等密度坐标内潮伴随同化模型在参数反演及南海东北部内潮研究中的初步应用

摘要

内潮是指具有潮汐频率的一种低频内波,密度层化的海水中表面潮与海底的跃变地形发生相互作用可以生成内潮。内潮在大洋中是普遍存在的,是一种重要的海水运动形式。一方面,内潮在表面潮能量的耗散以及深海混合过程中具有非常重要的作用,进而对深海环流产生重要的影响。另一方面,大振幅的内潮或者由其演变的强孤立内波对石油钻井平台以及海底管道的安全生产与维护非常重要,对经行船舰的安全也构成严重威胁;同时,内潮的生成及传播规律对海洋渔业生产和能源开发等方面也具有重要的研究价值。伴随同化方法是一种有效的四维变分同化技术,它以海洋动力模型作为约束条件,通过同化可观测的时空分布的海洋要素对无法观测到的海洋要素进行反演,实现了数值模型与观测资料的有机结合,提高了数值模拟的精度。本文对伴随同化方法在南海东北部内潮数值模拟中的应用进行了研究。
　　本文首先简要介绍了等密度坐标内潮伴随同化数值模型。该模型在垂向采用等密度坐标,在水平方向采用球坐标,它由正向模型(等密度坐标内潮数值模型)和反向模型(伴随模型)组成,均采用内外模态分离技术。该模型通过将内潮数值模型与观测数据有机结合,来优化模型中的参数,以提高内潮模拟的精度。本文接下来围绕该模型中控制变量的反演问题展开了细致的研究。随后,基于等密度坐标内潮数值模型,探讨该模型模拟内潮的稳定性。最后在优化控制变量的基础上,利用等密度坐标内潮数值模型将伴随同化技术应用到内潮的数值模拟中,初步探讨了海水季节层化因素对南海东北部内潮的影响。
　　本文先将等密度坐标内潮伴随同化模型发展为垂向三层模式,以吕宋海峡为目标海区,探讨了开边界条件的反演问题。随后对空间分布的底摩擦系数的反演问题进行了研究。数值实验研究表明:该伴随同化模型对多种开边界条件和空间分布的底摩擦系数具有较强的反演能力;适当的独立点方案可以进一步提高控制变量的反演精度,以期精确再现全场的内潮结构;代价函数及其关于控制变量的梯度模和同化误差对反演效果具有较强的表征能力,可以综合反映控制变量的反演情况。
　　本文基于等密度坐标内潮数值模型在不同二维高斯地形上,对该模型模拟内潮的稳定性进行了初步探讨,结果表明:低地形下该模型模拟内潮可以达到稳定;虽然高地形下模型的稳定性有待进一步研究,但是利用该模型模拟第100~300个周期的结果可以用来分析内潮。作为该模型初步的实际应用,本文通过同化T/P(TOPEX/Poseidon)高度计资料对南海东北部吕宋海峡附近海域 M2内潮的季节变化进行了数值模拟。数值模拟结果表明:通过优化模型中的控制变量,实现了内潮数值模型与观测数据的有机结合;瞬时纬向斜压流在吕宋海峡两个海脊之间较强;吕宋海峡处生成的内潮分别向东、西和西南三个方向传播;在吕宋海峡附近海域,对于第二层纬向斜压流的振幅,夏季的振幅大于冬季的振幅。

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1 引言

1.1 内潮数值模拟研究概述

1.2 南海内潮的研究现状

1.3伴随同化方法在海洋模拟中的应用

1.4 论文的主要内容

2 等密度坐标内潮伴随同化模型

2.1 等密度坐标内潮数值模型推导

2.2 等密度坐标内潮数值模型

2.3 等密度坐标内潮模型的伴随模型

3 开边界条件的反演研究

3.1 数值实验设置

3.2 数值实验结果及讨论

3.3 本章小结

4 底摩擦系数的反演研究

4.1 数值实验设置

4.2 数值实验结果及讨论

4.3本章小结

5 地形因素对内潮模型稳定性的影响

5.1模型的参数设置

5.2 模型的稳定性初步探讨

5.3 本章小结

6 吕宋海峡M2内潮的季节变化研究

6.1 实验设置

6.2 实验结果分析

6.3 本章小结

7 总结与展望

7.1 论文总结

7.2论文的创新之处

7.3 研究展望

参考文献

致谢

个人简历

攻读博士学位期间发表的学术论文及研究成果