北印度洋半日潮波的数值模拟研究

基于FVCOM(Finite Volume Coast and Ocean Model)模型,建立北印度洋海域(31^°~102^°E,16^°S~31^°N)的M₂和S₂分潮潮波数值模式,研究北印度洋半日潮潮汐、潮流分布特征。对底摩擦系数进行数值试验,利用代价函数梯度下降法,得到分潮调和常数向量均方根偏差(RMSE)的变化曲线,逼近并确定最优的底摩擦系数。将采用该系数的模拟结果与TOPEX/Poseidon卫星高度计交叉点的调和常数数据、国际海道测量组织(IHO)及部分文献中的验潮站数据进行比较与验证,一致性较好。其中对比卫星数据的振幅偏差为2~4 cm、迟角偏差为7^°~8^°,与验潮站数据的振幅偏差为3~6 cm、迟角偏差为8^°~9^°。根据模拟结果,分析了北印度洋海域M₂和S₂分潮潮波传播特征和潮流椭圆的空间分布特征等。M₂分潮潮波在阿拉伯海南部有1个无潮点,在波斯湾内有2个无潮点,最大振幅超过80 cm;潮流在西北印度洋和孟加拉湾中部大多为顺时针旋转,其余海域大多为逆时针旋转;流速在阿拉伯海东北部、安达曼海、波斯湾和孟加拉湾北部较大,最大流速为160 cm/s,其他海域较小。S₂分潮的潮波传播特征、无潮点的位置和潮流椭圆的空间分布特征等都与M₂分潮类似,但潮波振幅和潮流流速等都相对M₂分潮较小。研究完善了北印度洋海域2个主要半日分潮M₂和S₂的整体特征。     

基于近30 a多源卫星高度计数据的东中国海潮汐信息提取

我国HY-2B卫星已成功运行3 a多,本文首次将HY-2B测高数据用于计算潮汐。将HY-2B与相同时间段的Jason-3在东中国海分别进行潮汐信息提取,验证了其结果的一致性。建立了基于10颗国内外卫星高度计(TOPEX/Poseidon、Jason-1、Jason-2、Jason-3、ENVISAT、ERS-1、ERS-2、Sentinel-3A、Sentinel-3B、HY-2B)数据的时间序列,得到东中国海近30 a时间序列的较高空间分辨率网格化海面高度。利用该数据提取了东中国海12个分潮(O₁、K₁、Q₁、P₁、M₂、S₂、N₂、K₂、S_A、S_Sa、M_m、M_f)的潮汐调和常数,并将4个主要分潮M₂、S₂、K₁、O₁的调和常数与验潮站进行对比,均方根误差分别为6.74 cm、3.98 cm、2.37 cm、1.81 cm,总体均方根误差为8.32 cm;同时,采用除HY-2B之外的剩余9颗国外卫星高度计数据和TPXO9潮汐模型结果分别与验潮站对比,结果显示,加入HY-2B后的10颗卫星高度计反演潮汐结果准确度最高,与不使用HY-2B卫星数据相比,全日潮有较大改善,K₁和O₁向量均方根误差分别降低19.93%和17.35%,4个主要分潮总体均方根误差降低3.5%。此外,通过与FVCOM模式结果对比分析,4个主要分潮的调和常数与模式结果的总体均方根误差为8.86 cm。另一方面,空间分辨率也有所提高,达到了0.1°×0.1°。最后,给出了4个主要分潮同潮图。在潮差较大的朝鲜半岛西侧,加入HY-2B后的同潮图可显示出2.1 m的M₂等振幅线与0.75 m的S₂等振幅线,与该海域实际观测结果一致,说明HY-2B在近海潮汐信息提取中有相当重要的作用。     

一个东海潮汐数值模式及检验

为验证一个东海潮汐数值模式结果的精度并了解我国东海区域的潮汐特征。该文使用T_TIDE对东海大桥南和洋山站的潮汐资料进行调和分析, 并针对所研究区域最主要的8个分潮: M₂、S₂、K₁、O₁、N₂、K₂、P₁、Q₁分别对比两站实测数据与模式结果的调和分析结果。结果表明: 两站点的模式结果和观测海表高度的均方误差D与潮汐产生的海表高度变化V的比值为25.99%和25.29%, 模式结果计算所绘制的M₂和K₁分潮的同潮图与前人研究结果在无潮点的位置、同潮时线、等振幅线的分布和趋势上相似。这说明了使用时间长度相同但年份不同的实测数据验证潮汐数值模式结果的可行性, 并能够帮助了解我国东海区域的潮汐特征。     

