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。     

基于HYCOM的南海中尺度涡数值模拟

结合AVISO(Archiving Validation and Interpolation of Satellite Oceanographic Data)高度计资料,利用改进的NERSCHYCOM(Nansen Environmental and Remote Sensing Center-Hybrid Coordinate Ocean Model)大洋环流模式,对南海中尺度涡进行数值模拟研究,主要包括中尺度涡的三维结构、南海EKE(Eddy Kinetic Energy,涡动动能)的垂向变化、黑潮中尺度涡的脱落以及涡旋近岸时的结构变化等。模式再现了2007年2月-3月菲律宾西侧海域的一次暖涡过程,探究了其生命期中各阶段的特征物理量的变化,对其成熟时期的涡旋结构研究表明,中尺度涡的结构呈现不对称性,涡旋两侧的流场空间范围和流场强度均不相同,涡旋的半径和中心位置随深度不断变化,并且由涡旋作用产生的升降流的中心与涡旋自身中心并不重合,二者之间有一定距离。初步探索EKE的垂向分布情况,认为南海年平均EKE在垂向变化上呈现三段式,主要部分分布在300m以浅深度,但同时垂向又能达到海洋深层。分析了一次黑潮中尺度涡脱落的模式模拟个例,推测黑潮中尺度涡脱落原因:黑潮流径西移、外海中尺度涡对黑潮的强迫、地形作用,并且结果表明从黑潮脱落的中尺度涡可以携带大量高温高盐水体进入南海,对南海的温盐性质产生很大的影响。初步探索涡旋近岸时的结构变化,涡旋靠近岸界时,受岸界挤压,流速在一段时间内会增大,继续靠近岸界,由于岸界的摩擦、海底的拖曳,导致能量耗散,流速减小,最终涡旋消亡。     

南海北部中尺度涡与内波相遇的特征分析

基于2009年12月~2010年4月南海北部大陆坡上东沙岛以西的一套潜标资料,分析一个中尺度涡与内波相遇时海水温度的变化特征。根据潜标上的温压记录,利用功率谱分析,发现潜标布放处存在周期为20~30 min的内孤立波及全日和半日周期的内潮;结合海表面高度异常资料,描述此处一个中尺度涡的经过过程。利用天文潮大潮发生的时间规律,推断出中尺度涡与内波的相遇,从而解释了压力记录的异常变化。根据中尺度涡与内波各自引起的海流流向,分析在本次观测中两者相遇时的共同作用所引起的海水温度的垂向变化,即当两者引起的流向相反时,内波引起的日周期等温线波动由上凸型弧状变为下凹型弧状,短时震荡由向下振荡变化为向上振荡。     

基于遥感的南海北部中尺度涡对内孤立波传播的影响

海洋内孤立波和中尺度涡是南海北部常见的中尺度动力过程。本文利用2010−2015年的Terra/Aqua-MODIS、ENVISAT ASAR和多源卫星高度计资料开展了南海海洋内孤立波和中尺度涡遥感探测研究,分析了中尺度涡对内孤立波传播方向的影响。结果表明,中尺度涡和内孤立波主要在南海东北部海域共存,当二者共存时,气旋（冷涡）促使内孤立波偏离原来的传播方向,向西偏南方向传播;反气旋（暖涡）促使内孤立波向西偏北方向传播,气旋与反气旋改变的内孤立波传播方向刚好相反。内孤立波和中尺度涡共存时间主要集中在3−9月,其中,3月受气旋和反气旋的共同作用,内孤立波传播方向几乎无变化;4月和5月,主要受气旋影响,内孤立波偏离原来传播方向向南传播;6−9月,主要受反气旋影响,内孤立波偏离原来的传播方向向北传播。本文利用遥感手段探索了海洋中尺度涡对内孤立波传播方向的影响,结果与现场观测结果一致。     

黑潮对吕宋海峡全日内潮生成与传播影响的数值模拟研究

基于一套环流-潮汐耦合模型的模拟结果,本文探究并比较了2015—2016年的三种黑潮形态下,吕宋海峡全日内潮以及全日非相干内潮生成与传播的空间分布特征。结果表明,当黑潮以流套形态流经吕宋海峡时,全日内潮非相干性最强,具体表现为全日非相干内潮能量生成最大,全日内潮的传播速度变化率最大。由于传播速度的变化会改变全日内潮的位相,进而会影响全日内潮的非相干性,导致在吕宋海峡内全日内潮的非相干性最强。本研究结果对理解黑潮背景动力过程下吕宋海峡内潮的时空变化有重要意义。     

