内潮耗散与自吸-负荷潮对南海潮波影响的数值研究

利用非结构三角形网格的FVCOM海洋数值模式,在其传统二维潮波方程中加入参数化的内潮耗散项和自吸-负荷潮项,计算了南海及其周边海域的M_2、S_2、K_1和O_1分潮的分布。与实测值的比较表明,引入这两项对模拟准确度的提高有明显效果。根据模式结果本文计算分析了研究海域的潮能输入和耗散。能量输入计算表明,能通量是潮能输入的最主要构成部分,通过吕宋海峡断面进入南海的M_2和K_1分潮能通量分别为38和29GW;半日周期的自吸-负荷潮能量输入以负值居多,而全日周期的自吸-负荷潮能量输入以正值居多,因而自吸-负荷潮减弱了南海的半日潮,并加强了南海的全日潮。引潮力的作用也减弱了半日潮而加强了全日潮,但其作用要小于自吸-负荷潮。潮能耗散的分析显示底摩擦耗散在沿岸浅水区域起主导作用,内潮耗散则主要发生在深水区域。内潮耗散的最大值出现在吕宋海峡,且位于南海之外的海峡东部的耗散量大于位于南海之内的海峡西部的耗散量。对M_2和K_1分潮吕宋海峡的内潮耗散总值分别达到16和23GW。     

基于数值模式的南海北部深层内潮季节变化特征分析

本文基于MITgcm非静力数值模式，采用实际地形、层结和潮流强迫，开展南海北部内潮数值模拟敏感性试验，分析夏冬两个季节南海北部深层内潮的差异。结果显示在南海北部深层，冬季K₁和M₂内潮流速振幅比夏季强10.1%和44.7%。垂向模态分析结果进一步表明，尽管南海北部深层冬季第一模态内潮动能密度比夏季低15.5%，但第二和第三模态内潮则是冬季比夏季高约25.1%和33.2%，导致冬季深层流速的垂向剪切大于夏季，表明冬季较强的高模态内潮可能是冬季南海深层强混合的一个原因。     

全球垂向位移负荷潮模式在渤海、黄海、东海及周边区域的准确度评估

本研究利用渤海、黄海、东海及周边区域21个GPS站的调和常数资料,对5个全球垂向位移负荷潮模式（FES2014、EOT11a、GOT4.10c、GOT4.8和NAO.99b）在渤海、黄海、东海及周边区域的准确度进行了评估。结果表明,在渤海、黄海、东海及周边区域,对于M₂分潮,FES2014和EOT11a模式结果准确度相对较高;对于S₂分潮,NAO.99b和EOT11a模式结果准确度相对较高;对于K₁分潮,EOT11a和FES2014模式结果准确度相对较高;对于O₁分潮,EOT11a和GOT4.8模式结果准确度相对较高;对于N₂分潮,EOT11a和FES2014模式结果准确度相对较高;对于K₂分潮,NAO.99b和FES2014模式结果准确度相对较高;对于P₁分潮,EOT11a和GOT4.8模式结果准确度相对较高;对于Q₁分潮,FES2014和EOT11a模式结果准确度相对较高。除此之外,本文还简单分析了渤海、黄海、东海及周边区域8个主要分潮的垂向位移负荷潮分布特征。     

渤海湾M2分潮的季节变化:增强调和分析的应用

M₂分潮的季节变化对沿海的海洋环境有着重要影响。增强调和分析(EHA)既可以提取主要分潮时变的振幅和迟角,同时可以得到其他分潮不随时间变化的振幅和迟角。本文利用EHA分析渤海湾两个站点的水位数据,研究了渤海湾M₂分潮的季节变化。为了评估EHA方法的准确性,在理想实验中设计了人造“水位数据”。利用EHA分析得到的M₂分潮时变振幅和迟角以及S₂、K₁、O₁分潮不随时间变化的振幅和迟角均比其他方法得到的结果更接近给定值,表明了EHA的有效性和可用性。当使用EHA分析渤海湾实际海平面观测数据时,得到的M₂分潮振幅具有明显的季节变化特征:夏季较大,冬季较小。敏感性实验表明,分析所得渤海湾M₂分潮振幅的季节变化趋势不受实验设置的影响,是鲁棒的,能够反映该海域真实的M₂分潮季节变化。此外,渤海湾M₂分潮振幅的季节变化可能是东亚季风通过影响平均海平面、层化和涡动黏性系数的季节变化而引起的。     

