全球海洋潮汐同化模拟及东中国海潮流对环流作用研究

摘要

为进一步提高我国全球海洋潮汐的数值模拟和数值预报精度,发展较高分辨率的全球海洋环流和潮汐数值模型,本文基于FVCOM(Finite Volume Coastal Ocean Model)有限体积数值模式,建立了全球海洋无结构网格环流潮汐模型(Global Ocean Circulation and Tide Model based on the Unstructured Mesh, GOCTM-UM).该模型充分利用无结构三角形网格在不同区域具有不同空间分辨率的特点,根据不同区域环流和潮汐的运动尺度进行全球海洋网格设计。该模型巧妙地避免了开边界条件的引入,平衡了模型网格高分辨率需求和大计算量要求之间的矛盾,并且在垂向上采用通用混合坐标,有效地提高了海表和海底混合层的垂向分辨率。在考虑海水自吸引和负荷潮作用(Sea Water Self-Attraction and Earth-Loading Effects, SAL)的情况下,利用TOPEX/POSEIDON系列卫星高度计模型数据对全球海洋潮汐模型进行了最优插值(Optimal Interpolation)数值同化实验。在一定程度上,提高了我国全球海洋潮汐模拟的精度,具有较为广阔的应用前景。通过将本文数值模拟结果与大洋潮汐站数据、近岸潮汐站数据、卫星高度计数据,以及与其它潮汐模型、环流模型等结果进行对比验证,认为本文模型结果基本可信,数值模拟方案可行。本文充分利用GOCTM-UM模型采用无结构三角型网格在渤、黄、东海和南海等中国近海网格加密的优点,对全球海洋环流和潮流进行了多种方案的数值模拟实验,以分析东中国海及毗邻海域环流和潮流运动的能量结构为主线,探讨了东中国海及毗邻海域潮流对环流的作用及其机制问题。分析结果发现:(1)海洋潮流对于海洋环流主要具有三方面的作用和贡献,即潮汐余流、非线性平流相互作用和湍混合耗散相互作用。整体来说,三者相比,非线性平流相互作用和湍混合耗散相互作用对东中国陆架海海洋环流的影响相对较强;相比冬季东中国海环流,潮汐余流的大小较为微弱,仅在海峡和近岸浅水等部分海区潮汐余流对海洋环流具有较为重要的影响。(2)在冬季东中国陆架海区,由于潮流的加入,对于海洋环流模型来说,模拟环流动能的改变约占环流动能的9.8％,其中表层影响约占6.3%,而底层影响约占15.7%。通过理论分析和数值实验分析,认为海洋潮流和海洋环流非线性平流相互作用和混合耗散相互作用在海洋中占有较为重要的作用,忽略海洋潮流与海洋环流之间的非线性相互作用,将带来非线性平流机械能输送项和能量湍耗散项各约10%以上的误差,理论分析和数值分析的结果基本一致。(3)潮汐对于东中国海底层海域湍混合具有主导作用,其重要性强于潮流在海表的湍混合作用。在地形梯度较大的区域和浅水区域,底层混合强度最强,潮流的加入对于环流模型底层湍涡动粘性系数具有较大的改变,改变量可以达到10-3m2/s的量级。正压潮汐模型所得到的湍涡动粘性系数与海洋环流模型得到的湍涡动粘性系数直接相加所得到的结果,与含潮海洋环流模型得到的湍涡动粘性系数相比,较大,具有一定的差异,尤其在底层海洋,这是考虑潮流作用而改进海洋环流湍封闭方案所需要考虑的。

目录

摘要

Abstract

第1章 引言

1.1 全球海洋潮汐数值模拟发展过程

1.1.1 全球海洋潮波模拟研究现状及发展动态

1.1.2 中国近海潮波研究现状及发展动态

1.2 潮汐同化方法研究近况

1.3 潮流与环流相互作用研究进展

1.4 本文主要工作

1.4.1 本文主要内容

1.4.2 本文研究内容的结构

1.5 本文主要创新点

1.6 本章小结

第2章 全球海洋环流潮汐模型

2.1 模型建立依据和架构

2.1.1 无结构三角形网格系统

2.1.2 全球海洋模型

2.1.3 环流模式与潮汐模式的结合

2.2 全球海洋潮波运动驱动力

2.2.1 "引潮力"的导出

2.2.2 天体引潮力的计算

2.2.3 海水自吸引和负荷潮作用的计算

2.3 模型介绍

2.3.1 控制方程

2.3.2 边界条件

2.3.3 计算策略

2.4 潮汐同化

2.4.1 Nudging方法和Blending方法

2.4.2 Optimal Interpolation方法

2.4.3 数据同化资料介绍

2.5 模型配置

2.5.1 水平网格

2.5.2 垂向网格

2.5.3 水深处理

2.5.4 温度和盐度场设置

2.5.5 边界条件设置

2.6 本章小结

第3章 全球海洋潮波及环流模拟结果验证

3.1 潮汐模拟结果验证

3.1.1 潮汐模型模拟结果与潮汐站观测数据的对比

3.1.2 M_2分潮同潮图比较

3.1.3 潮流模拟结果比较

3.2 模型环流结果验证

3.2.1 环流基本流态验证

3.2.2 断面通量验证

3.2.3 绝对动力高度验证

3.3 本章小结

第4章 东中国海潮流在环流模拟中的作用

4.1 数值实验设计方案

4.1.1 实验方案描述

4.1.2 实验方案表达

4.2 各数值实验结果分析

4.2.1 (C,T)数值实验方案结果分析

4.2.2 C数值模拟方案结果分析

4.2.3 T数值实验方案结果分析

4.3 潮流在环流模拟中的作用

4.3.1 潮流对环流的作用特征

4.3.2 潮流与环流相互作用特征

4.4 本章小结

第5章 潮流对环流作用机制的理论分析

5.1 潮流与环流相互作用理论推导

5.2 潮流与环流相互作用理论分析

5.2.1 非线性平流作用分析

5.2.2 能量耗散作用分析

5.3 本章小结

第6章 潮流对环流作用机制的数值分析

6.1 平流作用分析

6.1.1 表层平流作用

6.1.2 底层平流作用

6.2 湍耗散作用分析

6.2.1 表层湍耗散作用

6.2.2 底层湍耗散作用

6.3 本章小结

第7章 总结与展望

7.1 主要结论

7.2 今后工作展望

参考文献

致谢

个人简历

发表的学术论文