涡分辨率模式模拟的南海中尺度涡旋

Mesoscale eddies(MEs) in the South China Sea(SCS) simulated by a quasi-global eddy-resolving ocean general circulation model are evaluated against satellite data during 1993–2007. The modeled ocean data show more activity than shown by the satellite data and reproduces more eddies in the SCS. A total of 345(428) cyclonic eddies(CEs) and 330(371) anti-cyclonic eddies(AEs) generated for satellite(model) data are identified during the study period, showing increase of ~24% and ~12% for the model data, respectively. Compared with eddies in satellite, the simulated eddies tend to have smaller radii, larger amplitudes, a slightly longer lifetime, faster movement and rotation speed, a slightly larger nonlinear properties(U/c) in the model. However, the spatial distribution of generated eddies appears to be inhomogeneous, with more CEs in the northern part of SCS and fewer AEs in the southern part. This is attributed to the exaggerated Kuroshio intrusion in the model because the small islands in the Luzon Strait are still not well resolved although the horizontal resolution reaches(1/10)°. The seasonal variability in the number and the amplitude of eddies generated is also investigated.     

南海中尺度涡对深层流调控作用的个例研究

南海深层环流作为印太海域热盐环流的重要组成部分,研究其时间变异特征对于深入认识印太海域大洋环流具有重要意义。中尺度涡作为南海极为活跃的动力过程,有观测显示其影响深度可超过2000m。结合海表面高度计资料与潜标观测资料,识别南海区域中尺度涡,并分析了中尺度涡对深层流场以及温度场的影响。针对三个中尺度涡的潜标实测结果表明:在涡旋经过时,海洋深层流动有明显的变异,表现在速度、温度方面,速度增加量能达到5.5cm/s,温度变异可达到0.02℃。涡旋经过时,海洋上层、深层流向呈相反态势,第一斜压模动能显著增强。     

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。     

南海东部中尺度涡生成机制

利用高度计海面高度异常数据和非线性1½层约化重力模式研究了南海东部中尺度涡的生成机制。模式结果表明,南海内区风场是南海东部中尺度涡生成的主要驱动力,且南海内区高频风场能解释约54%的南海东部中尺度涡。从西太平洋传来的信号同样有十分重要的作用,由西太区域高频风场大致能解释南海东部40%的中尺度涡。风驱动的赤道附近的海面异常信号能经过锡布图通道和民都洛海峡传播到吕宋岛西海岸,其中有部分能量会以罗斯贝波的形式往西传播。这种信号在西传的过程中会发生不稳定,可能形成孤立的涡旋。     

南海北部台风和中尺度暖涡对近惯性振荡的影响

基于2014年8-9月南海北部东沙群岛附近海域两个临近站位(站位A,20.736°N,117.745°E,水深1 249 m;站位B,20.835°N,117.56°E,水深848 m)的潜标数据,研究了台风过境所激发的近惯性振荡的特征,分析了中尺度暖涡对近惯性频率的调制及其对近惯性动能分布和传播的影响。站位A(B)142(175) m以浅,近惯性频率由0.710 1(0.713 3)周/d红移至0.659 2周/d,频率减小了7.2%(7.6%),观测结果与两个站位所处的背景涡度相吻合。中尺度暖涡改变了水体层结状态,两个站位的近惯性动能在不同层结中被改变了0.5～3倍。水体层结对能量的折射作用使得站位B的近惯性动能在深度158～223 m之间衰减较少,而站位A的近惯性动能则随着深度的增加快速减小。站位A和站位B近惯性内波的垂向群速度分别约为15.2 m/d和14.1 m/d。如果忽略近惯性动能的水平辐散,近惯性内波的垂向传播分别造成了两个站位垂向上约47%和38%的近惯性动能衰减。     

南海中尺度海洋现象研究概述

南海是一个地形复杂的半封闭海盆，受季风，黑潮等因素的作用南海呈现独特的中尺度变异特征，一些中尺度信号的强度可以和南海定常环流的强度相比拟，甚至更强，本文回顾了近20a来南海中尺度海洋现象研究的进展，并就南海的黑潮入侵，黑潮涡环，次海盆尺度多涡环流，浅海亚潮波动，近岸陷波，海洋锋等中尺度现象做若干探讨。     

冬季南海北部中尺度涡旋的数值研究

南海环流的一个主要特征是上层海洋环流具有多涡结构,海洋中尺度涡旋的演变(时间上的生消和空间上的迁移)是南海环流季节调整的可能方式。文中依据卫星遥感海面高度资料和实际海洋观测所揭示的南海北部存在中尺度涡旋体系的基本事实,采用一个改进了涡分辨(eddy-resolving)普林斯顿海洋模式(POM),对冬季处于强盛的东北季风强迫以及黑潮在巴士海峡入侵的共同作用下的南海北部环流的中尺度涡旋体系进行了数值研究,初步再现了冬季南海北部中尺度涡的生命史。计算结果表明,在实际的气候冬季风应力驱动下,具有的实际侧边界地形的南海北部呈现有强烈的中尺度涡旋。文中探讨了中尺度涡的垂直结构、温盐场的配置以及大尺度水平辐合辐散、海洋垂直运动与之相关的时空结构。由此可以得知,在冬季南海北部中尺度涡旋生命史的不同阶段,上述动力学因子的重要性是相对的。不同的敏感性试验表明,斜压调整是形成冬季南海中尺度涡旋体系的决定性因子;边界的入流和风应力驱动是影响中尺度涡旋运动的主要因素。     

