（物理海洋学专业论文）南海季节性环流和上升流过程的数值模拟研究.pdf

摘要 南海季节性环流和上升流过程的数值模拟研究 专业：物理海洋学 硕士生：耿兵绪 指导教师：李适宇教授 摘要 南海环流在季风、海底地形和外海水入侵等因素的强迫下，具有显著的季节 变化规律。上升流作为南海的一个关键物理过程，除受到上述外界强迫因子的制 约外，南海内区的环流状况也在一定程度上影响了海洋上升流过程，使它也具有 显著的季节变化。本文利用一个三维自由表面、原始变量的海洋环流模型 p o m ，对冬夏季的南海环流和上升流过程进行数值模拟。将模式模拟结果与前 人研究成果和卫星遥感数据进行对比，结果表明本模式较好的再现了冬夏季的南 海水动力分布状况。 本论文利用模式模拟的三维流场对冬夏季的南海环流和典型流系进行分析。 结果表明，南海环流具有显著的季节变化规律。冬季南海整个区域为一个海盆尺 度的气旋式环流控制，夏季南海北部仍为一个较弱的气旋式环流控制，而南海南 部海区则为一个闭合式的反气旋式环流控制。对断面流速的分析表明，南海黑潮 分支、南海西边界急流和南沙逆风流等典型流系也具有显著的季节变化规律。 本文还利用模式模拟的三维温度场并结合气候态的w o a 0 1 资料，对南海三 个典型海区的上升流过程进行了研究。结果表明：冬夏季南海北部均存在着上升 流过程，冬季的上升流具有海盆区域的尺度，夏季在西沙群岛附近海洋存在较强 的上升流；冬季越南东部沿岸的上升流，对应着南海海盆尺度的气旋式环流，而 夏季的上升流过程则与越南冷涡和正的风应力旋度有关；冬季南沙西部海区的上 升流过程是南沙气旋涡和地形共同作用的结果，而夏季南海南部大尺度的反气旋 式涡旋导致该海域以下降流为主。 关键词：数值模拟；南海环流；典型流系：上升流；季节变化 a b s t r a c t n u m e r i c a is i m u l a t i o no ft h es e a s o n a lc i r c u l a t i o na n d u p w e l l i n gp r o c e s si ns o u t hc h i n as e a m a j o r ：p h y s i c a lo c e a n o g r a p h y n a m e ：g e n gb i n g x u s u p e r v i s o r ：l r o l is h i y u a b s t r a c t o c e a nc i r c u l a t i o ni nt h es o u t hc h i n as e ae x h r b i t sc o n s p i c u o u ss e a s o n a lv a r i a t i o n w h e nf o r c e db yt h em o n s o o nw i n d , t h eb o t t o mt o p o g r a p h ya n dt h em a s st r a n s p o r t t h r o u g ht h eo p e ns t r a i t s t h eu p w e l l i n gp r o c e s s ，w h i c hn o to n l yd r i v e nb yt h o s e e x t e r n a lf a c t o r sm e n t i o n e da b o v eb u ta l s oa f f e c t e dd e e p l yb yt h ei n n e rc i r c u l a t i o n p a t t e r ni nt h es o u t hc h i n as e a , a l s oh a sc o n s p i c u o u ss e a s o n a lv a r i a t i o n at h r e e d i m e n s i o n a l , f r e es u r f a c ea n dp r i m i t i v ee q u a t i o nm o d e l ( p o m ) w a su s e dt os i m u l a t e t h ew i n t e ra n ds u m m e rc i r c u l a t i o na n dt h eu p w e l l i n gp r o c e s si nt h es o u t hc h i n as e a t h ec a l c u l a t i o nr e s u l tw a si ng o o da g r e e m e n tw i t ht h eh i s t o r i cr e s e a r c hr e s u l t sa n d r e m o t es e n s i n gd a t a ，a n dr e p r o d u c e dt h eh y d r o l o g yd i s t r i b u t i o no fw i n t e ra n ds u m m e r t i m e sv e r yw e l li nt h