南海潮汐主要分潮振幅变化趋势研究

潮汐变化研究对于海洋工程、沿海地区洪涝灾害预防、海上交通等各个方面都有着重要的意义。由于验潮站都集中在近海,所以之前潮汐变化研究主要集中在近海海域。相比之下,深海地区由于长期高频水位观测的缺乏导致相关的潮汐变化研究非常少。基于近海验潮站数据和深海卫星高度计数据,本文首次用非平稳潮汐调和分析工具包S_TIDE提取了南海4大主要分潮(M₂、S₂、K₁、O₁)振幅的长期趋势。研究发现在南海大部分地区,4大主要分潮的振幅都是比较稳定的,不存在显著的上升趋势或下降趋势。在南海少部分地区4大主要分潮的振幅存在显著的趋势,最大的上升趋势可达2.91 mm/a,最大的下降趋势可达3.50 mm/a。该海域潮汐的长期趋势可能与内潮海表面信号的变化有关。卫星观测到的潮汐既包含正压潮,也包含内潮海表面信号。南海作为全球内潮活动最活跃的海域之一,其内潮海表面信号是非常显著的。而内潮对海洋层化的变化是非常敏感的,海洋层化的变化会影响内潮的生成、传播和耗散以及内潮在海表的显示,最终引起该海域潮汐振幅的长期趋势。     

台湾海峡潮汐和潮流的一个数值模型

本文根据二维非线性流体动力学方程,用有限差分方法同时计算了台湾海峡的半日和全日潮波,所得结果与观测值基本符合,半日潮相当大,M₂潮汐振幅在海峡西北角最大,超过2米,M₂最强潮流出现在台湾浅滩及澎湖列岛附近,可超过1米/秒,全日潮弱且变化较小,K₁和O₁平均潮汐振幅在0.2至0.3米间,平均潮流振幅大多在0.05至0.1米/秒,文章对四分日潮及潮汐余水位的分布也作了简述,在海峡西南端的靖海角附近四分日潮有一定相对重要性。     

半日潮流作用下悬移质泥沙的运动特征及其影响因素研究

本文通过建立一维水深平均悬沙模型，对典型潮流控制的水道内悬沙运动特征进行研究。模型以泥沙再悬浮、沉降和平流为主要物理过程，动力因素包含M₂、S₂分潮及余流，采用湄洲湾2007年8月潮位、潮流、悬沙、底质同步观测资料进行分析和验证。通过三角傅里叶分析，将悬沙的时间序列分解为12个主要的谐波分量，其中主要分量包括:M₂分潮作用下产生的具有M₂倍潮角速度的1/4日分潮项，M₂与S₂分潮共同作用下且角速度为两分潮角速度之和的1/4日分潮项，及水平悬沙梯度、余流与M₂分潮共同作用下具有M₂分潮角速度的半日潮项。悬沙在时间上的平均值受到余流、悬沙水平梯度、M₂分潮流及悬沙起动条件等因素控制。余流导致了悬沙序列中相邻周期之间的不对称性。反映泥沙特性的参量对悬沙的曲线特征具有重要影响，泥沙沉降速度影响悬沙的相位，并影响其振幅；再悬浮有关的参量仅影响各谐波分量的振幅，但不影响相位。     

象山港潮波响应和变形研究──Ⅰ.观测和分析

利用实测资料分析了象山港海湾对潮波的响应和湾内潮波变形.结果说明象山港对外海传入的半日潮波的振幅有明显的放大作用.M₄和MS₄两个浅水分潮在湾内快速增长造成了潮波变形和潮不对称性.潮波非线性的沿程变化和不同区域的潮能耗散说明湖滩与潮波变形关系不大,而湖波非线性在牛鼻水道中的增强对湾内潮波变形是重要的,1/4日分潮在湾内的共振作用也对M₄和MS₄两个浅水分潮起了放大作用.     

南海潮汐潮流的数值模拟

本文用二维球坐标数值模式计算了南海m₁[=(K₁+O₁)/2]和M₂分潮的分布.计算范围从2°N到25°N,99°E到121°30'E,坐标的经向纬向、格距均为1°/4.计算结果与92个实测站进行比较符合良好,m₁分潮振幅的平均误差为4cm,迟角为7°.M₂分潮振幅的平均误差为9cm,迟角为12°.根据计算结果给出南海m₁和M₂分潮的潮汐、潮流、潮余流和潮能通量分布图.     

