热带太平洋平均环流数值模拟

用中国科学院大气物理研究所发展的高分辨率自由表面热带太平洋环流模式(区域为南北纬30°,经纬圈方向水平分辨率分别为1°和2°,垂直方向分为不等距14层),在观测到的海表面风应力和热量及淡水通量驱动下,对热带太平洋平均环流进行了数值模拟.结果表明,模式成功地模拟了海面起伏中赤道槽、赤道脊、北赤道逆流槽及中小尺度涡旋(如棉兰老涡)系统等分布;与这些槽脊分布相对应的北赤道流,南赤道流和北赤道逆流等热带流系;对气候有重大影响的海表温度分布;次表层温跃层结构和赤道潜流等.文中特别讨论了海面起伏与模式其他变量场间的关系及其应用.     

浅海中的平滑平均声场

浅海声传播问题虽然已进行过许多研究,但由于浅海声场往往包含大量简正波或射线,形成复杂的空间干涉结构,计算起来十分困难.实践表明,由于海洋环境与实验条件的不稳定性,使复杂的干涉结构很难与实验相吻合.有时实验点落在图1所示的理论曲线附近就认为是理论与实验基本一致,而不能验证曲线的精细结构.这种情况下人们就考虑用比较简便的方法计算声场的空间平滑结构,以避免繁琐的数值计算.     

浅海简正波数值声场

本文讨论了在给定海底界面反射参数时,浅海声场简正波本征函数,实本征值,归一因子及筒正波指数衰减因子的数值计算方法,对于高声速海底,给出了由P、Q两个参数描写的小掠射角反射特征的简正波声场数值程序,在程序中采用了“两步分选及黄金分割法”的技巧,最后,文中给出了计算实例以及与实验结果的初步比较。     

渤海潮混合数值模拟 Ⅰ.渤海主要半日分潮的数值模拟

渤海为内陆海湾,仅以一海峡与北黄海相通。天体引力作用下的周期性海水运动是渤海海水运动的主要形式之一。因此,研究渤海潮流对污染物稀释扩散,迁移输送的规律是环境保护研究工作中的重要课题。渤海是以半日分潮性质为主的海域。因此本文着重讨论渤海半日分潮的数值模拟问题,以便在此基础上求解扩散方程式,进而得到污染物在主要半日分潮流作用下的空间分布状况。     

福建沿岸上升流数值研究 Ⅰ.台湾海峡潮汐、潮流的数值模拟

台湾海峡内的潮运动是相当强烈和复杂的,一方面由于自海峡外传入的两支太平洋潮波在海峡内传播、相汇,形成强烈的潮运动;另一方面海峡内地形的复杂和岸线的曲折又使海峡内潮汐、潮流的分布变得特别复杂。自80年代以来,国内学者对海峡内的潮汐、潮流进行了不少研究(丁文兰,1983;方国洪等,1985;叶安乐等,1985,1986;李立等,1990；陈新忠,1983;郑文振等,1982),并获得了有价值的成果。但是,他们对海峡内潮运动的过程、性质等尚有许多不同的看法。例如,关于M2分潮最大流速同潮时线的分布状况,以上学者的结论各不相同,有的甚至差异很大。对海峡内M2分潮最大流速同潮时线聚点(即圆流点)的问题也有两种观点。关于潮流分布状况,由于实测流资料缺乏,尽管已有的研究在潮流极值区的出现位置上基本达成共识,但在潮流流速量值的大小问题上仍有诸多分歧。 鉴于上述研究现状,为了对海峡内潮汐、潮流的分布状况有更准确、细致的认识,以便弄清海峡内潮过程在上升流形成过程中的作用,本文在已有研究的基础上,重新对台湾海峡内的潮汐、潮流作了数值计算。我们将讨论的重点放在以往研究中有争议的问题上,依据计算结果并结合实测资料提出我们的见解。     

浅海内波及声场起伏数值研究

为探讨声学方法监测(反演)海洋内波的可行性,分析ASIAEX2001亚洲海海洋声学实验定点温度链实验数据,结果表明：实验期间存在M2内潮波、周期10～30min非线性内波现象,并观测到双温跃层同相传播“双非线性内波”。分别对垂直和平行于内波传播方向传播声场进行了数值计算分析。垂直于内波传播方向的声传播计算结果表明：简正波波数时间演化函数的频谱与内波引起的声速剖面变化频谱基本一致;简正波系数(模值)时间演化函数的频谱与内波引起的声源位置处的声速演化函数的频谱基本一致;高阶简正波波数差随时间的变化要比低阶简正波波数差小约1个量级。平行于内波传播方向的声传播计算结果表明：内潮波主要导致相邻简正波间耦合;非线性内波包能够导致跨号甚至垮多号简正波间耦合。讨论了2种海洋内波声学监测方法。     

