1、,长江口生态系统动力学模型概述,Y14物理海洋,S14070700023,陈天华,主要内容,展望,1,2,3,4,国内外研究现状,模型应用举例,研究背景及意义,研究背景及意义,长江口是我国第一大河口,世界第三大河口,自然条件优越,生物品种多样,但随着长江三角洲经济的发展和人类对海洋资源的开发利用,长江口面临着严峻挑战:由于入海泥沙减少,近年来,尽管长江口潮间带滩地保持着较高的淤涨趋势,但水下三角洲堆积速率已明显趋缓,专家初步研究表明,近20年长江口水下三角洲已出现大范围的侵蚀;长江虽携带着大量的营养物质,但同时伴有大量的污染物质下泄，多年的环境污染、过度捕捞、高度围垦以及各种海岸工程的建设,使
2、长江口生态环境己失去平衡,湿地面积减少,河口生态系统也全面衰退;海平面的逐年上升也会威胁到海堤的安全,盐水入侵对沿海居民的生活影响逐渐加剧。 2002年国家海洋局发布实施了全国海洋功能区划,对长江口杭州湾海域功能进行了规划,提出将环境治理,经济发展和生态保护等因素共同考虑,这对于维护健康长江具有重要意义,也关系到我国构建和谐社会和经济社会可持续发展。而综合开发、整治长江口和利用丰富的自然资源,要求充分了解长江口的水动力环境特征以提供智力支持。,展望,1,2,3,4,国内外研究现状,模型应用举例,研究背景及意义,国内,对于河口的数值模型研究,部分学者使用国外模型如Delft-3D,MIKE,EC
3、OM等,部分学者也着力发展自己的模型,如:刘桦等(2000)建立了计算河口密度分层效应的三维潮流、盐度数学模型,垂直方向为R坐标系,水平方向为直角笛卡儿坐标系,模态分离后外模态用改进的ADI法求解;为了合理确定垂直涡粘性和涡扩散系数,应用了与PMO类似的非均质流体的两方程紊流模式。该模型首次复演了完整的长江口三维潮流场,并对三维盐度场进行了初步模拟。同时,回顾了近年来国内外河口与海岸三维水动力学数学模型研究的新进展,着重讨论了三维水动力学数学模型研究中的若干基本问题。对河口三维潮流和密度流问题而言,其基本方程已经基本解决,但是在风暴侵袭期间,多种尺度的动力因素同时存在,建立其合理的流动模型是一
4、项重要的基础性工作;尽管己有一些成功的河口三维流动数学模型,但是寻求基于并行计算技术的数值模拟系统将是值得努力的方向。此外,河口大规模动边界和漫滩水流的模拟仍有待作进一步研究。,陈祖军,韦鹤平,陈美发(2004)在前人对河口水域三维水动力研究的基础上,建立了长江口水域三维非线性斜压浅海与陆架模式,并首次应用到长江口水域尾水排放水动力数值模拟研究中。考虑到实际河口形状和海底地形,采用平面和垂向三维坐标变换,在空间完全交错的网格系统上离散化控制方程组,并引入ADI计算方法数值求解。数值模拟结果基本上反演了长江口水域的三维水动力状况。马钢峰,刘曙光,戚定满(2006)利用CEMO模式建立了一个长江口
5、水动力盐度三维数值模型。当水底地形变化比较剧烈时,原CEMO模式中水平扩散项的计算就可能产生虚假的流场和物质输运,所以文中首先对CEMO模式物质输运方程的水平扩散项计算方法进行改进,采用返回z坐标系计算,离散变量利用a层二次Lagrange插值得到。对于改进方法,采用Hunag&Spualding提出的数值试验进行验证,证明此方法大大地提高了水平扩散项的计算精度。改进模型采用长江口实测水文资料进行滤定验证,计算和分析了南北槽垂向盐度分布和盐水通量过程,结果表明模型能较好反映测点盐度变化过程,也能较好地模拟出垂向表底层盐度差异。,国外,8,国外的海洋模型的发展已成一定规模,模型复杂多样,且研究对
