太湖近岸区底部湍动能的时序特征及其变化的可能机制分析

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湍流不仅是导致物质、动量等在水-气交界面的交换、水柱内部输送的关键过程,也是促进浅水湖泊中底泥再悬浮及水生生态系统演变的驱动力;其中湍动能(Turbulent Kinetic Energy-TKE)不仅可以描述湍流强度,也是刻画水体中湍流演变的关键物理量。本文基于2018年3月-11月太湖梅梁湾采集的高频三维流速数据,结合太湖站同期的气象场数据,探讨了太湖近底部湍动能的时序特征及其可能变化机制。主要结论如下:(1)太湖近底部湍动能的分布较为宽泛,数值介于10-3cm2/s2-10 cm2/s2之间,其概率密度随着湍动能的增加先增加而后递减。其中介于10-3cm2/s2-10-1cm2/s2之间的弱湍动能具有显著的高频特征;大于1 cm2/s2的强湍动能则与之相反,呈低频特征。春季的湍流活动最强,秋季次之,夏季最弱;冷空气和台风过境时,在湍动能的高值区会打破这个趋势。(2)风(包含风速、风向及其累积时间)是与湍动能变化关系最为密切的影响因子,为湍流的演化提供了动力。其中风速为主要决定性因子,与TKE呈现正相关,且风速越大相关性越强;由于陆地边界影响,风向对近岸TKE有较明显的影响:风向通过对风速效应的修正作用影响近底层湍动能,该修正作用可用三角函数表征;近底层湍动能同时还受前期风场累积的影响,其前期时间累积效应的有效时段为1-3 h。(3)净辐射对湍动能的影响既存在昼夜差异也存在季节性差异:白天弱化近底层湍动能,夜晚热量的耗散增强内部湍流扰动使得湍动能增强;夏季热力作用强于春、秋两季,净辐射对近底层湍动能影响的正、负效应更强。(4)弱风条件下,热力作用对湍动能的影响要强于风场的作用,白天对湍动能的负贡献率达到58.74%,夜晚的正贡献率达到56.3%;当风速大于6 m/s时,风场成为影响湍动能变化的主导因子,净辐射的作用几乎不体现。(5)台风、寒潮等大风过程过境时,持续时间非常短的瞬时大振幅′′事件使得近底层的扰动迅速增强,湍动能发生量级上的变化,达到峰值。而这些大振幅′′事件是由近底层湍流相干结构中拟序运动(以喷射和扫掠为主)的间歇性猝发完成。
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