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。     

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.     

吐噶喇海峡内潮的能量收支和大小潮变化

吐噶喇海峡是西北太平洋重要的内潮产生区域,该区域内产生的内潮对于东海陆架和西北太平洋的混合和物质输运有十分重要的作用。水平分辨率为3km的JCOPE-T(JapanCoastalOcean PredictabilityExperiment—Tides)水动力学模式的结果表明,吐噶喇海峡的内潮主要产生在地形变化剧烈的海山和海岛附近,其引起的等密面起伏振幅可达30m。吐噶喇海峡的内潮在垂直于等深线方向分为两支向外传播:一支向西北方向传播,进入东海陆架后迅速减小;另一支向东南方向传播,进入西北太平洋。吐噶喇海峡潮能丰富,其在约半个月内的平均输入的净正压潮能通量为13.92GW,其中约有3.73GW转化为内潮能量。生成的内潮能量有77.2%在当地耗散,传出的内潮能通量为0.84GW,主要通过西北和东南两个边界传出。该区域潮能通量有显著的大小潮变化,大潮期间输入的正压潮净能通量和产生的内潮能通量均约为小潮期间的2倍,但其主要产生区域基本不变,且内潮能量耗散比率均在产生的内潮通量的76%—79%。另外,内潮能通量的传播方向也没有发生变化,仍主要通过西北和东南两个边界传出。因此,大小潮的变化仅影响吐噶喇海峡处产生的内潮能量的大小,不影响其产生区域、传播方向和耗散比率。     

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。     

南海文昌海域内孤立波特征观测研究

内孤立波对大陆架边缘海区的混合和生态有着显著影响，近年来已成为物理海洋学研究的热点。但是南海北部陆架的内波现场资料极为缺乏。2005年4—7月，中国科学院海洋研究所在文昌海区进行了文昌内波实验。通过此次现场观测数据发现，在4月下旬文昌海域有着强盛的内孤立波，其振幅在40m左右，产生的斜压流接近1m／s，且传播方向平行于等深线切线方向，向西南方向传播。分析还得出此类内孤立波并非发源于吕宋海峡，应该属于潮地相互作用局地生成的内孤立波。     

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。     

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。     

吕宋海峡夏季内潮数值模拟

利用三维海洋环流模式MITgcm,对吕宋海峡夏季内潮的生成与传播进行了分析。结果表明,在八分潮驱动的情况下,吕宋海峡夏季生成的内潮能量有4.7GW传入西太平洋,7.7GW传入南海,其中M2分潮最强,K1分潮次之。半日分潮主要在恒春海脊中部和巴坦群岛附近生成,并在传播过程中衰减迅速;全日分潮主要在巴布延群岛西北处及兰屿海脊北部生成,在传播过程中衰减较慢。西传M2和K1内潮主要在兰屿海脊南部生成,且西传M2内潮在恒春海脊北部得到增强,在恒春海脊中部则被削弱。在恒春海脊北部生成的东传M2和K1内潮在经过兰屿海脊时被削弱。恒春海脊使得部分源于兰屿海脊的西北向全日内潮转向西南,形成向南海海盆的内潮分支。     

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。     

珠江口及邻近海域潮波数值模拟——Ⅰ模型的建立和分析

采用无结构网格三维有限体积海洋模式FVCOM,基于高精度的水深和岸线资料,建立了覆盖珠江口及邻近海域的三维正压高分辨率数值模型。和验潮站实测资料以及前人研究的对比验证表明,该模型能较准确地再现珠江口及邻近海域的潮汐、潮流变化过程。研究发现,珠江口海域潮汐为不正规半日潮,潮型数大致介于1.1~1.3之间,M2分潮占主导地位。M2,S2,K1和O14个主要分潮向河口内传播时,等振幅线均偏西北-东南向,西侧振幅小于东侧,河口附近等位相线比陆架海域密,西侧相较于东侧更密。从湾口传播到湾顶,半日分潮历时约2h,全日分潮历时约1.3h。潮流呈东强西弱,且落急流速大于涨急流速,河口内潮流流速是陆架海域的1~2倍,最大可达到1m/s;在陆架海域半日分潮旋转潮流强于全日分潮,在珠江口内主要为西北-东南方向往复流,航道区潮流最大。欧拉余流在河口内航道区形成南向流,在河口西侧浅滩处形成北向流,出现了余环流结构。此外,在航道区和深圳湾等区域形成较强余流涡旋结构。外海传入潮流能通量自南向北在珠江口内汇聚,在航道区呈现高值区,最大可达10KW/m。     

2008年8—9月份吕宋海峡西南侧锚定ADCP的斜压海流观测

2008年8月份在吕宋海峡西侧大约4000m深的海域首次布放了两套深水潜标，对上层海洋进行了为期一个月的高频率ADCP海流采样。对数据进行了多重处理，分解得到平均流和逐层潮流，并分析了具有斜压性海流的频率分布。调和分析结果表明，该海域以不规则日周期潮流为主，潮流椭圆随深度旋转。海流的功率谱分析表明，内潮能量在温跃层附近最大，并随深度减小，同时海流有明显的近惯性振荡信号。该观测为了解吕宋海峡深层海洋的潮流、近惯性运动以及海峡水交换提供了第一手的资料。     

