（物理海洋学专业论文）基于z坐标的中国东部陆架边缘海潮汐——环流模式研究.pdf

基于z 坐标的中国东部陆架边缘海 潮汐环流模式研究 摘要 本文基于垂向为z 坐标的原始方程海洋模式h a m s o m ( h a m b u r gs h e l f o c e a nm o d e l ) ，建立了一个区域海洋潮汐环流模式，并将其应用于对中国东 部陆架边缘海相关物理海洋现象的模拟。数值实验对正压潮波和准定常态的环流 场，以及相应的温盐结构的模拟结果令人满意；在当前的数值计算方法和现有数 据资料的限制下，数值模式对m 2 内潮波的刻画能力有所提高。作为在如此大的 海区，并且地形变化及其复杂的环境下，建立此类海洋模式的初步探索，本文提 出了创新的研究思路与方法，从而极大的扩展了模式的应用领域，为后续研究工 作提供了有力的工具。 在现有的数据条件下，本文考虑了能够引入数值实验的各种驱动因素，因此 模式在动力过程上是较为完备的。针对模式在刻画深海过程，尤其是内潮波运动 方面存在的不足，本文提出了内潮粘性项的概念和相应的参数化方案。文中主要 对以下物理过程进行了参数化：1 ) 深海、地形剧烈变化的环境下，z 坐标海洋 模式中底边界层的粘性耗散作用；2 ) 内潮波在内区稳定层结中传播的能量耗散； 3 ) 内潮波在强非线性环境下传播的过程中，向其它运动形态的转变；4 ) 内潮波 在内区稳定层结中传播，由于混合作用而导致的能量损失。本文从能量的角度， 将上述四个海洋现象在物理意义上广义的归纳为能量的耗散过程，从而提出了统 一的参数化方法。对数值实验结果的初步分析，肯定了本文的研究思路与方法， 并为进一步的研究工作提供了重要的参考。 考虑到正压潮波、内潮波和环流三种运动，在时空尺度上的巨大差异和现有 数据资料分辨率的限制，文中主要分析了数值实验的以下模拟结果：正压潮波、 准定常态的环流场和温盐场，以及陆架浅海的潮致混合现象；对m 2 内潮波的模 拟结果进行了初步分析。根据三个对比数值实验的结果，对模式的表现力作出综 合评价如下：数值实验模拟的正压潮波结构较为合理，对准定常态的环流场和温 盐场的模拟结果令人满意，对陆架浅海潮致混合现象的模拟结果值得肯定；在现 有条件下，对m 2 内潮波的模拟能力有所提高。 总而言之，本文所建立的数值模式，引入了m 2 分潮驱动，考虑了不同海洋 现象的物理特征和时空尺度差异，并结合模式自身的特点制定了数值实验的研究 内容，提出了相应的研究思路与方法，从而改进了模式对主要物理海洋现象的刻 画。随着数值计算方法的不断改进和高分辨率数据资料的大量获得，本文研究尚 有广阔的发展空间。 关键词：z 坐标；原始方程；区域海洋潮汐环流模式；内潮波；内潮粘性 i i s t u d yo naz - c o o r d in a t er e gio n aio c e a ng e n e r ai cir c uia tjo na n dtid em o d ei int h es h eifa n dm ar gin ai s e a sar o u n dc hin a a b s t r a c t b a s e do n az - c o o r d i n a t e p r i m i t i v e - e q u a t i o n s o c e a nm o d e l - h a m s o m ( h a m b u r gs h e l fo c e a nm o d e l ) ，ar e g i o n a lo c e a ng e n e r a lc i r c u l a t i o na n dt i d e m o d e l ( r o g c t m ) h a sb e e ne s t a b l i s h e di nt h ep r e s e mw o r k ，t os i m u l a t ec o r r e l a t i v e p h e n o m e n ai nt h e s h e l fa n dm a r g i n a ls e a sa r o u n dc h i n a t h em o d e li sa b l et o r e p r o d u c ea p p r o p r i a t e l y ：t h eb a r o t r o p i ct i d e s ，t h eg e n e r a lc i r c u l a t i o n s ，a n dt h e c o r r e s p o n d i n gs t r u c t u r e so ft e m p e r a t u r ea n ds a l i n i t y t h em o d e lr e s u l t so fm 2i n t e r n a l t i d eh a v eb e e ni m p r o v e d ，d e s p i t et h er e s t r i c t i o no fc u r r e n t l ya v a i l a b l en u m e r i c a l a l g o r i t h m sa n dd a t ar e s o u r c