吕宋海峡M2内潮生成与传播数值模拟研究

本文在z坐标海洋数值模式HAMSOM中引入了内潮黏性项(Interhal-tide viscosity term),将之运用到吕宋海峡M2内潮的生成与传播过程的数值模拟研究.研究结果表明:(1)在250 m以浅,吕宋海峡产生的M2内潮振幅于温跃层处最大,岛坡附近的内潮明显强于别处,且最大振幅可达到40 m左右;(2)M2内潮的生成源主要集中在伊特巴亚岛西北、巴丹岛西南以及巴布延群岛西北的岛坡;(3)海峡产生的M2内潮向东西2个方向传播.巴丹岛以西的西向能量在吕宋海沟斜向下传播,在到达恒春海脊附近发生反射返回海面,到达海面后再次反射回海底,在此过程中,有高模态的内潮被激发,不同模态间有相消干涉的现象产生.西传的内潮能量分为2支进入南海,产生于巴布延群岛西北的能量分支直接向西南折转进入南海海盆,而产生于伊特巴亚岛和巴丹岛岛坡附近的主要能量则以束状向南海陆架传播,在到达118°E后部分能量折向西南的海盆,其余的能量则沿西北方向传入中国近岸,陆架陆坡地形起着重要的耗散作用.伊特巴亚岛西北有最大的能量产生,向东北传入太平洋.在122°E以东,能量主要以束状向东南传入太平洋.     

吕宋海峡M2内潮生成与传播数值模拟研究

本文在z坐标海洋数值模式HAMSOM中引入了内潮黏性项(Internal-tide viscosity term),将之运用到吕宋海峡M2内潮的生成与传播过程的数值模拟研究。研究结果表明:(1)在250 m以浅,吕宋海峡产生的M2内潮振幅于温跃层处最大,岛坡附近的内潮明显强于别处,且最大振幅可达到40 m左右;(2)M2内潮的生成源主要集中在伊特巴亚岛西北、巴丹岛西南以及巴布延群岛西北的岛坡;(3)海峡产生的M2内潮向东西2个方向传播。巴丹岛以西的西向能量在吕宋海沟斜向下传播,在到达恒春海脊附近发生反射返回海面,到达海面后再次反射回海底,在此过程中,有高模态的内潮被激发,不同模态间有相消干涉的现象产生。西传的内潮能量分为2支进入南海,产生于巴布延群岛西北的能量分支直接向西南折转进入南海海盆,而产生于伊特巴亚岛和巴丹岛岛坡附近的主要能量则以束状向南海陆架传播,在到达118°E后部分能量折向西南的海盆,其余的能量则沿西北方向传入中国近岸,陆架陆坡地形起着重要的耗散作用。伊特巴亚岛西北有最大的能量产生,向东北传入太平洋。在122°E以东,能量主要以束状向东南传入太平洋。     

不考虑局地引潮势的南海正压潮能通量与潮能耗散

利用ECOM模式模拟南海正压M2、S2、K1、O1分潮, 对南海潮能通量及潮能耗散进行研究.结果显示, M2、S2、K1和O1分潮分别有38.93、5.77、29.73和28.97GW的能通量经吕宋海峡传入南海, 并有2.42、0.36、8.67和7.86GW的能通量由南海经卡里马塔海峡传入爪哇海.由东海及吕宋海峡西北部传入台湾海峡的M2分潮能通量为25.28GW.半日潮进入北部湾和泰国湾的能通量较少(6.52GW), 全日潮则较大(24.74GW).通过民都洛和巴拉巴克海峡断面, 全日潮由南海向苏禄海共输送12.28GW的能通量, 而半日潮则由苏禄海向南海输送1.92GW的能通量.由模式输出结果估计得到的南海各局部海域的底摩擦耗散与净潮能通量存在差异, 为使二者平衡, 可对南海不同海域的底摩擦系数进行调整.依净潮能通量与底摩擦耗散平衡关系计算得到台湾海峡、北部湾、泰国湾及南海深水海域的底摩擦系数分别为0.0023、0.0024、0.0023和0.0021.     

