弱地形上内潮生成问题——1.数学物理框架及解析解

基于二维线性理论,得到了有限深海洋中弱地形上内潮生成问题的解析解。与前人的结果相比,研究中没有采用静力近似。结果表明,静力近似的采用与否对内潮能通量有明显影响。对于高斯地形,没有采用静力近似的情况下得到的能通量总是比采用静力近似得到的能通量小。特别是当Brunt-Vaisala频率与局地潮频率相近时,采用静力近似得到的结果明显高估了内潮能通量。当Brunt-Vaisala频率远大于局地潮频率时,静力近似的采用与否对内潮能通量的估算影响很小。     

粗糙地形对内波生成影响的实验研究

为了研究粗糙地形对内波共振生成的影响,本文在实验中采用粒子图像测速法(PIV)对内波速度场进行测量。实验中设置了两种不同尺度的粗糙地形,其中一种地形的粗糙尺度大于黏性边界层厚度(δ),另一种地形的粗糙尺度小于δ。结果表明两种粗糙地形都使共振内波的能量减弱,粗糙地形一侧生成的内波强度约为光滑地形一侧生成内波强度的40%。当粗糙地形的尺度大于δ时,在粗糙地形一侧除了共振内波以外还有明显的内波射线生成,粗糙地形上的每一个凸形间断点都成为了一个新的内波源点,每条内波射线的强度约为共振内波强度的1/10,由新源点生成的内波射线相位基本一致,落后于正压潮3π/5个相位。当粗糙地形的尺度小于δ时,粗糙地形一侧仅有共振内波生成,共振内波的相位与正压潮相位十分接近。     

珠江河口潮能通量与耗散

珠江河口三角洲是我国一个极其复杂的大尺度河口系统,具有独特的河网体系和河口湾.为探讨珠江河口三角洲的潮能通量和潮能耗散机制,基于SELFE模型,建立了珠江河网-河口湾的三维数值模型,计算了河网-河口湾区的潮能通量和潮能耗散.研究表明:珠江河口的潮能通量平面上表现出主槽大,滩地较小;在总能耗中,底摩擦能耗最大,其次是垂向扩散耗散能耗,水平扩散能耗最小;存在‘门’、分汊汇流区和弯曲河道区等典型的高能耗区,高能耗区的单位面积能耗比附近水域的高数倍甚至1～2个数量级.     

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。     

渤黄东海潮能通量与潮能耗散

利用同化高度计资料和沿岸验潮站资料对潮汐数值模式进行同化,根据同化后的数值模式结果,对渤黄东海中的潮能通量和潮能耗散进行了研究.M2分潮从太平洋进入渤黄东海的潮能为122.499GW,占4个主要分潮进入总量的79%.黄海是半日分潮潮能耗散的主要海区.全日分潮则主要耗散在东海.全日分潮在遇到陆坡的阻挡以后有一部分潮能沿着冲绳海槽向西南传播,并有一部分潮能反射回太平洋,其中O1分潮通过C3断面反射回太平洋的潮能,约占其传入东海潮能的44%.     

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。     

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.     

利用TOPEX/Poseidon高度计资料提取的太平洋M2内潮能通量分布

基于内波动力学方程,提出利用TOPEX/Poseidon高度计资料提取内潮的方法.利用该方法,结合1992年10月到2002年6月共10a的TOPEX/Poseidon高度计资料和Levitus(1998)资料,给出了整个太平洋M₂内潮能通量的分布,并与观测资料进行比测,两者符合较好.同时也发现沿整个太平洋边界M₂内潮能通量向大洋内部输入的总功率为58.4GW,其中北太平洋对此贡献为30.2GW,南太平洋为28.2GW,可见南、北太平洋的贡献是基本相等的.东太平洋的总量为17.8GW,而西太平洋为40.6GW,两者差异较大(以160°W作为东、西太平洋分界线).     

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.     

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。     

从潮能通量变化看6000a以来长江口的迁移

引入潮能通量变化的概念,将河口区沉积动力环境、泥沙运移与能量变化联系起来,以东中国海三维高精度潮波模拟为基础,对长江口演变进行研究。模拟结果表明,全新世最大海侵以来,科氏力造成的潮能通量变化在长江口、杭州湾、舟山群岛及其外侧始终为负,减少的方向为西北;其负值区界于东经124°以西及北纬28°以北。说明科氏力的作用是使泥沙在长江和杭州湾口及其外侧邻近海域沉积,且沉积体向东南方向发育;在现代长江口外海区沉积动力环境条件下,长江口向东南迁移的范围不会越过东经124°、北纬28°这一界线。舟山群岛造成的潮能通量变化与科氏力的作用一致,但其作用量较小,仅为科氏力的1／50,影响范围也较局限。     

