基于模式结果的内潮信息分析

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目 录

1. 绪论 1

1.1 内潮 1

1.2 内潮的研究意义 1

1.3 对内潮的观测研究 2

1.4 本文的主要工作 5

2. 研究方法 5

2.1 ROMS模式 5

2.2 数学模型 6

2.3 模式的基本设置 7

2.4 方法介绍 7

3. 结果分析 10

3.1网格地形 10

3.2模式输出结果验证 11

3.3研究区域的背景水文信息 12

3.3.1海表流场和海表温度 12

3.3.1垂向剖面及廓线 12

3.4调和分析 14

3.5 EOF分析 17

4. 结论和展望 18

参考文献 19

致谢 21

基于模式结果的内潮信息初步分析

贺立夫

，China

Abstract：Internal waves are the waves that occur in stable stratified media. The maximum amplitude appears in its interior. It has important contributions to ocean mixing and global climate. Internal tide is an internal wave with a tidal cycle. The position of the internal tide can be found on the radar image by the radiating and diverging characteristics of the flow. At the same time, the internal tide information can also be analyzed by the sea height signal. However, the surface amplitude of the internal tide is usually only a few centimeters, and the traditional radar altimeter can only produce one-dimensional elevation profile. After the fusion of the two-dimensional altimeter products, Only large-scale oceanic mesoscale eddies and circulations can be observed. As a new generation of topographic mapping satellites, SWOT satellites will greatly improve their ability to distinguish sea height signals and facilitate the study of internal tides through sea level data in the future.

This paper does not use satellite altimeter data to extract internal tide information. Instead, it attempts to conduct a preliminary analysis of sea surface height data in the high-resolution regional ocean model output results, and prepares for the future use of satellite altimeter data to study internal tide information. In this paper, the study area is located in some parts of the northeastern Pacific Ocean (121.8°W-123.3°W, 36.2°N-37.2°N), and the topography is ups and downs, which increases the probability of occurrence of internal tides. The harmonic analysis of the feature points found that the largest amplitude in the tidal wave is M2, followed by K1, O1, and S2, indicating that the half-day tide contribution in this area is larger. The four tidal components are compared with those from the tidal station. The largest RMS is O1 tidal, reaching 8.26 cm; the smallest RMS is M2 tidal, which is 7.2 cm, indicating that the model output is more reliable and is a follow-up study. The tide information laid the foundation.

Key words：internal tide; ROMS mode;Tidal harmonic analysis;spectrum analysis

1. 绪论

1.1内潮

海洋中的波动根据其发生位置的不同进行分类，可以分为表面波与内波。表面波发生在海洋表面，例如海浪与潮汐；内波发生在密度稳定层化的海洋内部，例如内孤立波、内潮与近惯性内波。相较于流体的表层，内波在流体内部具有大得多的信号。海洋中内波发生分层的界面处，在表面振幅通常只有几厘米，但是在海洋内部振幅可以大到100m^[1]，这些大振幅的内波可以由各种海洋动力造成。正压潮是一种主要由月球引力引起的大量水团的流动，是内波的主要驱动力。例如，在吕宋海峡和夏威夷岛以北的内波主要是由在粗糙的地形上流动的正压潮引起的^[2]。正压潮虽然主要在水平方向上流动，但是当其流经海底突变地形时会产生垂直方向上的流动，进而使等密度面发生起伏，产生向外传播的波动。内潮是具有潮周期的内波，其频率与正压潮的频率相同，海洋中最为典型的内潮即全日内潮与半日内潮，周期分别约为24h和12h。诸如西边界流之类的海流也可以产生内波，内波也可以由风吹过海洋表面引起，这种波被称为近惯性波，其频率接近科里奥利参数f^[3]。根据Munk and Wunsch（1998）^[4]的估算结果，海洋中的平均混合率至少要达到才能维持目前大洋热盐环流的强度，而要维持这种环流的强度，至少需要输入2.1TW的外来能量，这些能量被认为来源于内波的耗散。这其中有0.9TW的能量来源于内潮，而剩余1.2TW的能量则来源于海表面风对海洋上混合层的能量输入。内潮破碎有利于分层的混合，尤其是穿过等密度面的混合，有利于物质与热量的输送，对海洋环境和海洋生态保护发挥重要作用，并有助于海洋内部能量的耗散，因而内潮很受关注。

1.2 内潮的研究意义

海洋内潮不仅仅传播能量,也是促进海洋湍流混合的动力,并对水声通讯、海洋工程和潜艇航行等具有重大影响。内潮引起的等温度面和等密度面的起伏会影响到海洋中声信号的传播速度与方向。从而降低了声纳的功能，增加了水下通讯和目标探测的困难。船舶航行到跃层界面时，受到内潮影响，消耗大量能量产生阻力，突然减速难于前进。潜艇在水中运动，如遇到强烈的内潮，等密度面的大振幅上下起伏会将其拖拽到海底，由于压强的剧变，潜艇会难以操作甚至被破坏。比如2014年的372潜艇（图1），遇到内潮只有仅仅的180秒生死时间，如果处理有一点点不当就会酿成惨剧。内潮对石油开采（图2）产生不可忽视的影响，强烈的扰动使得钻机移位不稳定，钢缆和支架常常受不住压力被分解。

综上所述，内潮对海洋中的动力、生态、水下声学信号传播、海洋军事等方面都有着重要的影响，因此，开展对内潮的研究无论是在理论研究还是实际应用中都有重大的意义。

图1 372潜艇遇险 图2 海上石油开采

1.3 对内潮的观测研究

近年来对于内潮的研究有现场观测、理论研究、数值模拟、物理实验等方法。现场观测主要是使用船载雷达、海流计、潜标锚定等，能够最真实最直观地反映出海洋中的现象，但是需要较长时间的定点现场观测，且耗资巨大，很难实现大面观测，因而现场观测分析较少被使用。理论研究可以为其它方法的使用与结果分析提供支持，但是理论分析大多在理想情况下进行，不一定实际海洋中适用。数值模拟可以对海洋中的现象进行模拟，可以通过设置理想实验、控制变量等方法对海洋过程发生的机制进行研究，但是此方法需要用到大量的假定与近似条件，结果的真实性有待商榷。实验室中模拟内波可以给出内波的基本形态（图3），水槽中有两层不同密度的流体：上层是淡水，下层是染了色的盐水。交界面由绿线表示。内波传播时，上层自由水面保持静止，这个内波是由重密度的深色盐水沿着水槽底部从左向右运动而产生的。实验比较直观明了，但是实验室与海洋的环境有差距，不能很好地说明情况。

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