6、象各有侧重,如: ROMS(Regional ocean Model System),SEOM(spectral Element Ocean Model),TOMS(Terrain following ocean Modeling System),ACOM(Australian Community ocean Mdoel),ECOM-si:Estuarine,Coastal and ocean Model(semi-implicit),ELCIRC(Eulerian-Lagrangian CIRCulation),FVCOM(Finite Volume Community ocean Mode
7、l),GOTM(General Ocean Turbulence Model),MITgcm(MIT General Circulation Model),POM(Princeton Ocean Mdoel)等等。,针对于河口区的模拟,目前国际上使用较广泛的河口海洋数值模型有: POM模型(Princeton ocean Model):即美国的普林斯顿海洋模型,20世纪70年代由Blumberg为了节省计算时间和增加模式的计算稳定性,POM将海流的正压模和斜压模分离,采用不同的时间步长,外模为二维,时间步长较短,内模为三维,时间步长较长。在水平方向,POM采用Arakawa C 型交错网格系统
8、。在垂直方向,紊流能量方程、垂直扩散交换系数和垂直速度w与温度、盐度和海流场交错设置。水平坐标系统可选择,既可为曲线正交坐标,也可为经纬度坐标。,ECOM模型(Estuarine,Coastal and ocean Model):是在POM的基础上发展起来的,水平方向采用非正交曲线网格,时间上采取前差格式,并用半隐格式计算水位方程,消除了CFL判据的限制。 Delft-3D模型:为荷兰Delft水力学研究所的三维可视化商业软件,主要应用于河口及海岸带,包含多个模块,可模拟多种物理过程。 MIKE模型:为丹麦水资源及水环境研究所(DHI)开发的商业软件,发展成熟,如模拟二维河口和地表水体的MKI
9、E21,近海沿岸流LITPACK,及深海的三维MIKE3等。 FVCOM模型(Finite volume Community ocean Model):为美国University of Massachusetts的school for Marine science and Technology陈长胜教授研究组开发的三角形网格,有限体积,三维原始方程组海洋模型。它结合了有限元法易拟合边界,局部加密的优点和有限差分法便于离散计算海洋原始方程组的优点,数值计算采用方程的积分形式和更好的计算格式,使动量,能量和质量具有更好的守恒性,用干湿判断法处理潮滩移动边界,应用Mellor&Yamada的2.5阶
10、紊流闭合子模型使模型在物理和数学上闭合,垂向采用变换体现不规则的底部边界,外模和内模分裂以节省计算时间。该模型己成功应用于美国的一些河口。,ELCIRC模型(Eulerian-Lagrangian ClRCulation):是美国俄勒冈州Oregon Health & Science University的OGI School of Science&Engineering研究人员,基于对哥伦比亚河的研究开发的哥伦比亚环流模型CORIE的一部分,可以单独用于模拟计算。ELCIRC采用了基于水平向无结构网格、垂向z坐标体系下,半隐格式的欧拉-拉格朗日有限体积/有限差分方法来解浅水方程。算法上考虑了
11、多种紊流闭合模式,也包括了潮汐势,大气压梯度项及水气交换,可以模拟多种物理过程。模型已进行基准测试,并应用到哥伦比亚河的物理过程的模拟,国际上陆续有学者在其相应研究领域运用了此模型,国内还较少。垂向坐标体系的版本已实现但尚未公开发布。 UnTRIM模型(Unstrustured grid TRIM model):是意大利Trento university的Vincenzo Casulli教授为首开发的模型,利用半隐格式的有限差分/有限体积法解三维浅水方程以及三维输运方程(热盐,溶解物及悬沙)。模型基于非结构正交网格计算,采用雷诺平均的N-S方程,可考虑包括源汇,风应力,与大气和底部的热交换等多
