内容简介

本书建立了一个σ坐标系下三维非线性斜压浅海与陆架模式，研究

长江冲淡水扩展的动力机制。计算区域为整个东中国海，水平分辨率为

7.5×7.5，垂向分11层，数值计算采用ADI方法 由于长江冲淡水的扩

展与余流密切相关，本书先对长江口外海区的余流，包括风生流、边界力产

生的余流、密度流、潮致余流作了数值模拟，并分析了它们对长江冲淡水的

扩展可能带来的影响。数值模拟了底形、斜压及其相互作用等对长江冲淡

水扩展的影响，并用一个考虑底斜和海面坡度及其与斜压相互作用的涡度方

程对模拟的结果作了动力分析。夏季长江冲淡水的扩展，尤其是夏季长江冲

淡水的转向现象，是本书研究的重点。对径流量、台湾暖流、风场、黄海冷

涡等因子对夏季长江冲淡水扩展的影响，作了详细的数值模拟和动力分析。

最后对冬季长江冲淡水的扩展作了数值模拟。本书不仅模拟了长江冲淡水

夏季转向东北、冬季在沿岸一狭窄带内向南扩展的现象，同时再现了东中国

海冬夏季的环流结构。本书可供海洋、河口海岸、气象等专业的研究人员、

教师、学生参考阅读。

目次

第一章 导言

一、本书工作简述

二、东海陆架环流的基本特征

三、长江冲淡水扩展研究概况

四、评述

第二章 一个σ坐标系中三维非线性斜压浅海与陆架模式

的建立

一、引言

二、模式建立的理论分析

三、σ坐标系下的海洋原始方程组

四、物理过程参数化

1.海表面风应力和海底摩擦应力

2.垂向涡动粘滞系数

3.垂向涡动扩散系数

五、初始条件和边界条件

1.初始条件

2.边界条件

六、数值方法

1.网格系统 计算区域和空间分辨率

2.空间差分

3.时间积分

第三章 东中国海余流的数值模拟

一、风生流

二、边界力产生的余流

三、夏季黄海冷涡产生的余流

四、长江口外海区密度流

五、潮致余流

第四章 底形和斜压等对长江冲淡水扩展影响

一、考虑底斜和海面坡度及其与斜压相互作用的涡度方程

二、底形、斜压、 径流量、 底磨擦对长江冲淡水扩展影响的

数值模拟

1.底形对长江冲淡水扩展的影响

2.斜压对长江冲淡水扩展的影响

3.径流量对长江冲淡水扩展的影响

4.底摩擦对长江冲淡水扩展的影响

三、结论

第五章 夏季长江冲淡水扩展数值模拟

一、 夏季长江冲淡水扩展的控制数值试验

二 径流量对夏季长江冲淡水扩展的影响

三、台湾暖流对夏季长江冲淡水扩展的影响

四、风对夏季长江冲淡水扩展的影响

五、黄海冷涡对夏季长江淡水扩展的影响

六、结论

第六章 冬季长江冲淡水扩展数值模拟

一、 冬季长江冲淡水扩展的控制数值试验

二、不同风情对冬季长江冲淡水扩展的影响

三、径流量对冬季长江冲淡水扩展的影响

四、结论

参考文献

第一章 导言

一、本书工作简述

长江是我国第一大河。长江河口区上起安徽大通（枯季潮区界），

下迄水下三角洲前缘（约30－50米等深线），全长约700多公里。 根

据动力条件和河槽演变特性的差异，长江河口区可分成三个区段：大

通至江阴（洪季潮流界），长400公里，河槽演变主要受径流和边界

条件控制，多江心洲河型，此段称近口段；江阴至口门（拦门沙滩顶），

长220公里，径流与潮流相互消长，河槽分汊多变，此段谓之河口段；

自口门向海至30－50米等深线附近，以海洋因子作用为主，水下三

角洲发育，为口外海滨段。国内学者对长江河口进行系统深入研究

已近40年，但研究工作大多在口内，尤其是集中在河口段，对口外

海滨的研究相对较为薄弱。因而对口外海滨的物理过程、化学过程、

生物过程和沉积过程的认识甚少，尤其是对其中一些问题的认识仍

很模糊，以致存在着较大分歧。如所周知，长江口扼长江的咽喉，是

我国最大港口—上海港的门户；长江三角洲经济发达，人口密集，

是我国重要的经济中心；河口通江达海，是内引外联的枢纽。因此，

这一地区的开发与建设对我国的经济发展具有极其重要的意义。随

着改革开放的不断深入，长江河口的综合开发和利用已在加速进行，

12.5米的深水航道开发已到实施阶段。 这就要求对口外海滨的水

文、泥沙、化学、生物、地貌和沉积等有更深入的了解，为充分、合

理地开发长江河口提供科学依据。

本书重点研究长江冲淡水的扩展机制，尤其是夏季长江冲淡水

的转向现象。冲淡水的扩展发生在东海陆架上，与位于其上的余流

密不可分，要搞清长江冲淡水的扩展机制，很有必要首先了解东海陆

架上的余流状况。余流是指滤去周期性流动之后的那部分流动。在

浅海陆架区，最显著的运动是潮流，余流的量值小于潮流。但就海水

的输移来说，周期性的往复潮流起不了大的作用，而余流由于旷日持

久地搬运着海水，构成海洋环流，在大的时间尺度上就显得非常重

要。

本书共分六章。 第一章为导言，主要概述东海陆架环流基本特

征和长江冲淡水扩展研究概况，为下文浅海与陆架模式的建立、数

值计算结果的分析打下基础。第二章设计一个浅海与陆架模式，包

括原始方程组、物理过程的处理、初边界条件和数值方法的给出。

第三章模拟东中国海的余流，包括风生流、边界力产生的余流（如台