全南海内潮生成与传播的数值模拟研究

利用边界八分潮驱动的MITgcm模式,对整个南海海区的内潮进行了数值模拟研究。结果表明:在吕宋海峡出现因内潮引起的强烈等密面起伏,其振幅可以达到30m;在西沙群岛西侧海域和南海南部陆架、陆坡坡折处也出现因内潮引起的小振幅等密面起伏,振幅可达到10m以上,这表明该两处海域也是南海内潮的可能源地。通过断面分析,验证了西沙群岛西侧海域和南海南部陆架、陆坡坡折处均有内潮射线产生。内潮能通量的分析表明,吕宋海峡处大潮期间东传的平均斜压潮能功率为11.4GW,西传的斜压潮能功率为14.6GW;在西沙群岛西侧海域,东南方向传播的斜压潮能功率为0.28GW,西北方向传播的斜压潮能功率为0.08GW;在西沙群岛西侧海域和南海南部陆架、陆坡坡折处海域的斜压潮能通量的量级可达20kW/m。在南海南部陆架、陆坡坡折处海域,东北方向传播的内潮能通量为0.54GW。通过分析上述三个典型海域内潮能通量的时间序列发现,第一模态内潮在吕宋海峡的传播相速度可达3.1m/s,在南海中部的传播速度可达2.2m/s;在上述三处内潮源地均有高模态内潮产生。     

南海北部M2内潮与中尺度涡能量的数值研究

基于真实地形下的三维数值模拟结果,对南海北部的M_2内潮、中尺度涡能量以及两者相互作用过程进行了研究。结果显示,M_2内潮冬季稍强于夏季,在吕宋海峡生成的能量,冬季(12.2 GW)比夏季(11.6 GW)强5.2%,传入南海的能通量,冬季(4.2 GW)比夏季(3.8 GW)强10.5%,内潮能通量的空间分布在冬夏两季基本保持一致。中尺度涡的模拟结果显示,在南海内冷涡与暖涡个数相当(8个/a),冷涡的平均存活周期约为40 d,比暖涡的31 d长。当冷涡出现时,内潮非锁相部分的能通量大小及水平动能均出现明显增强现象,冷涡对内潮传播射线的汇聚作用是主要原因;M_2内潮和中尺度涡相互作用期间可以激发或抑制高模态内潮,也存在无显著影响的情况。     

南海北部非线性内波的特征研究及生成模拟

海洋内波由于其对海洋资源、海洋军事和工程的重要性而成为海洋学中的前沿课题。文中基于SAR遥感数据,结合KDV方程和Bragg散射机制反演内波波速、半振幅宽度、深度和振幅等动力学参数。对南海北部的非线性内波进行案例研究,由吕宋海峡传来的内波遇到东沙岛发生破裂,一部分继续向西传播,另一部分向西北沿等深线垂直方向传播。波向作为一个重要指标可以有效反映内波传播变化特征,文中以方向谱模型计算同一潮周期内内波传播的方向变化,并验证了180°方向模糊问题是可以解决的。同时内波传播将次表层海水和叶绿素从下层抬升,叶绿素浓度最高值达到0.35 mg/m~3,随着内波传播在0.08~0.35 mg/m~3范围内波动并逐渐趋于背景浓度值。研究使用海底地形与潮流数值合成的OTIS(Oregon State University Tidal Inversion Software)模型对南海北部大陆架区域的内波进行生成模拟,结果表明:当暖水流经吕宋海峡进入南海北部,body forcing1.5 m~2/s~2的海域能够激发内波的生成,其中兰屿岛和恒春半岛等海底山脊起到了关键作用。     

南海北部内孤立波非线性陡斜的数值研究

基于三维海洋环流模式MITgcm,对非线性陡斜在南海北部内孤立波形成和传播过程中的作用进行了研究,探讨了内孤立波的三维演变过程。研究发现,吕宋海峡处正压潮流激发的斜压潮能射线在其西侧形成强斜压扰动,该扰动在西传过程中受到地形浅化的影响,发生非线性陡斜,波长变小,波形变陡,最终在南海北部陆架坡折处形成大振幅内孤立波,即南海北部的大振幅内孤立波主要是由吕宋海峡西侧的强斜压扰动发展而来,而非来自吕宋海峡巴坦岛附近经潮地相互作用所形成的强波动信号。同时,模式也揭示了a、b波的演变过程,在吕宋海峡西侧约120°E以东的海域,没有发现a、b波,经过西传过程中的非线性陡斜作用,a、b波才演变出来,表明传播过程在a、b波的形成中具有重要意义。     