垂直分辨率对长江口海域M2分潮模拟的影响

基于EFDC(Environmental Fluid Dynamics Code)模式建立了长江口及其邻近海域的三维水动力学模型, 研究模型的垂直分辨率对该海域M₂分潮模拟的影响。结果表明:垂直分辨率的变化对M₂分潮传播方向的模拟结果影响较小, 但其可通过底摩擦和湍流耗散两个计算过程来影响潮能通量的模拟结果, 最终对长江口和杭州湾内的M₂分潮振幅产生显著的影响。最底层厚度较大时, 上层自由水体的高流速特征在最底层过于明显, 进而导致计算的底摩擦应力偏高, 此时提高底层的垂直分辨率会降低底摩擦对能量的耗散。另一方面, 垂直湍流混合作用会随垂直分辨率的增加而增强, 所以垂直分辨率增加到一定程度后, 上层自由水体的高流速会经由增强的湍流混合而更多的传入底层, 使计算的底摩擦应力随垂直分辨率的提高而有重新增加的趋势, 进而又增强底摩擦对潮能的耗散。     

基于FVCOM的南海北部海域潮汐潮流数值模拟

基于非结构三角形网格的FVCOM(finite-volume coastal ocean model )数值模型, 对南海北部海域的潮汐、潮流进行了精细化数值模拟研究, 并根据模拟结果详细分析了M2, S2, K1, O1 分潮的潮汐和潮流特征。研究结果表明: 神泉港到甲子港海域表现为正规全日潮性质, 珠江口附近海区潮汐以不正规半日潮为主, 其他海域主要表现为不规则全日潮; 陆架海域和深水海域主要表现为往复流, 陆架坡折区存在较强的旋转流, 陆架坡折区为不规则半日潮流和不规则全日潮流的分界线; 东沙群岛附近海域以不规则全日潮流为主, 旋转方向为顺时针; 整个海域的最大流速分布与等深线基本平行, 东沙群岛附近速度明显变大, 最大值出现在台湾浅滩附近, 最大值超过70 cm/s; 南海潮波系统以巴士海峡传入的大洋潮波为主, 分为三支潮流, 以不同的形式进出南海北部海域; 余流在台湾浅滩附近达到最大, 超过6 cm/s, 自南向北进入台湾海峡, 近岸余流自东向西沿岸流动。本研究在东沙群岛周边的模拟结果与前人基于实测资料的分析吻合较好, 并且由于采用了高精度的三角网格, 本文对东沙群岛周边海域的潮汐潮流结构和性质的刻画和分析是迄今为止较为精细的, 同时本研究还提高了对沿岸验潮站调和常数的模拟精度。     

渤海、黄海、东海M2潮汐潮流的三维数值模拟

利用建立的一种新的半隐半显三维数值格式,将渤海、黄海、东海作为一个整体,采用球面坐标系下的三维潮波方程组,考虑了引潮力的作用,数值模拟了渤海、黄海、东海的M₂分潮的潮汐与潮流,结果较好地体现了渤海、黄海、东海M₂分潮的特征.通过比较65个验潮站的实测值与计算值,所得计算结果的振幅差平均为6.4cm,相角差为6.1°,计算与实测符合良好.本文给出的问潮图与Fang于1986年给出的实测占数值综合结果基本一致.对选取的47个测流站,比较了各层潮流调和常数Ucosζ、Usinζ、Vcosη、Vsinη的计算值与实测值的偏差,偏差绝对值的平均在2.6～4.9cm/s之间.并比较分析了潮流的垂直结构,所得结果与实测符合较好.首次揭示出回流点的水平位置不随深度变化这一特性.最后给出了M₂分潮的潮能消耗.     

印度尼西亚海内潮生成及传播过程研究*

文章采用三维海洋模式MITgcm, 对印度尼西亚海(简称印尼海)内潮的生成和传播过程进行了研究。研究结果表明: 1)苏拉威西海和西北太平洋地区的内潮呈现明显的全日潮信号; 望加锡海峡、翁拜海峡、东北印度洋、帝汶海等站位的内潮呈现明显的半日潮信号; 2)印尼海区内潮的标准化振幅在苏拉威西海、望加锡海峡、翁拜海峡、马鲁古海、班达海、东北印度洋和西北太平洋地区均在温跃层附近达到最大, 约为20~40m; 在帝汶海地区在水深200m附近达到最大, 约为25~30m; 3)桑岭、斯兰海、翁拜海峡和帝汶海是主要的内潮生成区域, 内潮能通量达40kW·m^-1; 4)苏禄海的内潮能量主要来自于局地正压潮的转化, 苏拉威西海和班达海的内潮能量则主要来自外部的传入。     

Accuracy assessment of global ocean tide models in the South China Sea using satellite altimeter and tide gauge data

