论近海-河口物质长期输运动力学
摘要
随着大河流域、沿海、河口和沿岸水域人类开发活动日益频繁、工农业生产快速发展和经济的高速增长,各国政府、海洋学家和环境学家都把注意力集中到了由此产生的环境问题,如我国黄河口由于黄河泥沙锐减造成三角洲蚀退,长江口由于其流域工农业高速发展,大量营养盐和其他污染物通过河口入海造成河口和近海的富营养化,乃至赤潮的发生等等。与这些生态环境问题相关的河口和/或近海海洋学已把研究聚焦于水中溶解质和悬浮物的长期输运过程的机制、模拟和预测问题,从而为河口海岸管理决策提供科学依据和参考。 从理论的角度,我们可以把河口和/或近海作为一个海洋生态系统来考虑,其中非线性地耦合着生物、物理、化学和沉积诸过程。它们与河口和/或近海环流的相互作用及其机制是通过长期输运方程来定量描述的,后者也是与这些过程有关的状态变量,如温度、盐度、湍能、营养盐、浮游植物、浮游动物等的时空分布的模拟和预测方程。因此,长期输运方程,不仅是物理海洋学环流耦合方程组中的基础方程如温、盐、湍能输运方程,而且特别是探讨海洋环境和生态系统动力学交叉学科中关键的纽带方程式,从而建立正确描述长期物质输运过程的这一方程式乃至关重要。 按照传统观念,为了描述一个状态变量的长期变化过程,只需求解出该状态变量浓度C((→)x,t)的欧拉潮时均场-C((→),τ),其中(→)x为空间变量,t为潮占优原始系统的时问变量(相应于潮变化的时间尺度),τ为消除潮周期运动后的“长期”时间变量(相应于环流问题变化的时间尺度)。C((→)x,τ)的获得通常有两种途径:一种途径是求解原始输运方程,解出C((→)x,t),然后通过对其进行欧拉潮时均而获得-C((→)x,τ);另一种途径是先建立控制-C((→)x,τ)的长期榆运方程,然后求解该方程,而获得-C((→)x,τ)。而按第二种途径所建立的长期输运的传统方程式多出了一个不具有物理意义的“潮弥散”(tidal dispersion)项(Fischer et al,1979),而对流输运速度是欧拉余流。 20世纪中叶,一个新型的长期输运方程问世(Feng et al,1986b;Feng,1987),其特征为对流输运速度乃物质输运速度——在一个弱非线性系统中拉氏余流的一阶近似(Feng et al,1986a;Feng,1987),故有人称之为拉氏余输运方程(Lagrangian Residual Transport equation)(Dortch etal,1992);而潮弥散项不出现了!这不仅在理论上是对传统长期输运方程的一种扬弃(autheben)(Hamrick,1986),而且该方程是一种高效能的长期输运预测方程(Dortch,etal,1992)。其后的一系列推广(Feng,1990;冯和鹿,1993;Feng和Wu,1995;Feng,1998)扩大了其应用范围,且表明了该方程在实际河口、近海水域的富营养化问题(Cerco,1993,1995a,b)、生态系统动力学(魏皓等,2002a,b)和沉积动力学(雷坤,2001)等领域应用的有效性。 试图将对流弱非线性河口和/或近海系统中导出的上述拉氏时均输运方程推广至对流(强)非线性系统,建立普遍的拉氏时均输运方程,不仅是自然的逻辑结果,而且更是实际所需求。实际上某些河口和近海,至少它们的某些水域,如漫滩问题等,是强非线性系统。20世纪90年代中期Claeng以及Lu各自独立地导出了这一方程式,该方程的特征是其对流输运速度为拉氏余流的欧拉时均;但不幸的是,这里又显现了一个疑点:为什么在该方程中出现了另一种形式的“潮弥散”项?它有否物理解释?分析一个简单的拉氏余椭圆示意图(见Feng et al,1986a,Fig.1)给予了我们一个否定的启示:以-C((→)x,τ)来描述一个(强)非线性河口和/或近海系统中长期输运过程可能是不恰当的;故应该重新考察-C((→)x,τ)的真确性,进而提出一个新的概念,并建立相应的控制方程组来定量描述(强)非线性河口和/或近海系统中长期输运过程,看来不论在理论或实际应用上,都会是有兴趣的。