台湾海峡M2分潮潮汐潮流特征分布及机制研

台湾海峡同时拥有居我国第二位的大潮区和除无潮点外的小潮区，M₂分潮作为主要分量，其潮汐结构的形成机制尚存争议。本研究基于MIKE 21水动力模型，建立了台湾海峡及其周边海域潮汐潮流的数值模型，数值模拟结果与20个验潮站以及4个ADCP（Acoustic Doppler Current Profiler）观测站数据吻合程度良好。根据数值模拟结果分别给出M₂分潮在台湾海峡的同潮图、潮流椭圆和潮能通量分布，同时分别针对地形和南边界条件进行敏感性实验。研究结果表明M₂分潮受东海传入的潮波控制，潮波受台湾岛以南陡峭地形影响发生反射，由于反射波的迟角与吕宋海峡传入潮波的相近，二者叠加后向北传入台湾海峡，在与南下潮波迟角相同处，出现最大振幅，即在台湾海峡西岸形成强潮区。研究还表明，吕宋海峡传入潮波在台湾岛南缘迟角与南下潮波的相反是出现波节带结构的主要原因，其对台湾海峡西岸振幅增益也起到促进作用。     

青岛港潮汐的调和分析与预报

用 T_TIDE 潮汐分析工具对青岛港口2019 年1—12 月逐时潮高资料进行不同时段的调和分析,计算其调和常数,并总结该港口潮汐特征。从 2019 年全年的调和分析结果中选择不同分潮建立调和预报模型,对2019 年1 月的潮高进行预测,通过相对误差、判定系数结果分析,确定最优调和预报模型。结果表明:青岛港口为正规半日潮港,以太阴主要半日分潮 M2分潮为主,其次为太阳主要半日分潮 S₂ 、太阴主要椭率半日分潮 N₂ 、太阴-太阳赤纬全日分潮 K₁和太阴赤纬全日分潮 O₁等分潮;对比不同时间长度的分潮振幅及平均海平面,可知其与用于调和分析的潮位资料长度几乎无关。分潮由5 个增加至24 个可明显改进预报效果,再增加几乎没有改进,故选用24 个分潮为最优的调和预报模型。为验证模型具有良好的实用性,对五号码头的实测潮汐数据进行分析预报,进而可知建立的模型能够较好地预报青岛港附近海域的潮汐变化。     

渤海岸线及水深变化对水动力影响的数值模拟

为探究渤海岸线及水深变化对水动力的影响,基于Delft3D水动力学模型,选用2003年和2015年作为围 填海前后的典型年份,建立了围填海前后岸线及水深条件下的渤海三维水动力模型,并对水动力场进行了模拟。通过对围填海前后潮波和潮余流的分析,得到了岸线及水深变化对渤海水动力场的影响。结果表明:填海后,岸线及水深变化会对渤海主导分潮M₂分潮产生较大影响,秦皇岛附近无潮点向西北方向偏移,渤海海域M₂ 分潮振幅总体减小;潮致余流场受岸线及水深变化影响较大,其中渤海湾曹妃甸港南部形成复杂的涡流,沿岸海域余流增大;滨海新区附近形成多个小范围环流,且天津港到黄骅港北部沿岸海域2015年余流比2003年增加3~5 cm/s;黄骅港南部形成一个逆时针环流,并且该处余流减小2~5 cm/s。辽东湾辽河口附近由于水深增加导致余流减小2~7 cm/s。莱州湾黄河口附近的逆时针环流向东南方向移动,黄河口北部余流略有减小,东南部余流明显增大,增加量最多能达到9 cm/s。刁龙嘴南侧顺时针环流减小,北侧顺时针环流增大4~9 cm/s。     

