太湖湍流垂向扩散系数的特征分析

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湖泊的分层与混合是热量、溶解氧或者营养盐输送、扩散的关键物理过程。湍流垂向扩散系数Kv描述水体的紊动程度,其是刻画热量、动量的交换、营养物质和气体的交换的主要物理量。本文通过两层水温(-0.2m和-1.5m)的时间序列,对其进行频谱分析,以振幅法和相位方法估算了 2015年太湖站点(MLW和PTS站)的日平均湍流垂向扩散系数,并与Hostetler法做对比;之后,对湍流垂向扩散系数的变化特征及影响因子进行分析;最后,探讨湍流在水柱内部热量传输中的潜在效应。本文的主要结果如下:(1)通过振幅与相位两种方法计算MLW和PTS站的湍流垂向扩散系数Kv,范围多集中于10-2至10-6 mm2/s之间,二者的复相关系数为0.42和0.56(P<0.01)。基于Hostetler法的Kv与基于振幅、相位法的Kv的复相关系数在0.30至0.56(P<0.001)之间。(2)结合不同尺度、不同方法下的湍流垂向扩散系数,高于10-4m2/s或10-5m2/s的湍流垂向扩散系数的数量呈现冬季大于其他三季的趋势,可以认为冬季更容易受到湍流混合的影响,但是由于台风或者大风的影响,湍流垂向扩散系数高值处会打破这个趋势。且位于湖中心风浪较强的PTS站的湍流垂向扩散系数明显高于靠湖岸的MLW站。(3)热量净通量及风速是与湍流垂向扩散系数关系最为密切的两个气象因子,为湍流混合提供了必要的热力及动力条件。由于风速多变,且热量净通量的影响相对缓慢,在半小时尺度上,风速是导致湍流垂向扩散系数变化的主要气象因子,而热量净通量则只是次要因子,与讨论日尺度层面的影响因子时,存在着偏离。(4)湍流整体强度,呈现春冬季高、夏季低的趋势。在大多情况下,水柱内部的热力变化,在一天中分为三个阶段:在辐射较强阶段,热力作用以辐射为主,湍流为辅,水柱升温;在辐射衰弱阶段,湍流作用显著,上层开始降温,下层保持升温;在无辐射、水温均匀混合阶段,以湍流为主,湍流促使热量由下至上传输,水柱整体降温,且各层水温变化强度相似。在风浪明显的阴雨天,湍流的作用更显著,以湍流为当日水柱热力变化的主导因素。
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