为了进一步理解长江河口环流、混合与层化的物理学,主要基于潮汐应变的想法、一维和三维势能差异方程,本文采用了现场观测资料分析和数学模拟进行研究。首先,基于2012年2月17至24日(枯季)和8月12至18日(洪季)同步观测得到的长江河口北槽10个站位的水位、流速流向、盐度和含沙量时间序列资料,定量分析了长江河口的重力、潮汐应变环流、混合与层化的时间、空间变化。结果显示：(ⅰ)向陆方向的潮下流仅出现在小潮,枯季和洪季小潮的底层向陆潮下流的最大流速分别达到0.05～0.1 m·s-1和0.15～0.2 m-s-1。(ⅱ)小潮,北槽中段和下段计算得到的代表潮汐时间尺度和垂向混合时间尺度之比的混合参数(M)低于临界值1.0,但是,大潮,其值高于1.0。这些表明在周期性层化的大潮,混合的潮周期变化可能会产生潮汐应变环流。(ⅲ)河流流速剪切与河口纵向密度梯度的相互作用是长江河口北槽层化枯/洪季变化的主要物理机制,本文将此物理机制命名为“河流效应”。(ⅳ)潮汐搅动、重力环流与河流效应之间的相互作用导致势能差异(φ)从大潮至小潮逐渐增大。(ⅴ)北槽中段小潮平均的Simpson数(Si)超过了关键值8.4×10-1,表明水体出现持续性层化。北槽中段大潮平均的Si在关键值8.4×10-1和8.8×10-2之间,表明水体产生应变致周期性层化。(ⅵ)小潮北槽中段和下段密度跃层处的剪切较强,计算得到的剪切平方(S2)能够超过10-3 s-2。(ⅶ)盐淡水界面处计算的梯度Ri数很小,表明此处存在Kelvin-Helmholtz不稳定性。其次,基于观测资料,定量分析了长江河口层化对半日潮流椭圆(M2分潮)垂向结构可能的影响。(a)小潮北槽计算的势能差异比大潮高100～200 Jm-3,密度跃层仅出现在小潮。(b)导堤/丁坝内各站位的潮流椭圆均退化为往复流形式,但在导堤和丁坝外的站位,各层的潮流椭圆均呈顺时针旋转。(c)小潮北槽的整体Richardson数(Rio)与潮流椭圆的表底层椭圆率之差呈现清晰的正线性相关关系,表明层化对潮流椭圆的垂向结构有显著影响。(d)在北槽向海端位于导堤和丁坝外的站位,小潮潮流椭圆表底层倾角差达到约40°,而大潮仅为1°～3°(e)小潮沿北槽大多数站位的潮流椭圆相位角的表底层变化达到20°～50°,但大潮的值仅为低于10°,小大潮周期性变化明显。北槽潮流椭圆的倾角和相角都在密度跃层处存在明显的垂向突变。(g)在强层化的小潮,密度跃层处垂向涡动粘性系数的剧烈衰减可能是潮流椭圆的椭圆率、倾角和相角垂向变化的主要原因。最后,基于三维有限元数学模型TELEMAC-3D,结合一个稳定性方程和势能差异方程,进一步认识洪季长江河口北槽混合与层化的小/大潮、涨/落潮变化及其物理机制。基于势能差异方程中的8个主要分项,定量分析了北槽混合与层化各物理机制的相对重要性。计算得到的梯度沿数、Si数和势能差异(φ)显示:(1)小潮北槽中段和下段主槽呈现弱混合/持续性层化状态,而大潮则为强混合/周期性层化状态。(2)向陆方向的潮下流呈现明显的小/大潮变化,即小潮强于大潮。(3)北槽下段主槽的高值纵向φ平流反映出盐水楔运动对层化的重要影响。高值横向φ平流可能由较大的横向φ梯度产生,反映了复杂水深地形与人工建筑物的影响。纵向φ平流和横向φ平流都具有明显的时间和空间上的间歇性。高值纵向水深平均应变包含了潮汐应变、环流与河流效应的影响。高值横向水深平均应变主要由较大的横向密度梯度与剪切流的相互作用产生。垂向积分的湍流浮力主要取决于水体底部的潮汐搅动,而表面风搅动与密.度界面处的剪切不稳定性(即Kelvin-Helmholtz不稳定性)的贡献次之。(4)与以上各物理机制相比,其它物理机制包括纵向水深非平均应变、横向水深非平均应变和垂向平流的量级相对较小。混合与层化的小/大潮变化主要由三种主要物理机制的共同作用导致,即潮汐搅动、纵向水深平均应变与横向水深平均应变。大潮期间,混合与层化的涨/落潮变化明显。(5)平流、应变和潮汐搅动致周期性层化,而非平流与应变致周期性层化或应变致周期性层化,控制了北槽混合与层化的涨/落潮变化。