一种分析潮汐对无机氮跨陆架运输影响机理的方法与流程

1.本发明涉及潮汐作用力物质运输技术领域，具体是涉及一种分析潮汐对无机氮跨陆架运输影响机理的方法。


背景技术：

2.我国有着十分广阔的海岸线，这对我国经济的发展十分有利，南北陆架分布着阶梯状的大陆坡，且水深变化大，地形复杂，潮汐作用力强，潮汐动力过程十分复杂，对物质和能量的运输具有明显的影响。但是，目前关于潮汐作用力对物质跨陆架运输的认识仍有不足，尤其是对无机氮跨陆架运输的影响机理方面缺乏更深入的研究。
3.随着经济的快速增长，海岸营养物质负荷持续增加，导致近海岸海洋环境持续恶化，海洋生态功能也受到影响，动植物生活环境遭到破坏，从而影响了沿海居民的正常生活发展，迫切需要海洋管理部门提出切实可行的管理措施，因此，需要从潮汐作用力对无机氮跨陆架运输的角度入手进行分析对近海岸环境科学管理提供依据。
4.han等人利用覆盖东海和南海北部的大面观测资料对营养物质跨陆架输运过程进行了研究。他们的研究表明，在东北季风的作用下，东海高营养盐海水能被中国沿岸流携带经长距离跨陆架输运进入南海北部陆架区，进而维持了冬季南海北部陆架较高的初级生产力，基于观测资料定量估算了沿岸流跨陆架输送的营养盐通量，结果表明这种经沿岸流跨陆架输送的营养盐通量远大于冬季珠江口入海营养盐通量，从而说明跨陆架的营养盐输送对南海北部陆架区海洋生态系统有显著的影响。但是并没有对其影响机理进行深入研究探讨。


技术实现要素：

5.针对上述存在的问题，本发明提供了一种分析潮汐对无机氮跨陆架运输影响机理的方法。
6.本发明的技术方案是：
7.一种分析潮汐对无机氮跨陆架运输影响机理的方法，包括以下步骤：
8.s1海洋水动力pom模型搭建：建立一个三维自由表面的海洋水动力pom 模型，在所述pom模型中嵌套一个用于计算海洋内部垂向湍流混合过程的 mellor
‑
yamada 2.5阶湍流闭合子模型，水平方向的混合过程采用smagorinsky 参数化方案计算，并采用模态分裂技术进行数值求解，并确定二维流速边界；
9.s2区域划分：pom模型水平方向采用arakawa c型交错网格，垂直方向采用sigma随底坐标；
10.s3激光雷达测量及参数校正：
11.s3
‑
1水深测量：控制无人机在指定海域指定位置，采用激光雷达通过圆形循环扫描的方式对海洋表面进行穿透深度测量，得到水深参数；
12.s3
‑
2叶绿素浓度最大值深度scml测定：采用激光雷达通过两个二向色镜产生两次
折射，与光学望远镜同光轴射向海面，激发次表层可溶性有机物和叶绿素的散射荧光，将收集到的信号成像在光电探测单元上，得到叶绿素浓度 chl.a，随后采用多脉冲平均和背景噪声去除提高测量信噪比，将校正后的信号进行对数变换得到激光雷达预处理后的测量信号s
m
，再从深度为h的线性函数中获得对数形式的背景散射信号s
bh
，得到scml＝s
m
‑
s
bh
；
13.s3
‑
3参数校正：利用klett法反演激光雷达衰减系数，随后将水深参数和 scml通过样条插值的方法插值到pom模型的计算网格上；
14.s4生态动力npzd模型搭建：选取4个动态变量，分别为无机氮营养盐n、浮游植物p、浮游动物z和碎屑物质d，一个导出变量为叶绿素浓度chl.a，生态动力npzd模型包含的生物地球化学反应包括浮游植物p吸收无机氮营养盐n 进行光合作用、浮游动物z捕食浮游植物p、浮游植物p和浮游动物z死亡后形成碎屑态物质d，以及碎屑态物质d的再矿化和沉降作用过程；
15.s5物理
‑
生物耦合模型搭建：物理
‑
生物耦合模型中各状态变量的控制方程为：
16.其中，c为各状态变量的浓度，t为时间，z为水深参数，k
h
代表湍流涡动扩散系数，sms为每个状态变量的源汇项；
17.随后通过表征无机氮营养盐水平和垂向三维运输、扩散和生态转换过程，得到半日分潮m2和全日分潮k1；
18.s6模型验证：对模型得到的半日分潮m2和全日分潮k1进行验证。
19.进一步地，所述步骤s1中二维流速边界采用flather格式给定：
[0020][0021]
其中，为二维流速边界条件，η
ext
为水位边界条件，为潮流边界条件，η
