Река шлейф является распресненной массой воды , которая образуется в море в результате смешения речного стока и солевой морской воды . [1] Речные шлейфы образуются в прибрежных морских районах многих регионов мира. Речные шлейфы обычно занимают широкий, но неглубокий слой поверхности моря, ограниченный резким градиентом плотности.
![](http://wikiimg.tojsiabtv.com/wikipedia/commons/thumb/3/3f/Kodor_river_plume.jpg/440px-Kodor_river_plume.jpg)
Площадь речного плюма в 3-5 раз превышает его глубину, поэтому даже небольшие реки со скоростью стока ~ 1-10 м / с образуют речные шлейфы с горизонтальной пространственной протяженностью ~ 10-100 м. Площади речных плюмов, формируемых крупнейшими реками Мира, составляют ~ 100–1000 км 2 . Несмотря на относительно небольшой объем общего стока пресной воды в Мировой океан , речные шлейфы занимают до 21% площади шельфа Мирового океана, т. Е. Несколько миллионов квадратных километров. [2]
Процессы
Речные шлейфы играют важную роль во взаимодействии суши и океана на глобальном и региональном уровнях. Речной сток обеспечивает большие потоки плавучести , тепла , терригенных отложений , питательных веществ и антропогенных загрязнителей в океан. Речные шлейфы сильно влияют на многие физические, биологические и геохимические процессы в прибрежных и шельфовых районах моря, включая стратификацию морской воды, прибрежные течения , углеродные и биогеохимические циклы, первичную продукцию , морфологию морского дна и т. Д. [1]
Речной шлейф - это динамическая система, на которую влияют процессы с широким диапазоном временных и пространственных масштабов, которые зависят от размера и формы устья, а также от различных (переменных) воздействий как со стороны устья, так и со стороны океана . Механизмы обратной связи между наносами, отложенными шлейфом в подводной дельте, и геометрией дельты образуют сложную систему, в которой нет (пока) общей простой теории, предлагающей количественную предсказуемость движения частиц и структуры реки. шлейфы. Однако некоторые изящные и простые теории помогли понять важные аспекты влияния плавучести на прибрежные потоки. [3] Как обычно используется в гидродинамике, описанию этих сложных потоков помогает масштабный анализ для определения соответствующих процессов. Основными параметрами, определяющими структуру и масштаб отдельного речного шлейфа, являются расход пресной воды, энергия приливов , батиметрия / геометрия береговой линии , окружающие океанические течения , ветер и вращение Земли / Кориолиса . [1]
Структура речного шлейфа
Баланс между важными процессами меняется в зависимости от положения в шлейфе. Можно выделить следующие области: область источника, точка отрыва, фронт и область ближнего поля. За пределами самого шлейфа, но в пределах его зоны влияния находятся зона среднего поля и зона дальнего поля. В некоторых случаях речные шлейфы упоминаются как регионы влияния пресной воды (ROFI), хотя предпочтительно использовать этот термин для регионов, в которых несколько источников добавляют к притоку пресной воды в зону, или для мелких, фрикционных шельфов. [1]
![](http://wikiimg.tojsiabtv.com/wikipedia/commons/thumb/1/1b/Schematic_structure_plume.png/373px-Schematic_structure_plume.png)
Исходный регион
В области истока или устья плавучесть и импульс притока пресной воды из устья являются доминирующими свойствами, которые определяют зарождение речного шлейфа. Конкуренция между стратификацией, вызванной рекой, и приливным перемешиванием определяет характерные свойства речных шлейфов. Эту конкуренцию можно отразить в (безразмерном) устьевом числе Ричардсона , которое определяется как [4] .