利用多源高度计资料提取南海低模态内潮能量

吕宋海峡由于剧烈变化的地形成为内潮产生的源地,内潮是海洋混合的重要原因。为了认知南海的内潮能通量分布,对南海的内潮有更好的理解,本文利用21世纪以来发射的多颗高度计卫星:J2、J1T、GFO以及EN,提取了吕宋海峡附近内潮的能通量。研究使用了调和分析和高通滤波等方法来提取第一模态内潮,主要提取K_1,K_2,M_2,N_2,O_1,P_1,Q_1和S_2八个分潮。同时结合WOA数据对能通量进行计算。结果表明,目标区域潮汐以全日分潮为主,所选区域的全日分潮中K_1所占比例最大;半日分潮中M_2分潮最强,而内潮的能通量则是M_2分潮所占最大,在吕宋海峡区域M_2能通量为6.45GW。内潮主要产生在地形变化剧烈的地方,海域的大部分地区内潮能量很小。在吕宋海峡中部,全日分潮能通量要小于南部地区,而半日分潮则有较大值。     

南海东北部全日非相干内潮的特征及其成因

本文利用南海东北部的潜标资料研究了南海东北部全日非相干内潮的特征。潜标数据的结果表明,在2010年7月下旬和8月上旬,全日非相干内潮的能量显著增强,同时全日内潮的总能量强度达到了预期(相干部分)的两倍;从能量的垂向分布上来看,非相干内潮的能量最大值出现在120 m深度附近。射线追踪模型的结果表明,此次强非相干内潮能量主要来自吕宋海峡的中部,黑潮入侵是导致非相干内潮信号增强的主要原因,全日内潮在吕宋海峡中部生成后向西传播进入南海,而黑潮改变了全日内潮的传播路径,将西向传播的内潮向北折射,导致来自多源地的内潮在潜标处叠加,引起全日非相干内潮能量的增强。本文的结果将有助于加深对非相干内潮的特征的认识和促进对其生成机制的了解。     

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。     

西北太平洋的潮能通量与耗散

利用基于FVCOM(Finite Volume Coastal Ocean Model)模式同化沿岸验潮站数据的高分辨率潮汐数值模型结果,分析研究了包含中国近海、日本海和鄂霍次克海在内的西北太平洋海域全日、半日分潮的潮能通量与耗散。西北太平洋的潮波能量分3支,分别传入鄂霍次克海、东海和南海。传入东海的半日潮波能量是传入南海的3倍左右;传入南海的全日潮波能量是传入东海的5倍多。传入中国东部海域的M2分潮能中,有64.3%耗散在东海,32.4%耗散在黄海,仅有3.2%耗散在渤海;而K1分潮能中分别有48.2%、31.4%及7.1%耗散在东海、黄海及渤海。进入南海的潮能中,仅有32.7%的M2分潮能和38.3%的K1分潮能耗散在南海的北部海域,另有23.9%的M2分潮能进入并耗散在台湾海峡,其余则进入南海南部。传入日本海的太平洋潮能很少。鄂霍次克海消耗的全日潮能是半日潮能的2倍。     

马六甲海峡的潮汐特征分析

马六甲海峡是亚洲东南部的重要海峡通道,沟通太平洋和印度洋,具有重要的经济和战略地位.本文利用马六甲海峡及其毗邻海域验潮站的实测水位资料,分析了马六甲海峡及马来半岛东岸的潮汐特征.研究表明,半日分潮平均振幅最大的区域位于马六甲海峡内部,而全日分潮平均振幅最大的区域为马来半岛的东海岸.马六甲海峡内部以正规半日潮为主,马来半岛东侧则为混合潮港,北部为不正规全日潮,南部则为不规则半日潮.半日分潮M2,S2和全日分潮K1在马六甲海峡内的传播为自西北向东南,而全日分潮O1则为自东南向西北方向.马来半岛东岸的半日潮传播方向以中部的Cendering站为分界线,南、北两部海区分别向南、向北相背传播,而全日潮传播方向相同,统一为自北向南.     