es o u t hc h i n as e a t h e nt h eg e n e r a lc i r c u l a t i o np a t t e r na n dt y p i c a lc u r r e n t ss y s t e mi nw i n t e ra n d s u m i n e rp e r i o dw e r ea n a l y z e du s i n gt h ec a l c u l a t e dt h r e ed i m e n s i o n a lv e l o c i t yf i e l d i t i ss h o w nt h a tt h eg e n e r a lc i r c u l a t i o ni ns o u t hc h i n as e ah a sc o n s p i c u o u ss e a s o n a l v a r i a t i o n t h ew h o l er e g i o ni so c c u p i e db yab a s i n s c a l ec y c l o n i cc i r c u l a t i o ni nw i n t e r , b u td u r i n gs u m m e ro n ec l o s e da n t i - c y c l o n i cc i r c u l a t i o ni sp r e s e n ti nt h es o u t h e r np a r t o ft h es o u t hc h i n as e aa n dt h e r ei ss t i l law e a k e rc y c l o n i cc i r c u l a t i o ni ni t sn o r t h e r n p a r t t h ec o n s p i c u o u ss e a s o n a lv a r i a t i o n so ft h et h r e et y p i c a lc u r r e n ts y s t e m s ， i n c l u d i n gt h es o u t hc h i n as e ab r a n c ho fk u r o s h i o ，t h es o u t hc h i n as e aw e s t e r n b o u n d a r yj e t ，a n dt h en a n s h ac o u n t e r - w i n dc u r r e n t ，a r ea l s or e p r o d u c e db y a n a l y z i n gt h ec r o s s - s e c t i o nv e l o c i t yd i s t r i b u t i o nb o t hi nw i n t e ra n di ns u m m e r f i n a l l yt h eu p w e u i n gp r o c e s so ft h r e et y p i c a lr e g i o n si nt h es o u t hc h i n as e ai s a n a l y z e du s i n gt h em o d e l e dt h r e ed i m e n s i o n a lt e m p e r a t u r ef i e l dc o m b i n e dw i t ht h e m a b s t r a c t c l i m a t o l o g i c a lw o a 0 1d a t a s e t i ti ss h o w nt h a tt h eu p w e l l i n gp r o c e s so c c u r sb o t hi n w i n t e ra n di ns u m m e ri nn o r t h e r ns o u t hc h i n as e a a n dt h ew i n t e ru p w e l l i n gi sa b a s i n - s c a l ep r o c e s s , b u td u r i n gs u m m e rp e r i o du p w e l l i n go n l yo c c u r sn e a rt h ex i s h a i s l a n d s t h eb a s i n - s c a l ec y c l o n i cc k c u l a t i o nm a k e st h eu p w e u i n gp r o c e s st a k ep l a c e i no f f - s h o r eo fc a s tc o a s to fv i e t n a mi nw i n t e r , b u ti ns u m m e rb o t ht h ev i e t n a m c o l d - c o r ea n dt h ep o