e s a sap r e l i m i n a r ys t u d yt ob u i l dan u m e r i c a lm o d e li n s u c hab i ga r e a 、析t hr a p i d l yc h a n g i n gt o p o g r a p h y , n e wi d e a sa n dm e t h o d sh a v eb e e n a p p l i e d ，w h i c ha l l o w st h ea p p l i c a t i o no ft h en u m e r i c a lm o d e lt o b ee x t e n d e d ，b y w h i c ht h er e c e n tw o r kh a sb u i l tac o n v e n i e n tt o o lf o rt h ef o l l o w i n gs t u d i e s m o s to ft h er e c e n t l ya v a l l a b l ef o r c i n ge f f e c t sh a v eb e e ni n t r o d u c e d ，w h i c ha l l o w s t h em o d e lr e s u l t st oc o n s i s to fm u l t ip r o c e d u r e s c o n s i d e r i n gt h ed e f i c i e n c yo ft h e n u m e r i c a lm o d e li ns i m u l a t i n gd e e ps e ap r o c e s s e s ，e s p e c i a l l y , t h eg e n e r a t i o na n d p r o p a g a t i o no fi n t e r n a lt i d e s ，a na d d i t i o n a lt e r mn a m e dt h ei n t e m a l - t i d ev i s c o s i t ya n d i t sn u m e r i c a ls c h e m eh a v eb e e ni n t r o d u c e d i ti ss u p p o s e dt os o l v et h ep r o c e s s e s h e r e i n a f t e r ：1 ) t h ed i s s i p a t i o n i nv i s c o u sb o t t o mb o u n d a r yl a y e ro v e rr o u g h t o p o g r a p h yi nt h ed e e po c e a n , w h i c hi sa l w a y si m p r o p e r l yr e p r o d u c e db yz - c o o r d i n a t e s y s t e m s ；2 ) t h ed i s p e r s i o no fi n t e r n a lt i d e sd u r i n gt h e i rp r o p a g a t i o ni nt h es t r a t i f i e d i n n e ro c e a n ；3 ) t h ee n e r g yt r a n s f e rp r o c e s s e sf r o mi n t e r n a lt i d e si n t oo t h e rf o r m so f s e aw a t e rm o v e m e n tt h a tc a u s e db ys t r o n gn o n l i n e a rw a v e w a v ei n t e r a c t i o n s ；4 ) t h e e n e r g yl o s so fi n t e r n a lt i d e sv i am i x i n gp r o c e s s e sd u r i n gt h e i rp r o p a g a t i o ni n t h e s t r a t i f i e di n n e ro c e a n u n d e rp h y s i c a lu n d e r s t a n d i n g s ，t h ea b o v ep r o c e d u r e sc o u l db e i l l c l a s s i f i e di n t oe n e r g yl o s sp r o c e s s e s h e n c eau n i f o r mn u m e r i c a ls c h e m em i g h tb e s u g g e s t e dt oc l o s ea l lo ft h e m t h ep r e l i m i n a r ya n a l y s i so nm o d e