南黄海非线性内波的数值模拟研究(2)——内潮的非线性演变

在本工作的先行部分的基础上,本文中考虑第一模态半日内潮波分别从A站位(34°4′N,125°6′E)和B站位(36°34′N,123°51′E)向西、西南和西北方向的反射和非线性演变过程,使用的数学物理模型为适用于连续层化海洋并且考虑背景正压落潮流与涨潮流不同作用的一般化的KdV模型(简称之为GKdV模型)。模拟结果表明,南黄海的内孤立波集中分布于南黄海的南部,而在其北部极少出现内孤立波的主要原因是在南黄海的南部存在较强的背景斜压环流和很强的背景正压潮流,而且在涨潮时段(相对于朝鲜半岛的西海岸而言)背景斜压环流和背景正压潮流的方向基本相同,而在南黄海的北部这2种背景流都很弱。另外,由于出现高达0.75 m/s的正压潮流,自A站位向西北方向传播的半日内潮波处于不稳定状态。     

南黄海潮流和潮余流的数值计算

一、引言南黄海是一个平均深度不超过45米的陆架浅海。其独有的地理条件,使该海域潮运动独具特征。早从本世纪三十年代开始,日本学者就已对黄海的潮汐进行了研究。近年来,我国、苏联、日本和南朝鲜等国学者又运用数值计算等方法进一步探讨了该海域的潮汐、潮流运动。然而,这些研究多偏重于揭示海域潮波运动的规律。对潮流的计算基本上未经实测资料校核。尤其是,对于由潮流的非线性效应所产生的潮汐余流研究甚少。为了更     

北黄海内潮对潮流垂直结构的影响

中国近海,潮流占支配地位,在跃层存在的季节,实测潮流的垂直结构相当复杂.本文将实测潮流分解为平均正压潮流和变差潮流两部分,提出了从能量构成及分配研究潮流垂直结构的方法,并借此方法研究了北黄海实测潮流的垂直变化情况.分析表明:实测潮流的能量之所以在跃层附近集中主要是内潮所致.跃层两侧内潮流的方向相反,这在一定条件下可以导致跃层两侧实测潮流椭圆的旋转方向相反.平均正压潮流与变差流的交叉作用,在潮流垂直结构的形成中起着重要的作用.正是这种作用导致潮流能量在整个水柱中的不均匀分配.在跃层上侧的内潮流与整个水柱中变差流之间的总能量比率,比在跃层下侧的内潮流与该变差流之间的总能量比率要大.以强内潮区(L4站)为例:对于全日潮频率,上述对应的比率各为38.82%和29.88%,内潮流的总能量约为变差流的68.70%;对于半日潮频率,上述对应的比率各为26.61%和19.73%,内潮流的总能量约为变差流的46.36%.     

南黄海西部初夏潮致-风生环流的数值模拟

基于有限体积方法的海洋数值模式FVCOM,计算了南黄海西部六月份潮致余流及风生环流,分析了潮致余流、初夏风生环流各自的环流结构,得出六月份该区域风生环流占主导,偏南风的作用较为显著,潮致余流相对较弱。最后将风和潮汐进行耦合计算,得出该区域初夏的环流结构,表层海水大体为由南至北的流动,说明该区域风力为主要驱动力。计算结果与流速及环流实测资料吻合较好,为进一步研究浒苔的漂移轨迹等奠定了动力基础。     

苏北南黄海潮成沙体的发育条件及演变过程

典型钻孔的层序地层、沉积磁组构、碎屑矿物等的分析资料以及古河谷的地质雷达探测资料等的综合研究表明,苏北南黄海潮成沙体是全新世海退以来形成的,辐聚辐散的潮流和长江、黄河的供沙是其主要发育条件.辐聚辐散的潮流场是南黄海固有的,至少在苏北亚近代潮成沙体发育之初就已存在.大河供沙主要发生在全新世海退期,海退前长江不可能向苏北岸外海域大量供沙,更不可能在港岸外形成三角洲.潮成沙体的演变主要受长江、黄河的供沙率控制,大致经历了雏形发育、高速建设、动态调整等3个阶段.     

