分层水体通过复杂地形河道时的特性和机理：一种实验室模拟与实地水道观测有机结合的研究方法探索

The gravitational exchange of two layer fluids with different densities is an important dynamics in the coastal ocean. The hydraulics of the two-layer flow highly depend on the composite Froude number along the channel. It has been reported that several physical phenomena (such as Kelvin-Helmhotz or Holmboe shear instabilities and internal waves) are associated when the two-layer flow in the critical condition (G=1). Although the mechanics on the maximal of two-layer hydraulic exchange have been developed over the past decades, most of previous researches focused on the situation with shoaling depth, such as fjord and continental shelf. The proposed project will investigate the hydraulics of the two-layer exchange flow through a channel with the combination of a deepening and contraction. The laboratory simulations obtain velocity and density field simultaneously by using the combined PIV-PLIF (particle image velocimetry – planer laser induced fluorescence) technology. By varying the inflow Froude number and channel width and depth, the dynamics of the two-layer flow is characterized by entrainment rate and buoyancy flux. The mechanism is then validated using in-situ observations including moored ADCP data and ship-based velocity and density measurements in Luotou channel in the Hangzhou Bay. The result of this project will explore the theory on the two-layer exchange flow hydraulics; in the addition, it also helps understand the dynamics near Luotou Channel. This study will improve our understanding of coastal dynamics and benefit in protecting our environment.

分层水通过复杂地形时流场和密度场的动力机制重要而复杂，其理论围绕着随地形影响而变化的组合弗劳德常数，当其处于临界状态下时常常伴随着剪切不稳定或内波等现象。目前国内外的研究主要侧重于峡湾、大陆架等渐浅地形条件，而对于渐窄渐深水道的研究还不够完善。本项目拟应用实验室理想状态下的水槽模拟实验，利用PIV-PLIF（粒子成像技术-平面激光诱导荧光技术）得到同一时刻分层水的速度和密度场，模拟分层水体通过渐窄渐深水道，研究地形和初始弗劳德常数对分层水混合速率和动力机制的影响，并建立相应的理论模型。在此基础上，本项目拟运用杭州湾南部螺头水道现场锚系和剖面观测的数据，分析其在具体条件下的动力机制和湍流特性，并进一步验证实验室模拟的理论模型。该项目的研究成果将完善地形条件对分层水动力机制的理论，同时丰富对螺头水道附近海域的动力环境的研究，对进一步了解近海海洋动力机制具有重要的意义。

分层水通过复杂地形时流场和密度场的动力机制重要而复杂，其理论围绕着随地形影响而变化的组合弗劳德常数，当其处于临界状态下时常常伴随着剪切不稳定或内波等现象。本研究采用实验室实验的方法，研究分层水体通过不同障碍物和结构物的传播，拟计划建立充分理想化的模拟渐变水道，应用PIV-PLIF技术测量实时分层水通过渐变水道是的速度场和密度场，并进一步计算上下水层间的不稳定及混合速度，由此建立分层水通过渐窄渐深水道理论模型。具体包括（i）实验室模拟理想水道研究分层水的水力学特性，（ii）实地水道观测数据分析，（iii）实验室模拟旋转条件下分层水的水力学特性。.我们完成了上述所有试验，并取得了很好的进展。成功地在实验室模拟出分层水通过横向扩散水域的动力特性，利用 PIV-PLIF 技术精细测量了分层水的瞬时密度场和流场，发现在横向拉扯下界面会出现大尺度涡旋结构并在迎风面伴随着次级不稳定，通过线性不稳定分析了界面间的混合机制，通过涡度平衡方程得到横向拉伸强将减缓界面混合的结论。从理论上推导了层化水体通过斜坡的头部运动速度的理论公式，并利用染料及PIV技术测量了层化水体头部运动速度，验证了理论公式的正确性。在现场观测方面，我们分析了 2012 年螺头水道观测的数据，对该海域的潮汐动力环境有了一定的认识。最后，我们在分层水动力中加入地球自转产生的科氏力，在实验室中模拟了旋转条件下河口羽流这一强分层水的扩散和传播机制，得出了潮汐导致的周期性流量变化会影响河口羽流的稳定性这一结论。在项目的资助下发表了6篇SCI论文，1篇会议论文，参加了7次国内外学术交流活动并做口头汇报，培养4名硕士生和1名博士生。

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