长江口M_(2)内潮生成、传播和耗散的机制研究及其季节性特征

河口海域,冲淡水可造成强烈的水体层化,而潮流在层化海水中经过复杂地形时可形成活跃的内潮;内潮引起的输运与混合可对河口海域的物质交换造成重要影响,然而过去对该海域内潮的形成演变机制鲜有研究。为了研究河口海域内潮的形成演变机制,利用高分辨率数值模型深入探讨了长江口及其邻近海域M_(2)内潮的时空特征。结果表明,在20 m等深线、岛屿周边以及水下河谷等区域,正压潮强迫力尤为显著,正压至斜压的能量转换率高,斜压动能强。能量收支分析表明,M_(2)内潮动能主要从近岸区域向外传播,当能量传播至20 m等深线或岛屿周边地形陡峭区域时会发生显著的能量耗散。此外,M_(2)内潮呈现出显著的季节性变化,总体看来斜压动能在夏季最高,秋季在舟山群岛附近较强,而冬季则变得非常微弱,这种季节性变化与长江口海域的季节性层化紧密相关。长江口内潮的时空变化特征可对该海域物质的输运与混合有重要的影响,研究结果可为理解该海域的生态、沉积等过程提供理论依据。

基于潜标观测的南海北部陆架海域内潮时空变化特征

为加深对南海北部陆架区域内潮特征的了解,本文利用位于南海北部陆架海域的2套潜标观测资料,研究了南海北部油气区内潮的时空变化特征。通过提取斜压流速并滤波后发现,LF2站位内潮较强,内潮最大流速为8.32 cm·s^(-1),出现在水下290 m深度处。小波分析和能量诊断结果显示,上述2个潜标观测到的半日内潮能量比全日内潮能量整体上小1~2个数量级。LF2站位处全日内潮以第二模态为主,半日内潮以第一模态为主;LH2站位处的全日内潮以第一模态为主,半日内潮则第一和第二模态并重。上述2个潜标测站全日内潮传播方向接近正N向、半日内潮传播方向多为NW向,但在10月中旬LF2站位处半日内潮传播方向由NW向变为NS向,LH2站位处全日内潮方向由正N向变为NE向。分析实测背景流发现,10月中旬内潮传播方向的改变可能与背景场的变化有关。本文的结果将有助于加深对陆架区内潮的时空特征的认识,促进对南海北部油气区内波时空变化机制的了解。

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。

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。

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2.32J/(m^3·s);在陆架区以全日相干内潮耗散为主,平均动能耗散率为0.44J/(m^3·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0.39J/(m^3·s)和0.03J/(m^3·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。

吕宋海峡M_2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。

吕宋海峡夏季内潮数值模拟

利用三维海洋环流模式MITgcm,对吕宋海峡夏季内潮的生成与传播进行了分析。结果表明,在八分潮驱动的情况下,吕宋海峡夏季生成的内潮能量有4.7GW传入西太平洋,7.7GW传入南海,其中M2分潮最强,K1分潮次之。半日分潮主要在恒春海脊中部和巴坦群岛附近生成,并在传播过程中衰减迅速;全日分潮主要在巴布延群岛西北处及兰屿海脊北部生成,在传播过程中衰减较慢。西传M2和K1内潮主要在兰屿海脊南部生成,且西传M2内潮在恒春海脊北部得到增强,在恒春海脊中部则被削弱。在恒春海脊北部生成的东传M2和K1内潮在经过兰屿海脊时被削弱。恒春海脊使得部分源于兰屿海脊的西北向全日内潮转向西南,形成向南海海盆的内潮分支。

西沙海域内潮与近惯性内波的相互作用

通过使用西沙海域锚定潜标的测流数据,分析了距浣熊台风路径100km处海流受浣熊台风影响前后的动能谱、旋转谱和流剪切谱,从而阐明近惯性波,以及近惯性波与全日内潮波的相互作用机制.台风浣熊之后所引起的近惯性波主要在上250m较强,其能量是普通风场所引起的40倍.近惯性波的能量向下传播至450m左右,与此同时,强的近惯性流的剪切驱动着惯性波与全日内潮波之间的相互作用,从而产生强的近惯性波与全日内波的耦合波(f+D1).此三波耦合机制为Davies的波波相互作用理论提供了观测依据,同时,近惯性内波与全日内潮波之间的非线性相互作用,揭示了南海近惯性波能量耗散的一种机制.