印度尼西亚海域潮波的数值研究

基于ROMS模式构建了模拟区域为(15.52°S-7.13°N,110.39°~134.15°E)水平分辨率为2′的潮波数值模式,分别模拟了印尼海域M2、S2、K1、O1四个主要分潮。模拟结果与29个卫星高度计交叠点上的调和常数进行比较,符合较好。M2分潮的振幅均方根差为3.4cm,迟角均方根差为5.9°;S2分潮的振幅均方根差为1.7cm,迟角均方根差为6.3°;K1分潮振幅均方根差为1.1cm,迟角均方根差为5.8°;O1分潮振幅均方根差为1.2cm,迟角均方根差为4.4°。M2、S2、K1、O1分潮向量均方根差分别为3.8cm、2.4cm、1.9cm和1.3cm,模拟结果的相对偏差在10%左右。根据计算结果分析了印尼海域的潮汐特征及潮能传播规律,结果显示:爪哇海以外的印尼海域主要为不规则半日潮区;全日潮潮能主要由太平洋传入印尼海域,而半日潮潮能则是从印度洋传入印尼海域。     

渤、黄、东海8个主要分潮的数值模拟研究

应用MIKE数值模拟软件,采用无结构三角形网格,建立一套计算区域包括整个渤海、黄海、东海以及东海大陆架和琉球群岛的高分辨率数值模型,考虑了实际水深和岸线,外海开边界采用西北太平洋大模型结果的潮位提供,模拟了东中国海潮波的波动过程,对潮波垂直运动过程进行调和分析,得到了渤海、黄海、东海的M2,S2,K1,O1以及N2,K2,P1,Q1八个主要分潮的传播和分布特征。利用中国沿海14个潮位站的调和常数对模型结果进行了验证,验证结果显示模型较为准确可靠。研究结果表明:4个主要半日潮(全日潮)在渤、黄、东海的传播情形基本相似,即潮波在渤海、黄海、东海沿岸的传播性质上类似沿岸开尔文波的传播形态,并且成功再现了计算海域的4个半日分潮无潮点和2个全日分潮无潮点。全日潮振幅各无潮点附近振幅最小,而海湾的波腹区振幅最大,东海潮差呈现近岸方向振幅大、离岸方向振幅小,浙闽沿海振幅也较大,黄海振幅相对较小,渤海振幅在辽东湾和渤海湾顶最大,两个无潮点周边振幅较小。     

东南沿海台风风暴潮增水过程中非线性机制和地形的作用研究:以1509号台风"灿鸿"为例

本文基于FVCOM（Finite Volume Community Ocean Model）构建了一个覆盖中国渤海、黄海和东海的数值模型，采用NCEP-CFSR风场数据对1509号台风“灿鸿”产生的风暴潮进行模拟，与实测水位数据的对比表明该模型可靠、模拟结果合理。基于此模型，本文对非线性作用和地形在风暴潮增水过程中的作用进行了研究。首先，重点分析了增水过程中潮汐与风暴潮的非线性作用，结果表明：高潮时非线性作用使增水值降低；低潮时非线性作用使增水值升高。另外，开边界处分别只添加M₂、S₂和K₁分潮，分析天文潮的潮高和周期对非线性作用的影响，结果表明：潮高越高，非线性作用越明显；半日潮的非线性作用较全日潮更明显；并且，增水极值附近出现的半日周期的波动也与非线性作用有关。其次，除了非线性作用，地形对风暴潮的增水也有一定影响，本文改变地形的实验结果表明：坡度越大，增水极值越小。琉球群岛的存在使得东南沿海出现风暴潮增水的面积减小，但使得风暴潮增水的高值区域扩大。     

热带大西洋对全球变暖的响应

与太平洋和印度洋不同，全球变暖下热带大西洋变化的研究较少。本文使用地球系统模型CESM（Community Earth System Model），发现全球变暖后热带大西洋在秋季的升温类似大西洋尼诺（Atlantic Niño）的正位相，即大西洋西部增暖幅度小于东部；在夏季类似大西洋尼诺的负位相，即大西洋西部增暖幅度大于东部。利用覆盖（overriding）技术，分离了风应力、风速和CO₂的直接热效应对海洋升温的作用，探讨了大西洋尼诺本身和全球变暖作用下类似大西洋尼诺正位相（下文简称“类大西洋尼诺升温”）的形成机制。结果表明，这两种情况下的形成机制基本相同，风应力的变化是导致大西洋东部暖异常的主要机制。但两者之间也存在区别：1）全球变暖下海表温度的季节变化振幅减小，而大西洋尼诺时变化不大；2）全球变暖下西风异常主要集中在大西洋东部，而大西洋尼诺时主要集中在大西洋中部；3）除风应力外，CO₂的热效应对类尼诺升温的变化也有一定影响。     