tide
为潮位边界条件，g为重力加速度；h为局地水深，明确边界的范围。
[0022]
更进一步地，所述步骤s1中逐时潮位和潮流时间序列由八个分潮调和常数m2、s2、n2、k2、k1、o1、p1和q1计算得到，所述调和常数由俄勒冈州立大学osu的全球潮汐反演模式提供，海面风场采用qscat/ncep资料，海面热通量由coare3.0块体公式计算得到，所需的气象参数资料均由 ncep/ncar再分析资料提供，包括：海面2m处气温、相对湿度、云量、海面大气压和太阳短波辐射，确保数据的准确无误。
[0023]
进一步地，所述步骤s2中水平方向网格数为400
×
160，网格分辨率为2.5
‑ꢀ
3km，垂直方向共分31个sigma层，并采用对数分布，使模型在表、底边界层分辨率相对较高，使模型能较好的模拟边界层过程。
[0024]
进一步地，所述步骤s2中pom模型水平方向采用显式差分格式，垂直方向采用隐格式，在环流数值模拟中应用广泛。
[0025]
进一步地，所述步骤s3
‑
1中激光的波长为532nm，脉冲宽度为5ns，激光频率为168hz，步骤s3
‑
2中深度h的有效范围为海平面以下2m
‑
0.8h，海绵 2m以上易受到海表反射率、风况、破碎波等因素的影响，而深度大于0.8h时信噪比极速下降；步骤s3
‑
3中klett法反演激光雷达衰减系数的控制方程为：
[0026][0027]
式中，α(z)为衰减系数，k为后向散射消光对数比，0.67≤k≤1，zm为激光可探测的最大有效深度，sm为边界值，步骤s3
‑
3中还将插值后的陆架模型的水深利用海图资料进行校正，以验证模型的真实性。取下边界为边界值后，分母中积分项为正，边界值和噪声等影响因素随机分数值增加而减少，因此使得控制方程更加稳定。
[0028]
进一步地，所述步骤s4中生物地球化学反应还包括浮游植物p的光适应性过程，在低光照条件下，浮游植物p中的叶绿素比例会升高，以增加浮游植物 p对光的吸收率。
[0029]
进一步地，所述步骤s5中表征无机氮营养盐水平和垂向三维运输、扩散和生态转换过程的控制方程为：
[0030][0031][0032]
其中，μ为垂直于x面的垂向流速，v为垂直于y面的垂向流速，ω为垂直于σ面的垂向流速，ax，ay和az分别为三个方向上的涡动扩散系数，n为无机氮营养盐浓度，p为浮游植物浓度，z为浮游动物浓度，d为碎屑物质浓度， sms
n
为无机氮营养盐的生态转换项或称源汇项，η为浮游植物死亡率常数 0.075d
‑1，ε1为浮游动物线性死亡转变为碎屑物质的系数0.75，n1为浮游动物线性死亡率常数0.11d
‑1，ε2为浮游动物非线性死亡转变为碎屑物质的系数0.5，n2为浮游动物非线性死亡率常数0.52(mmol n m
‑3)
‑1d
‑1。
[0033]
进一步地，所述步骤s6中验证方法包括：与验潮站观测的结果进行对比，与osu潮汐反演模式结果进行对比，与modis卫星观测资料进行对比，以验证模型的真实性。
[0034]
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
[0035]
(1)本发明的分析方法通过建立物理
‑
生物耦合模型，能够较为准确地再现陆架的潮汐、环流和生态动力过程，并采用实地观测资料和卫星观测资料对本文构建的模型进行了验证，可进一步应用该模型研究潮汐动力影响下陆架无机氮运输的作用机理，对海洋生态系统的物质循环和能量转化具有指导意义。
[0036]
(2)本发明的分析方法通过分析无机氮营养盐各收支项的分布和平衡关系，揭示物理和生态过程对营养盐的作用机理，通过理想数值试验探讨潮汐对无机氮营养盐输运的影响机理。
[0037]
(3)本发明的分析方法通过激光雷达的测量方式对水深参数、可溶性有机物和叶绿素浓度进行测量并校正，使得获取的参数更加准确，与物理
‑
生物耦合模型的匹配度更高，进一步提高了物理
‑
生物耦合模型的分析能力和准确度，为无机氮的运移提供了有力的支撑。
附图说明
[0038]
图1是本发明海洋水动力pom模型所用的垂向sigma坐标系示意图；
[0039]