s i t i v ew i n ds t r e s sc u r lt h e r ea l lc o n t r i b u t et ot h eo c c u r r e n c eo f t h eu p w e l l i n gp r o c e s si nt h a tp l a c e i ns o u t h e r ns o u t hc h i n as e a , t h eu p w e l l i n gi nt h e w e s t e r nr e g i o no fn a n s h ai s l a n d si sar e s u l to fb o t ht h en a n s h ac y i c o n i cg y r ea n dt h e b a t h y m e t r i ce f f e c t si nw i n t e r , b u tt h el a r g e s c a l ea n t i - c y c l o n i cg y r em a k e st h ew h o l e r e g i o nm a i n l yd r i v e nb yd o w m v e l l i n gp r o c e s si ns u m m e l k e yw o r d s ：n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ；s c sc i r c u l a t i o n ；t y p i c a lc u r r e n ts y s t e m ； u p w e l l i n g ；s e a s o n a lv a r i a t i o n 第1 章绪论 1 1 问题的提出 第1 章绪论 南海海区岛屿众多，海底地形复杂多样，海面受到季节性反转的季风控制， 周边通过数个海峡与外海相通途。地形、季风和黑潮等外界因素对南海内区的水 文状况产生重要影响。众多研究表明，南海环流复杂多变，具有显著的季节变化 规律。并且在南海环流大背景上，存在许多中小尺度涡旋结构l 。 上升流是一种重要的海洋现象，它通常是指水体的上升运动【2 】。这种上升运 动将次表层的海水带至表层并被海洋表层环流带出上升流区域。由于海洋温跃层 之下海水温度往往较低，而盐度较高，在范围比较大的上升流区表层海水往往表 现出低温高盐的特征。上升流过程还可以将底层营养盐带入表层和次表层，导致 海洋真光层中浮游植物大量繁殖。因此，上升流海域往往也具有较高的初级生产 力，渔业资源非常丰富。 沿岸上升流是上升流中最为常见的一类【3 】，世界上主要的沿岸上升流多分布 于大洋的东边界。盛行风常驱动上层海水离岸运动，造成秘鲁、北美和非洲西海 岸等著名的大尺度沿岸上升流区。与上述海区不同，南海地处东亚季风区，盛行 风在冬季和夏季完全不同，而且南海位于南亚次大陆的东海岸。这些因素导致南 海海区的上升流过程具有独特的形成机制，并具有显著的季节变化规律。 以往对南海上升流过程的研究，多集中在沿岸海域，对海盆区域的上升流过 程研究较少。研究表明，夏季在南海的北部的陆架区、越南东部沿岸海域有上升 流产生，冬季在吕宋岛西北外海也存在上升流现象。南海的上升流不仅仅是由于 正的风应力旋度引起的e k m a n 输运造成的，某些上升流过程还强烈的受控于该 海区的环流系统。南海上升流过程的生消与南海海盆尺度的季节性环流和次海盆 尺度的冷暖涡旋的发展演化存在密切的联系，要研究南海的升降流过程就不能抛 开整个南海环流的大背景。 由于南海的广阔和深邃，再加之复杂多变的环流系统，特别是历史和社会经 巾山大学硕士学位论文 济状况的原因，早期的大规模海洋实地调查受到了制约。只是到了近代，鉴于南 海海洋资源的开发利用以及南海季风在地区和全球海洋大气中的重要性，人们才 开始对南海进行大规模的调查研究。但是实地的调查研究要受到自然条件和经济 条件的限制，不可能从总体上把握南海环流和上升流等物理过程的变化规律，更 不能揭示二者之间的内在联系。采用数学模型来研究南海环流和上升流过程的季 节变化规律，是经济而又实用的方法。迄今为止，前人在南海区域做了大量的数 值模拟工作。但是，许多模式的分辨率很低，对南海与外海的相互作用做了很大 的简化，而且大多数模式对海面的动力和热力强迫过程考虑的很不全面，存在众 多模拟结果差别较大的问题。本文在前人研究的基础上，取长补短，采用较高分 辨率的海洋模式，对南海环流和上升流过程进行数值模拟研究。 1 2 研究意义 海洋的上升流和环流过程，通过水体的垂向和水平运动，对沿岸陆架区乃至 海盆区域的营养盐输运产生重要作用，进而影响海洋生态系统的结构和功能。因 此，对南海环流和上升流等关键物理过程的研究是研究排海污染物质在海洋中的 输运和归宿的基础，也是研究南海海洋生态系统的结构、功能及其时空变化的理 论前提。 作为西北太平洋最大的深水边缘海，南海周边人口占据了世界人口总数的 6 0 0 4 1 。随着经济的快速发展，大量污染物排入南海，南海沿岸海区有害赤潮的 发生率逐年递增，海洋环境日趋恶化。由于海洋的上升流过程能将底层营养盐带 入海洋真光层中，因此在季节性上升流存在的区域有害赤潮的发生率明显比其他 区域高【5 1 。