沿岸海域三维斜压场的数值模拟——Ⅰ、渤海潮流数值计算

本文建立了渤海海域三维斜压场潮流模型。该模型考虑了热、盐效应及密度的空间变化,引入了计算网格无法分辨的湍运动能量,并以M_2分潮为例进行了计算,与实测值比较,获得了比较满意的结果。并对潮致欧拉余流垂直分量的空间变化进行了探讨。     

胶州湾环流和污染扩散的数值模拟——Ⅰ．胶州湾潮流数值计算

对胶州湾动力过程的研究，采用数值模拟方法还是初次。本文立阐述的潮流计算问题，是污染扩散数值模拟的一部分，即图1粗线矢所示的那部分工作。今后还将讨论细线矢所示的风海流、河川遥流对污染物的运输和扩散过程的影响等课题，以期最终能对胶州湾的物理自净能力作出定量估计，并对环境质量作出预报。图1中虚线矢涉及化学、     

胶州湾环流和污染扩散的数值模拟——Ⅰ.胶州湾潮流数值计算

一、前言 对胶州湾动力过程的研究,采用数值模拟方法还是初次。本文阐述的潮流计算问题,是污染扩散数值模拟的一部分,即图1粗线矢所示的那部分工作。今后还将讨论细线矢所示的风海流、河川迳流对污染物的运输和扩散过程的影响等课题,以期最终能对胶州湾的物理自净能力作出定量估计,并对环境质量作出预报。图1中虚线矢涉及化学、生物、地质及其它一些领域的过程,这些过程也是污染调查和防治研究工作的重要课题。     

黄海潮生陆架锋的数值模拟研究

采用海洋三维热结构及环流模式,模拟了黄海在Ｍ２潮流混合作用下,夏季温度的分布和变化特征。从数值研究的角度,对黄海陆架水域的海洋锋现象,诸如苏北浅滩外、山东半岛东端、大连、木浦水域的锋面以及锋面沿岸一侧的表层冷水区的成因及分布进行了探讨,模拟结果再现了黄海陆架锋的潮生性质。     

东中国海环流及其季节变化的数值模拟

关于东中国海环流的研究，国内外学者已做了大量的工作。早期科学家们主要依赖于对温盐资料和少数测流资料的分析研究对渤、黄、东海的环流结构有了较系统和深入的认识。东中国海环流是由一个气旋式的“流涡”组成，东侧主要是北上的黑潮-对马暖流-黄海暖流及其延伸部分；西侧为南下的沿岸流系。黑潮对东中国海环流的影响是如此之大，以致于除了某些局部区域外，上述海域主要流系的冬、夏季分布形式比较相似而无本质上的差异(胡敦欣等，1993)。但本文所研究海域正处于世界上最显著的季风区，冬、夏季盛行风向基本相反，过渡季节(春、秋季)风向多变，风力减弱；海洋热盐结构季节变化明显(如冬季混合强，而夏季层化明显等)，这些因素都使得东中国海环流存在着较明显的季节变化。 自20世纪80年代以来，东中国海环流的数值模拟工作逐步展开，并已成为研究环流结构及其形成机制的强有力工具。但由于数值模式本身以及计算方案的缺陷(如有些学者用固定的风场、温盐场对东中国海环流进行诊断模拟等)和观测资料的不足，数值模拟的结果难以得到验证，渤、黄、东海的环流研究中仍有大量的问题存在争议，以待澄清。例如，台湾暖流的来源、流径;对马暖流的来源;夏季黄海暖流的流径以及黄海冷水团环流等均有不同的论述。对黄、东海环流季节变化的数值模拟工作也较少，多用冬、夏典型月份的风场强迫积分至稳定态，给出冬、夏季环流，这种做法值得商榷。三维环流模式很难在1个月内达到稳定态，尤其是夏季层化明显、风力减弱的情况下，非常定风场的影响更应引起人们的重视。 本文采用比较符合实际的计算方案，用年循环风场和海面热通量场为外强迫，对渤、黄、东海的环流及其季节变化进行了模拟，并对一些争议问题进行了探讨。     

渤海海冰漂移过程的数值模拟和试验

建立了一个包含潮流作用的准定常海冰动力学模式，利用实测风资料和计算的潮流场对辽东湾中部的冰块漂移过程进行数值模拟，模拟的冰块漂移过程和实况基本一致。表明模式具有反映冰漂移过程动力特征的能力。通过对各动力因子的数值试验，说明引入潮流作用的必要性，并分析了各动力因子在冰漂移过程中的作用。     