lr e s u l t ss u p p o r t e d t h ei d e a sa n dm e t h o d sp r o p o s e d ，w h i c ha r em e a n i n g f u lf o rt h ef o l l o w i n gr e s e a r c h e st o r e f e r e n c e t h ed i f f e r e n c e si nv a r y i n ga n ds p a c i a ls c a l e so ft h eb a r o t r o p i ct i d e s ，t h ei n t e r n a l t i d e s ，a n dt h eg e n e r a lc i r c u l a t i o n sa r ee n o r m o u s i nc o n s t r a i n to ft h em o d e lr e s o l u t i o n a n dt h a to ft h ef o r c i n gd a t ar e s o u r c e s ，m a i n l yt h ef o l l o w i n ga s p e c t so ft h em o d e l r e s u l t sh a v eb e e nd i s c u s s e d ：t h eb a r o t r o p i ct i d e s ，t h eg e n e r a lc i r c u l a t i o n s ，a n dt h e m i x i n gp r o c e d u r ec a u s e db yt i d a lw a v e si ns h a l l o w e rs h e l fs e a s f o rt h es i m u l a t e dm 2 i n t e r n a lt i d e s ，h o w e v e r , c o m p a r a b l yf e w e rr e s u l t sw e r ea n a l y z e d f r o mt h ea n a l y s i so n t h er e s u l t so ft h r e e p a r a l l e le x p e r i m e n t s ，t h ec a p a b i l i t yo ft h en u m e r i c a lm o d e l e s t a b l i s h e db yt h er e c e n ts t u d yc a nb es u m m a r i z e da sf o l l o w s ：t h es i m u l a t e ds t r u c t u r e o ft h eb a r o t r o p i ct i d e si sf u n d a m e n t a l l yr e a s o n a b l e ；c o m p a r e dt ot h ec o n c e p t i o n sb u i l t u pb yf o r m e rr e s e a r c h e s ，t h em o d e l e dg e n e r a lc i r c u l a t i o n sa n dt e m p e r a t u r e s a l i n i t y f i e l d sa r ea c c e p t a b l e ，a n dt h ec o m p u t e dt i d a l l ye n h a n c e dm i x i n gi ns h a l l o w e rs h e l f s e a si ss t r o n g l yi nc o n s i s t e n c y ；t h ea b i l i t yo fs i m u l a t i n gm 2i n t e m a lt i d e sh a sb e e n i m p r o v e d ，u n d e rt h ec o n s t r a i n to fc u r r e n t l ya v a i l a b l en u m e r i c a la l g o r i t h m sa n dd a t a r e s o u r c e s t oc o n c l u d e ，t h ep r e s e n tw o r ki n t r o d u c e dm 2t i d a lf o r c i n gi n t ot h en u m e r i c a l e x p e r i m e n t s ，c o n s i d e r e d t h e v a r y i n g a n d s p a c e s c a l e sd i f f e r e n c e so fm u l t i o c e a n o g r a p h i cp r o c e s s e s ，a n db a s e do nt h eu n d e r