南黄海多次波特征及其速度分析

南黄海地区地质条件复杂,海水浅,海底多次波和层间多次波发育且与有效反射波混合在一起,使之真假难辨。通过已有的w5-stl井的测井岩石物性分析,建立2D地质模型,利用有限差分法实现全波场模拟地震记录。通过分析模拟地震记录的速度特征可以看出,1800ms以下的深层能量团变化不大,这说明多次波能量太强,有效反射太弱,致使我们看不到有效的能量反射。通过波场快照并结合多种识别多次波的方法可以看出,与T7界面有关的短程多次波比较发育,严重干扰了有效反射。实际地震记录的速度特征和我们模拟的地震记录的速度特征基本一致,都是多次波强能量团严重干扰了有效波的反射。可以通过预测反褶积、波动方程延拓以及τ-P变换来有效衰减多次波。     

西南黄海M2分潮的数值模拟

本文采用普林斯顿大学海洋模式(POM)结合中国海军司令部发布的海图地形资料, 对西南黄海M2分潮进行了三维数值模拟。利用近岸4个验潮站水位资料和一组2008年夏季鲁南海槽中30m水深处潜标测流资料, 对模拟的潮汐和潮流结果进行了对比。模式模拟的M2分潮振幅与青岛、石臼所和吕泗这三个验潮站的实测资料符合良好; 但与连云港验潮站的实测振幅相比, 模拟振幅明显偏小, 推断主要原因是连云港港口实际水深值与海图地形中的水深值相差较大, 造成模拟结果的偏差。模拟的潮流结果与潜标测流资料在上层和中层较接近, 模拟的近底层潮流结构与实测资料相比存在较大偏差, 推断是由于模式的垂直混合系数误差造成的。使用该模式研究了西南黄海M2分潮对模式地形的敏感性, 发现采用海图地形数据和ETOPO5地形数据所模拟的西南黄海潮汐和潮流有显著不同。使用较平滑的ETOPO5地形数据所模拟的结果中, 西南黄海近岸海区M2分潮振幅偏小、相位偏大、潮流偏弱。研究表明, 鲁南海槽的存在增大了海州湾的潮汐振幅, 苏北浅滩对向南传播的潮波起到了阻挡作用。以上两个西南黄海近岸海区地形的重要特征在ETOPO5地形数据中没有被体现出来, 因此造成模拟误差。     

南黄海海域风暴潮精细化数值模式研究

基于目前国际上应用广泛的ADCIRC水动力模型在南黄海海域建立了重点岸段网格分辨率达到100 m的精细化风暴潮数值预报模型,该模型采用非结构三角网格及并行计算技术,能够准确地刻画出南黄海海域复杂的岸线分布和地形情况。通过对历史典型台风风暴潮和温带风暴潮的模拟、预报检验发现:台风风暴潮的后报平均相对误差为14%,温带风暴潮24 h预报平均相对误差为12.9%。     

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.     

北黄海北部海域潮余流的模拟研究

基于二维水动力模型,在仅考虑潮流作用条件下,通过计算欧拉余流和拉格朗日余流并结合粒子追踪方法研究了辽宁大连—朝鲜龙渊郡连线北侧的北黄海北部海域的潮余流结构和粒子运移的趋势。结果表明:欧拉余流和拉格朗日余流流速整体较小,呈现由南向北的流向,但在獐子岛及长山群岛的附近岛屿和朝鲜半岛沿岸的海域欧拉余流和拉格朗日余流流速较大。对比粒子追踪计算的结果与欧拉余流和拉格朗日余流的结果表明,流向与粒子运移路径基本一致。该海湾的余流及粒子运动规律特点对辽东半岛东岸及朝鲜半岛西侧海域的排污及污染控制有重要的借鉴意义。     

