一个三维斜压水动力模型建立及其在日本张利民琵琶湖中应用

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1、第湖泊科学,卷第期年月,一个三维斜压水动力模型的建立及其在日本琵琶湖中的应用张利民蹼培民中国科学院南京地理与湖泊研究所,南京大西行雄大阪综合环境研究所,日本大阪提要水温的,空间分布对很多湖泊水文现象关系甚大本文建立了日本琵琶湖的三维斜压水动力数值模式。模拟计算结果表明在不同风速驱动下,湖的上、下两层可形成不同,、流向在上、下层表现出明显的垂直切变闭的环流型除形成环流处外其它部分流速合式温度场储存位能,即使在无风和初始静止流场情况下,也可驱动湖流并形成若干环流特征风对水的驱动作用是形成北湖北部稳定环流的决定性因

2、子,并且本身可构造出温度场的合理性水平分布。关键词三维斜压数值模拟琵琶湖近些年来,人们对湖泊进行了大量的数值研究工作。吴坚等建立了一个三维水动力数值仁’〕,,模式王谦谦建立了一个二维太湖风成流数学模型等建立了琵琶湖的二,。〔〕维模式作者等建立了琵琶湖的三维风成流数值模式川这些模式对了解湖体内诸要素的相互关系是有意义的,但这些模式均是正压模型,没有考虑水温的空间变化。和建立了三维斜压水动力学数值模式来研究琵琶湖的环流。,,〔〕状况基本方程组类似于本文它是由海洋水动力模式改进成的湖泊水动力学模式水平,二,,方向网

3、格是采用均匀网格只△一△一垂直方向分层初始水温场取自实测资料使用的风场资料是假设湖面风场均匀一致的,利用湖中某一观测点资料来作为整个湖面风场的代表值。模式经过一天的运算,结果表明图略在湖的表层流场上北湖的北部偏东位置有一反时针环流出现,与实测资料相比较位置略偏东。在低层流速与表层流速之间存在明显的垂直切变,这个模式代表了目前世界上湖泊水动力数值研究的最高水准。,,,湖水温度是湖泊基本物理要素之一尤其对于深水湖在夏季存在温度的分层很多湖泊水文现象如湖水密度流、内波和湖面蒸发等现象以及湖水化学要素分布、湖内混合交

4、换、悬移质、溶氧、生物种群的分布、活动、繁殖等均与水温有关。本文在日本琵琶湖三维正压数,,、、值模式基础上将其改进成为斜压模式并对各种风向风速驱动下形成湖泊水流温度变化来稿日期一一接受日期一一,,,。,。作者简介张利民男年生工程师年毕业于中国科学院南京地理与湖泊研究所获博士学位已在国。主要研究方向是湖泊环境动力学。。内外刊物上发表论文十多篇现在江苏省环境保护局环境信息中心工作湖泊科学卷,。等做了若干数值研究并获得了一些有益的结果模式简介控制方程组‘,,,设流体均匀不可压缩且湖泊存在温度分层在笛卡尔直角坐标系中

5、基本方程组为儿·十十十一十凡十穿誓留瞥一六纂穿‘·十十式二需誓留瞥一六篡穿一二一减。一。一一,万一的当、。蓄一七而一即加十一彻无一当。蓄一“。“招招招一招切护℃二十二一十言十一二一一下二尸了《心丈之“虎叹卿龙其中,轴向东为正,轴向北为正,之轴向下为正,为湖水密度,为平均湖水密度,尸为,,、、、、,,。、。压强为湖水温度分别为方向上的流速为水的热膨胀系数为垂,,。、,、直和水平方向上的湍流涡旋热交换系数为浮力项分别为水平垂直方向上的湍流粘性系数、为科氏参数,为重力加速度,泞为距湖水平衡位置的位移。边界条件湖水表

6、,面一时有关,,关关一一一洲不一又十二十丈了沃州一。,一二。二一,只,〔,。粤零丫砰十雨而口艺心买七砰,人,沼育姑一之,,,,,,、式中为湖表面垂向速度为湖表面热通量它是通过水表面热量平衡来求取的乙几、,,,、,为作用于湖面的风应力在方向上分量而产讯为风速在方向上的分量为空,为。气密度风拖曳系数湖水底部时,有,,,尸,。撇弓弓,一“石丁干子‘,几不雯卜口芯,、、,。式中弓考为底摩擦力在方向上的分量袱为湖底摩擦系数侧边界条件期张利民等一个三维斜压水动力模型的建立及其在日本琵琶湖中的应用一式中,为。云在湖岸矢量方

7、向上分量初始条件。电,、、、。其中中为泞数值求解方案本文的多层模式采用的是半隐式有限差分方案,具体求解参照文献「〕。模式参数经过实验设定如下。,,、,,、二,,一,为为一为为义一。为一弓·,,,,,’。又八为为叮为垂直分层情况在垂直方向上将水体分为层。当水深时,分层当水深时,第,,。层和第层均为当水深时第层为第层为一数值模式运行结果分析风作用下的情形书努引刀朽竹巧二,,,洲口匕吕入‘︶︵“梦盯、图风速为时在风作下模式运行全的流场,伴,,,一,,,假设距地高处风速为初始温度场一,,。,一。模式运行后得到稳定的流

8、场图在上层流场上北湖北部中央有,’〕,气旋式环流出现这与观测事实一致一在下层流场上图略北湖北部也有气旋式环流湖泊科学卷出现,但其它部分流速与上层方向相反,表现出明显的垂直切变。且比较其它风况下形成的环流,在风作用下湖中北部环流最强。〕认为,当湖面盛行西南风时,风向与地形线切向平行,此时湖泊中形成的环流最强,这就用数值试验的方法证明了这一观点。假设距地高处风速为零,其它条件同,后运算结果图表明,上层在