密度分層模型的內潮數值模擬與同化研究

《密度分層模型的內潮數值模擬與同化研究》是依託中國海洋大學，由呂鹹青擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：密度分層模型的內潮數值模擬與同化研究
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：呂鹹青
• 依託單位：中國海洋大學

中文摘要

內潮是具有潮汐頻率的一種低頻內波，表面潮通過密度層化的海水與海底的躍變地形相互作用可以生成內潮。海洋中的內潮及內潮波破碎所引起的混合對海水的質量、動量、能量的輸送以及全球氣候變化都起著非常重要的作用。在陸架陸坡區生成的內潮為當地的混合過程提供了相當的能量，在全球海洋能量平衡中占據非常重要的地位。南海北部海底地形變化劇烈，是內潮頻發區。大振幅內潮或由其演變出的強孤立內波會干擾海洋工程作業，對建成的石油鑽井平台和海底油氣管道構成嚴重的威脅。開展內潮研究具有重要科學意義。.本項目擬根據海水實際的密度分層建立垂向密度分層的內潮伴隨同化模式，基於觀測資料，利用變分同化技術來最佳化模型中的控制參數（底摩擦係數，層間摩擦係數），實現觀測資料與數值模式的有機結合。利用所建立的內潮伴隨同化模式開展南海北部內潮的數值模擬研究，準確刻畫南海北部海域內潮的空間分布特徵，為南海北部海域內孤立波的研究奠定堅實的基礎。

結題摘要

本項目建立了一個三維等密度坐標數值模型，該模型將海洋看作是由一系列的“等密度層”構成，每層海水具有相同的位勢密度。該模型由外模態和內模態組成，外模態用來計算正壓運動－表面潮，內模態用來計算斜壓運動－內潮。在該模型中使用一種改進的FCT方法以及前人提出的一種外推算法來解決分層界面與海面或底地形相交時給數值求解帶來的困難。此外，本項目還嘗試採用漫灘算法來解決以上問題，與外推算法的比較結果表明，漫灘算法能更好地處理等密度坐標模型中底地形與分層界面相交的問題。通過對各種常見開邊界條件的特性進行比較與分析，選擇了適合於內潮數值模擬的開邊界條件。首先，將該模型的模擬結果與理論解進行對比，初步驗證了的正確性。然後，使用該模型以M2和K1分潮作為強迫對水平均勻層化下南海內潮的生成和傳播過程進行了模擬。結果表明，呂宋海峽是南海內潮的主要生成源地，生成的M2內潮分成三個分支向不同方向傳播。向東傳播到太平洋的分支，幅度最寬；向西傳播到東沙群島的分支，能量最強且較為集中；向西南傳播至南海海盆的分支，幅度最窄且能量最弱。生成的K1內潮分為兩個分支向不同方向傳播，其中一個分支向東傳播到太平洋；另外一個分支向西南傳播到南海。 基於已建立的等密度坐標內潮伴隨同化數值模型，通過理想實驗探討了模型控制變數的反演問題，並藉此對模型的合理性進行初步檢驗。數值實驗結果表明：該伴隨同化模型在多種理想地形上對多種空間分布的開邊界條件都有較強的反演能力；通過反演開邊界條件能夠精確再現全場的內潮結構；代價函式和同化誤差對模擬效果具有較強的表征能力，可以綜合反映開邊界條件的反演情況和全場內潮的模擬情況；藉助獨立點方案，空間分布的底摩擦係數、層間摩擦係數和水平渦動粘性係數也都能得到準確反演。理想實驗的結果初步表明該伴隨同化模型的建立是合理的、成功的。