s t a n d i n go ft h em o d e lh s e l n e w i d e a sa n dm e t h o d sh a v eb e e ns u g g e s t e d ，w h i c hi m p r o v e dt h em o d e lp e r f o r m a n c e si n r e p r o d u c i n gt h ec o r r e l a t e dp r o c e d u r e s 、m t ht h ed e v e l o p i n go fn u m e r i c a la l g o r i t h m s a n dt h ea c h i e v i n go fm o r ed a t ar e s o u r c e s ，t h ef u r t h e rs t u d i e so no c e a nm o d e l i n gw i l l b es u r e l yp u s h e df o r w a r d k e y w o r d s ：z - c o o r din a l ：es y s t e m s ：p rim itiv e e q u a l ：io n so c e a nm o d ei ：r o g c t m ： i n l ：e r n a it i d e s ：i n l ：e r n a it i d ev is c o s i l ：y i v 独创声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含未获得( 注：如没有 其他需要特别声明的，本栏可空) 或其他教育机构的学位或证书使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并 表示谢意。 学位论文作者签名：签字日期：年月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人 授权学校可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用 影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。同时授权中国科学技术信息 研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并通过网络向社会公 众提供信息服务。( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名： 新擗卢佑斗 剔磁y 、忙寸 签字日期：年月日签字日期：年月日 基于z 坐标的中国东部陆架边缘海潮汐环流模式研究 o 引言 o 1 研究海区概况 本文研究所涉及的中国东部陆架边缘海，包括渤、黄、东海，日本海南部、 南海北部，以及毗邻的西北太平洋海域。海区的范围和相应的海底地形如图0 1 所示，图中标示了主要海盆和周边国家的名称。研究海区的海底地形非常复杂， 以水深小于2 0 0 m 的宽广陆架浅海和水深超过3 0 0 0 m 的大洋海盆为显著特征，琉 球岛链以东的大陆坡折是二者的分界线。沿东海陆架的边缘也存在着由陆架浅海 向水深超过2 0 0 0 m 的冲绳海槽过渡的东海大陆坡。台湾岛和菲律宾之间的吕宋海 峡( 又称巴士海峡) ，其地形变化同样剧烈：海峡东西方向的宽度不足3 0 0 k i n ， 两侧均为水深超过3 0 0 0 m 的深海盆。东海陆架的海底地形相对比较平缓，由长江 的泥沙输运作用而形成的沉积地貌特征明显。黄海的中东部有向北延伸的黄海深 水槽，冬季黄海暖流沿其北上，夏季则被黄海冷水团所占据。 大量的研究表明，中国东部陆架边缘海的环流系统受北太平洋西边界流( 即 黑潮) 的影响非常显著( 如苏纪兰，2 0 0 1 ；马超，2 0 0 6 ；c h e na n dw u ，2 0 0 6 ； y a n g ，2 0 0 7 ) 。黑潮起源于吕宋海峡以东1 5 。n 附近，其主轴北上经台湾岛和琉 球岛链之间的海峡进入东中国海，并沿东海陆架的边缘向东北流动，经吐噶喇海 峡流出，之后沿日本岛边缘继续向东、向北流动，一般在3 5 。n 左右脱离海岸线 并转向大洋，形成黑潮延伸体部分；其中流经东中国海的一段被称作东海黑潮。 图0 2 为黑潮流经研究海区的主轴示意图( n i w aa n dh i b i y a ，2 0 0 4 ) 。 图0 3 为东中国海深度平均的环流结构示意图( 林葵等，2 0 0 2 ) 。主要的几 支海流，如台湾暖流、对马暖流、黄海暖流等，从动力机制、水团结构、变化特 征等方面，都与黑潮有着直接或者间接的关系( 如苏纪兰，2 0 0 1 ；g u oe ta 1 ， 2 0 0 6 ；y a n g ，2 0 0 7 ) 。不仅如此，黑潮水体不同于研究海区其它水体的高温、高 盐特性，极大的影响了海区的热收支平衡和营养盐结构( i c h i k a w aa n dc h a e n ， 2 0 0 0 ；t e a g u ee ta 1 ，2 0 0 3 ) ，同时也对海区的气候有着重要影响( 吴志彦等， 2 0 0 8 ) 。