В устье реки число Ричардсона пониженная гравитация - ускорение свободного падения из-за разницы в плотности пресной речной воды и соленой воды океана, является речной сток ,это устье ширина и- приливная скорость. Большое число Ричардсона в устье указывает на то, что пресноводные процессы преобладают по сравнению с влиянием приливов, и можно ожидать развития речного шлейфа. [1]
Точка отрыва
В случае сильного речного воздействия, часто с большим числом Ричардсона в устье , передняя часть шлейфа отделяется от дна. Положение, в котором происходит это разделение потока, называется точкой отрыва и устанавливает край ближнего поля, обращенный к суше. Этот момент важен для речных шлейфов с адвекцией поверхности. [5] [6]
Область ближнего поля
В ближнем поле импульс факела больше его плавучести. Этот баланс представлен в (безразмерном) числе Фруда,и больше единицы в ближней зоне, что указывает на сверхкритический поток. И точка отрыва, и внешняя граница ближнего поля, фронт факела, характеризуются критическими условиями течения (), а течение в ближней зоне имеет черты, похожие на струю. [7] В балансе количества движения преобладают баротропные и бароклинные градиенты давления, турбулентные напряжения сдвига и ускорение потока. Замедление потока в основном вызвано касательными напряжениями на границе плюма с окружающим океаном. В некоторых случаях области ближнего поля не существует. Это, например, случай, если ширина устья реки велика по сравнению с радиусом Россби ,, а приток пресной воды выйдет из устья реки в виде шлейфа вдали. Когда приливы большие, шлейф ближнего поля также известен как приливный шлейф. [8]
Средний регион
Область, в которой инерционная струя ближнего поля переходит в поток, в котором преобладают геострофические или ветровые процессы, является областью среднего поля. В балансе количества движения среднего поля преобладают вращение Земли ( Кориолис ), центростремительное ускорение и поперечный градиент внутреннего давления. Начальный импульс истечения из источника теряется, и вращение Земли постепенно становится наиболее важным параметром. В результате поток меняет направление с морского на прибрежный. Когда влияние воздействия ветра невелико, оттоки иногда могут образовывать рециркулирующую выпуклость. [1] [5]
Дальний регион
Еще дальше от области источника находится дальнее поле, где факел потерял всякую память об импульсе истечения. В балансе импульса дальнего поля преобладают вращение Земли ( Кориолис ), плавучесть , сила ветра и напряжение на дне. Дальнее поле может охватывать большие площади, до сотен километров от источника. В отсутствие сильного ветрового воздействия и других сильных течений шлейф может вести себя как поток относительно пресной воды в направлении распространяющейся волны Кельвина . На характер этого прибрежного течения в значительной степени влияет наклон прибрежного шельфа и то, является ли оно донным или адвектированным с поверхности. [1] [5]
Адвекция речного шлейфа
На самом базовом уровне речные шлейфы можно разделить на адвекцию с поверхности или адвекцию по дну. [5] [9] Шлейф считается адвектированным ко дну, если его стратификация в основном горизонтальная в результате сильной адвекции по всей толще воды, особенно около дна. Плюм, адвектированный к поверхности, в основном расслоен по вертикали и не взаимодействует с дном. Различить эти два типа речных шлейфов можно путем оценки набора параметров, установленных Янковским и Чепменом в их статье от 1997 года. [5] Расстояние, на которое пресноводный речной шлейф переносится через шельф в результате процессов. на поверхности определяется как
.
Из этого определения видно, что скорость притока из области источника и ближнепольной струи , То Кориолиса силаи плавучесть являются важными процессами. [5] определяется как глубина водяного столба в устье реки / лимана. Вплоть до точки отрыва шлейф все еще «чувствует» дно, и говорят о адвектированных шлейфах, и необходимо учитывать соответствующие процессы, связанные с динамикой дна. [10]
Адвектированные снизу шлейфы
![](http://wikiimg.tojsiabtv.com/wikipedia/commons/thumb/3/3e/Schematic_structure_bottom_advected_top.png/220px-Schematic_structure_bottom_advected_top.png)
![](http://wikiimg.tojsiabtv.com/wikipedia/commons/thumb/4/4d/Schematic_structure_bottom_advected_side.png/220px-Schematic_structure_bottom_advected_side.png)
Придонно-адвективные шлейфы часто характеризуются большими условиями сброса и, как правило, менее чувствительны к ветровому воздействию и соответствующей адвекции и перемешиванию. [5] Этот тип адвекции вызывается донным транспортом Экмана , который движет поток свежих или солоноватых рек с плотностью. и скорость из устья ширины и глубина во фронтальную зону через полку. Это показано на рисунке справа. Когда фронтальная зона находится достаточно далеко от берега, термодинамика ветра может отвести весь объемный поток от устья. Положение на берегу, обозначающее ширину прибрежного течения, а равновесную глубину при котором шлейф отделяется от дна, можно рассчитать в условиях равновесия с определенным наклоном дна от
