地形和层结变化对内潮生成影响的数值模拟研究

基于ROMS(Regional Ocean Modeling System)模式,设计了9组理想数值实验,研究了内潮的产生对地形和背景层结环境的敏感性。结果表明:高斯海脊两侧地形梯度较大的超临界坡面处是内潮的主要源区;地形和层结环境的变化对内潮生成有很大影响;如地形和层结保持不变,不同的网格水平分辨率和垂向层数条件下估算的内潮转换率存在差别;地形和跃层的相对空间关系对内潮生成及其引起的水体混合强度存在影响。高分辨率的地形和合适的背景层结是内潮模拟的关键。该结论对于内潮形成的数值模拟研究有一定参考价值。     

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。     

渤、黄、东海内潮的数值模拟

在全球的海洋中,中国东海和临近海域是最显著的内潮生成地之一。本文采用NODC(Levitus) World Ocean Atlas 1998提供的季平均温、盐资料,计算海水的密度,并计算垂向密度梯度的最大值点,得到一个较符合海水实际的密度分层。使用三维非线性数值模型(将海洋分为2层)研究了潮汐(M2,S2,K1,O1分潮)作用下渤黄东海的内潮,揭示了整个海区内潮起伏的空间分布,结果发现大振幅的波动均发生在台湾东北(冲绳海槽)海域和中国近海地形突变之处,其中前者更显著。对于各分潮模拟得到的表面潮与TOPEX/Poseidon高度计资料基本一致。研究结果表明上层海水的深度和厚度的梯度对内潮有一定的影响;冬季分布区域比夏季小,强度比夏季大。     

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     

南海北部不同涡旋对内潮的影响

南海北部吕宋海峡是内潮最为活跃的区域之一,且涡旋种类繁多,不同特性的涡旋对内潮的影响不同。基于近岸与区域海洋共同模式(coastal and regional ocean community model,CROCO),模拟探究理想涡旋存在时,涡旋位置、极性、峰值流速和半径对内潮的影响。结果表明:涡旋位置是影响内潮的直接因素,位于涡旋区域内的内潮是主要影响对象,涡旋中心以西内潮方向变化的角度是以东的3倍。气旋涡和反气旋涡分别使潮能通量的方向向南和向北偏转,最大偏转角度超过12°,当涡旋所致背景流与内潮传播方向一致时,内潮群速度增强,反之减弱。涡旋对内潮的影响范围和幅度随着涡旋的半径和峰值流速的增大而变大。当涡旋峰值速度变大时,反气旋涡心以北的潮能通量增长量超过15 kW/m。当涡旋半径增大时,涡旋峰值速度的位置发生变化,涡旋的峰值流速和半径共同影响潮能通量水平分布结构,使其呈现纬向单峰或多峰结构。     

内潮模拟的数值模式

提出根据内潮数值模式所要解决的主要问题进行分类的方法,将现有内潮数值模式分为三 种类型：生成模式、传播模式和统一模式。生成模式主要研究在表面潮与地形的相互作用下内 潮在层化海水中的产生过程,传播模式研究内潮生成后的传播过程,统一模式则将生成和传播 过程一起研究。分别介绍了近年来最新的各类模式和大部分早期模式的主要组成部分和特征, 指出内潮模式发展需要解决的问题和发展方向。     

弱地形上内潮生成问题——Ⅱ.粗糙地形情况下水深对内潮能通量的影响

前人在讨论水深对内潮能通量影响的时候得出结论:有限深海洋中海面对内潮的反射使得正压潮向内潮的能量转化相比较无限深海的情况显著降低,对于选定的地形,在无限深海假定下得到的能通量是该地形上内潮能通量的上限。鉴于前人所研究的基本上都是平滑的地形,而实际的海洋地形总是比较粗糙的,本文探讨了粗糙地形上内潮能通量随水深的变化。选取了弦函数地形、随机白噪声地形、弦函数地形叠加在高斯地形之上、随机白噪声地形叠加在高斯地形之上和随机白噪声地形与弦函数地形同时叠加在高斯地形之上5种情况进行了研究,发现对于这5种情况,都存在海洋有限深时的能通量大于无限深假定时的能通量,这说明前人得出的"有限深海洋中海面对内潮的反射使得正压潮向内潮的能量转化相比较无限深海的情况显著降低"的结论对于粗糙地形并不适用。     

海平面上升对黄浦江潮位和潮量影响的数值计算

采用1984年8月28日19时—29日24时黄浦江米市;渡至吴淞口水位和流量资料,根据描述河道中水流非恒定流动的Saini-Venant方程组,建立了模拟黄浦江潮位和潮量特征变化的数值模式。考虑未来海平面上升,预测了黄浦江潮位和潮量的变化及对周围环境的影响。计算结果表明,随着海平面的上升,黄浦江潮位相应增加,高潮位的上升值大于海平面上升值;低潮位的上升值小于海平面上升值,潮差增大。在同一海平面上升值下,潮差增量由下游向上游渐渐增大,随着海平面的上升,涨潮量和落潮量都相应增加。     