研究表明( 如于非等，2 0 0 2 ；h s u e he ta 1 ，1 9 9 3 ，1 9 9 6 ；g u oe ta 1 ， 2 0 0 6 ) ，黑潮水在台湾岛东北和九州岛西南海域大量的入侵东海陆架，而其对南 海的入侵则主要通过吕宋海峡( 如刘秦玉等，1 9 9 6 ，2 0 0 0 ；李立，2 0 0 2 a ，b ) 。 黑潮对陆架边缘海的入侵，形成了丰富的分支和伴生涡旋等环流结构，如图o 一4 基于z 坐标的中国东部陆架边缘海潮汐环流模式研究 ( c h e na n dw u ，2 0 0 6 ) 所示，同时也传递了大量的能量( h s i u n g ，1 9 8 5 ) 。 研究海区的环流场与温盐结构还同时响应于东亚、东南亚的季风系统，以及 河流( 主要是长江) 入海径流量的变化( b e a r d s l e ye ta 1 ，1 9 8 5 ) 。季风有利 于沿岸流和陆架中尺度涡的形成，同时也季节性的改变长江冲淡水的扩散路径 ( 乐肯堂，1 9 8 9 ) 。冬季，强东北季风以及周期性爆发的大风过程加强了陆架浅 海的上层混合，在水深较浅的海域可直达海底。夏季，季风相对较弱，上层混合 也较弱，从而在强太阳辐射下有利于上层海洋温度层结的形成。然而，夏季频发 的台风和温带气旋会不时传入研究海区，在加强上层混合的同时也带来了丰富的 降水。作为世界第三大河流的长江，其年平均0 0 3 s v ( 1 s v = 1 0 6 m 3 s ) 左右的径 流量，对东中国海的环流结构、淡水收支和营养盐组成的影响是非常显著的。冬 季，长江的径流量偏小，在强季风的作用下向南扩散，汇入闽浙沿岸流。夏季， 长江的径流量很大，在西南季风和陆架环流的共同作用下向东、向北扩散，最远 可延伸至对马海峡。 潮汐现象同样是影响研究海区环流与温盐结构的重要因素。海区的正压潮波 主要是谐振潮，即周期性由西北太平洋传入的谐振动潮波，而在天体引潮力的直 接作用下生成于局地的强迫潮很弱( a n ，1 9 7 7 ) 。气候态平均意义下，由于天文 潮的非线性效应而形成的潮致余流，是陆架浅海环流系统的重要组成部分，在中 国近海具有与风生、热盐环流相同的运动量阶( 孙文心等，2 0 0 0 ) 。在大洋潮波 传至陆架浅海的过程中，水深逐渐变浅，波动能量在垂向被压缩，导致潮流变强， 最大流速超过3 m s 。在底摩擦力的作用下，周期性往复的潮流在近底层会形成 很强的流速垂向剪切，从而加强了混合过程，对于陆架浅海垂向温盐结构的形成 有重要影响( 袁业立和李慧卿，1 9 9 3 ) 。 正压潮波与琉球岛链以东的大陆坡折和吕宋海峡剧烈变化的地形的相互作 用，导致大尺度内潮波的产生，其波长可以达到o ( 1 0 0 砌) 的量级( n i w aa n d h i b i y a ，2 0 0 4 ) ，其传播过程中激发的内孤立波的振幅可以达到l o o m ( b o l ee t a 1 ，1 9 9 4 ) 。内潮波的能量有一部分在局地耗散，余下的部分则向生成区域外传 播。生成于琉球岛链以东的大尺度内潮波主要向西北太平洋传播，而生成于吕宋 海峡的内潮波则分别向大洋和南海内部传播。传向大洋的内潮波可以传播相当远 的距离，而进入南海的内潮波则会在海底地形的非线性作用下，向其它形态的潮 2 基于z 坐标的中国东部陆架边缘海潮汐环流模式研究 成内波转变，并最终在南海北部的陆架上破碎，产生混合( 杜涛等，2 0 0 1 ；杜涛 和方欣华，2 0 0 3 ) 。 o 2 研究海区的潮汐现象 如前所述，中国东部陆架边缘海包含了相当丰富的物理海洋现象，因此一直 是海洋学研究的热点，前人在各个方向进行了卓有成效的研究。作为本文的前期 研究，c h e na n dw u ( 2 0 0 6 ) 对该海区的气候态环流场和温盐场进行了系统的数 值模拟，并对数值实验的结果作了大量验证。本文的研究，将在其数值实验的基 础上引入潮汐驱动，使模式中所包含的动力过程更加完备。 研究海区的潮汐现象主要包括正压潮波与潮流、潮致余流、潮致混合和内潮 波。下面，本文首先对前人在这些方面的研究工作进行概述。 0 2 1 正压潮波与潮流、潮致余流、潮致混合现象的研究 正压潮波( b a r o t r o p i ct i d e s ) 又称表面潮波( s u r f a c et i d e s ) ，是在天体 引潮力的作用下产生的一种海面波动。研究海区的正压潮波主要是谐振潮，即由 西北太平洋传入的谐振动潮波，而在天体引潮力的直接作用下生成于局地的强迫 潮很弱，如a n ( 1 9 7 7 ) 估计黄海的强迫潮分量只占3 左右。潮流则是与潮汐升 降相对应的水平流动，在多数情况下二者的周期性变化类型是一致或者相似的， 然而在某些海域也会有所不同( 方国洪等，1 9 8 6 ) 。渤、黄、东海的潮汐以半日 潮成分占优，而南海的大部分海域则是全日潮占优( 方国洪等，1 9 9 4 ) 。 对中国近海的正压潮波与潮流的研究开展较早，出版了很多著作和图集，如 海洋潮汐( 1 9 7 9 ) 、中国近海水文( 2 0 0 5 ) 、中国自然地理图集( 1 9 8 4 ) 、 渤海、黄海、东海海洋图集水文分册( 1 9 9 2 ) 和南海海洋图集水 文分册( 2 0 0 5 ) 等。