东海内潮的模拟研究
刘鲁燕 张婕
摘 要：本文运用HAMSOM三维斜压陆架海洋模型，在东海海域模拟M2内潮，并计算内潮能通量。研究表明，东海内潮主要在冲绳海槽和琉球海沟区域产生，产生区域内潮振幅、能通量均很大，分别向浅海陆架和深海大洋传播，主要向深海大洋传播，内潮能通量基本沿黑潮路径分布，吐噶喇海峡附近内潮能通量值最大，方向沿黑潮流向。
关键词：内潮；HAMSOM；能通量；黑潮
中图分类号：P731.2 文献标识码：A 文章编号：1006—7973（2018）8-0040-03
内潮是具有潮汐频率的低频海洋内波，主要发生在密度稳定层化的海洋内部。目前普遍认为，内潮的产生机制主要是潮地作用生成机制，即在稳定层化的海洋中，正压潮波受到变化的海底地形的扰动，产生内潮。
东海的冲绳海槽及琉球海沟，地形变化剧烈，常年有温跃层存在，符合内潮的产生机制， Tian[1]通过TOPEX/POSEIDON数据提取了西北太平洋边缘的M2内潮能通量，指出西北太平洋区域内潮能通量最大值出现在130°E～140°E，20°N～30°N的琉球海沟处，大约为4kw/m，向西南方传播。Niwa and Hibiya[2]基于POM模式研究显示内潮在琉球岛链附近产生，主要向东南方向传播到太平洋，但该研究并未在模式中考虑海区内的黑潮。张效谦[3]通过TOPEX/POSEIDON数据提取内潮，指出琉球岛链附近的内潮向东南方向传播，能通量大小为3.9kw/m。姜波[4]采用三维非线性数值模型研究发现，长江口、杭州湾以东海域的内潮主要由地形和潮波特征所决定，而台湾东北（冲绳海槽）海域的内潮强烈主要受黑潮和地形的影响。宋丹[5]采用HAMSOM模式研究表明，东海内潮主要产生于琉球岛链以东的大陆坡折处，在生成区域M2内潮的最大振幅在20m左右，主要向西北太平洋传播，传播过程中振幅衰减到5m左右，波长在150km左右，传播速度约为4m/s。
1 HAMSOM模式对东海M2内潮的模拟
HAMSOM（Hamburg Shelf Ocean Model）适用于模拟边缘海及陆架海域，本文在模式中加入每一層每一水点的月平均温度、盐度值作为初始场，加入M2分潮的调和常数作为模式的驱动场，输出结果包括水位、流速、温度、盐度及密度。
1.1模式验证
内潮生成机制中，正压潮是产生内潮的能源，模拟的正压潮是否准确对模式验证至关重要。将模式输出水位进行调和分析，得到M2分潮的振幅和相位，如图1所示，单位为m，并在填充图上做同潮时线。图2为Niwa and Hibiya[2]基于POM模式模拟东中国海M2内潮时所作的M2分潮同潮时分布图，与本文模拟结果基本一致，潮波在太平洋产生经琉球岛链传入东海后，基本保持前进波的特点。
进一步验证，按照Cummins and Oey[6]的方法，将模拟结果与TOPEX/Poseidon卫星高度计观测数据反演的M2分潮的振幅和相位进行比较，计算两者之间的绝对均方差RMS，公式为：
其中，A代表振幅，G代表相位，m表示模式结果，o表示参照对象，计算所得RMS如图3所示，整个海区的RMS在0.5m以下，本文重点研究的冲绳海槽和琉球海沟区RMS在0.1m以下，模拟结果与T/P高度计资料符合较好。
因此，HAMSOM模式模拟的内潮正压潮驱动是合理的，尤其在本文重点研究的冲绳海槽和琉球海沟区域，模拟基本准确。
1.2模拟结果分析
内潮的观测主要通过对各水层等温线量值变化考察相关特质的[7]，因此，本文通过分析海水的垂向密度变化来分析模式对内潮的模拟。
为研究内潮的产生，在冲绳海槽和琉球海沟海域设置6个点位（1～6号点位），如图4所示，另外，为研究内潮的传播情况，在其两侧共设置4个点位（7～10号点位）。
图5至图8为10个点位1个月内的垂向密度剖面图。可见，等密度线呈规则波状起伏，每一点位振幅大致相等，呈半日潮周期特性，说明HAMSOM模式模拟到了M2内潮现象。其中，绳海槽和琉球海沟海域1号～6号点位等密度线振幅大约为20m～40m，等密度线的振幅可反映内潮的振幅大小，Niwa and Hibiya研究发现，琉球岛链附近M2内潮振幅高达30m以上，宋丹研究指出，琉球岛链区域M2内潮最大振幅在20m左右，与本文结果基本一致。浅海陆架区内的7号、8号点位等密度线振幅小，约为5m～7m。深海区域9号、10号点位等密度线振幅与冲绳海槽和琉球海沟区域基本一致。可见，内潮在冲绳海槽和琉球海沟区域产生后，分别向浅海陆架和深水大洋传播。浅海陆架区域由于水体层结程度较弱，并且温跃层较浅，内潮的波动振幅较小，并且内潮波在大陆架上的反射也会使振幅明显减弱。而在深海大洋，海水层结稳定，温跃层较深，内潮振幅较大。