12、种因素,可计算潮流,盐度,温度及悬沙浓度。ELCIRC模型即是参考UnTRIM而来。,国内在海洋数值模型上与国际的差距较明显,缺少自己研制的在国际上有影响力的数值模型,多使用国外的开放模式,但在实际问题中给出原因和改进的不多,虽有很多学者也在致力于开发自己的模型,但公开较少。,展望,1,2,3,4,国内外研究现状,模型应用举例,研究背景及意义,长江口及毗邻海域水质和生态动力学模型与应用研究,研究区域： 长江口及毗邻碧海行动计划的范围包括海域和陆域两部分, 其中陆域包括江苏、浙江两省所属沿海沿江14 个地市及上海市全市。江苏省有苏州市、无锡市、泰州市、南通市、镇江市、常州市、扬州市和南京市; 浙
13、江省有台州市、舟山市、宁波市、绍兴市、杭州市、嘉兴市; 陆域面积共计10.36万km2。海域包括三省市近岸海域, 即长江口、杭州湾及毗邻海域, 范围为32o00 29o30 N,123o E以西海域, 面积约3.8万km2。生态模型研究区域包含长江口、杭州湾大范围水体, 地形见右图：,研究区域地形示意,长江口及毗邻海域二维水质模型： 选用MIKE21建立长江口及毗邻海域二维水质模型。基本方程为对流扩散方程:,模型范围和网格划分： 模型范围包含长江口、杭州湾大范围水体。长江上游边界取在江苏江阴, 海域东边界为东经123o, 南边界在北纬29o30, 北边界在江苏吕四港以北北纬32o15。计算范围
14、的网格点共有( 170 x 198 ) 个, 网格长度1.5km x 1.5 km。,模拟指标： 第1类指标为富营养化控制指标,包括溶解性无机氮( DIN ) 和溶解性无机磷( DIP )。第2类指标为有机物污染指标, 为高锰酸盐( CODMn ) 和氨氮( NH3-N )。,模型输入条件1、气象水文输入条件长江口流场、盐度场、温度场和泥沙场直接采用华东师范大学河口海岸国家重点实验室水动力模型的模拟结果。风速、风向、气温、太阳辐射等外部输入资料同水动力模型。 2、污染物负荷模型概化的长江口及毗邻海域的河流入海口及直排源共计33 个。CODMn、TN、TP、氨氮、无机氮的入海总量分别为224.5
15、、137.6、8.2、19.4、104.0 kt。调查区2005 年入海污染物中, CODMn 、TN、TP、氨氮、无机氮的入海总量分别为226.9、130.1、8、16、98kt。 3、初始浓度场取值 最初计算时,CODMn、氨氮、无机氮、磷酸盐分别取0.5mg/L、0.15 mg/L、0.25mg/L、0.05mg/L。为消除初始浓度场影响, 率定和验证模拟计算的初始时刻比丰水期水质监测时段提前1a, 模拟时段为2004年6 月 2006 年6 月。水质模型计算稳定( 模拟时段超过约1a ) 后, 取计算稳定后的水质浓度场作为初始浓度场。 4、时间步长的选取 为保持模型计算稳定并尽量节省计
16、算时间, 经反复调试, 时间步长取300s。 5、水质模型边界 上游流入边界取同步实测浓度过程线。外海水质边界取不同水期的实测结果。,模拟结果图,长江口及毗邻海域三维生态动力学模型,数学模型,选用MIKE3 建立长江口及毗邻海域三维生态动力学模型。三维对流扩散基本方程:,模型变量,浮游植物（以C计）Phytoplankton carbon (PC) 浮游植物（以N计） Phytoplankton nitrogen (PN) 浮游植物（以P计） Phytoplankton phosphorus (PP) 叶绿素-aChlorophyll-a (CH) 浮游动物Zooplankton (ZC) 碎