随着高度计卫星资料的获得，近年来相应的发展了一些反 演和同化方法，如董晓军等( 2 0 0 2 ) ，李培良等( 2 0 0 2 、2 0 0 5 a ，b ) 。 潮致余流是由于天文潮的非线性效应而形成的、长期平均意义下的气候态海 水运动，其在陆架浅海具有和风生、热盐环流相同的量阶( 孙文心等，2 0 0 0 ) 。 冯士稚( 1 9 9 2 ) 首先提出对潮致余流的研究必须是基于拉格朗日平均的意义，并 分别导出了弱非线性近似的近岸拉氏环流方程组( 冯士榫，1 9 9 2 ) 和包含像黑潮 这样的大尺度环流影响下的拉氏环流方程组( f e n g ，1 9 9 8 ) 。孙文心等( 2 0 0 0 ) 应用流速分解法( 孙文心，1 9 9 2 ) 对这些方程组进行了数值离散，建立了拉格朗 基于z 坐标的中国东部陆架边缘海潮汐环流模式研究 日平均意义下的黄、东海环流数值模型，并分别进行了潮汐及潮致余流( 孙文心 等，2 0 0 1 ) 、正压环流( 刘桂梅等，2 0 0 2 ) 的数值模拟和斜压环流的诊断计算( 雷 坤等，2 0 0 4 ) 。对于渤海和南海近海( 主要是北部湾) 的潮致余流，前人也进行 了大量的研究，如赵保仁和雷方辉( 1 9 9 5 ) ，w e ie ta 1 ( 2 0 0 4 ) ，万修全等4 2 0 0 4 ) ， 王悦和林霄沛( 2 0 0 6 ) ；侍茂崇和陈春华( 1 9 9 8 ) ，孙洪亮等( 2 0 0 1 ) 。 潮致混合，是由陆架浅海的强潮流所导致的近底层混合现象。乔方利等 ( 2 0 0 4 ) 总结了四种不同的混合类型，即湍流混合、波浪混合、潮流混合和内波 混合；进一步研究了在波浪和潮流混合的共同作用下黄、东海的温度垂向结构的 形成。l i ne ta 1 ( 2 0 0 6 ) 在渤海的中部断面进行了类似的数值实验，指出渤海 中部的暖水结构和垂向断面的双冷核结构是在相应的地形效应下，风浪混合与潮 致混合共同作用的结果。针对潮致混合现象，近年来也发展了一些相应的参数化 方案，如袁业立等( 1 9 9 3 ) ，李明悝等( 2 0 0 6 ) 。 0 2 2 内潮波的理论和数值模式研究 本文的研究所涉及的内潮波( i n t e r n a lt i d e s ) ，是一种非线性较弱的潮成 内波( t i d e g e n e r a t e di n t e r n a lw a v e s ) ，以接近于标准正弦波的形式存在，具 有与正压潮波相同或相近的周期。潮成内波的波形或表现形式与它的非线性强弱 有非常密切的关系。当潮成内波的非线性较强且处于某种稳定( 或动态稳定) 状 态时，它会以内孤立波( i n t e r n a ls o l i t a r yw a v e s ) 或内孤立波列的形式出现； 更强的非线性也会使潮成内波以内涌( i n t e r n a lb o r e s ) 的形式存在( 方欣华和 杜涛，2 0 0 5 ) 。 目前普遍认为，层化海洋中正压潮波与变化的海底地形的相互作用，是产生 内潮波的一种有效机制，即潮地作用生成机制。因此，内潮波的产生需要满足三 个基本条件，即作为能源的正压潮波，作为激发源的变化的海底地形和作为载体 的密度稳定层化的海水。杜涛等( 2 0 0 1 ) 总结了其它可能生成内潮波的机制，如 科氏力共振机制等。前人在此基础上进行了一些内潮波生成的数值实验( 如m a z 6 ，1 9 8 7 ；江明顺等，1 9 9 5 ；方国洪等，1 9 9 7 ) ，也开展了一些理论研究，得到了 部分解析解例( 如m u n k ，1 9 6 6 ；b a i n e s ，1 9 7 4 ；j i a n ga n df a n g ，1 9 9 5 ) 。 基于k d v 理论，内潮波在传播过程中的演变取决于非线性因素和频散效应的 平衡。在内潮波向生成区域外传播的过程中，会受到一些稳定或不太稳定的因素 4 基于z 坐标的中国东部陆架边缘海潮汐环流模式研究 的影响，如地形、垂向流速的剪切、科氏力的变化、海水底部和内部的耗散等。 如果非线性因素的影响越来越强，以致于不能被频散效应所平衡，内潮波的波形 会变得越来越陡并最终发生破碎；反之，当频散效应的影响越来越大时，会克服 非线性因素的作用，使内潮波的波形越来越平坦，并最终由于耗散而消失。非线 性因素与频散效应的平衡尺度可以分为两种情况：第一种情况，存在于地形较为 平坦的深海的内潮波，其非线性作用与频散效应的平衡一般发生在内潮波波长的 尺度上，这时的内潮波以接近于正弦波的形式传播；第二种情况，在地形变化复 杂的浅海传播的内潮波，由于受到来自地形的强非线性作用的影响，非线性效应 在整体上要远大于频散效应，两者的平衡仅在比内潮波波长小得多的尺度上达 成，这时将从内潮波中裂变产生内孤立波包；浅海地形坡度的持续变化会使得垂 向空间减小，能量积聚，造成内潮波的波面迅速增高而成为不连续面，这种不连 续面的继续传播就是内涌；若波面持续增高，最终内涌将破碎，产生混合( 以上 论述引自方欣华和杜涛，2 0 0 5 ) 。 