研究南海环流和上升流的时间和空间变化规律，以及上升流的生肖过 程对海洋环流的响应关系，能为南海周边富营养化灾害的预测、防治和管理提供 可靠的理论依据。 同时，在有持续性的上升流存在的海区，海洋生态系统的初级生产力比较高， 浮游植物的大量繁殖又为鱼类、蟹类等提供了丰富的饵料，带动了上升流区域次 级生产力的提高。因此，在上升流海域，渔业资源非常丰富，往往成为著名的渔 场，如我国的闽南台湾浅滩渔场。而海洋生物资源在我国的国民经济中占有 2 第1 章绪论 相当的分量。1 9 9 3 年中国水产品总量为8 6 2 万吨，而至1 9 9 5 年达到1 8 6 2 万吨。 其中海洋为1 0 8 0 万吨，占当年水产量的5 8 n 。南海是我国重要的渔业资源区， 研究该海域的上升流生肖演变机制，也可为我国的渔业管理提供相应的理论依 据。 正如前面所指出的，由于南海的深邃和广阔，大面积海洋调查要消耗大量的 人力、物力和财力。而且，海洋实地调查不可能获得关于南海环流和上升流长周 期和大范围的物理海洋学和生态学参数。采用调查资料的统计分析，不可能从总 体上把握南海环流和上升流过程的季节变化规律。而数学模型恰恰可以弥补以上 的不足，通过有限的开边界数据的输入，可以给出整个海区环流和上升流过程的 长时间序列的演化趋势。并且可以通过数值实验，对影响南海环流和上升流过程 的动力机制进行分析。 近来，虽然对南海环流的认识日渐成熟，但是对南海上升流过程的研究相对 要薄弱的多。以往大多通过实测资料的分析来研究南海的上升流过程，研究区域 侧重在近岸海区，对离岸和海盆区域的上升流过程的研究则比较少。而正如李立 1 1 等所指出的，南海的上升流过程是一种中尺度的现象，其涌升水体直接来自南 海海盆深处。因此，南海的上升流过程必然与海盆尺度的环流及中尺度的涡旋存 在密切联系。本文通过对南海近岸陆架海域及海盆区域的上升流过程的研究，可 以弥补这方面研究的不足。 1 3 研究内容 本论文主要采用数值模拟的方法，并结合气候态的w o a 0 1 海洋再分析资料 和刚e r s 卫星高度计资料来研究南海环流和上升流的季节分布规律。本文首先 构建一个三维原始变量的海洋环流模型，分别对冬季和夏季的南海环流和上升流 过程进行数值模拟。然后，将模式输出的结果与以往研究成果和卫星观测数据进 行对比，对模式的可靠性进行检验。接着，利用模式输出的三维流场分析南海环 流和典型流系的分布规律和季节变化趋势。最后，通过分析模式输出的三维温盐 场并结合w o a 0 1 温度资料，对南海典型区域的上升流过程进行研究。 3 第2 章区域概述和帽关研究进展 第2 章研究区域概述和相关研究进展 南海处于东亚季风区，天气系统复杂多变，再加上南海独特的地理位置和地 形特征以及黑潮等外海水的入侵，这些因素强烈地影响着南海海洋环流的分布状 况。在南海环流的大背景下，沿岸及海盆区域还有稳定的季节性的上升流过程出 现。本章首先对南海海区的区域概况做一下介绍，然后论述国内外对南海环流时 空演变规律的观测研究进展和数值模拟进展，最后再讨论国内外对南海上升流过 程的相关研究进展。 2 1 南海区域概述 南海是一个西北太平洋最大的深水边缘海，也是我国邻近的最大海域。如图 2 - 1 所示，它东界台湾岛、菲律宾群岛和巴拉望岛一线，南临加里曼丹岛，西接 马来半岛和中南半岛。其南北跨度为0 0 2 3 0 n 、9 9 0 - 1 2 1 0 e ，海域面积十分辽阔， 达3 5 0 多万平方公里【。”。南海是一个半封闭的深水海盆，它通过台湾海峡、吕宋 海峡、民都洛海峡、巴拉巴克海峡、卡里马塔海峡分别与东海、西太平洋、苏禄 海、爪哇海相联。其中，吕宋海峡海槛深度超过2 4 0 0 米，是南海通往西菲律宾 海的主要通道。如图2 2 所示，南海海区岛屿众多，海底地形复杂多样，其南北 为两个宽广的大陆架包围，东部为险峻的大陆坡，中央为菱形的深邃海盆。这种 独特的地理环境在很大程度上影响着南海的海洋状况。 南海地处东亚季风区，气候条件复杂多变，夏季盛行西南季风，冬季则盛行 东北季风。在9 月之前南海海区主要受西南季风控制，在9 月东北季风开始在 2 矿n 出现，而在此纬度以南则仍为西南季风控制。东北季风在1 0 月时达到鼎盛 时期，这时西南季风消失，整个南海区域几乎完全为东北季风所控制。东北季风 在4 月份开始衰减，5 月分西南季风开始在海盆区域出现，并在7 月和8 月控制 整个南海海盆。季风是南海上层最直接的强迫，它决定了海洋上混合层的结构。 相对与大洋而言，南海环流更多的决定于季风，季风驱动的风生环流是南海环流 5 中山大学硕士学位论文 图2 - 1 南海地理位置概化图( 虚框所围为本文研究区域) 图2 2 研究区域的水深分布( 单位：米) 6 第2 章区域概述和相关研究进展 的主要组成部分。强风引起的埃克曼输送以及风应力旋度引起海水的局地涌升和 下沉在很大程度上改变了海洋上层温盐分布状况，同时也使南海海区出现局地的 冷暖中心即上升流现象。 黑潮是影响南海环流的另一个重要因素。黑潮沿吕宋海峡东侧向北流，途经 巴士海峡，从台湾岛东部沿岸向北进入东海。