冬季东中国海环流中的中尺度涡旋数值模拟

采用高精度的POM模式 ,考虑了海底地形、外来流、长江径流、海面风应力、海面热通量等多方面因素的影响 ,模拟了冬季东中国海环流结构。模拟结果显示 :在黄海东部很可能存在两个涡 ,中心分别在124°37′E ,37°N ,124°E ,35°30′N ;东海北部存在一个大型的气旋式涡旋 ,其中心位置在125.1°E ,30.5°N附近 ,该涡旋是由东北向的台湾暖流、西北向的黄海暖流及南下的沿岸流组成的封闭结构 ;日本九州以西黑潮入侵分支形成一涡旋 ,黑潮分支是形成此涡旋的直接动力因素 ,另外地形和冬季盛行的偏北风也对该涡旋的形成有一定正面影响。     

渤海冬季三维环流数值模拟

基于冯士笮所给出的一种浅海环流模型，采用数值方法，对渤海冬季进行环流的数值模拟，给出了冬季三维风生环流和正压环流（含潮余流）。分析了潮致Ｌａｇｒａｎｇｅ余流对冬季环流的贡献及黄海暖流余脉对渤海冬季环流的影响。最后对风生环流和正压环流的特征进行了分析和讨论。     

渤海COD分布特征季节变化的数值模拟

基于三维斜压水动力和水质模型,以我国1970年代未污染调查资料为背景,用ARCINFO提取出渤海的各参量的初始场,较准确地模拟了1978年整个渤海及北黄海海域表层COD迁移、降解及沉降的过程,为以后对渤海的短期及长期水质诊断和预报研究工作奠定了基础.     

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。     

南海东北部夏季逆风流数值模拟

以１９３９－１９７８年７月平均风场代表夏季风，数值求解南海流场对风应力输入的响应。结果表明，即使盛夏仍有黑潮水经巴土海峡流入南海；风应力与陆坡地形相互作用的影响。在１１６Ｅ以西陆坡上占优势，形成辐射上升，生成低水位带及冷水带，其北侧生成夏了逆风流；１１６Ｅ以东陆坡上，黑潮水占优势，具有向北分量流速的黑潮水在那里辐聚下沉形成高水位带及暖水带，其北侧生成东北向顺风流。     

具有负跃层等深度浅海中的平均声强

海水中的声速分布常存在如图1所示的负梯度跃变层(简称负跃层或跃变层)。负跃层对声传播具有“屏蔽”作用:即若声源放在负跃层之上的某点处,则在负跃层之下且离声源较远的任意点处的声强极为微弱,反之亦然。这种负跃层的“屏蔽“作用常为潜艇的活动所利用,所以具有重要的战术意义。因此,找出具有负跃层浅海中的平均声强随距离的下降规律,不仅在理论上很有意义,而且是密切联系实际的重要课题。     

黄海温度锋及断面水温分布数值预报试验硏究

自Simpson和Hunter(1974)在对夏季爱尔兰海的研究中提出潮混合控制潮汐锋的概念以来,人们相继在许多强潮浅水区发现了潮汐锋现象,并做了大量的研究工作,对锋区的流场结构等特征,以及潮汐锋对周围环境的影响等有了更多的了解。在我国,赵保仁(1985)首先提出黄海存在潮汐锋现象,认为冷水团的温度锋可看作是底层的潮汐锋,并可利用近最大潮流流速计算层化参量来确定黄海潮汐锋(从而亦即温度锋)的位置,而且还可以根据已有调查资料和卫星图片揭示它的一些变化规律。他与合作者的一系列研究工作表明:黄海的潮混合及潮汐锋现象对黄海的温盐和水团分布、层化现象、强温跃层的分布变化、黄海的水平和垂直环流有重要影响和直接关系,进而可以推测黄海的潮混合及潮汐锋现象对黄海的物质输运、生态环境等有着重要的影响,因此研究黄海潮混合形成的温度锋和断面温度分布的数值预报方法是非常有必要的。 以往关于潮汐锋的数值研究大多数是诊断模式,用于求解潮汐锋形成以后锋区的环流结构等,而用数值方法模拟潮汐锋的形成和演化的工作却很少。在国外,只有王东平等(Wang et al.,1990)用二维模型,对垂直涡动扩散和粘性系数采用Munk-Anderson格式与湍流封闭格式嵌套的方法以反映边界层的作用,利用实测的大气强迫力和数值计算的潮流模拟了英国Celtic海的潮汐锋和海洋层化的变化问题,尚未涉及潮汐锋的形成过程。在国内,Bi和Zhao(1993)用一个二维数值模式对黄海34°N的潮汐锋进行了模拟,较好地模拟了从4月到8月潮汐锋的形成和演化过程。在此基础上,我们将进一步利用潮流分布及海面的热量和动量输入条件,以垂直均匀状态为初始条件,模拟黄海各主要断面的温度分布、温度锋和温跃层在增温期的形成和演化过程。