基于T/P和Jason-1/2卫星高度计海面高度数据获取南海同潮图的研究

随着卫星高度计资料的不断丰富,通过对卫星高度计所得潮汐调和常数进行插值或拟合得到潮汐同潮图成为可能。本文拟对T/P(TOPEX/POSEIDON)、Jason-1和Jason-2卫星高度计数据进行分析,得到南海区域星下观测点处四个主要分潮(M2、S2、K1和O1分潮)的调和常数,进而利用双调和样条插值方法对其进行插值,获取南海同潮图。首先,以1992～2016年T/P和Jason卫星高度计所得海面高度数据为基础,利用调和分析方法计算了南海星下观测点处M2、S2、K1和O1四个主要分潮的调和常数,并与40个验潮站数据进行了对比,最大矢量均差为4.99cm,说明分析所得调和常数与利用验潮站资料提取的调和常数的误差较小。进而采用双调和样条插值方法对星下点调和常数进行插值,得到了南海四个主要分潮的同潮图,所得结果与全球潮汐模型TPXO7.2模式结果的矢量均差分别为4.69、2.46、3.13和2.42 cm,与141个验潮站处观测结果的矢量均差分别为22.59、10.26、10.24和8.51 cm。此外,插值所得四个主要分潮的无潮点位置与前人研究结果相近。上述实验结果表明:利用双调和样条插值方法对卫星高度计所得调和常数进行插值能够获取较为准确的同潮图。     

渤海主要分潮的模拟及地形演变对潮波影响的数值研究

基于FVCOM数值模式,利用1972年和2002年水深岸线数据,分别对渤海主要潮波系统进行模拟,研究了水深岸线变化对渤海主要分潮的影响。结果表明渤海地形演变会引起各分潮无潮点位置移动和振幅的改变,其中M2、S2分潮黄河口附近无潮点位置向东北方向迁移20km以上,且渤海湾湾顶振幅减弱,莱州湾内振幅增强;K1、O1分潮位于渤海海峡附近的无潮点亦向东北方向偏移,移动距离为10km左右,且渤海湾湾顶振幅明显减弱。在此基础上,本文通过敏感性数值实验,对导致黄河口外M2分潮无潮点位置移动的主要因素进行了初步分析。结果显示,在岸线不变的情况下,水深变化导致无潮点向东北方向迁移;而岸线变化导致无潮点向东南方向迁移。     

Variations of the age of tides in the global oceans

Abstract

Earlier studies on the age of tide dealt mostly with the age of the semi‐diurnal tide in the Atlantic and Pacific Oceans. In these studies, the variations of the age of tide were determined making use of recorded tidal data up to and including the 1960s. In the present study, all available tidal data till the mid 1980s are utilized and the computations were done for the four global oceans: Atlantic, Pacific, Indian, and Arctic. Also, in addition to the age of the semi‐diurnal tide, the age of the parallax and the age of the diurnal tide were determined. The distribution patterns for the positive and negative ages for the semi‐diurnal tide, parallax, and diurnal tide were related whenever possible with the tidal amphidromic point locations and the amplitude ratios S₂/M₂, N₂/M₂, and O₁/K₁.     

西北太平洋的一种潮汐数值同化模型

利用FVCOM海洋数值模式,在球坐标系统下考虑非线性效应和天体引潮力的影响,基于非结构的三角形网格建立了包括中国近海、日本海、鄂霍次科海和部分西北太平洋海域的高分辨率海洋潮汐数值模型,并采用趋近法同化84个沿岸验潮站的观测资料。模拟结果与175个验潮站的实测结果拟合良好,M₂,S₂,K₁,O₁四个主要分潮振幅和迟角的绝对平均误差分别为4.0 cm和5.6°,2.4 cm和7.5°,2.6 cm和6.3°,1.5 cm和5.0°。依据调和分析结果给出了4个主要分潮的同潮图分布,得到8个半日分潮和5个全日分潮的无潮点,证实了宗谷海峡全日潮无潮点的存在,首次模拟得到津轻海峡的全日潮无潮点;还给出了整个计算海域内最大可能潮差和潮汐余水位的分布特征。     

