤海中部海域在夏季存在明显的温跃层现象，其强度分布与等深线较为一致，温跃层在4月开始形成，7月最强。渤海表层悬沙分布具有显著的季节变化，冬季悬沙浓度最大，秋季次之，春季再次之，夏季最小。控制悬沙浓度的波流相互作用下的最大切应力在秋冬季节较大，春夏相对较小，总体来讲，在渤海中部海域，流致切应力始终占主导地位，在沿岸的浅水区域，波致切应力较大。从沉积物再悬浮的角度来讲，秦皇岛海域悬沙浓度常年偏低的主要原因是位于M₂无潮点附近，属于弱潮流区，底层流速相对较小，底部沉积物发生再悬浮概率较小。且数值模拟结果与观测结果一致，在秦皇岛海域，SSC的变化在冬季为风控、夏季为潮控。夏季温跃层的存在在一定程度上减小了底边界层流速，增大了流速的垂向梯度，对底部悬浮泥沙的向上扩散有明显的抑制作用。因此，温跃层的存在是造成夏季渤海表层悬沙浓度低的重要原因。