2 内潮能通量的计算
内潮生成过程中由正压潮传给内潮的能通量一直备受学者们关注，所以对内潮的研究，除了分析内潮现象本身的规律外，对能通量的计算必不可少。
内潮能通量为脉动压强与脉动速度V的乘积在一个潮周期内的平均，即
脉动压强和脉动流速的计算方法主要根据Simmons和Nash中关于计算内潮能通量的叙述。图9为一个潮周期内的内潮能通量分布，冲绳海槽区域内潮能通量较大，约为15 kw/m ～25kw/m，另外，黑潮经吐噶喇海峡向东北弯曲部分海域，能通量值很大，且沿黑潮路径向东北延伸，总体看来，内潮能通量集中分布在黑潮路径区域和琉球海沟区域，与前人研究相符。
浅海陆架区域内潮能通量值很小，深海区域内潮能通量值较大，这与前面等密度线振幅大小的分布是一致的。
进一步研究琉球岛链附近海域的内潮能通量，图10所示为一个潮周期内的内潮能通量分布及传播状况，图11所示为Niwa and Hibiya[2]基于POM的研究结果，两幅图符合良好，内潮能通量的量级一致，内潮在琉球岛附近海域产生，分别向浅海陆架及深海传播，其中主要向深海区域传播，内潮在浅海传播时加上受到强烈的底摩擦耗散作用，所以浅海陆架区域内潮能通量值很小。在黑潮经吐噶喇海峡弯曲部分，黑潮流速和流量都很大，此区域的内潮能通量不仅量值很大，传播方向也基本沿黑潮的流向。
为了进一步研究内潮的产生与耗散，计算一个潮周期内的内潮能通量的散度，如图12所示，台湾以东海域、冲绳海槽、琉球海沟和吐噶喇海峡区域散度值均比较大，表明这些区域有内潮向外传播；浅海陆架区域散度基本为零，表明这些区域内潮很弱；琉球岛链以外海域也有一些散度较大区域，可以看出内潮自琉球岛链周围产生后主要向外传播。另外，由散度图还可以看出，散度数值正负相间，即东海内潮的辐散区和辐合区域相邻出現，Holloway研究澳大利亚西北陆架内潮时发现，低模态内潮表现为内潮的耗散区与产生区邻接，与本文结论一致。
3 结论
本文采用HAMSOM模式模拟东海内潮，考虑了黑潮的影响。研究发现：东海内潮主要在琉球岛链附近的冲绳海槽、琉球海沟区域产生，分别向浅海陆架区域和深海区域传播，其中，陆架区域内潮振幅较小，深海区域内潮振幅较大；计算所得内潮能通量，量级为1 ～10kw/m，与前人模拟的能通量量级一致。内潮能通量主要分布在冲绳海槽、琉球海沟和吐噶喇海峡附近区域，基本沿黑潮路径分布，量值达到20 ～30kw/m，其中吐噶喇海峡附近内潮能通量值相当大，且传播方向与黑潮流向一致。浅海区域能通量较小，深海区域能通量值较大。
参考文献：
[1]Jiwei Tian，Lei Zhou.Estimates of M2 internal tide energy fluxes along the margin of Northwestern Pacific using TOPEX/POSEIDON altimeter data.Geophysical Research Letters，2003，30（17）.
[2]Niwa Y Hibiya T.Three-dimensional numerical simulation of M2 internal tides in the East China Sea.Journal ofGeophysical Research—Oceans，2004，109（C4）.
[3]张效谦，梁鑫峰，周磊.利用TOPEX/Poseidon高度计资料提取的太平洋M2内潮能通量分布.海洋学报，2005，27（5）：9～14
[4]姜波.渤黄东海内潮的数值模拟.[硕士学位论文].青岛：中国海洋大学，2009.
[5]宋丹.基于z坐标的中国东部陆架边缘海潮汐——环流模式研究：[博士毕业论文].青岛：中国海洋大学，2009
[6]Cummins， P.， Oey， L.， 1997. Simulation of barotropic and baroclinic tides off Northern British Columbia. Journal of Physical Oceanography 27， 762-781.