作为大洋对陆缘海区环流的一个驱 动力，黑潮对中国近海环流起着十分重要的作用【8 j o 南海北部是受黑潮影响最为 强烈的区域，由于黑潮具有高温高盐的特征，一方面通过水体的热盐交换改变海 洋的密度场，从而影响南海北部环流；另一方面通过动量的交换( 如黑潮入侵、 黑潮分离流环等) 直接作用于南海环流场【9 l 。 综上所述，南海具有独特的地理和海底地形特征，多时空尺度的气候条件和 强烈的外海强迫因子。这些因素共同孕育了南海独特的物理海洋学现象，使南海 环流和上升流过程具有明显的季节变化规律。本文就是在考虑尽可能接近实际的 外界因子强迫下，利用数值模拟的方法，来再现南海环流和上述流过程的季节变 规律。 2 2 南海季节性环流研究进展 2 2 1 南海环流水文调查和卫星观测研究进展 早期对南海环流的研究多是基于对海洋观测数据的分析，由于历史条件的限 制，观测资料往往相对缺乏。但是，早期从事南海海洋学研究的科学家利用这些 有限的资料，得出了许多南海环流的重要特征。 早在2 0 世纪7 0 年代以前，w y r t k i t l 0 1 根据一些科学考查、商船观测和海洋站 观测资料绘制了包括整个南海在内的东南亚海域双月的表层海流图和海面高度 图。随后，w y r t k i l l 0 】通过研究指出当不考虑外海水的入侵时，南海表层环流在季 风的强迫下表现出季节性反转的特性。在西南季风的作用下，陆架水向北输运， 从而引起南海东部海盆区域暂时性的向南流动的海流；而东北季风则产生南向的 沿岸流，并在越南沿岸产生很强的西边界流。并且指出沿岸水在陆架区的堆积所 产生的压强梯度力的，是产生这种现象的主要原因。 7 中山大学硕士学位论文 自w y r t k i ! 加l 的经典性的南海环流研究之后，为了对南海季节性的环流分布 有一个更深入的了解，徐锡祯等【l l l 利用1 9 2 1 1 9 r 7 0 年间6 0 0 0 个站次的南海历史 调查资料，按季节对南海的海面动力高度偏差进行了计算，并由此得出了南海四 个季节平均地转流图，较好地反映了南海水平环流的概貌。徐锡祯等【1 1 1 指出南海 总环流在冬季为气旋型的，而在夏季则为反气旋型的。冬季，在海盆尺度的气旋 型大环流中，分别在吕宋岛海岸和越南东部沿岸又分布有两个气旋型的涡旋a w 和b w ( 图2 3 a ) 。夏季，分别在中南半岛东南、中沙群岛和西沙群岛之间分布 有两个反气旋型的涡旋。同时，在越南东部沿岸反气旋型涡旋b s 的西北存在一 个气旋型的涡旋c s ( 图2 3 b ) 。夏季越南东部沿岸气旋型涡旋q ，是由于离岸 风导致下层海水涌升所致，并使越南东部沿岸存在一个势力很强的冷中心。这个 气旋型冷涡的存在也预示着夏季越南东部沿岸季节性上升流现象的出现，它的存 在也使南海夏季越南沿岸流在北上的过程中于1 4 0 n 附近发生向东北的弯曲。 图2 3 南海海面动力高度和地转流分布图【1 1 】：( a ) 冬季，( b 3 夏季 近来，f a n g 等1 1 2 】综合前人对南海环流的研究成果并结合一个正压模式的结 果【1 3 j ，总结了南海上层环流的季节分布规律并绘出了南海冬夏季的上层环流图。 8 第2 章区域概述和相关研究进展 f a n g 1 2 垮指出，南海南部海区环流主要受季风控制，而季风和黑潮同时对南海 北部环流产生重要影响。俞慕耕等i “】和容志吲1 5 】也给出了与上述研究相似的冬 夏南海环流分布状况，特别是图2 - 3 所示的中小尺度的涡旋结构。仇德忠【1 6 】根据 动力计算研究了南海中部的环流，给出了东北季风和西南季风时南海环流图。并 指出了一支位于广东沿岸的终年西北向的海流，即南海暖流。南海暖流南部的海 流来源于黑潮，即南海黑潮分支。 近来，星载微波高度计实现业务化运行，为研究海洋环流及其演变提供了连 续的时间序列，卫星高度计成为研究南海环流的重要手段。毛庆文等【1 t j 利用 g e o s a t 卫星高度计资料分析获取了南海海面动力高度偏差的季节分布，结果也 表明南海表层流场在夏季总的环流形势为反气旋式环流，而冬季则为气旋型环 流。分析结果同海上常规调查资料的分析结果比较表明，在海流季节变化信号较 强的海区，利用高度计资料能很好的反映该海区的海流季节变化特征。李立等【1 s l 利用四年的t o p e x p o s e i d o n 卫星高度计资料和温盐平均场求得冬夏季风期。 多年平均的海面高度动力地形，并导出了表层地转流场。其结果表明，受冬、夏 交替的季风支配，南海上层环流结构呈明显的季节变化。鲍李峰等1 1 9 】利用1 0 年 高精度的卫星海面异常网格资料，联合e g m 9 6 稳态海面地形模型，构成南海海 域合成海面地形的时间序列，并计算了各个时期的南海表层地转流场。研究表明， 南海表层环流处在不断演变中，在时间和空间上都表现出明显的多尺度特征。 总之，随着对南海水文调查的不断深入，以及卫星高度计资料的不断增多， 对南海环流季节变化规律的认识也得到不断的明确和深化。但是，由于调查资料 的相对分散性和调查时间的不同步性，使南海环流众多调查研究成果之间还存在 诸多的不一致性，对南海环流的季节分布规律还有待进一步的调查研究。正如上 面所指出的，利用数值模拟方法一定程度上可以弥补调查资料的不足。本文也正 是以此为契机，利用一个较高分辨率的三维海洋环流模型对南海的季节环流进行 数值模拟，进一步揭示南海环流和中小尺度涡旋的季节分布规律。 