关于内潮波的数值模式研究，杜涛和方欣华( 1 9 9 9 ) 根据数值模式能够解决 的主要问题，将现有的内潮波模式划分为生成模式、传播模式和统一模式：生成 模式主要研究在潮地作用生成机制下，内潮波在密度跃层中的产生过程和以非孤 立波形式传播的过程；传播模式主要研究内潮波在传播过程中的演变；统一模式 将内潮波的生成过程与其在传播过程中的演变( 含内孤立波的生成) 合在一起进 行模拟；分别介绍了近期和一些早期数值模式的主要特点，并指出内潮波的数值 模式研究存在的主要问题和今后的发展方向。 之后的内潮波数值模式研究方面， m e r r i f i e l de ta 1 ( 2 0 0 1 ) 基于p o m ( p r i n c e t o no c e a nm o d e l ) 模式模拟了夏威夷海脊的m 2 内潮波，认为精准的海 底地形和区域性的正压潮流数据是模拟外海内潮波产生的关键因素。同样是基于 p o m 模式，n i w aa n dh i b i y a ( 2 0 0 1 ) 用一个附加的拖曳应力项来计算内潮波在 传播的过程中，由于非线性的波一波相互作用而引起的能量损失，模拟了整个太 平洋m 2 内潮波的分布，并估算出整个海区m 2 内潮波的能量约为3 3 8 g w 。同时， 随着卫星高度计资料的广泛应用，也相应的建立了一些同化模式，如吴自库 ( 2 0 0 5 ) 。 对于由内潮波运动引起的混合现象，基于前人的理论研究( 如j a y n ee ta 1 ， 基于z 坐标的中国东部陆架边缘海潮汐环流模式研究 2 0 0 1 ：l l e w e l l y ns m i t ha n dy o u n g ，2 0 0 2 ：s t l a u r e n ta n dg a r r e t t ，2 0 0 2 ； s t l a u r e n te ta l ，2 0 0 2 ，2 0 0 3 ) ，相应的发展了一些参数化方案( 如l i u n g m a n ， 2 0 0 0 ：s i m m o n se ta 1 ，2 0 0 4 ；s a e n k oa n dm e r r y f i e l d ，2 0 0 5 ) 。然而，通过直 接模拟内潮波的运动来研究其混合，尤其是对于内潮波在层结稳定的内区的传播 所造成的混合，目前还没有比较理想的参数化方案( 范植松，2 0 0 2 ) 。 0 2 3 研究海区的内潮波 研究海区的大尺度内潮波主要生成于琉球岛链以东的大陆坡折和吕宋海峡 附近。剧烈变化的地形与正压潮波的相互作用导致了大尺度内潮波的产生，其在 传播过程中激发的内孤立波的最大垂向位移可达l o o m ( b o l ee ta 1 ，1 9 9 4 ) 。 n i w aa n dh i b i y a ( 2 0 0 4 ) 基于p o m 模式的数值实验结果，给出的m 2 大尺度内潮 波的波长达到了o ( 1 0 0 k m ) 的量级，传播速度为3 5 - 4 5 c m s ；生成于琉球岛链以 东的大尺度内潮波主要向西北太平洋传播，而生成于吕宋海峡的大尺度内潮波则 向大洋和南海内部均有传播。s t l a u r e n ta n dg a r r e t t ( 2 0 0 2 ) 估计低模态的 大尺度内潮波可以向大洋传播o ( 1 0 0 0 o n ) 的距离，n i w aa n dh i b i y a ( 2 0 0 4 ) 的 数值实验支持了这一观点。 对于南海内潮波的研究，集中在吕宋海峡附近。n i w aa n dh i b i y a ( 2 0 0 4 ) 基于p o m 模式，指出约3 5 g w ( 1 0 ) 的m 2 正压潮波能量转化生成了m 2 内潮波。 吴自库( 2 0 0 5 ) 基于p o m 模式建立的内潮波数值同化模式，计算出吕宋海峡处正 压潮波向内潮波的能量转换率为8 5 g w ，m 2 内潮波的能通量为6 k w m 。在吕宋海 峡附近产生并传入南海的内潮波，在跃变地形的非线性作用下，会裂变产生内孤 立波。l i u 等( 1 9 9 8 ) ，z h a o 等( 2 0 0 4 ) 利用大量的卫星遥感图像，分别绘制了 南海北部海域内孤立波的分布。 对于其它海域的研究，f a n ge ta 1 ( 1 9 8 9 ) 分析了东海的观测资料，发现 振幅超过4 0 m ，相应的水平流速达到4 0 c m s 的内潮波。赵俊生等( 1 9 9 2 ) 分析 了渤海海峡和北黄海的一些观测资料，指出老铁山水道及其临近海域为强内潮 区，最大内潮波振幅接近2 0 m ，传播速度约5 0 6 0 c m s 。 0 3 研究目的与需要解决的关键问题 前人的大量研究，有的基于观测和理论分析，有的基于数值实验，后者有利 6 基于z 坐标的中国东部陆架边缘海潮汐环流模式研究 于从宏观上对所研究的物理海洋现象进行讨论。因此，随着数值计算方法的改进 和高性能计算机运算能力的提高，数值模拟逐渐成为了一种常用的研究手段。总 结前人的工作，可知潮汐过程是研究海区至关重要的海洋学现象，因此，只有在 数值实验中予以考虑，模式所包含的动力过程才能够趋于完备。在本文的研究海 区，潮汐环流模式的研究工作已经开展，并得到了一些较为理想的结果( 如 胡好国等，2 0 0 4 ；x i ae ta 1 ，2 0 0 4 ) 。然而，在较大的海区，涉及正压潮波、 内潮波和环流三种运动形态以及相关物理现象的数值研究尚未见讨论。