,
. [5]
Обратите внимание, что это действительно только тогда, когда . Когданижний слой Экмана не может переносить речной сток за пределы берега, и распространение должен регулироваться другим процессом. В этом случае обнаруживается только адвектированный к поверхности шлейф. [5] [6]
Шлейфы, адвектированные к поверхности
![](http://wikiimg.tojsiabtv.com/wikipedia/commons/thumb/e/ea/Schematic_structure_surface_advected_top.png/220px-Schematic_structure_surface_advected_top.png)
![](http://wikiimg.tojsiabtv.com/wikipedia/commons/thumb/a/a1/Schematic_structure_surface_advected_side.png/220px-Schematic_structure_surface_advected_side.png)
Шлейфы, адвектированные к поверхности, возникают, когда ранее определенное состояние встречается. Адвектированный на поверхности шлейф имеет типичную структуру речного шлейфа, как описано в разделе « Структура речного шлейфа» . В районе устья начальный импульс оттока реки является доминирующим механизмом, после чего начинают действовать другие процессы, такие как воздействие ветра и Кориолиса . В случае плюма с адвекцией поверхности процессы взаимодействия с дном, такие как развитие придонного слоя Экмана , не имеют значения. Следовательно, определяемый параметрПри таком подходе можно игнорировать, поскольку он не имеет физической основы. [5] [6]
Промежуточные шлейфы
В случае, если глубина притока меньше глубины , а расстояние, на которое нижний слой Экмана переносит сток реки, меньше расстояния, на которое поверхностные процессы переносят сток реки, т. е., можно найти промежуточный шлейф. В промежуточном факеле можно найти оба режима. Естественно, что адвектированный от дна участок может быть найден ближе к устью эстуария, а адвектированный с поверхности участок может быть найден дальше от берега. Точка отрыва разделяет регионы. [5] [6]
Подход может быть дополнительно обобщен путем обезразмеривания параметров. Безразмерные параметры имеют то преимущество, что упрощают динамику соответствующих процессов за счет оценки величины различных условий. В случае речных шлейфов это дает дальнейшее направление основной классификации и их различной динамике. Два наиболее важных безразмерных числа - это число Бургера. , который выражает относительную важность плавучести , а число Россби , что выражает относительную важность адвекции. Перегруппировка приводит к следующим безразмерным поперечным расстояниям а также :
.
Те же режимы, что обсуждались выше, справедливы для безразмерных параметров. Нижне адвектированные шлейфы (, ) обычно имеют небольшое количество бургеров, поэтому плавучесть относительно не важна. Шлейфы, адвектированные к поверхности () обычно имеют большое количество бургеров, поэтому плавучесть важна. Кроме того, число Россби указывает, классифицируется ли шлейф как шлейф с адвекцией поверхности или как промежуточный шлейф. Относительно большое число Россби по сравнению с числом Бургера указывает на то, что адвекция важна по сравнению с плавучестью и допускает, по крайней мере, частичную донную адвекцию, поэтому можно ожидать промежуточного шлейфа. [5] [9]
Натуральные примеры
Река Фрейзер
Примером адвектированного шлейфа на поверхности является шлейф реки Фрейзер. Шлейф реки Фрейзер содержит все динамические области, хорошо видимые из космоса. Первоначальная структура, похожая на струю, постепенно переходит в рециркулирующую выпуклость дальше от берега, которая отклоняется вправо, как и следовало ожидать в Северном полушарии из-за Кориолиса . Другие похожие речные шлейфы - это реки Колумбия , Ниагара и Гудзон . [1] [8]
река Амазонка
Шлейф реки Амазонки является примером речного шлейфа, в котором вращение Земли не играет роли. Из-за большого расхода и соответствующего импульса истечения динамика факела в основном характеризуется внутренним числом Фруда. Окружающие течения уносят шлейф ото рта. [1] [10] Подобные шлейфы можно найти вдоль экватора или для очень маленьких систем, например, у реки Тейн . [1] [11]
Река Мерси
![](http://wikiimg.tojsiabtv.com/wikipedia/commons/thumb/6/60/Liverpool_Bay.png/220px-Liverpool_Bay.png)
Динамика плюма реки Мерси в устье Ливерпульского залива очень похожа на плюм, адвектированный ко дну. [12] Это происходит из-за сильного влияния на поток дна и придонного трения, что контролирует распространение вдоль берега и масштаб длины. Этот тип плюма часто встречается в окраинных морях и / или шельфовых морях , например, в Северном море в устье реки Рейн . [1] [13]
Смотрите также
- Плюм (гидродинамика)
- Регион влияния пресной воды
Рекомендации
- ^ a b c d e f g h i j k l Хорнер-Девайн; и другие. (2015). «Смешивание и перенос в прибрежных шлейфах рек» . Ежегодный обзор гидромеханики . Ежегодные обзоры. 47 : 569–594. Bibcode : 2015AnRFM..47..569H . DOI : 10.1146 / annurev-fluid-010313-141408 . Проверено 13 февраля 2021 .
- ^ Канг; и другие. (2013). «Области глобальных шлейфов крупных рек» . Acta Oceanologica Sinica . Springer. 32 : 79–88. DOI : 10.1007 / s13131-013-0269-5 . Проверено 13 февраля 2021 .