湾暖流、黑潮）、夏季黄海冷涡产生的余流、近长江口门海区的密度

流、潮致余流。第四章研究底形、斜压等对长江冲淡水扩展的影响。

为从动力上分析长江冲淡水的扩展行为，建立了一个包括底形和水

位坡度以及它们与斜压相互作用的涡度方程，并针对地形、斜压、底

摩擦、径流量对长江冲淡水扩展的影响，分别作了数值模拟。第五

章为夏季长江冲淡水扩展机制研究，数值模拟了径流量、风、台湾

暖流、黄海冷涡对夏季长江冲淡水扩展的影响，并作了较为详细的

动力分析。第六章为冬季长江冲淡水扩展的数值模拟。

第二章 一个σ坐标系中三维非线性斜压浅海与陆架模式的建立

一、引 言

对海洋环境的了解，现场观测无疑是重要和必要的，但观测资

料的同步性和密度受资金和技术设备等限制，很难满足理论研究和

海洋开发的需要，且其方法本身对深入研究海水运动的内在动力机

制具有局限性。若要求出在复杂地形和边界条件下的非线性斜压海

洋动力学方程组的解析解，当今还根本做不到。而数值模式则把微

分方程离散化，求出数值解，克服了上述各种缺点，具有极大的优越

性。

海洋数值模式种类很多，有二维、三维的，线性与非线性的，正

压与斜压的，诊断和预报的，海表面取刚盖和自由波动的，坐标系采

用Z坐标系和σ坐标系的等等。海水运动从本质上说是三维的，二

维模式只能给出垂向平均的流体柱的整体运动，在流体上下层流速

比较均匀的情况下，可以作为一种近似。 二维模式设计简单，计算量

小，并且避开了较为棘手的垂向涡动粘滞系数的确定，但在流体上下

层流速变化较大，甚至反向的情况下，就需要使用三维模式，以体现

流速的垂向变化。在大尺度运动情况下，非线性平流项一般是个小

量，若不考虑它则模式是线性的。由于它避开了各种不同尺度能量

的串级和流的相互作用，计算稳定性较易满足。 在较小尺度运动情

况下，非线性平流项可能不再是小量，必须考虑它的作用。非线性项

的空间差分要求较高，如需二次守恒格式等，以有效地克服非线性

不稳定性。诊断模式一般分为定常诊断模式和非定常（准）诊断模

式。定常诊断模式中各物理量的变化不随时间变化，一般用于气候

式模拟，如大洋环流的计算，它本身具有准定常的特性。一般温盐场

比较保守，变化时间尺度远比流场的大，故非定常诊断模式中的流场

随时间变化，而不考虑温盐场的变化。模式中给定的温盐场对流场

有贡献，但流场的变化相应地并未使温盐场变化，即它们是非耦合

的。事实上，随着流场的变化，必然引起温盐场的变化，从而又反过

来影响流场，因此这种模式计算的流场是不完整的。不过它避开了

复杂的温盐边界条件，在温盐变化不大的海域可以作为一种较好的

近似。预报模式中的各物理量均是随时间变化的，一般采用原始方

程组形式，流场和温盐场是耦合的。模式涉及较难处理的边界条件

和时间积分。刚盖（rigidlid）模式不考虑海表面的波动，滤去了易

造成计算不稳定的快速传播的外重力波，时间步长可以取得较大，在

大洋模式中经常用到这个近似。在海表面波动、倾斜成为流场驱动

的主要动力时，需要使用自由表面模式。大多数模式一般采用Z坐

标系，它比较直观，但在水深变化较大的河口和陆架地区，模式设计

比较困难，一是垂向分辨率问题，在水浅的地方享受不到水深处的垂

向分层数，二是各层的侧向岸边界不同，很难处理。采用σ坐标系

就可以克服上述两个缺点，但动力方程中的水平压强梯度项比Z坐

标系中的复杂，地形的变化和密度垂向变化（层结）联结在一起，对

温盐初始场的给出带来困难。

海洋模式从简单到趋于完善，有一个发展的过程，并且还要受

到计算机容量和速度的限制。建立什么样的模式，应取决于要研究

的具体问题。本章设计一个σ坐标系中三维非线性斜压原始方程浅

海与陆架预报模式，考虑自由海表面，研究长江冲淡水扩展机制。

朱建荣，1964 年出生，

籍贯浙江海宁，华东师范

大学副教授。1993年毕业

于青岛海洋大学，为我国

培养的第一个海洋气象学

博士。1993 年7月至1995

年7月在华东师范大学从

事博士后研究工作。近几

年主持了国家自然科学基

金项目、上海市青年科技

启明星培养计划科研基金

项目、全国博士后科研基

金项目、上海市博士后科

研基金项目。已在核心刊

物上发表学术论文十余

篇。曾被评为第二届“华

电杯”十佳优秀青年教师，

1995 年人选为上海市青

年科技启明星培养计划。

沈焕庭，1935 年生，教

授，博士生导师，华东师范

大学河口海岸研究所所

长，JGOFS、LOICZ中国委

员会委员。1957年毕业于

华东师范大学地理系，

1960 ～1962 年在山东海洋

学院和中科院海洋研究所

进修海洋学。80年代起

多次赴美、德、荷、意、日、

澳大利亚等国学术交流或

合作研究。长期致力于河

口海洋学研究，已合作发

表论文97篇、专著3本，

曾获国家部委、省市科技

进步奖6项，1993年获上

海市科技精英提名奖，

1995 年获全国教育系统

劳动模范。