In this study, to meet the need for accurate tidal prediction, the accuracy of global ocean tide models was assessed in the South China Sea (0°–26°N, 99°–121°E). Seven tide models, namely, DTU10, EOT11a, FES2014, GOT4.8, HAMTIDE12, OSU12 and TPXO8, were considered. The accuracy of eight major tidal constituents (i.e., Q₁, O₁, P₁, K₁, N₂, M₂, S₂ and K₂) were assessed for the shallow water and coastal areas based on the tidal constants derived from multi-mission satellite altimetry (TOPEX and Jason series) and tide gauge observations. The root mean square values of each constituent between satellite-derived tidal constants and tide models were found in the range of 0.72–1.90 cm in the deep ocean (depth>200 m) and 1.18–5.63 cm in shallow water area (depth<200 m). Large inter-model discrepancies were noted in the Strait of Malacca and the Taiwan Strait, which could be attributable to the complicated hydrodynamic systems and the paucity of high-quality satellite altimetry data. In coastal regions, an accuracy performance was investigated using tidal results from 37 tide gauge stations. The root sum square values were in the range of 9.35–19.11 cm, with the FES2014 model exhibiting slightly superior performance.     

莫桑比克海峡及其邻近海区正压潮流数值模拟与能量收支分析*

莫桑比克海峡及其邻近海区是全球海洋潮流和潮能耗散最强的海区之一。文章利用高分辨率通用环流模式对该海区的正压潮流进行模拟, 并对该海区潮能通量和潮能耗散特征进行分析。结果表明, 莫桑比克海峡及其邻近海区的潮波主要是半日分潮占主导地位, 全日分潮可忽略不计, M₂分潮形成1个左旋潮波系统和1个右旋潮波系统, S₂分潮形成1个左旋潮波系统。莫桑比克海峡和马达加斯加岛南部等绝大数区域的M₂和S₂半日潮流是逆时针旋转, 在马达加斯加岛顶部等局部区域是顺时针旋转, 而且在海峡通道等复杂地形处潮流流速量级较大。潮能通量矢量主要来自东边界, 大部分潮能通量沿马达加斯岛北部传入莫桑比克海峡区域, 其中经过马达加斯加岛北部和进入莫桑比克海峡的M₂ (S₂)分潮的潮能通量分别为156.86GW (40.53GW)和148.07GW (36.05GW), S₂分潮潮能通量的量级大约为M₂分潮的1/5~1/4。底摩擦耗散主要发生莫桑比克海峡和马达加斯加岛南北部, 其中莫桑比克海峡M₂ (S₂)分潮的底摩擦耗散为1.762GW (0.460GW), 占其底部总耗散的43.74% (39.72%)。     

The variability of internal tides in the Northern South China Sea

An array of three bottom-mounted ADCP moorings was deployed on the prevailing propagation path of strong internal tides for nearly 1 year across the continental slope in the northern South China Sea. These velocity measurements are used to study the intra-annual variability of diurnal and semidiurnal internal tidal energy in the region. A numerical model, the Luzon Strait Ocean Nowcast/Forecast System developed at the U.S. Naval Research Laboratory that covers the northern South China Sea and the Kuroshio, is used to interpret the observed variation of internal tidal energy on the Dongsha slope. Internal tides are generated primarily at the two submarine ridges in the Luzon Strait. At the western ridge generation site, the westward energy flux of the diurnal internal tide is sensitive to the stratification and isopycnal slope associated with the Kuroshio. The horizontal shear at the Kuroshio front does not modify the propagation path of either diurnal or semidiurnal tides because the relative vorticity of the Kuroshio in Luzon Strait is not strong enough to increase the effective inertial frequency to the intrinsic frequency of the internal tides. The variation of internal tidal energy on the continental slope and Dongsha plateau can be attributed to the variation in tidal beam propagation in the northern South China Sea.     

Co-oscillating and independent tides of the Japan Sea

The generation of tides in the Japan Sea is investigated with relation to the tidal volume fluxes at the attached straits, which are estimated with the observed tidal current data. After the tides are separated into the co-oscillating tides induced by the tidal volume fluxes and the independent tide by the tide-generating force, their contributions to the Japan Sea tides are clarified using a one-dimensional tidal model.For the semidiurnal tide, the co-oscillating tide by the Tusima Strait is dominated in all of the area except the gulf of Tartary, and those by the Tugaru and Soya Straits are not effective anywhere. In the gulf of Tartary, the amplitude of the independent tide is the same as that of the co-oscillating tide attributed to the Tusima Strait.For the diurnal tide, the independent tide is not effective anywhere. The co-oscillating tide by the Tusima Strait is largest and those by the Tugaru and Soya Straits are also influential. In particular, the shifting of the diurnal amphidromic point to the Korean side is caused by the latter.