9 中山大学硕士学位论文 2 2 2 南海环流数值模拟研究进展 鉴于南海的广阔深邃，有限的水文调查资料不足以从整体上揭示南海环流基 本状况。利用温盐资料进行反演，则不能很好的反映风应力作用的信息。近来所 采用的卫星高度计资料则只能计算海面的地转流分布。由于上述原因，前人在南 海海区做了大量的数值模拟研究，采用不同的模式研究了南海气候态环流的季节 演变规律和形成机制。 王佳1 2 0 1 采用一个b 平面的风旋度热盐梯度模式，进一步将其推广到南海 实际区域的复连通域模式，模拟了南海的冬、夏季环流。计算中考虑了风应力、 热盐效应、底形分布和边界力的等因子，并给出了全流函数表示的冬夏季的南海 环流图。曾庆存等1 2 1 1 、苏纪兰等【2 2 1 和李荣风等阻2 4 l ，均利用二维模型计算了南 海季节性的或月平均的环流状况。如李荣风等i 矧用一个水平分辨率较高的区域 海洋模式计算了南中国海的海流，并给出了南海四季代表性月份的上层环流数值 模拟结果。结果表明：南海黑潮分支是南海北部最重要的一支海流，它不仅是南 海暖流的水体来源，而且还构成了南海环流的重要一翼。他的研究还表明，除个 别月份外终年都有一支较强的东北向海流穿过台湾海峡进入东海。该研究对南海 暖流的模拟比较成功，同时计算得到的总环流特征与实测结果也比较一致。 二十世纪八十年代之后，越来越多的海洋学家利用多层次的三维数学模型进 行南海环流模拟研究。毛明等1 2 5 l 采用b a c k h a u s 三维海流模型，运用半隐式及c 网格方法求解基本方程，对南海各季节海流流场进行了数值模拟。其模拟结果与 已有研究结果比较，其主流系基本上是相符的：夏季表层基本上为一个反气旋型 的环流；冬季则转变成气旋型的；在冬季，从5 0 米层起开始出现“南海暖流”。 之后，s h a w 等【拍喇用一个三维自由表面的原始变量模型对南海月平均环流进行 了数值模拟。该模型水平分辨率为0 4 0 ，垂向分2 1 层，模式共积分3 年，采用 气候态温盐强迫并考虑了黑潮对南海环流的影响。模拟结果都表明南海表层受季 风影响显著，其环流基本特征表现为冬季是气旋式的，而夏季为反气旋式的。正 如s h a w 等瞵】研究指出的，南海2 5 层处的环流主要由风应力引起的e k m a n 输送 产生，表现为冬季的西向流和夏季的东向流。在南海近表层5 0 米水深的地方， 通过吕宋海峡进入南海的黑潮入侵水经越南东南沿岸时达到最大流速。在1 2 月 l o 第2 章区域概述和相关研究进展 份，这支西边界流到达加里曼丹岛和巴拉望岛沿岸转而流向东北方向，在8 月份 在越南东南沿岸一支很强的沿岸流在1 1 0 n 和1 4 0 n 离开沿岸区域转而流向东北方 向。 近年来，蔡树群等【2 7 ，2 8 1 、c h u 等 2 9 1 、蔡树群和甘子钧p 川、蔡树群和苏纪兰 纠捌，x u e 等p 1 1 、翟丽等1 3 2 1 、宏波嘲等等也对南海环流进行了数值模拟研究， 从而对南海环流状况有了更深入的了解。其中，蔡树群和王文质【刎利用一个斜 压三维陆架海模式h a m s o m 模式对1 2 月份和8 月份的南海环流进行了数 值模拟研究。结果表明：对南海上层流场，在1 2 月份，在西沙群岛和中沙群岛 之间呈现一个气旋式环流，在越南中部东岸存在一支南向西边界流，在金兰湾远 海为一个气旋式涡旋，在南海南部，主要表现为万安潍的气旋式大弯曲及在北康 暗沙北侧的反气旋涡；在8 月份，在东沙群岛、中沙群岛和吕宋岛之间存在一介 大尺度的气旋涡，在南海西部主要表现为以西沙群岛南部的气旋涡与金兰湾 礼乐滩的反气旋式大环流相对峙的局面，同时在万安潍东侧有个气旋涡。此外壕 相近的模拟结果也被c h u 等1 2 9 1 的研究所揭示。c h u 等1 2 9 s u 用一个水平分辨率为 2 0 公里，垂向分2 3s i g m a 层的p o m 模型，对南海环流进行了数值模拟。模型 采用真实的海底地形，控制实验采用气候态的风应力场驱动，给定开边界处的流 量，并采用恢复型的海面温盐边界条件。敏感性实验结果表明，南海季节性的环 流场主要受风场控制，同时侧向开边界则对南海环流的流态具有一定的调整作； 用。 众多的数值模拟研究表明，南海环流特征具有一个共性，即南海环流主要受 季风支配。季节性反转的季风导致南海环流在冬季表现为一个海盆尺度的气旋式 环流，而在夏季则为反气旋式环流。但是，由于模型特性、所考虑物理机制的侧 重点以及给定的开边界条件不同，因此模拟的环流结构差别还是很大的。 2 3 南海上升流过程研究进展 沿岸上升流及其季节变异是南海另一类重要的海洋现象，人们很早就注意到 了在南海某些沿岸海区存在着上升流现象。但一直以来对南海上升流过程的研究 比较少，而且大多依据实测资料的分析。迄今为止，有关南海上升流的研究多集 1 1 中山大学硕士学位论文 中在夏季，研究区域也多侧重在沿岸海区。早在2 0 世纪6 0 年代初国外便有南海 近岸上升流的零星报道，涉及的海域主要有越南外海和广东外海1 1 0 1 。 1 9 6 4 年管秉贤和陈上及在全国海洋普查报告中首先系统的讨论了南海北部 夏季的上升流现象，其后有关南海上升流的研究主要集中在南海北部沿岸。