考虑内潮耗散的南海M_2分潮伴随同化数值模拟

建立南海潮波模式及其伴随同化模式,在传统二维潮波方程的基础上加入了内潮耗散项,考虑了内潮耗散对南海潮波系统的影响,在前人工作基础上,改进了内潮耗散参数化方案,并给出内潮耗散项中地形效应参数的计算公式;通过对比,本文的参数化方案比前人参数化方案能取得更为合理的模拟结果。以63个验潮站和24个TOPEX/Poseidon卫星高度计轨道交叉点处的调和常数作为观测值,利用伴随同化方法来优化模式中的底摩擦系数和内潮耗散系数。为了寻求最优的优化方案,设计了7组数值实验。实验结果表明,实验7先优化内潮耗散系数再优化底摩擦系数的模拟结果最优。利用实验7的模拟结果分析了南海M2分潮的潮波特征,与前人结果基本一致。     

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...     

2022年南黄海绿潮分布与浮游生物群落关系初探

本文以2022年南黄海(119 °E~122.5 °E, 34.5°N~37°N)表层海水浮游生物为对象, 利用高通量测序技术分析绿潮期间浮游生物群落结构特征,同时对环境要素进行调查,综合分析环境与浮游生物分布之间的潜在关联, 为掌握南黄海绿潮的生态效应提供依据。结果表明, 2022年7月上旬调查期间南黄海绿潮浒苔生物量湿重估计值为7.24×10⁴吨, 分布特征为以山东近岸以及海州湾附近为主要堆积处, 浒苔生物量、浮游植物以及浮游动物与溶解性无机磷酸盐均有着显著的正相关性。浒苔覆盖区域中, 浮游植物和浮游动物都有着较高的丰富度, 甲藻和桡足类为主要优势种, 属水平下包括: 新角藻、未分类到属的共甲藻、薮枝螅水母、尖头溞等。与无浒苔覆盖的区域相比, 该区域优势种相对单一, 导致次生灾害发生的可能性大。浮游细菌群落调查中发现脱硫单胞菌纲和优势种γ-变形菌纲都与浒苔生物量有着紧密的联系, 其中脱硫单胞菌与浒苔生物量呈显著性正相关, γ-变形菌纲与浒苔生物量呈显著性负相关。相关性分析表明, 浮游细菌多样性与环境中总溶解性氮、磷以及溶解性有机氮呈显著性相关, 结合浒苔与环境因子相关性分析, 浒苔绿潮的发生可以为某些浮游细菌提供生长所需的营养物质。共线性网络分析表明, 在绿潮发生的浒苔覆盖区域, 浮游生物丰富度高且关系紧密复杂, 因此浒苔绿潮对浮游生物的群落结构以及丰富度有潜在的影响。     

南海北部反气旋涡对内孤立波传播的影响研究

海洋内波具有振幅大、流速强和周期短等特点,可对海上施工和水下作业安全造成严重威胁。南海北部陆坡海域是内孤立波和中尺度涡频发的海域之一,研究中尺度涡对内孤立波传播的影响对深入了解南海北部内孤立波在反气旋涡过境时的传播特征、提高该海域内波预报准确性具有重要意义。基于此,本文利用布放于南海北部东沙群岛西侧陆坡海域的潜标观测数据,针对2017年3月一个反气旋中尺度涡经过潜标站位的过程,探讨了中尺度涡对内孤立波传播的影响。结果表明：①受反气旋涡影响,内孤立波的平均振幅减小28.6%,其主要原因是中尺度涡导致等温线下压,进而对内孤立波的振幅产生抑制作用,其影响过程可用趋浅温跃层理论描述。②反气旋涡影响期间,内孤立波的平均波速由1.26 m/s增大到1.47 m/s,增幅约16.7%,反映了反气旋涡对内孤立波波速的强化作用,这种强化作用主要是由中尺度涡边缘流场引起背景流场变化所致,而中尺度涡引起的温盐场变化对内孤立波波速的影响相对较小。     