吕宋海峡附近中尺度涡特征的统计分析

采用1993年1月到2008年12月16a融合海面高度距平数据,追踪吕宋海峡附近海域(18°～23°N,116°～126°E)中尺度涡的移动轨迹,结果表明:时间分辨率为7d的卫星高度计资料难以观测到中尺度涡从西北太平洋通过吕宋海峡传进南海的过程,但对1994年吕宋海峡中部观测到的一个气旋涡及其附近中尺度涡的运动轨迹进行分析可见,西北太平洋海面高度变化会与吕宋海峡内部海面高度耦合后向南海传播。海面高度距平数据的时间-经度图表明,西北太平洋海面高度变化信号在西传至吕宋海峡附近(121°～122°E)时出现信号不连续。对21°N,116°～140°E断面的海面高度距平数据按周期分别为1～3月、3～6月、330～390d(年信号)进行分段带通滤波,发现不同周期的西北太平洋信号穿过吕宋海峡传入南海受到的阻隔作用、向西传播的速度以及它们所受的强迫机制均不同。     

环台湾岛海域全日分潮的特征和潮汐、潮流的综合性质

用97版POC海洋模式，对环台湾岛海域的全日分潮和整个潮汐，潮流综合特征进行三维数值研究。研究海域全日分潮是由太平洋传入的，且来自台湾岛北部海区传入的潮波穿越海峡。由吕宋海峡传入的全日分潮对维持南海的潮运动起着重要作用。全日分潮最大流同时线分布表层有5个圆流点，其中4个本文首次得到。台湾海峡及其以北海区和台湾东部洋区为不规则半日潮区，台湾东南为全日分潮为主的混合潮区。台湾岛北部为气旋式余流涡旋区，环绕台浅滩为反气旋余流涡旋区，澎湖水道开始的转向流预示着海峡及其邻近海区的涨潮流或落潮流的来临。     

南海北部a波和b波的生成与传播特征的数值研究

本文基于真实地形、潮汐的高分辨率三维MITgcm海洋环流模式，对南海北部a波（大振幅波列形式）和b波（孤立子形式）的生成与传播特征进行了数值研究。首先，我们总结和分析了这些波动的生成与传播特征。然后我们计算了吕宋海峡的能量收支。能量的生成在一天内有三个极大值，其中最大值对应a波的生成。吕宋海峡西边界的能通量一天内有两个极大值，较大的那个对应a波的生成而另一个对应b波的生成。我们设计了敏感性试验来探究吕宋海峡东西海脊对a、b波的生成和传播造成的影响。通过对比敏感性实验和标准试验的结果，发现对于a波的生成东海脊必不可少，但西海脊几乎没有影响。西海脊削弱了a波的振幅但未对a波波速造成明显的影响。b波来自于从东海脊生成的扰动信号。西海脊加强了这个扰动信号但减慢了它的传播速度。     

黑潮对吕宋海峡全日内潮生成与传播影响的数值模拟研究

基于一套环流-潮汐耦合模型的模拟结果,本文探究并比较了2015—2016年的三种黑潮形态下,吕宋海峡全日内潮以及全日非相干内潮生成与传播的空间分布特征。结果表明,当黑潮以流套形态流经吕宋海峡时,全日内潮非相干性最强,具体表现为全日非相干内潮能量生成最大,全日内潮的传播速度变化率最大。由于传播速度的变化会改变全日内潮的位相,进而会影响全日内潮的非相干性,导致在吕宋海峡内全日内潮的非相干性最强。本研究结果对理解黑潮背景动力过程下吕宋海峡内潮的时空变化有重要意义。     