南海北部相干内潮和非相干内潮演变特征

通过南海北部跨越陆坡和陆架区的3套潜标数据,对全日和半日相干、非相干内潮的动能变化特征进行了研究。研究表明,全日内潮沿陆坡区向陆架区传播的过程中,在陆坡区主要以全日相干内潮生成为主,平均动能生成率为2.32 J/（m3·s）;在陆架区以全日相干内潮耗散为主,平均动能耗散率为0.44 J/（m3·s）。全日非相干内潮动能在陆坡和陆架区均增长,平均动能生成率分别为0.39 J/（m3·s）和0.03 J/（m3·s）。全日与半日相干内潮动能在陆坡和陆架区的表现不同,陆坡区的全日相干内潮动能明显大于陆架区的全日相干内潮动能,而半日相干内潮动能在陆坡和陆架区没有明显差别;陆架区的全日和半日非相干内潮动能要大于陆坡区的全日和半日非相干内潮动能。     

南海东北部内潮数值研究

导出二维三层（准三维）潮流与起伏地形相互作用而产生内潮波的非线性数学模型，并分别以Ｍ２分潮，Ｋ１分潮为策动潮波，数值求解南海东北部大陆斜坡对策动潮波的响应。结果表明：台湾浅滩南面斜坡对Ｍ２分潮响应最为强烈，东沙群岛东面斜皮次之，其余海域无显著响应；对Ｋ１分潮的响应则以一统暗沙东南面斜坡最甚，其次为东沙群岛东南的斜坡，其余海域响应微弱。     

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。     

黑潮入侵优化对南海北部中尺度涡旋模拟的影响

基于高分辨率海洋环流模式,通过比较吕宋海峡处地形优化后的黑潮入侵形态和强度不同的试验,我们研究了黑潮入侵优化后对南海中尺度涡模拟的影响。我们发现黑潮入侵的减弱导致了涡旋活动的减弱,这使得模式结果与观测结果更为相近。在这种情况下,模式模拟的吕宋海峡西部及北部陆坡区域的涡动动能明显减弱。模式涡动动能的减弱与模式反气旋式涡数量的减少和气旋式涡强度的减弱有关。涡动动能收支的分析进一步表明,黑潮入侵的优化将通过改变水平速度切变和温跃层斜率来改变涡动动能,而这两个参数分别与正压和斜压不稳定性有关。前者在模式涡动动能减弱中起着更为重要的作用,而黑潮入侵导致的涡动动能的水平输送对吕宋海峡西部区域的能量收支同样起着重要的作用。     

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。     

南海北部中尺度涡流预报及应用

南海北部海域是南海中尺度涡的高发区,该海区的多尺度动力过程及相互作用经常对海上工程安全造成重大影响。针对“FPSO-119”海洋工程施工船在2021年5月8日20时左右遇到“怪流”后瞬时大幅度失位现象,在排除内波等其他海洋现象与外因影响的前提下,利用海表面高度异常(SLA)数据、HYCOM模式数据以及现场实测数据,分析认为“怪流”是施工海域内中尺度涡与潮流正向叠加所导致。在此基础上,结合TPXO潮流预报数据,提出了一种将中尺度涡流与潮流矢量叠加的涡流预报方法,并通过FVCOM数值预报,对施工海域的中尺度涡流进行预报。经过与现场实测数据的后报检验,该方法能够反映施工海域内涡流在未来2 d内的主要运动特征,可作为海上工程应对“怪流”的重要参考,在工程应用中结合内波流、风海流等其他信息综合考虑分析,可更好地为海洋工程和船舶航行等提供安全保障。     

南海上层中尺度涡统一三维结构

本文基于归一化合成分析的方法,利用卫星高度计资料和CTD观测资料,在满足静力平衡和地转平衡条件的假设下研究了南海中尺度涡的三维结构,给出了南海中尺度涡归一化之后的三维结构,并与全球大洋中尺度涡统一的三维结构进行对比。结果显示,在1.5倍涡旋半径以外,南海中尺度涡水平结构的收敛速度大约为全球大洋中尺度涡水平结构收敛速度的2.5倍,前者比后者的影响范围要小约1.5倍涡旋半径。由于数据原因,我们仅合成了南海0至800m水深中尺度涡的垂直结构,从垂直结构的合成结果来看,由于受到背景层结和科氏参数的影响,南海与全球大洋各海区中尺度涡的垂直结构具有明显的不同,随着深度的增加,南海中尺度涡垂直结构的衰减速度明显更快。     

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。