陈金 泉等1 3 4 1 根据实测资料分析了闽南台湾浅滩渔场的上升流。曾流明【3 5 】利用1 9 7 9 年 6 7 月间南海海洋研究所和国家海洋局在南海北部( 1 8 0 n 一2 3 0 n ，1 1 2 0 5 5 一 1 1 9 0 5 4 ) 的海洋调查资料，对粤东沿岸的上升流现象进行了初步分析，提供了 有关该海区可能存在上升流的佐证。于文泉1 3 q 根据多年平均海表面及断面水温 资料，对南海北部的上升流的多年平均状况作了初步的探讨。研究指出南海北部 的季节性上升流主要出现在汕头、琼南沿岸近海和湛江港外附近，其成因可能是 由夏季西南季风使水体辐散及夏季海水涡流辐散所至。近年来，庄伟等1 3 7 通过 对卫星遥感数据和航次资料的分析，对粤东沿岸2 0 0 0 年7 月份的上升流现象进 行了综合分析。结果表明：观测期间，珠江冲淡水向东扩展的趋势很明显，与此 同时，粤东沿岸以东附近沿岸海域的水团具有低温、高盐的性质，显示了上升流 的存在。通过对卫星遥感海表温度和风场的比较分析，进一步指出，粤东沿岸上 升流强度和风场的变化密切相关，海面风场平行岸分量的变化使夏季该上升流发 生的重要原因。 有关越南东部沿岸的上升流的研究报道也比较少。w y r t k i t l o l 首先报道了越南 东部夏季沿岸的上升流。c h a o 等【3 8 】也证实了该海域存在着上升流。杨海军和刘 秦玉1 3 9 1 利用l e v i t u s 资料对该区域夏季的上升流现象进行了初步的分析，认为上 升流造成表层海水为一相对冷区，与夏季该海域较小尺度的气旋式环流和正的风 应力旋度有关。t a n g 等1 3 1 借助水色卫星遥感资料和实测数据对发生在2 0 0 2 年7 月越南东南部沿岸的大规模有害赤潮进行了研究，并证明该海域夏季存在的上升 流现象是引起有害赤潮频发的主要原因。赵辉等【柏l 根据1 9 9 9 2 0 0 3 年的 s e a w i f s 卫星遥感叶绿素a 数据，结合2 0 0 4 年在南海北部海洋观测航次实测的 叶绿素a 浓度数据，分析了南海西北部夏季叶绿素a 的分布特征。研究表明，夏 季在越南东部到海盆的半圆形区域、广东沿岸宽2 0 0 公里左右的带状区域叶绿素 a 有较高的浓度，进一步证明了这些区域存在着上升流现象。 对南海海域上升流的数值计算研究工作，相对于东海海区要少的多。郭飞等 第2 章区域概述和相关研究进展 1 4 1 l 根据1 9 5 9 1 9 9 0 年间水文断面和大面调查资料，建立琼东沿岸上升流二维诊 断模式。通过计算得到，最大垂直速度位于3 0 米层、离岸1 0 公里处，垂直速度 为3 2 1 1 0 - s m s 。从而使琼东沿岸上升流的研究由定性进入定量阶段。柴扉掣4 2 】 根据薛惠洁等【4 】对南海整个海域的三维数值计算结果，进一步对海南岛东部上升 流进行了分析研究，指出海南岛东部沿岸的上升流是南海北部陆架区的重要水文 特征之一，其中心位置在1 8 0 3 0 - - 2 0 。3 0 n ，111 0 3 0 e 以西海域，出现于4 9 月， 夏季最强。近来，廖光洪等【4 3 荆用1 9 9 8 年1 1 月2 8 日至1 2 月2 7 日南海的调查 资料，利用三维海流诊断模式，计算了冬季南海三维海流。他不仅给出了冬季南 海环流的水平分布，同时对南海环流的垂向流速进行了分解并对其机理进行了分 析。研究表明，南海环流的垂向流速，在表层主要受风场驱动的影响，风应力旋 度起主要作用；在次表层，b 效应与斜压场相互作用使上升流和下降流形成的 主要原因。 综上所述，以往对南海上升流过程的研究主要是通过实测资料的分析，且研 究区域集中在局部近岸海区。近来，少有的几次数值模拟研究对南海升降流过程 进行了初步的研究，是本文进行研究的基础。本研究根据前人研究成果，采用一 个较高分辨率的三维海洋环流模型对南海沿岸及海盆区域的上升流过程进行研 究，以揭示南海上升流过程与海盆尺度的环流和中小尺度的涡旋之间响应关系。 1 3 第3 章南海三维环流模型的设置和可行性分析 第3 章南海三维环流模型的设置 和可行性分析 本文采用p o m ( p r i n c e t o no o e a nm o d e l ) 模型对南海环流和上升流过程进行 数值模拟研究。p o m 模式已被成功应用于南海环流的数值模拟研究，如c h u 等 1 2 9 1 、薛惠洁等【4 】和宏波【3 3 1 。本章首先对p o m 模型作一下简要介绍，然后对南海 模式的设置及计算方案进行描述，最后将模拟结果与前人研究及卫星观测结果进 行对比分析，以验证模式的可靠性。 3 1p o m 模式简介 p o m 是一个三维自由表面、原始变量的海洋环流模型，该模型最早是由美 国普林斯顿大学的b l u m b c r g 和m e l l o r 4 4 1 建立。随后在河口、近岸海域和大洋的 数值模拟研究中得到广泛的应用，并不断的被发展和完善。人们根据不同的需要 在p o m 模型中加入不同的模块，比如当今广泛应用于河流、海湾及湖泊等浅水 环境的e c o m s e x i 模型就是在p o m 的基础上发展而来的【4 5 】。 