海洋模式的水平分辨率对吕宋海峡深层环流数值模拟结果的影响

基于南海观测得到的垂向混合率修改KPP垂向混合方案,利用大洋环流模式HYCOM首次模拟得到了吕宋海峡深层环流的空间分布特征,并通过3个不同水平分辨率的实验(1/6(°)、1/12(°)、1/24(°))讨论水平分辨率对模拟吕宋海峡深层环流空间结构的影响。模拟结果表明:(1)1/6(°)水平分辨率过于粗糙,无法分辨巴士海峡和台东海峡地形特征,无法得到吕宋海峡深层环流的空间分布特征;(2)1/12(°)的水平分辨率可以很好的分辨吕宋海峡和台东海峡的地形特征,模拟得到吕宋海峡深层环流的空间分布和流场特征;(3)1/24(°)水平分辨率的模拟结果表明,更高的水平分辨率不会改变吕宋海峡深层环流的空间分布和主要出入口的垂向结构,只是会显示更细节的环流结构。1/12(°)和1/24(°)水平分辨率的模式结果都表明,西北太平洋深层水通过巴士海峡和台东海峡进入吕宋海沟,年平均流量分别为1.1和0.4Sv,然后沿吕宋海沟向南海方向流动,最后主要通过位于恒春海脊上的2个缺口进入南海,年平均流量分别为0.5和0.9Sv。     

南海吕宋海峡21°N附近多潜标观测的上层海流

为了了解潮流从西北太平洋经吕宋海峡进入南海内的变化及其垂向结构,本文利用在吕宋海峡附近沿东西方向布放的多套潜标同步获得的高分辨率ADCP长时间连续观测上层海流资料,使用调和分析方法将实测海流分解成3部分:不随时间变化的定常流、周期性潮流和剩余流,并将潮流分解为正压潮流和斜压潮流。通过对实测海流中各组分的分析,得到以下结论:该区域潮流类型在不同深度上有明显变化;M2潮自吕宋海峡传入南海后强度显著减弱75%左右,K1、O1分潮在上层强度减弱约三分之一。从垂向变化来看,在潮流强度上,各站点垂直方向上潮流强度均发生变化。从方向上看,各分潮潮流椭圆东西向特征明显,长轴变化较大,短轴(南北向特征)垂向变化不显著;潮流运动主要沿逆时针方向,垂直方向上潮流明显减弱或增强时会发生转向。斜压潮流主要集中在上表层,100m左右以下随深度逐渐减弱。东西方向斜压潮流能量比正压潮流强,而南北向的流比较稳定,且斜压潮流能量远小于正压潮流。定常流强度在各站点呈现相似的变化趋势,随深度变化减弱。     

南海深海物理过程与地质过程的关系探讨

南海东北部沉积物波等特殊的沉积现象与深海物理过程密切相关,海洋地质研究推断其与上升爬坡流、等深流、浊流作用有关,而南海东北部海洋遥感观测到的最显著现象则是广泛发育的非线性内波的西向传播和涡旋的西向漂移。南海东北部涡旋、内潮内波的形成演变与地形地貌有密切关系,重要的地形地貌如海脊(恒春海脊与吕宋水下火山弧)和陆架坡折,主要受构造过程控制。南海现代深海物理过程的建立及演变涉及到海盆本身的演化,也涉及到南海北部张裂大陆边缘的演化与东部俯冲大陆边缘的演化。构造过程、沉积过程与深海物理过程密切相关,对其关系的综合研究必将深化南海深海过程演变的认识。地震海洋学发展迅猛,但尚处于初级阶段,新的发现可能会改变人们的传统认识,可望揭示地球系统流体部分与固体部分相互作用的本质,为地球系统科学的突破做出贡献。     

吕宋海峡及周边海域湍流混合的时空分布特征研究

利用1992—2002年的温盐深数据与2012—2016年的Argo数据,基于细尺度参数化方法研究了吕宋海峡及周边海域(12°—30°N,115°—129°E)湍流混合的时空分布特征,并分析了地形粗糙度、内潮以及风输入的近惯性能通量对湍流混合的影响。结果表明,吕宋海峡和东海陆坡处具有强混合的特征,扩散率高达4×10~(-3) m~2/s,主要是由内潮产生导致的,其中吕宋海峡主要是M2、K1和O1内潮的贡献,而东海陆坡处主要是M_2内潮的贡献;南海北部也呈现较强的混合,且陆坡处的混合比海盆高1—2个量级;南海中央海盆和离岸的菲律宾海混合较弱,扩散率为O (10-5 m2/s)。此外,在研究区域内,湍流混合的年际变化和季节变化均不明显,且混合扩散率与风输入的近惯性能通量未表现出明显的季节相关。