三维等密度坐标数值模型的建立以及南海内潮的数值模拟

发布时间：2020-08-31 17:05

　　本文建立了一个三维等密度坐标数值模型，该模型将海洋看作是由一系列的“等密度层”构成，每层海水具有相同的位势密度。该模型由外模态和内模态组成，外模态用来计算正压运动－表面潮，内模态用来计算斜压运动－内潮。在该模型中使用一种改进的FCT方法以及前人提出的一种外推算法来解决分层界面与海面或底地形相交时给数值求解带来的困难。此外，本文还尝试采用漫滩算法来解决以上问题，与外推算法的比较结果表明，漫滩算法能更好地处理等密度坐标模型中底地形与分层界面相交的问题。通过对各种常见开边界条件的特性进行比较与分析，选择了适合于内潮数值模拟的开边界条件。首先，将该模型的模拟结果与理论解进行对比，初步验证了的正确性。然后，使用该模型以M2和K1分潮作为强迫对水平均匀层化下南海内潮的生成和传播过程进行了模拟。结果表明，吕宋海峡是南海内潮的主要生成源地，生成的M2内潮分成三个分支向不同方向传播。向东传播到太平洋的分支，幅度最宽；向西传播到东沙群岛的分支，能量最强且较为集中；向西南传播至南海海盆的分支，幅度最窄且能量最弱。生成的K1内潮分为两个分支向不同方向传播，其中一个分支向东传播到太平洋；另外一个分支向西南传播到南海。水平非均匀层化以及背景环流会对内潮的生成和传播造成重要的影响。本文使用一个三维原始方程数值模型，考虑水平非均匀层化及背景环流的作用，施加八个主要分潮的强迫，模拟了吕宋海峡及其周边海域的内潮，并分析了水平非均匀层化以及背景环流对内潮生成和传播的影响。与吕宋海峡西侧海区一点观测结果的比较表明，模拟与观测的流速量级相当，K1和S2分潮的迟角与观测较为接近，O1和M2分潮的迟角与观测相比差异较大。在吕宋海峡北部，两个海脊之间的半日内潮能通量矢量沿顺时针方向旋转，东侧海脊超临界地形的半环形的分布特征是内潮能通量呈现旋转结构的主要原因。西侧海脊是半日内潮的最大生成源地，东侧海脊中部是全日内潮的最大生成源地。此外，在有一些区域内，内潮能转化为正压潮能。海底处扰动压强与正压流位相差的分布差异是造成M2和K1内潮能转化率存在巨大差异的原因，吕宋海峡北部两个山脊之间的距离非常接近半日第一模态内潮的波长，有利于西侧海脊处半日内潮的生成。约69%的半日正压潮能损失转化为半日内潮，约63%的全日正压潮能损失转化为全日内潮。在半日内潮中M2内潮占绝对主要地位，在全日内潮中K1和O1内潮能相当，其它几个潮频的内潮能非常弱。向西传播到南海的内潮能（10.66GW）多于向东传播到太平洋的内潮能（7.80GW）。大约30％的全日内潮在生成区域附近发生了耗散，而有51％左右的半日内潮在生成区域发生了耗散。内潮位相受背景环流的影响会发生超前或延迟。半日内潮以第一模态为主，水平非均匀层化和背景环流并没有对内潮传播方向造成明显的影响。第一模全日内潮能传播方向受水平非均匀层化以及背景环流的影响较小，第二模以及更高模态的全日内潮受中尺度涡的影响，传播方向发生了明显的改变。水平非均匀层化以及背景环流对内潮能局地耗散、向东西两个方向传播的内潮能有较大的影响，而且全日内潮受到的影响明显大于半日内潮。半日内潮受水平非均匀层化的影响较大，全日内潮受背景环流的影响较大，这种区别是由半日内潮和全日内潮频率的差异造成的。
【学位单位】：中国海洋大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2012
【中图分类】：P731.2
【部分图文】：

示意图,垂向分层,示意图,二维浅水方程

图 2-1 垂向分层示意图二维浅水方程，并考虑各层界面处的摩擦力，程。虽然各层之间存在界面摩擦力，但各层之Boudra, 1986）[63]。由于该模型采用了静压近似and Hibiya (2001)[30]的做法引入了斜压阻尼项来态控制方程为： ()1()11111111111 vvAvqMruuAuqMahsyyhsxx

模拟结果,模拟区域,斜压流,正压流

h0为500m，L 为10km，最大水深为4500m，模拟区域长度为300km。浮数 N=8E-4/s，科氏参数取为8E-5/s，忽略各物理量在 y 方向的梯度。正压流的2cm/s。数值模拟中参数设置如下：底摩擦系数、水平湍粘性系数、层间摩擦系压阻尼系数均取为0，垂向均匀分为50层，水平网格大小为500m。模拟区域的开边界，在东边界采用主动 Flather 条件施加频率为1.41E-4 rad/s 振幅为2cm/s流强迫，西边界对正压流采用被动 Flather 条件，东西两个边界均对斜压流采件以防止地形处生成的内潮遇到边界后发生反射。模拟时间长度为15个潮周期13.5个周期时的结果用来和理论解进行比较。理论解根据 Griffiths and Grim07)[11]中的(50a)式计算，计算方法参见附录 C。

势密度,站点,水深,计算区域

计算区域水深分布，A和B表示计算初始位势密度站点的位置

【参考文献】