- ^ Валле-Левинсон, Арнольдо (2010), Валле-Левинсон, Арнольдо (ред.), «Определение и классификация эстуариев» , Contemporary Issues in Estuarine Physics , Кембридж: Cambridge University Press, стр. 1–11, doi : 10.1017 / cbo9780511676567 0,002 , ISBN 978-0-511-67656-7, получено 2021-05-16
- ^ Нэш, Джонатан Д.; Килчер, Леви Ф .; Моум, Джеймс Н. (14 августа 2009 г.). «Структура и состав сильно стратифицированного речного шлейфа с пульсацией приливов и отливов» . Журнал геофизических исследований . 114 (C2): C00B12. Bibcode : 2009JGRC..114.0B12N . DOI : 10.1029 / 2008jc005036 . ISSN 0148-0227 .
- ^ Б с д е е г ч я J к л м п о р Янковский, Александр Е .; Чепмен, Дэвид С. (июль 1997 г.). <1386: astftf> 2.0.co; 2 «Простая теория судьбы плавучих прибрежных разрядов *» . Журнал физической океанографии . 27 (7): 1386–1401. Bibcode : 1997JPO .... 27.1386Y . DOI : 10,1175 / 1520-0485 (1997) 027 <1386: astftf> 2.0.co; 2 . ISSN 0022-3670 .
- ^ а б в г О'Доннелл, Джеймс, "Динамика устьевых шлейфов и фронтов" , Современные проблемы в устьевых физике , Кембридж: Cambridge University Press, стр 186-246,. DOI : 10,1017 / cbo9780511676567.002 , ISBN 978-0-511-67656-7, получено 2021-05-17
- ^ Джонс, Гилберт Р .; Нэш, Джонатан Д.; Донекер, Роберт Л .; Йирка, Герхард Х. (сентябрь 2007 г.). «Плавучие поверхностные сбросы в водные объекты. I: Методология классификации и прогнозирования стока» . Журнал гидротехники . 133 (9): 1010–1020. DOI : 10,1061 / (ASCE) 0733-9429 (2007) 133: 9 (1010) . ISSN 0733-9429 .
- ^ а б Хорнер-Девайн, Александр Р .; Джей, Дэвид А .; Ортон, Филип М .; Спан, Эмили Ю. (октябрь 2009 г.). «Концептуальная модель плюма реки Колумбия с сильным приливом» . Журнал морских систем . 78 (3): 460–475. Bibcode : 2009JMS .... 78..460H . DOI : 10.1016 / j.jmarsys.2008.11.025 . ISSN 0924-7963 .
- ^ а б Чепмен, Дэвид С .; Ленц, Стивен Дж. (Июль 1994 г.). <1464: toacdf> 2.0.co; 2 «Захват прибрежного фронта плотности нижним пограничным слоем» . Журнал физической океанографии . 24 (7): 1464–1479. Bibcode : 1994JPO .... 24.1464C . DOI : 10.1175 / 1520-0485 (1994) 024 <1464: toacdf> 2.0.co; 2 . ISSN 0022-3670 .
- ^ а б Ленц, Стивен Дж .; Limeburner, Ричард (1995). «Шлейф реки Амазонки во время AMASSEDS: пространственные характеристики и изменчивость солености» . Журнал геофизических исследований . 100 (C2): 2355. Bibcode : 1995JGR ... 100.2355L . DOI : 10.1029 / 94jc01411 . ISSN 0148-0227 .
- ^ Причард, Марк; Хантли, Дэвид А. (2006). «Упрощенный бюджет энергии и смешивания для выброса небольшого речного шлейфа» . Журнал геофизических исследований . 111 (C3): C03019. Bibcode : 2006JGRC..111.3019P . DOI : 10.1029 / 2005jc002984 . ISSN 0148-0227 .
- ^ Верспехт, Флоренция; Риппет, Том П .; Симпсон, Джон Х .; Соуза, Алехандро Дж .; Бурхард, Ганс; Ховарт, М. Джон (2009). «Остаточная циркуляция и стратификация в районе пресноводного влияния Ливерпульского залива». Ocean Dynamics . 59 (5): 765–779. Bibcode : 2009OcDyn..59..765V . DOI : 10.1007 / S10236-009-0233-2 .
- ^ Симпсон Дж. Х., Бос В. Г., Ширмер Ф., Соуза А. Дж., Риппет Т. П., Джонс С. Е., Хайдс Д. (1993). «Периодическая стратификация в РОФИ на Рейне в Северном море» (PDF) . Oceanologica Acta . 16 (1): 23–32.CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
Внешние ссылки
- Стивен Лоренц. «Речные плюмовые процессы и динамика» . Школа морских наук и технологий Массачусетского университета, Дартмут . Проверено 13 февраля 2021 .