以下是关于p o m 模型的具体介绍： 3 1 1 模型的基本假设和近似 p o m 模型的预测变量场包括描述水体水平和垂直方向运动过程的三维流速 场、海水热力过程和咸淡水混合过程的温度、盐度场以及描述水体湍流混合过程 的湍动能和湍流宏尺度等变量场。相应的水动力方程、热力和湍流闭合方程包括： 关于水体运动的n a v i e r - s t o k e s 方程、描述质量守恒的连续性方程、海水状态方 程和温盐输运方程。 为了把这些方程应用于海洋中，必须对这些方程作一些近似和假定： 一 生坐查兰堡主堂垡垒奎 一 ( 1 ) 海水运动速度远小于声速，故把海水看作是不可压缩的流体； ( 2 ) 假设海水密度的变化除考虑重力项外，其他情况下都可以忽略 ( b o u s s i n c s q 近似) ； ( 3 ) 假设海水的重量与压力平衡，即假设海水服从水静力近似； ( 4 ) 假设海面大气压强为常数。 3 1 2 控制方程 在平面笛卡尔坐标系下，规定向东为茗轴方向，向北为y 轴方向，竖直向上 为z 轴方向。海水自由表面定义在z 。，7 ，_ ) ，f ) ，海底定义在z 一- h ( x ，) ，) 。假设 p ( u ，y ) 为水平方向的流速矢量，v 为水平梯度算子，则： 连续方程可写为： v 矿+ 鲨。0 ( 3 - 1 ) 雷诺运动方程写为： 詈+ 矿v u + 形警一- 一去菩+ 鲁争+ 只 ( 3 艺) 詈+ 矿v y + wo 耙v + 瓦l 万o p + 兰争+ ( 3 - 3 ) 鲨(3-4) p g 。= 其中，风为参考海水密度，p 为实地海水密度；g 为重力加速度；p 为海 水压力项；孟，是关于湍动能的垂向涡动扩散系数；f 为基于卢平面近似的科氏 参数。 水深z 处的压力则是通过对方程( 3 4 ) 从z 到，7 进行垂向积分得到，即： e ( x ，y ，z ，f ) 一+ g 肿+ p ，) ，z ，f ) 出。 ( 3 劝 这里大气压力f k 视为常数。 渝盐守恒方程写为： 第3 章南海三维环流模型的设置和可行性分析 塑o t w ，v o + w o a z 0 一言( 0 0 + 层 ( 3 - 6 ) 詈再眦wa 越s 一石o 岱。8 s + b ( 3 - 7 ) 其中，口为位势温度或实地温度；s 为海水盐度；j 0 是描述温盐湍流混合过程 的垂向涡动扩散系数。利用温度和盐度，海水的密度可以由f o f o n o f f ( 1 9 6 2 ) 给1 ： 1 的海水状态方程求出： p p ( o ，s ) ( 3 - 8 ) 其中，p 为位势密度，在标准大气压下，它是位势温度和盐度的函数。位势密度 被用来计算压力梯度项中的斜压梯度项，以及湍流闭合模式中水柱体的垂向稳定 系数，尤其是在深水中当压力效应变得很重要时。 由小尺度的物理过程所产生的混合运动过程，当无法由模式网格直接刻画 时，则采用次网格尺度参数化方案，即方程( 3 - 2 ) 、( 3 - 3 ) 、( 3 6 ) 和方程( 3 7 ) 中的e 、只、e 和b 项采用类比于分子扩散的方法处理，即： e 。去【巩矧+ - 【0 如c 可o u + a 批v ) 】。 c 3 巴。专 地芳卜去卜c 詈+ o 以v ) 】 。- 9 b ， f o j - 面oa 。堕字+ 昙以丛笋 ( 3 1 0 ) 上式中的山和以为水平涡动粘滞系数和水平扩散系数，实际应用中一般将其取 为常数l o m 2 s 。但是给定的经验常数往往不能很好的刻画水体的水平混合过程， 改进的方法是采用s m a g o r 妇k y 参数化方案，e p ： 厶一c 雠y 三1 w + ( 而) r i ( 3 - 1 1 ) 系数c 的取值范围在0 1 0 至0 2 0 之间，本文取0 2 。在此参数化方案下，模式 的水平涡动粘滞系数是网格步长与水平速度剪切率的函数，流场中流速切变比较 强烈的地方，相应的涡动粘滞力也较大【3 3 】。 1 7 中山大学硕士学位论文 3 1 3 湍流闭合模式 p o m 模型的控制方程采用参数化的雷诺应力和通量项来表征水体动量、热 量和盐度的湍流扩散过程。p o m 采用m e f i o r - y a m a d a 的2 5 阶湍流闭合模式来求 解控制方程( 3 - 2 ) 、( 3 - 3 ) 、( 3 6 ) 和( 3 7 ) 中的垂向混合系数玉0 和磊0 。湍流 闭合模式引入湍动能( q 2 2 ) 和湍流宏尺度( 1 ) ，利用关于湍动能矛i 湍流宏尺 度的方程来刻画湍流混合过程。即： 誓厉v 矽誓j 去卜誓) 仇。2 ， + z ( 警) 2 + ( 尝) 2 卜2 风gk n # 韶p 一可q 3 + o 。q ，z l + 矿v ( q 2 1 ) + wa 2 。q ：2 1 - 丢( k a 丢c 9 2 ，) 。3 。3 ， + 暇t + ( 剐+ i e t g ka 以p 一一耪e 其中，边壁邻近函数定义为： 谚- 1 + 易白2 ( 3 1 4 ) ( l ) 。1 一向- z ) 一1 + ( 日+ z ) 。1 ( 3 1 5 ) 在接近固体表面的地方，l r 和l 都等于距离固体表面的距离( j r 一0 4 是v o f l k a r m a n 常数) ，因此：谚-