17、屑碳Detritus carbon (DC) 碎屑氮Detritus nitrogen (DN) 碎屑磷Detritus phosphorus (DP) 无机氮Inorganic nitrogen (INNO3NH3) 无机磷Inorganic phosphorus (IP) 溶解氧Dissolved oxygen (DO) 底栖植物（以C计）Benthic vegetation carbon (BC),生态动力学模型范围、网格划分与时间步长,模型范围：北至北纬3242，南至北纬28，东至东经124，西起江阴。,生态动力学模型网格采用三角形单元,共1641个计算单元。垂向网格共分6 层。为满足
18、计算稳定性要求, 并尽量缩短计算机的运算时间, 模型计算采用变时间步长法, 最大时间步长取600s, 最小时间步长取30s。,模拟结果图,长江口海域赤潮生态动力学模型,（基于中日合作海洋生态围隔试验资料, 建立了长江口海域赤潮生态动力学模型, 并对观测过程进行了模拟。） 赤潮生态动力学模型 本模式中利用的资料及处理方法: 1、营养盐资料 2、光照强度资料 3、藻类数量及叶绿素a浓度 4、有机碎屑浓度生态动力学模型的控制方程 本模型中无机营养盐分为N、P和Si 三类, 浮游植物分为硅藻和鞭毛藻, 并在生态动力学模型中考虑有机碎屑和光照强度(Skogen,1995)。从而可建立如下模型：,其中,生
19、态动力学模型控制方程的简化,由于围隔桶与外界无交换, 且垂直方向可将围隔桶视为单层, 围隔效应可认为营养盐源函数恒为零, 因此得出：,生态动力学模型,海洋生态动力学模型参数取值,生态动力学模型概念框图,模拟结果与实测值的比较,结果表明, 本模型可以模拟赤潮的发生发展至衰亡过程。,长江口南港化学需氧量动力学模型的应用,应用Hydroqual公司的环境生态动力学模型EFDC在长江河口河段建立了三维的化学需氧量动力学预测模型研究范围：徐六泾以下崇明岛将长江分为南支和北支，南支在吴淞口以下又被长兴岛、横沙岛分为南港和北港，南港由九段沙分为南槽和北槽。,在南港选取测量断面，其COD的测量值作为数学模型的
20、验证资料。,水质模型质量守恒控制方程 水质变量的质量守恒控制方程表示如下:,式中：C为水质状态变量浓度；u 、v 和w分别为 x、y 和z 方向的速度；Kx、Ky和Kz分别为 x、y 和z方向的扩散系数；Sc 为单位体积源汇项。 方程左边最后3项为平流输运项，右边的前3项为扩散输运项。这6项物理输运项类似，因此它们的数值解法和水动力模型中盐度的质量守恒方程一样，最后一项代表每个状态变量的动力学过程和外部负荷。,显示模型的计算结果和实测结果基本吻合,展望,1,2,3,4,国内外研究现状,模型应用举例,研究背景及意义,海洋生态系统是复杂多变的, 模型作为把海洋生态系统进行量化描述的工具, 只有做出
21、大量的简化假设并略去部分变异性时, 才有可能对这些系统进行数值模拟, 这样的结果是产生一些能提供见识而预报准确度较差的模型, 而且在参数确定、多营养级模型建立等方面仍存在较大不足。这就要求我们在建模过程中要注意过程的现实性与普遍性, 同时注重现场和实验资料的获取和收集, 通过对现场测定和实验资料的综合分析来确定模型所需参数、初始场、外力等, 反过来再用生态模型检验参数的可行性与适用性, 提高模型的有效性。海洋生态系统动力学模型中的个体、种群和过程模型将朝着精确、科学化方向发展, 随着实验和观测手段的提高, 完善这方面的模型和参数, 建立具有更长的时间尺度和更宽的空间覆盖面的综合性生态系统模型, 并致力于与全球气候模式相联系, 为预测全球海洋生态系统对全球变化的响应和反馈奠定基础。,谢谢！,