北部湾潮波数值研究

利用普林斯顿海洋模式(POM08)建立了北部湾及其临近海区潮汐潮流数值模式,模拟了K1,O1,M2和S2这4个主要分潮,分析了模拟的潮汐和潮流分布特征,从潮波能量的角度讨论了琼州海峡对北部湾潮波系统的影响,并给出北部湾潮能的耗散情况。研究表明,北部湾是典型的全日潮海区,K1和O1分潮在南部湾口形成半个旋转潮波系统,无潮点位于越南顺安附近岸边。琼州海峡中的欧拉潮汐余流为西向流,潮余流造成的水通量约为0.034×106m3/s;余流出海峡西口后,先折向北,然后转向南流出湾外。研究海区中两个强潮流区分别位于琼州海峡和海南岛的西侧,同时这也是两个潮能的高耗散区。北部湾的潮能自南部湾口由外海传入,通过西口涌入琼州海峡,到达海峡东口时日潮波的能量已基本耗散殆尽,在海峡内耗散的4个分潮的潮能约为3.33 GW,相当于北部湾潮能耗散量的35%左右。数值试验表明,琼州海峡作为潮能耗散的重要海区,其存在对于北部湾潮波系统的形成具有较大影响。计算了底边界潮能耗散,结果表明在北部湾和琼州海峡,底边界耗散的潮能分别占该海区总耗散的83%和80%。     

Three-dimensional modeling of tidal circulation and mixing over the Java Sea

A combination of a three-dimensional hydrodynamic model and in-situ measurements provides the structures of barotropic tides, tidal circulation and their relationship with turbulent mixing in the Java Sea, which allow us to understand the impact of the tides on material distribution. The model retains high horizontal and vertical resolutions and is forced by the boundary conditions taken from a global model. The measurements are composed of the sea level at coastal stations and currents at moorings embedded in Seawatch buoys, in addition to hydrographic data. The simulated tidal elevations are in good agreement with the data for the K₁ and M₂ constituents. The K₁ tide clearly shows the lowest mode resonance in the Java Sea with intensification around the nodal point in the central region. The M₂ tide is secondary and propagates westward from the eastern open boundary, along with a counterclockwise amphidromic point in the western part. The K₁ tide produces a major component of tidal energy, which flows westward and dissipates through the node region near the Karimata Strait. Meanwhile, the M₂ tide dissipates in the entire Java Sea. However, the residual currents are mainly induced by the M₂ tide, which flows westward following the M₂ tidal wave propagation. The tidal mixing is mainly caused by K₁ tide which peaks at the central region and is consistent with the uniform temperature and salinity along the vertical dimension. This mixing is expected to play an important role in the vertical exchange of nutrients and control of biological productivity.     

台湾海峡M_2分潮的三维数值模拟

本文利用普林斯顿海洋模式对台湾海峡 Ｍ ２ 分潮作了分辨率较高的三维数值模拟。在较准确地模拟了潮汐分布的基础上,研究了 Ｍ ２ 分潮流椭圆分析、最大流同时线分布、潮流场的水平及垂直结构,最后还给出了 Ｍ ２ 分潮余流、余水位的分布。结果表明, Ｍ ２ 分潮最大流同时线在海峡中部同时形成密集区和一个圆流点;构成海峡潮波系统的两股潮波中,南支潮波的影响似超出了以往所认为的范围;最大潮流仅在近海底处急剧减小,最大流方向随深度增加右转,到近底层又向左转;潮汐余流和余水位均较弱,仅在澎湖水道、台湾浅滩附近余流较大。     

Zinc speciation in the Northeastern Atlantic Ocean

Measurements of zinc and zinc complexation by natural organic ligands in the northeastern part of the Atlantic Ocean were made using cathodic stripping voltammetry with ligand competition. Total zinc concentrations ranged from 0.3 nM in surface waters to 2 nM at 2000 m for open-ocean waters, whilst nearer the English coast, zinc concentrations reached 1.5 nM in the upper water column. In open-ocean waters zinc speciation was dominated by complexation to a natural organic ligand with conditional stability constant (log K_ZnL′) ranging between 10.0 and 10.5 and with ligand concentrations ranging between 0.4 and 2.5 nM. The ligand was found to be uniformly distributed throughout the water column even though zinc concentrations increased with depth. Organic ligand concentrations measured in this study are similar to those published for the North Pacific. However the log K_ZnL′ values for the North Atlantic are almost and order of magnitude lower than those reported by Bruland [Bruland, K.W., 1989. Complexation of zinc by natural organic-ligands in the central North Pacific. Limnol. Oceanogr., 34, 269–285.] using anodic stripping voltammetry for the North Pacific. Free zinc ion concentrations were low in open-ocean waters (6–20 pM) but are not low enough to limit growth of a typical oceanic species of phytoplankton.