图2是本发明生态动力npzd模型的生物地球化学反应过程示意图；
[0040]
图3是本发明实验例中陆架物理
‑
生物耦合模型计算网格；
[0041]
图4是本发明实验例中陆架物理
‑
生物耦合模型计算水深；
[0042]
图5是本发明实验例中m2分潮振幅线性回归关系示意图；
[0043]
图6是本发明实验例中m2分潮迟角线性回归关系示意图；
[0044]
图7是本发明实验例中k1分潮振幅线性回归关系示意图；
[0045]
图8是本发明实验例中k1分潮迟角线性回归关系示意图；
[0046]
图9是本发明实验例中模型计算的m2分潮同潮图；
[0047]
图10是本发明实验例中osu潮汐反演模式计算的m2分潮同潮图；
[0048]
图11是本发明实验例中模型计算的k1分潮同潮图；
[0049]
图12是本发明实验例中osu潮汐反演模式计算的k1分潮同潮图；
[0050]
图13是本发明实验例中modis卫星观测的表层chla示意图；
[0051]
图14是本发明实验例中模型计算的chla示意图；
[0052]
图15是本发明实验例中modis卫星观测的chla与模型模拟结果的散点图；
[0053]
图16是本发明实验例中模型标准算例计算的无机氮表层分布；
[0054]
图17是本发明实验例中无潮汐算例计算的无机氮表层分布；
[0055]
图18是本发明实验例中模型标准算例计算的无机氮30m层分布；
[0056]
图19是本发明实验例中无潮汐算例计算的无机氮30m层分布；
[0057]
图20是本发明实验例中两算例计算的表层无机氮浓度之差；
[0058]
图21是本发明实验例中两算例计算的30m层无机氮浓度之差。
具体实施方式
[0059]
实施例1
[0060]
一种分析潮汐对无机氮跨陆架运输影响机理的方法，包括以下步骤：
[0061]
s1海洋水动力pom模型搭建：建立一个三维自由表面的海洋水动力pom 模型，在所述pom模型中嵌套一个用于计算海洋内部垂向湍流混合过程的 mellor
‑
yamada 2.5阶湍流闭合子模型，水平方向的混合过程采用smagorinsky 参数化方案计算，并采用模态分裂技术进行数值求解，并确定二维流速边界；二维流速边界采用flather格式给定：
[0062][0063]
其中，为二维流速边界条件，η
ext
为水位边界条件，为潮流边界条件，η
tide
为潮位边界条件，g为重力加速度；h为局地水深；逐时潮位和潮流时间序列由八个分潮调和常数m2、s2、n2、k2、k1、o1、p1和q1计算得到，所述调和常数由俄勒冈州立大学osu的全球潮汐反演模式提供，海面风场采用 qscat/ncep资料，海面热通量由coare 3.0块体公式计算得到，所需的气象参数资料均由ncep/ncar再分析资料提供，包括：海面2m处气温、相对湿度、云量、海面大气压和太阳短波辐射；
[0064]
s2区域划分：pom模型水平方向采用arakawa c型交错网格，垂直方向采用sigma随底坐标，如图1所示，水平方向网格数为400
×
160，网格分辨率为 2.5
‑
3km，垂直方向共分31个sigma层，并采用对数分布，pom模型水平方向采用显式差分格式，垂直方向采用隐格式；
[0065]
s3激光雷达测量及参数校正：
[0066]
s3
‑
1水深测量：控制无人机在指定海域指定位置，采用激光雷达通过圆形循环扫描的方式对海洋表面进行穿透深度测量，激光的波长为532nm，脉冲宽度为5ns，激光频率为168hz，得到水深参数；
[0067]
s3
‑
2叶绿素浓度最大值深度scml测定：采用激光雷达通过两个二向色镜产生两次折射，与光学望远镜同光轴射向海面，激发次表层可溶性有机物和叶绿素的散射荧光，将收集到的信号成像在光电探测单元上，得到叶绿素浓度 chl.a，随后采用多脉冲平均和背景噪声去除提高测量信噪比，将校正后的信号进行对数变换得到激光雷达预处理后的测量信号s
m
，再从深度为h的线性函数中获得对数形式的背景散射信号s
bh
，深度h的有效范围为海平面以下2m
‑ꢀ
0.8h，得到scml＝s
m
‑
s
bh
；
[0068]
s3
‑