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。     

内潮的一种分层三维数值模式

在中国近海的不少海域曾经发现相当强的内潮现象,例如赵俊生(1992)报道了渤海海峡的内潮现象, Yamashiro(1988)在东海陆坡处亦发现内潮的存在。特别是Amoco石油公司在南海陆坡处进行了一年多的海流测量,测得最大的全日潮流振幅可超过60cm/s,这里正压潮流小于10cm/s,故观测到的潮流主要与内潮有关。迄今关于内潮的数值模式大多将表面潮作为已知输入条件、从而使模式的应用受到较多限制(Jiang and Fang，1992)。Heaps(1983)曾发展了一种自由海面多层模式,但他们忽略了非线性平流项,这无疑也会损失许多有用信息。本文将叙述一种自由海面的多层模式,它能够同时模拟表面潮和内潮,并包含了非线性平流项。     

The internal tide of the Gareloch,a Scottish Fjord

Previous observations in the Gareloch, a Scottish silled fjord, have identified yet failed to explain the baroclinic circulation pattern. Additional fieldwork was carried out in April 2005, showing the loch to be stratified with two distinct layers and currents in each layer 180° out of phase at the M₂ frequency. The currents did not display the expected sinusoidal signal that is characteristic of the tide and instead were pulsated and stronger than predicted by barotropic forcing. Fourier analysis showed that the flow was dominated by short period non-linear oscillations that were harmonics of the semi-diurnal tide. Two hydrostatic estuarine models were applied to the Gareloch: a 2D vertical model (SLICE) and a 3D model (ECOMSED). Both models were capable of reproducing the observed (2005) baroclinic circulation at the M₂ time scale but failed to simulate the higher frequency, non-linear oscillations. However, each model generated higher harmonics in idealised scenarios. Because lateral motion was negligible and SLICE was an order of magnitude more efficient than ECOMSED, the 2D model was used to simulate the higher harmonics and showed that their generation was attributed to the non-linear distortion of the internal tide. When the internal Froude number (determined by barotropic velocity, stratification and water depth) was increased from a sub-critical value, non-linear advection became more important and higher harmonics were generated. The internal tide was further modified by wave reflection and interaction off steep boundaries, and by flow over the sill.     

珠江河口底边界层憩流动力特征

通过在珠江黄茅海河口进行的25 h定点连续观测,分析了潮流底边界层在憩流时刻的动力特征。结果表明,憩流期非恒定性增强,改变了平均流和湍流结构。主要表现:1)平均流结构出现三种不同类型,分别是对数分布(摩擦力主导)、垂向均匀分布(惯性主导)和过渡状态(摩擦力和惯性力平衡);2)湍流各向异性增强,湍谱惯性子区带宽减小。各湍流特征参数在转流时刻达到最小值,表明惯性作用抑制了湍流的发育。     

Numerical study of M2 internal tide generation and propagation in the Luzon Strait

Based on the z-coordinate ocean model HAMSOM,we introduced the internal-tide viscosity term and applied the model to numerically investigate the M2 internal tide generation and propagation in the Luzon Strait (LS).The results show that (1) in the upper 250 m depth,at the thermocline,the maximum amplitude of the generated internal tides in the LS can reach 40 m;(2) the major internal tides are generated to the northwest of Itbayat Island,the southwest of Batan Island and the northwest of the Babuyan Islands;(3) during the propagation the baroclinic energy scattering and reflection is obvious,which exists under the effect of the specific topography in the South China Sea (SCS);(4) the westward-propagating internal tides are divided into two branches entering the SCS.While passing through 118 E,the major branch is divided into two branches again.The strongest internal tides in the LS are generated to the northwest of Itbayat Island and propagate northeastward to the Pacific.However,to the east of 122 E,most of the internal tides propagate southeastward to the Pacific as a beam.     

A study of SAR remote sensing of internal solitary waves in the north of the South China Sea:I.Simulation of internal tide transformation

For settlement of the well-known problem of contemporary radar imaging models,i.e.,the pmblem of a general underestimation of radar signatures of hydrodynamic features over oceanic internal waves and underwater bottom topography in tidal watels at at high radar frequency bands(X-band and C-band),the impact of the ocean surface mixed layer turbulence and the significance of strat-ified oceanic model on SAR remote sensing of internal solitary waves are proposed.In the north of the South China Sea by utilizing seme observed data of background field the nonlinearity coefficient,the dispersion coefficient,the horizontal variability coefficient and the phase speed in the generalized K-dV equation are determined approximately.Through simulations of internal tide transfor-mation the temporal evolution and spatial distribution of the vertical displacement and horizontal velocity of intereal wave field are obtained.The simulation results indicate that the maximum amplitudes of internal solitary waves occur at depth 35 m,but the maximum current speeds take place at depth 20 m in this area of the sea(about 20°30'N,114°E)in August.It was noticed that considering the effects of flood current and ebb current respectively is appropriate to investigate influence of the background shear flow on coefficients of the K-dV equation.The obtained results provide the possibility for the simulation of SAR signatures of inter-nal solitary waves under considering the impact of ocean surface mixed layer turbulence in the companion paper.     