作为本文 的前期研究，c h e na n dw u ( 2 0 0 6 ) 基于h a m s o m 模式建立的研究海区的环流与温 盐模式，其优点以及模拟结果已经得到了充分的验证。本文的研究工作将以其模 式为基础，在现有的数据条件下，对区域的开边界应用单向嵌套，并引入潮汐驱 动。通过对相关物理过程和模式自身特点的分析，归纳本文的研究难点，主要体 现在以下四个方面： ( 1 ) 正压潮波、内潮波、环流三者的时空变化尺度相差甚大。正压潮波的 波速很快，需要用很短的时间步长才能模拟其变化；内潮波的波速相对较慢，然 而变化的频率与正压潮波相近，因此也限制了模式的时间步长；环流是一种准定 常态的运动，在保证差分格式有效性的前提下，数值模式的时间步长可以很长； 在空间尺度方面，正压潮波的波长很长，因此对模式的空间分辨率要求较低；然 而内潮波的波长很短，一般为o ( 1 0 k m ) 甚至更小的量级，只有大尺度内潮波的波 长能够达到o ( 1 0 0 k m ) ；对于环流的空间尺度，g u oe ta 1 ( 2 0 0 3 ) 指出，水平 方向上0 0 0 k m ) 的模式分辨率，是能够比较合理的模拟黑潮区的斜压性与大陆坡 的地形变化的最低分辨率。 ( 2 ) h a m s o m 模式自身的不足，限制了其对深海过程，尤其是内潮波运动的 模拟能力。主要体现在两个方面：其一，z 坐标海洋模式对地形的模拟是不准确 的，从而限制了其在地形剧烈变化的环境下对底边界物理过程的模拟能力，因此 对内潮波生成机制的模拟会出现偏差；其二，原始方程海洋模式的控制方程组， 是在静力近似、线性近似等各种近似下导出的，对于大尺度、准定常态的环流以 及层结的模拟是适用的：然而，对于内潮波在传播过程中的演变与能量耗散，其 模拟能力显然有所欠缺。 7 基于z 坐标的中国东部陆架边缘海潮汐环流模式研究 ( 3 ) 单向数据嵌套的海洋模式，通常需要根据内区的某些计算结果，对开 边界的嵌套数据进行必要的修正，以保证模式在开边界的计算和内区遵循的是相 同或相近的过程。然而，这些修正使得模式在开边界的计算依赖于内区的模拟结 果；尤其在出流的情况下，内区对温盐的模拟结果会通过平流输运作用影响开边 界温盐的计算，从而影响地转流的计算。因此，为了确保对嵌套数据的修正是合 理的，需要模式对混合过程的模拟具有比较高的精度；然而对于内潮波运动引起 的海洋内部混合，目前还没有比较理想的参数化方案( 范植松，2 0 0 2 ) 。 ( 4 ) 在本文的研究海区，大片的海域被深海所覆盖，尤其是在开边界附近； 然而，现有的海洋资料中，深海高分辨率、高质量的温盐数据难以获得，因此从 外在研究条件上极大的限制了模式对深海层结的分辨能力，以及模拟生成于深海 底层的内潮波的能力。 0 4 研究内容与研究方法 尽管存在一些不足，h a m s o m 模式仍然具有很多优点，因此在诸多的海区得 以应用，成为目前流行的海洋数值模式之一；尤其是其最新发展的并行版本，优 化了内存分配，从而可以在大多数并行计算平台下运行。而且，h a m s o m 模式对 中国东部陆架边缘海许多现象的模拟能力已经在前期工作中得到了肯定( c h e n a n dw u ，2 0 0 6 ) 。因此，本文的研究仍然采用该模式，并根据前文中提到的难点 问题，选择了本文的研究内容，且提出了相应的研究方法。 本文的研究内容主要涉及以下几个方面： ( 1 ) 数值模拟的重点仍然是准定常态的环流场和温盐场，因此，首先需要 确保模式对平均态已知现象的模拟不会产生大的偏差。 ( 2 ) 对于潮汐现象，在目前的研究条件下，以正压潮波和陆架浅海的潮致 混合现象作为数值模拟的主要内容。 ( 3 ) 由于数值模式本身和驱动数据资料分辨率的限制，目前还只能模拟第 一垂向模态大尺度内潮波的生成，这是限制当前数值研究的一大瓶颈。本文将根 据数值实验的结果，对内潮波在研究海区的产生、传播和分布进行定性的讨论。 根据以上研究内容，提出相应的研究方法如下： ( 1 ) 基于以下三点考虑，在模式的控制方程组中，需要保留垂向运动方程 中的水平粘性项( 即后文命名的内潮粘性项) ：其一，修正z 坐标海洋模式在地 基于z 坐标的中国东部陆架边缘海潮汐环流模式研究 形剧烈变化的环境下，对内潮波生成机制的模拟偏差；其二，对内潮波在传播过 程中的能量耗散，包括直接的耗散和向其它运动形态的能量传递，进行参数化； 其三，由于目前对内潮波在层结稳定的内区传播所造成的混合，尚没有理想的参 数化方案，因此只能通过加诸于垂向运动的能量耗散来保持层结的稳定，从而确 保对开边界嵌套数据的修正不会产生较大的偏差。 ( 2 ) 模式的水平和垂向分辨率根据所模拟现象的基本要求和驱动数据的相 关情况进行设置；减小时间步长以满足对潮汐现象的模拟要求。 ( 3 ) 由于数值实验需要模拟不同尺度的波动现象，而且单向数据嵌套也会 引入一些计算误差；因此需要设计相应的开边界条件和对嵌套数据的修正方案， 以避免或者减弱开边界的计算误差对内区模拟结果的影响。 o 5 创新点和实际应用价值 上述研究方法中的第一点，即本文的主要创新点。在所研究海区，内潮波是 和潮汐现象密切相关的典型深海运动；本文分析了z 坐标原始方程海洋模式在模 拟内潮波运