3参数校正：利用klett法反演激光雷达衰减系数，klett法反演激光雷达衰减系数的控制方程为：
[0069][0070]
式中，α(z)为衰减系数，k为后向散射消光对数比，0.67≤k≤1，zm为激光可探测的最大有效深度，sm为边界值，k的起始值为0.67，每次增加0.01，迭代次数为33次，收敛值α
el
的控制方程为：
[0071]
α
el
＝k
d
(c
‑
k
d
)exp(
‑
0.85cd)
[0072]
k
d
＝0.0452 0.0494chl
0.67
[0073]
a＝1.055(0.0488 0.028chl
0.65
)
[0074]
b＝1.7
×
10
‑3 0.416chl
0.766
[0075]
其中，d为海面光斑直径，c为吸收系数a和散射系数b之和，当α(z) 与α
el
的只差的绝对值最小时，对应的k即为目标海域的最佳k值；随后将水深参数和scml通过样条插值的方法插值到pom模型的计算网格上，并将插值后的陆架模型的水深利用海图资料进行校正；
[0076]
s4生态动力npzd模型搭建：选取4个动态变量，分别为无机氮营养盐n、浮游植物p、浮游动物z和碎屑物质d，一个导出变量为叶绿素浓度chl.a，生态动力npzd模型包含的生物地球化学反应包括浮游植物p吸收无机氮营养盐n 进行光合作用、浮游动物z捕食浮游植物p、浮游植物p和浮游动物z死亡后形成碎屑态物质d，以及碎屑态物质d的再矿化和沉降作用过程和浮游植物p的光适应性过程，如图2所示；
[0077]
s5物理
‑
生物耦合模型搭建：物理
‑
生物耦合模型中各状态变量的控制方程为：
[0078]
其中，c为各状态变量的浓度，t为时间，z为水深参数，k
h
代表湍流涡动扩散系数，
sms为每个状态变量的源汇项；
[0079]
表征无机氮营养盐水平和垂向三维运输、扩散和生态转换过程的控制方程为：表征无机氮营养盐水平和垂向三维运输、扩散和生态转换过程的控制方程为：
[0080]
其中，μ为垂直于x面的垂向流速，v为垂直于y面的垂向流速，ω为垂直于σ面的垂向流速，ax，ay和az分别为三个方向上的涡动扩散系数，n为无机氮营养盐浓度，p为浮游植物浓度，z为浮游动物浓度，d为碎屑物质浓度， sms
n
为无机氮营养盐的生态转换项或称源汇项，η为浮游植物死亡率常数为 0.075d
‑1，ε1为浮游动物线性死亡转变为碎屑物质的系数为0.75，n1为浮游动物线性死亡率常数为0.11d
‑1，ε2为浮游动物非线性死亡转变为碎屑物质的系数为 0.5，n2为浮游动物非线性死亡率常数0.52(mmol n m
‑3)
‑1d
‑1；
[0081]
s6模型验证：对模型得到的半日分潮m2和全日分潮k1进行验证，验证方法为：与验潮站观测的结果进行对比。
[0082]
实施例2
[0083]
本实施例与实施例1基本相同，其不同之处在于，步骤s6中模型验证的验证方法不同。
[0084]
s6模型验证：对模型得到的半日分潮m2和全日分潮k1进行验证，验证方法为：与osu潮汐反演模式结果进行对比。
[0085]
实施例3
[0086]
本实施例与实施例1基本相同，其不同之处在于，步骤s6中模型验证的验证方法不同。
[0087]
s6模型验证：对模型得到的半日分潮m2和全日分潮k1进行验证，验证方法为：与modis卫星观测资料进行对比。
[0088]
实验例
[0089]
下面将实施例1
‑
3中的方法步骤结合具体实际地理环境进行分析并对分析结果进行解释说明，选用南海某区块海域作为研究对象，建立物理
‑
生物耦合模型，水深计算网格分布模型如图3所示，通过样条插值的方法插值到模型的计算网格上，插值后的陆架模型的水深利用海图资料进行校正，南边界设置在水深1000米左右的陆架坡区，如图4所示。
[0090]
随后使用逐时潮汐强迫场连续积分一年，得到半日分潮m2和全日分潮k1，并将模型模拟的半日分潮m2和全日分潮k1与验潮站观测的结果进行对比，发现二者具有很好的相关性，如图5
‑
8所示，观测与模拟的m2分潮的振幅和迟角的相关系数分别为0.98和1.0，观测与模拟的k1分潮的振幅和迟角的相关系数分别为0.96和0.98，物理
‑