近海陆架区内潮观测研究进展

内潮是近海陆架区内最常见的海洋内波,一般是由正压潮经过特殊地形或海况激发产生,内潮由此具有天文潮周期且出现频率相对稳定。频繁出现的内潮对人类海上活动的影响有弊也有利,它可引发强烈的海水混合或产生上升流,使深层营养盐提升从而形成丰富的渔场;而大振幅内潮或由其演变出的强孤立内波会干扰海洋工程作业,对建成的石油钻井平台和海底油气管道构成严重的威胁;内潮导致的水体扰动还会对海上舰船的行驶产生不利影响。所以对近海陆架区内潮的观测研究一直为人们所重视。对内潮的一些相关特点做了简要介绍,主要论述了国际上近海陆架区内潮观测研究的进展情况,以及近几年来观测方法的最新发展趋势;并着重分析了南海北部海区内潮研究现状,讨论了目前南海内潮观测研究中存在的一些问题,进而提出今后开展进一步观测研究的思路。

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O1、K1全日分潮和M2、S2半日分潮为主,且全日潮强于半日潮;观测海域斜压潮强于正压潮,正压潮O1日分潮潮流振幅最大为4.34cm/s,斜压潮K1日分潮潮流振幅最大为8.70 cm/s。斜压潮潮流椭圆要素随深度变化特征表明斜压潮潮流矢量做顺时针旋转。内潮波水平传播方向基本与观测海域等深线相互垂直,垂直方向具有向下传播的相速度和向上传播的群速度,内潮波能量由深海向海表传播。

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％.

南海北部东沙岛附近的内潮和余流特征

采用东沙岛附近的一个长达9个月的锚定潜标的观测资料对南海北部的正压潮、内潮和余流情况进行了分析,得到了当地正压潮和内潮的特征。此处正压潮流以全日潮为主,秋、冬季相对较大,春季相对较小;正压余流受海盆尺度环流和地形的限制,在潜标观测期间的秋、冬、春三季基本以偏西向的正压流为主。内潮同正压潮一样,也以全日分潮为主,潮流椭圆随水深发生旋转,在110—120m附近存在内潮非常弱的一层。斜压余流在2009年2—3月比较异常,这是由于在此其间有一个中尺度涡经过。对此潜标数据采用经验正交函数分解的方法进行分析,发现海流的各个主要EOF模态与内波的垂向模态结构有一定的关联。

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分潮为策动期波，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，东沙群岛东面斜坡次之，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。

利用TOPEX/Poseidon高度计资料提取的太平洋M_2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10 a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58.4 GW,其中北太平洋对此贡献为30.2 GW,南太平洋为28.2 GW,可见南、北太平洋的贡献是基本相等的.东太平洋的总量为17.8 GW,而西太平洋为40.6 GW,两者差异较大(以160°W作为东、西太平洋分界线).

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。

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 :底形效应是促使内潮产生的重要因子 ;内潮主要在大陆坡产生 ,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。

黄海内潮特征及对声传播的影响分析

针对夏季黄海内潮活动对水声信道的影响问题,提出了将表面潮流研究的最小二乘调和分析方法应用于黄海潮周期内波(内潮)的建模研究,并结合"三层介质的海洋结构模型"建立了黄海内潮满足的频散方程、群速度以及相速度表示.在此基础上数值分析了试验海区内潮对声传播影响的统计特征.研究结果表明,文中给出的内潮模型与观测数据相当吻合,并由此获得了黄海内潮的主要特征:海区潮周期内波占统治地位,M2内潮是造成等温线波动的主要因素;实测内潮位移在深度上的分布与其一阶简正模式相吻合;测量时间内,内潮的时间相关系数大于95%.

高度计资料提取内潮信号的方法

为探索高度计资料提取内潮海表面信号更简便有效的方法,利用1992-2002年共10a的TOPEX/Poseidon(T/P)卫星高度计数据进行处理分析。首先,将10a高度计资料的调和分析结果与历史数据进行比较,验证调和分析方法的可靠性。在此基础上,采用2种不同的多项式拟合方法提取夏威夷海区M2内潮的海表面信号:一种是对振幅A、迟角G分别进行沿轨多项式拟合,另一种是对Acos G、Asin G分别进行沿轨多项式拟合。2种方法的结果对比表明,后者的拟合结果优于前者,且11次多项式拟合的结果最优。

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.

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。