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。     

南海与邻近海洋的水通量交换

利用一个局地加密的全球海洋环流模式,给出位于细网格海域的南中国海与其邻近海洋之间水交换的年平均和月变化的定量结果。结果表明,南海与周围海洋交换的水通量受南海季风的影响较大,其中吕宋海峡的交换量最大,其次为南海南部边界的断面,再者依次为台湾海峡,民都洛海峡和巴拉巴克海峡,另外还对南海各个海峡的热通量,盐通量进行了估算。     

吕宋海峡流场季节变化的数值模拟

基于海洋模式HYCOM(Hybrid Coordinate Ocean Model),利用大小区嵌套技术,分别对全球海洋和西北太平洋进行了网格嵌套数值模拟,研究了吕宋海峡海域环流场的季节性变化。考虑全球海洋环流影响的西北太平洋模式,成功地刻画了黑潮的流结构及季节变化。吕宋海峡海洋环流流场在不同深度处差异较大,存在着明显的季节变化。黑潮入侵南海主要发生在500m深度以上,冬季最明显,夏秋两季不明显。在500m层常年存在一支南海暖流流入西北太平洋,在800m层南海暖流消失。一年四季黑潮主要通过吕宋海峡的南部和中部进入南海。1 000m层流场表明,黑潮主要通过吕宋海峡的中部入侵南海。在800~1 000m处主要是黑潮水流入南海。     

内潮动力机制的数值研究

结合南沙群岛海域出现的内潮现象,利用一个两层数值模式,通过数值试验来探讨潮汐性质,水体的层结程度,跃层所在的深度,风应力等因子对陆架坡折处内潮特性的影响,结果表明:内潮的波动周期只与海区的潮汐性质有关,风应力,非线性效应以及正压潮源地的深度等都可改变内潮的波动振幅,内潮的波动振幅随海区的水体层结构程度及温跃层所在的深度不同而改变。     

内潮动力机制的数值研究

结合南沙群岛海域出现的内潮现象 ,利用一个两层数值模式 ,通过数值试验来探讨潮汐性质、水体的层结程度、跃层所在的深度、风应力等因子对陆架坡折处内潮特性的影响 ,结果表明 :内潮的波动周期只与海区的潮汐性质有关 ;风应力、非线性效应以及正压潮源地的深度等都可改变内潮的波动振幅 ;内潮的波动振幅随海区的水体层结程度及温跃层所在的深度不同而改变     

南海内波研究前沿与热点

内波为发生在层结海洋内部的亚中尺度波动,是物理海洋学研究,特别是海洋混合及能量级串研究,不可或的缺环节。孤立内波的突发性巨大冲击能量可对水下航行和工程设施构成灾难性威胁,实现实时监测与预报海洋内波具有重大现实意义。南海是全球海洋中超强内波多发海区之一。长期现场观测表明,吕宋海峡以西海域内孤立波振幅高达150～200 m,且终年发生。因此,南海是目前海洋内孤立波观测与研究热点海域。本文以2015年至2021年间发表的论文为依据,评述南海内波研究新进展,认为7 a来研究成果取得质的提升。第一,实现了由卫星为主要手段2D观测到以卫星与潜标同步3D观测为主要手段的提升。由此催生出振幅240 m超强内孤立波、中尺度涡对内波的调制作用、重现周期23 h 内孤立波、浅海内孤立波裂变现象、深海盆内波及动能级串等创新成果。第二,研究区开始呈现向中部深海盆扩展趋势。迄今为止,南海内波观测与研究集中在吕宋海峡以西和北部陆架,现已出现向中部深海盆扩展趋势。第三,海洋探测高新技术应用于南海内波观测与研究,取得了突破性成果。由卫星高度计沿轨海面高度场二维平面波分解技术得出的南海M₂内潮辐射图,解决了多年争论不休的南海北部内波生成机制和生成源地问题。人工智能技术成功应用于建立南海邻近的边缘海内波传播预报模式。模式预报的一个潮周期之后内波波峰线位置与后续卫星图像上显示的位置之间的平均相关系数达95%,平均距离均方根差为3 km。快速深潜剖面浮标技术应用于南海北部深海盆,得出0～3 500 m 全水深内波波段（周期为0.1～1.8 d）波动引起的水温起伏幅度垂直分布。高分辨水下声成像技术,包括人工地震技术和回声探测仪,成功应用于南海北部陆架内波观测与研究。其中回声探测仪图像空间分辨率达10 cm,清楚显示出内孤立波波包精细结构,可精确测得水平尺度仅为2 m的孤立波特征半宽度。可以预期,大量科学研究成果的积累,特别是采用人工智能技术建立内波传播预报模式的成功实例,必将为开发南海内波精准预报模式奠定基础。     

陆架陆坡潮成内波的二维三层模式

通过构造一三层模式，研究了在强跃层存在情形下内潮的生成与传播特性。研究表明内潮显著依赖于层化结构（层化强弱、各层厚度）。内潮存在可观的斜压余流，陆架上可达８ｃｍ／ｓ。此外，在陆架坡折区，第二模态不可忽略。