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。     

围垦对舟山群岛海域潮流结构及潮能分布影响研究

舟山群岛海域潮能丰富,近年来大面积的围垦工程影响了邻近海域的潮流结构与潮能分布特征。基于FVCOM(finite volume coastal ocean model)三维水动力数值模型,选取1984年、2010年、2019年三个代表年份,探讨围垦工程影响下舟山群岛海域潮流结构与潮能分布的时空变化状况。结果显示:1984年至2010年间围垦面积相对不大,且较为分散,主要改变外海进入杭州湾各通道的潮能分配,对能量耗散的影响较小。2010年至2019年间的围垦工程缩窄了潮汐通道,流速增大使得螺头水道及邻近水道的潮能增加,近底流速增大与较强湍流涡旋的产生,使得围垦工程周边海域能量耗散更为集中。     

底地形变化对内潮产生影响的数值研究

本文结合南沙群岛海域出现内潮的水文背景,建立了一个两层数值模式,并通过数值试验来探讨由正压潮波作用下的内潮产生机制。结果表明：底形效庆是促使内潮产生的重要因子;内潮心要在大陆坡产生,然后分别沿着大陆架和深海平原两个方向传播;内潮斜压流速的量级可与正压流速的相比拟。     

风生近惯性能通量和地形粗糙度对海洋内部混合的影响

使用细尺度参数化方法和2015-2019年全球的Argo温盐剖面资料,分析了风生近惯性能通量和地形粗糙度对全球海洋300-600 rn深度的涡流扩散系数的影响.结果 表明,在30°---45°N区域,月均涡流扩散系数与月平均风生近惯性能通量随时间的变化趋势较为一致,相关系数可达0.43,前者滞后1个月,与后者的相关系数...     

渤海、黄海、东海潮流、潮能通量与耗散的数值模拟研究

基于ROMS海洋数值模式,对渤海、黄海、东海的潮汐、潮流进行数值模拟,模拟结果与91个沿岸验潮站的实测结果拟合较好。研究表明,渤、黄、东海内的潮波以半日潮为主,共有4个半日潮、2个全日潮和1个退化的半日潮旋转潮波系统,且都呈逆时针方向旋转;渤海的半日潮流主要呈顺时针方向旋转,全日潮流呈逆时针方向旋转,黄海的潮流以逆时针旋转为主,东海、朝鲜海峡潮流以顺时针旋转为主;半日分潮流共有13个圆流点,K1(O1)分潮流有10(9)个圆流点,但全日潮流的同潮时线分布较为复杂;太平洋传入东海的4个主要分潮潮能通量分别为118.341GW、19.525GW、5.630GW、3.871GW,一半以上的潮能耗散在南黄海,30%—40%的潮能耗散在东海,其次是北黄海,而渤海最小。     

非均匀密度层结内潮射线生成与传播的实验研究

本文通过实验室实验的方法,探讨了非均匀密度层结下内潮射线的生成与传播规律。利用粒子图像测速技术(PIV)对流场进行测量,并计算了内潮能通量。实验结果表明,无转折深度时,内潮射线传播至不同浮频率水层会发生折射,向上传播时有能量聚焦现象;转折深度高于地形高度时,在浮频率大于强迫频率的上层流体中仍有内潮射线生成,但能量较弱,水平通量的深度积分相对于无转折深度时更小,且地形越高越容易在上层激发内潮射线。对水平流速做经验正交函数(EOF)分解,得到的主要模态与内潮斜压模态有很好的对应性。     

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。     

台湾东北部地形共振对M2内潮演化影响的数值模拟研究

<正>压潮流、突变海底地形和稳定层结结构是内潮生成的主要因素。台湾东北部海域地形结构多变,正压潮流较强,形成复杂的内潮场。本文通过ROMS(Regional Ocean Modeling System)模式,研究了台湾东北部海域两源区共振条件下内潮的生成、传播和耗散混合过程。结果表明:在台湾东北部海域,Mien-Hua海底峡谷与I-lan海脊是M2内潮重要的生成源区,源区之间的距离与M2内潮水平波长相当,满足共振条件并增强了内潮的生成和耗散。本文通过敏感性试验,探讨模式水平分辨率与不同季节的层化对源区共振过程的影响,数值实验表明,高分辨率的数值模式可以更好地刻画小尺度的地形结构,对复杂地形条件下内潮生成和传播过程的数值模拟十分必要;不同季节的海水层化结构在本质上不改变两源区间的共振关系,但层化强弱对内潮能量的生成具有一定程度的影响。