南海东北部C型内孤立波的观测与分析

基于布放在南海东北部陆坡海域的5套潜标观测到的内孤立波波列数据和孤立波扰动KdV(PKdV)理论,研究内孤立波在趋浅陆架上的传播特征。得出如下结果:1)观测到的内孤立波属于C型内孤立波,即平均重现周期为(23.41±0.31)h。2)内孤立波在西传爬坡过程中,其振幅表现为先增大后减小再增大,与该海域温跃层深度的变化趋势一致;由观测数据和理论计算得到的孤立波振幅增长率(SAGR)数值接近,表明该海域的内孤立波的振幅变化可以采用由孤立波PKdV方程导出的趋浅温跃层理论来描述。3)随着水深变浅,内孤立波传播方向向北偏移,传播速度减小,即在A,B和D站位,传播方向分别为279°,296°和301°,偏转角度达22°;传播速度分别为2.36,2.23和1.47 m/s,减小38%。     

渤、黄、东海8个主要分潮的数值模拟研究

应用MIKE数值模拟软件,采用无结构三角形网格,建立一套计算区域包括整个渤海、黄海、东海以及东海大陆架和琉球群岛的高分辨率数值模型,考虑了实际水深和岸线,外海开边界采用西北太平洋大模型结果的潮位提供,模拟了东中国海潮波的波动过程,对潮波垂直运动过程进行调和分析,得到了渤海、黄海、东海的M2,S2,K1,O1以及N2,K2,P1,Q1八个主要分潮的传播和分布特征。利用中国沿海14个潮位站的调和常数对模型结果进行了验证,验证结果显示模型较为准确可靠。研究结果表明:4个主要半日潮(全日潮)在渤、黄、东海的传播情形基本相似,即潮波在渤海、黄海、东海沿岸的传播性质上类似沿岸开尔文波的传播形态,并且成功再现了计算海域的4个半日分潮无潮点和2个全日分潮无潮点。全日潮振幅各无潮点附近振幅最小,而海湾的波腹区振幅最大,东海潮差呈现近岸方向振幅大、离岸方向振幅小,浙闽沿海振幅也较大,黄海振幅相对较小,渤海振幅在辽东湾和渤海湾顶最大,两个无潮点周边振幅较小。     

南黄海海域的海相中-古生界油气远景

南黄海海域油气勘探近40年成果证实，处于扬子地块之上，除缺失志留系上统和泥盆系下统，发育了较完整的中、古生代海相地层，厚度大，分布广。结合我所近几年来地震、地质研究成果，阐述本区海相中、古生界分布残存情况及生储盖特征，研究认为，南黄海中、古生界海相烃源岩具有较好的含油气勘探前景。     

末次冰消期以来渤、黄、东海陆架潮汐、潮流演变过程模拟研究

末次盛冰期结束、海侵开始后渤、黄、东海陆架潮汐、潮流的演变对该区泥沙的输运与沉积 ,以及海底地貌的形成、分布以及演变等具有深刻影响。文中数值模拟末次冰消期以来 4个特定时期 ,即比现在海面低 80 m、5 2 m、30 m海面以及全新世最大海侵时渤、黄、东海陆架的潮汐、潮流。根据不同时期的潮汐、潮流分布特征得出 ,末次冰消期以来渤、黄、东海陆架潮汐、潮流的演变过程大致以全新世最大海侵为界划分为两个阶段 :1全新世最大海侵前为渤、黄、东海陆架潮汐、潮流基本分布格局的形成阶段 ;2全新世最大海侵后 ,为基本分布格局的局部调整阶段。末次冰消期以来基本海岸轮廓的变迁是渤、黄、东海陆架区潮汐、潮流演变的主要控制因素     

南黄海地球物理调查研究现状

总结了南黄海地区开展的地球物理调查和研究的工作状况,对调查研究所取得的成果进行了分析研究。针对深部地球结构、前新生代盆地形成与演化、沉积盆地范围与含油气构造等存在的诸多问题,就如何进一步开展地球物理调查研究工作,早日实现南黄海油气突破的思路和方法做了探讨。