[7]郭朴，方文东，于红兵.近海陆架区内潮观测研究进展，地球科学进展，2006：21（6）
摘 要：本文运用HAMSOM三维斜压陆架海洋模型，在东海海域模拟M2内潮，并计算内潮能通量。研究表明，东海内潮主要在冲绳海槽和琉球海沟区域产生，产生区域内潮振幅、能通量均很大，分别向浅海陆架和深海大洋传播，主要向深海大洋传播，内潮能通量基本沿黑潮路径分布，吐噶喇海峡附近内潮能通量值最大，方向沿黑潮流向。
关键词：内潮；HAMSOM；能通量；黑潮
中图分类号：P731.2 文献标识码：A 文章编号：1006—7973（2018）8-0040-03
内潮是具有潮汐频率的低频海洋内波，主要发生在密度稳定层化的海洋内部。目前普遍认为，内潮的产生机制主要是潮地作用生成机制，即在稳定层化的海洋中，正压潮波受到变化的海底地形的扰动，产生内潮。
东海的冲绳海槽及琉球海沟，地形变化剧烈，常年有温跃层存在，符合内潮的产生机制， Tian[1]通过TOPEX/POSEIDON数据提取了西北太平洋边缘的M2内潮能通量，指出西北太平洋区域内潮能通量最大值出现在130°E～140°E，20°N～30°N的琉球海沟处，大约为4kw/m，向西南方传播。Niwa and Hibiya[2]基于POM模式研究显示内潮在琉球岛链附近产生，主要向东南方向传播到太平洋，但该研究并未在模式中考虑海区内的黑潮。张效谦[3]通过TOPEX/POSEIDON数据提取内潮，指出琉球岛链附近的内潮向东南方向传播，能通量大小为3.9kw/m。姜波[4]采用三维非线性数值模型研究发现，长江口、杭州湾以东海域的内潮主要由地形和潮波特征所决定，而台湾东北（冲绳海槽）海域的内潮强烈主要受黑潮和地形的影响。宋丹[5]采用HAMSOM模式研究表明，东海内潮主要产生于琉球岛链以东的大陆坡折处，在生成区域M2内潮的最大振幅在20m左右，主要向西北太平洋传播，传播过程中振幅衰减到5m左右，波长在150km左右，传播速度约为4m/s。
1 HAMSOM模式对东海M2内潮的模拟
HAMSOM（Hamburg Shelf Ocean Model）适用于模拟边缘海及陆架海域，本文在模式中加入每一層每一水点的月平均温度、盐度值作为初始场，加入M2分潮的调和常数作为模式的驱动场，输出结果包括水位、流速、温度、盐度及密度。
1.1模式验证
内潮生成机制中，正压潮是产生内潮的能源，模拟的正压潮是否准确对模式验证至关重要。将模式输出水位进行调和分析，得到M2分潮的振幅和相位，如图1所示，单位为m，并在填充图上做同潮时线。图2为Niwa and Hibiya[2]基于POM模式模拟东中国海M2内潮时所作的M2分潮同潮时分布图，与本文模拟结果基本一致，潮波在太平洋产生经琉球岛链传入东海后，基本保持前进波的特点。
进一步验证，按照Cummins and Oey[6]的方法，将模拟结果与TOPEX/Poseidon卫星高度计观测数据反演的M2分潮的振幅和相位进行比较，计算两者之间的绝对均方差RMS，公式为：
其中，A代表振幅，G代表相位，m表示模式结果，o表示参照对象，计算所得RMS如图3所示，整个海区的RMS在0.5m以下，本文重点研究的冲绳海槽和琉球海沟区RMS在0.1m以下，模拟结果与T/P高度计资料符合较好。
因此，HAMSOM模式模拟的内潮正压潮驱动是合理的，尤其在本文重点研究的冲绳海槽和琉球海沟区域，模拟基本准确。
1.2模拟结果分析
内潮的观测主要通过对各水层等温线量值变化考察相关特质的[7]，因此，本文通过分析海水的垂向密度变化来分析模式对内潮的模拟。
为研究内潮的产生，在冲绳海槽和琉球海沟海域设置6个点位（1～6号点位），如图4所示，另外，为研究内潮的传播情况，在其两侧共设置4个点位（7～10号点位）。
图5至图8为10个点位1个月内的垂向密度剖面图。可见，等密度线呈规则波状起伏，每一点位振幅大致相等，呈半日潮周期特性，说明HAMSOM模式模拟到了M2内潮现象。其中，绳海槽和琉球海沟海域1号～6号点位等密度线振幅大约为20m～40m，等密度线的振幅可反映内潮的振幅大小，Niwa and Hibiya研究发现，琉球岛链附近M2内潮振幅高达30m以上，宋丹研究指出，琉球岛链区域M2内潮最大振幅在20m左右，与本文结果基本一致。浅海陆架区内的7号、8号点位等密度线振幅小，约为5m～7m。深海区域9号、10号点位等密度线振幅与冲绳海槽和琉球海沟区域基本一致。可见，内潮在冲绳海槽和琉球海沟区域产生后，分别向浅海陆架和深水大洋传播。浅海陆架区域由于水体层结程度较弱，并且温跃层较浅，内潮的波动振幅较小，并且内潮波在大陆架上的反射也会使振幅明显减弱。而在深海大洋，海水层结稳定，温跃层较深，内潮振幅较大。