生物耦合模型计观测与模拟的m2和k1分潮的振幅和迟角的均方根误差rmse，m2分潮的振幅和迟角的均方根误差为8.2cm (12.5
°
)，k1分潮分别为5.9cm(3.0
°
)。综上，模拟与观测的调和常数的相关度非常显著，且均方根误差均相对较小，说明模式结果与观测具有很好的一致性。
[0091]
再将物理
‑
生物耦合模型模拟的结果与osu潮汐反演模式结果对比，将模型计算的m2和k1分潮的同潮图与osu潮汐反演模式计算的同潮图进行对比，结果如图9
‑
12所示，可以
看出，模型计算的m2分潮的同潮图与osu潮汐反演模式的结果比较一致：在西北部陆架区以半日分潮为主，m2分潮振幅在此处显著增大；而在陆架外侧的离岸海域则以全日分潮为主，k1分潮振幅相对较大；由同潮图中的同潮实线的分布可知，南海北部陆架区的m2分潮主要是太平洋潮波通过吕宋海峡传入，部分来自东海经中国台湾海峡进入南海北部，来自吕宋海峡和中国台湾海峡的潮波在中国台湾浅滩附近海域相遇，潮波在此处产生辐合，m2分潮振幅增大。但是本文模拟结果和osu潮汐反演模式的结果均表明，k1分潮的潮波通过吕宋海峡进入南海北部后主要向西南方向传播，并未在中国台湾浅滩附近产生辐合效应。进一步表明，本文构建的南海北部潮汐模式能较好的在线南海北部陆架区潮波的分布规律。
[0092]
将模型计算的平均的表层叶绿素浓度(chla)分布与modis卫星观测资料进行对比，如图13
‑
15所示，对该耦合模型的计算性能进行检验。由modis卫星观测得到的南海北部表层叶绿素的分布可知，南海北部近岸叶绿素浓度较高，受珠江口冲淡水和上升流过程影响显著，在中国台湾浅滩上升流附近海域，叶绿素浓度的增值也比较明显。对比南海北部陆架耦合模型的计算结果，模型也较好再现了叶绿素的上述分布规律。由观测与模拟的叶绿素散点图也可看出，模拟结果与观测具有很好的相关性，线性回归分析表明，二者相关系数达0.85。但是，耦合模型也高估了中国台湾浅滩上升流附近海域的叶绿素浓度分布。
[0093]
说明本发明的物理
‑
生物耦合模型能够较为地再现南海北部陆架的潮汐、环流和生态动力过程，模型具有一定的可信度，可进一步应用该模型研究潮汐对陆架环流和生态动力过程的影响。
[0094]
下面将物理
‑
生物耦合模型标准算例计算的表层和30米层的无机氮分布与不考虑潮汐强迫的算例计算的无机氮分布进行对比，如图16
‑
21所示，探讨潮汐对南海北部陆架无机氮分布的影响。在珠江口冲淡水、南海北部上升流和潮汐混合等物理过程作用下，南海北部珠江口近岸、粤东沿岸和中国台湾浅滩东南陆架坡折带表层营养盐浓度较高，而在陆架外侧营养盐浓度普遍缺乏，当不考虑潮汐强迫时，珠江口近岸和粤东沿岸无机氮浓度比标准算例升高。标准算例中计算的厦门外海无机氮浓度较低，当忽略潮汐强迫时，营养盐浓度增加也较为显著。
[0095]
标准算例计算的30米层无机氮分布显示，在50米等深线以浅的区域和中国台湾浅滩周边浓度较高；在50米以深的外海，营养盐浓度较低。受西南季风影响，南海北部上层海水作离岸运动，致使下层海水上涌补充，近岸上升流过程使深层高营养盐海水沿陆架做爬坡运动，从而可能导致了南海北部50米以浅次表层高营养盐分布。当忽略潮汐强迫时，南海北部陆架外侧(50米等深线以深的区域)无机氮分布与标准算例结果近似，但是在50米等深线以浅，次表层无机氮浓度比标准算例低。特别是在汕头东南外海和中国台湾浅滩南部，无潮汐算例计算的无机氮浓度明显比标准算例结果低，这可能是因为较强的潮混合作用使次表层高营养盐海水更容易扩散到上层，但是在汕头东南外海，潮汐导致的较高的无机氮浓度只分布在次表层，表层无机氮浓度增加不明显，在中国台湾浅滩南部，潮汐混合导致的高无机氮分布在表层和次表层均较显著，在中国台湾浅滩东北部，忽略潮汐强迫时计算的该处无机氮浓度明显高于考虑潮汐强迫时的计算结果，但此处表层无机氮增加也不明显，忽略潮汐引起的上层无机氮浓度增值只发生在厦门近岸海域，这有可能是因为，当考虑潮汐强迫时，沿陆架方向的水体输运减弱，从而导致由粤东沿南海北部宽阔陆架向中国台湾海峡的营养盐输运量减弱，从而导致该处无机氮浓度降低，而且这种沿陆架的营养盐输运只
发生在次表层。