考虑内潮耗散的南海潮波伴随同化研究

摘要

南海位于中国大陆南端，是沟通太平洋和印度洋的重要通道之一，地理位置非常重要。南海地形变化剧烈，岛礁众多，使得南海的潮波系统非常复杂。南海潮能耗散较强，在深水处，仅考虑底摩擦耗散不能充分体现潮能耗散的实际情况，还必须考虑表面潮向内潮转换时的能量损失，即内潮耗散。
　　本文建立了南海潮波模式及其伴随同化模式，在传统二维潮波方程的基础上加入了内潮耗散项，考虑了内潮耗散对南海潮波系统的影响。在前人工作基础上，改进了内潮耗散参数化方案，并给出了内潮耗散项中地形效应参数的计算公式。
　　评估了全球大洋潮汐模式TPXO7.2、GOT00.2、NAO.99b和DTU10在南海的准确度。依据对比分析结果，选用DTU10模式来计算本研究的开边界条件。
　　以63个验潮站和24个TOPEX/Poseidon卫星高度计轨道交叉点处的调和常数作为观测值，利用伴随同化方法来优化模式中的底摩擦系数和内潮耗散系数，使得模拟结果与观测值更加接近。为了寻找最优的优化方案，设计了7组数值实验。实验1~7 M2分潮模拟结果与观测值的均方根偏差分别为29.78cm、24.08cm、12.64cm、12.56cm、10.19cm、10.63cm和10.15cm，可以看出实验7先优化内潮耗散系数再优化底摩擦系数的模拟结果最优。
　　确定了同化方案后，本文建立了1/8°和1/4°两种水平分辨率的M2分潮的单分潮数值模式，通过对比发现，水平分辨率1/4°模式的计算时长大约为1/8°模式的1/5，而误差仅略大。考虑到4个分潮耦合模拟需要积分时间更长，为了提高计算效率，采用分辨率为1/4°的模式进行最终的M2、S2、K1、O1四个分潮耦合同化模拟。对于1/4°模式而言，7个实验方案中结果最优的仍为实验5、6和7，实验7最优，其次是实验5，与1/8°模式情况相同。
　　采用先优化内潮耗散系数再优化底摩擦系数的方案，对南海M2、S2、K1、O1分潮进行了耦合同化模拟。M2、S2、K1和O1分潮模拟值与观测值的均方根偏差分别为12.35cm、6.47cm、9.79 cm和8.21cm，模拟结果与观测符合良好。基于该模拟结果，分析了南海M2、S2、K1、O1四个分潮的潮汐潮流特征，较好地体现了南海潮波的传播规律。
　　基于四个分潮耦合同化模拟结果，分析了南海M2、S2、K1、O1四个分潮的潮能通量分布情况。四个分潮的潮能都由太平洋经吕宋海峡传入，然后向西南方向传播。S2分潮的潮能通量量级明显小于另外三个分潮的潮能通量。不论对于半日分潮还是对于全日分潮来说，都是在吕宋海峡处的潮能通量最大。
　　基于四个分潮耦合同化模拟结果，还分析了南海的潮能耗散情况。南海的潮能耗散除了底摩擦造成的底摩擦耗散外，还通过表面潮向内潮转换的方式来进行耗散，即内潮耗散。南海的底摩擦耗散主要发生在沿岸浅水区域，内潮耗散主要集中在吕宋海峡等深水区，吕宋海峡处为最大。

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1 前言

1.1 南海潮波研究现状

1.2 南海内潮研究现状

1.3 潮能通量和潮能耗散研究

1.4 本文的工作

2 模型介绍

2.1 潮波模型

2.2 伴随方程的导出

2.3 伴随同化方法的步骤

2.4 本章小结

3 全球大洋潮汐模式在南海的准确度评估

3.1 全球大洋潮汐模式介绍

3.2 准确度评估方法

3.3 大洋潮汐模式在南海的准确度评估

3.4 本章小结

4 数值实验

4.1 计算海区及参数设置

4.2 内潮耗散参数化方案的确定

4.3 不同优化方案对模拟结果的影响

4.4 不同分辨率对模拟结果的影响

4.5 本章小结

5 南海潮汐潮流分布特征

5.1 模拟结果检验

5.2 南海潮汐分布特征

5.3 南海潮流分布特征

5.4 余水位和潮余流分布

5.5 潮汐类型和潮流类型

5.6 本章小结

6 南海潮能通量与潮能耗散

6.1 潮能通量

6.2 潮能耗散

6.3 吕宋海峡处潮能通量和潮能耗散

6.4 本章小结

7 总结与展望

7.1 总结

7.2 本文创新之处

7.3 展望

参考文献

致谢

个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果