2 内潮能通量的计算
内潮生成过程中由正压潮传给内潮的能通量一直备受学者们关注，所以对内潮的研究，除了分析内潮现象本身的规律外，对能通量的计算必不可少。
内潮能通量为脉动压强与脉动速度V的乘积在一个潮周期内的平均，即
脉动压强和脉动流速的计算方法主要根据Simmons和Nash中关于计算内潮能通量的叙述。图9为一个潮周期内的内潮能通量分布，冲绳海槽区域内潮能通量较大，约为15 kw/m ～25kw/m，另外，黑潮经吐噶喇海峡向东北弯曲部分海域，能通量值很大，且沿黑潮路径向东北延伸，总体看来，内潮能通量集中分布在黑潮路径区域和琉球海沟区域，与前人研究相符。
浅海陆架区域内潮能通量值很小，深海区域内潮能通量值较大，这与前面等密度线振幅大小的分布是一致的。
进一步研究琉球岛链附近海域的内潮能通量，图10所示为一个潮周期内的内潮能通量分布及传播状况，图11所示为Niwa and Hibiya[2]基于POM的研究结果，两幅图符合良好，内潮能通量的量级一致，内潮在琉球岛附近海域产生，分别向浅海陆架及深海传播，其中主要向深海区域传播，内潮在浅海传播时加上受到强烈的底摩擦耗散作用，所以浅海陆架区域内潮能通量值很小。在黑潮经吐噶喇海峡弯曲部分，黑潮流速和流量都很大，此区域的内潮能通量不仅量值很大，传播方向也基本沿黑潮的流向。
为了进一步研究内潮的产生与耗散，计算一个潮周期内的内潮能通量的散度，如图12所示，台湾以东海域、冲绳海槽、琉球海沟和吐噶喇海峡区域散度值均比较大，表明这些区域有内潮向外传播；浅海陆架区域散度基本为零，表明这些区域内潮很弱；琉球岛链以外海域也有一些散度较大区域，可以看出内潮自琉球岛链周围产生后主要向外传播。另外，由散度图还可以看出，散度数值正负相间，即东海内潮的辐散区和辐合区域相邻出現，Holloway研究澳大利亚西北陆架内潮时发现，低模态内潮表现为内潮的耗散区与产生区邻接，与本文结论一致。
3 结论
本文采用HAMSOM模式模拟东海内潮，考虑了黑潮的影响。研究发现：东海内潮主要在琉球岛链附近的冲绳海槽、琉球海沟区域产生，分别向浅海陆架区域和深海区域传播，其中，陆架区域内潮振幅较小，深海区域内潮振幅较大；计算所得内潮能通量，量级为1 ～10kw/m，与前人模拟的能通量量级一致。内潮能通量主要分布在冲绳海槽、琉球海沟和吐噶喇海峡附近区域，基本沿黑潮路径分布，量值达到20 ～30kw/m，其中吐噶喇海峡附近内潮能通量值相当大，且传播方向与黑潮流向一致。浅海区域能通量较小，深海区域能通量值较大。
参考文献：
[1]Jiwei Tian，Lei Zhou.Estimates of M2 internal tide energy fluxes along the margin of Northwestern Pacific using TOPEX/POSEIDON altimeter data.Geophysical Research Letters，2003，30（17）.
[2]Niwa Y Hibiya T.Three-dimensional numerical simulation of M2 internal tides in the East China Sea.Journal ofGeophysical Research—Oceans，2004，109（C4）.
[3]张效谦，梁鑫峰，周磊.利用TOPEX/Poseidon高度计资料提取的太平洋M2内潮能通量分布.海洋学报，2005，27（5）：9～14
[4]姜波.渤黄东海内潮的数值模拟.[硕士学位论文].青岛：中国海洋大学，2009.
[5]宋丹.基于z坐标的中国东部陆架边缘海潮汐——环流模式研究：[博士毕业论文].青岛：中国海洋大学，2009
[6]Cummins， P.， Oey， L.， 1997. Simulation of barotropic and baroclinic tides off Northern British Columbia. Journal of Physical Oceanography 27， 762-781.
[7]郭朴，方文东，于红兵.近海陆架区内潮观测研究进展，地球科学进展，2006：21（6）
