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)
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