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。     

涨落潮对海湾内新建人造沙滩稳定性的影响

为提高海湾内人造沙滩稳定性,以宁波西沪港北岸人造沙滩为研究对象,结合已有试验段人造沙滩退化过程,分析了沙源流失原因,并以此优化拟建段人造沙滩的位置,再通过波浪-泥沙物理模型试验,研究了不同强度波浪和潮位过程对拟建段人造沙滩稳定性的影响。结果表明：波浪和人造沙滩存在夹角时,沙滩前会存在明显的纵向沿岸输沙;人造沙滩建造后首年,平常浪作用1年对人造沙滩稳定性影响可能会大于单次台风浪对沙滩的作用;常浪作用下涨落潮引起的沙滩前沿水下沙坝发育过程不同,落潮水位过程波浪对沙滩的侵蚀大于涨潮水位过程;人造沙滩前落潮流和波生沿岸流方向一致,会加速沙滩侵蚀,当落潮流作用大于涨潮流,则会进一步导致沙滩严重退化。     

南海东沙岛西南大陆坡内潮特征

2008年4月-10月,在南海东沙岛西南大陆坡底部布放了1套全剖面锚系,同时沿大陆坡底部布放了3套近底锚系,应用谱分析和调和分析方法分析温度和海流连续观测资料,进而研究该海域的内潮特征.结果表明,东沙岛西南大陆坡存在强内潮现象,大陆坡底部温度变化受到内潮波的影响,上层海洋存在强日潮周期的内潮波振动;正压潮和斜压潮均以O...     

张力腿平台内孤立波作用特性数值模拟

依据三类内孤立波理论KdV、eK dV和MCC的适用性条件,采用Navier-Stokes方程为流场控制方程,以内孤立波诱导上下层深度平均水平速度作为入口边界条件,建立了两层流体中内孤立波对张力腿平台强非线性作用的数值模拟方法。结果表明,数值模拟所得内孤立波波形及其振幅与相应理论和实验结果一致,并且在内孤立波作用下张力腿平台水平力、垂向力及力矩数值模拟结果与实验结果吻合。研究同时表明,张力腿平台内孤立波载荷由波浪压差力、粘性压差力和摩擦力构成,其中摩擦力很小,可以忽略;水平力的主要成分为波浪压差力和粘性压差力,粘性压差力与波浪压差力相比较小却不可忽略,流体粘性的影响较小;垂向力中粘性压差力很小,流体粘性影响可以忽略。     

2002年夏季广东陆架边缘上升流海域的内潮现象及其局地反馈初探

基于2002年夏季开展的"中国近海环流形成变异机理、数值预测方法及对环境的影响"观测项目获得的往复走航温盐流资料,结合同期的卫星观测(风、SST、海表动力高度)数据,初步探讨了粤东陆架边缘上升流区的内潮现象及其局地反馈特征.研究结果表明:粤东陆架边缘海域存在显著的、间歇性的相对低温海水的沿陆坡涌升现象,其中A航段的低温(18～23℃)海水涌升发生在约50～150m深度,B航段的低温(<18℃)海水涌升则主要位于150 m以深.由于观测期间海表风变化很小,而海洋涡旋在几周至几个月内相对稳定,并且研究海域涡旋对流场的影响似乎局限于75 m以浅的上层海洋,因而A、B航段的差异显然不能用海表风或海表动力高度变化来解释.进一步的分析表明粤东陆架边缘上升流区存在显著的内潮现象,尽管资料所限使得我们无法准确判定该内潮性质,往复走航海流剖面的确揭示了1阶和5阶内潮模的存在.内潮的不同模态极大地改变了上层海洋的热力和环流结构;低阶内潮模导致沿最大温度水平梯度处水温的剧烈垂向起伏(>30 m)以及跃层两侧的海流反向现象;高阶内潮模导致垂直陆坡方向水平流速的多次反向,强烈的流剪切可能与增强的混合联系在一起.导致低阶内潮模(A航段)向高阶内潮模(B航段)转变的原因可能是由于内潮特征线倾角与地形坡度比较接近而激发的"临界反射"效应.分析结果还表明,不同内潮模态导致的环流结构变异叠加在背景环流场之上,会显著影响粤东陆架边缘上升流的空间结构及强度.