黑潮对东海波浪的影响

论文总字数：15821字

目 录

1绪论 4

1.1研究意义 4

1.2研究现状 4

1.3本文工作概述 6

2研究方法 6

2.1数据介绍 6

2.2研究方法 7

3结果与分析 7

3.1黑潮对东海波浪的影响 7

3.1.1春季 7

3.1.2夏季 9

3.1.3秋季 11

3.1.4冬季 13

3.2原因分析 15

4结论与展望 16

参考文献 17

致谢 19

黑潮对东海波浪的影响

孙佳琪

，China

Abstract: The Kuroshio Current is a strong stream at the western border, featuring narrow flow, strong flow velocity, and large flow. The Kuroshio main axis flows from the east side of Taiwan Island into the East China Sea. In this area, the trajectory of the Kuroshio Current is relatively stable and is an important factor affecting the distribution of the waves in the East China Sea. Studying the influence of the Kuroshio on the waves in the East China Sea is conducive to the advancement of wave forecasting, route design, and marine engineering construction. In this paper, the wave heights and wind speeds in the East China Sea are studied using the satellite altimeter data, and the distribution of wave directions and flow directions in the East China Sea is analyzed using Hycom and ECMWF data. The study found that in spring, autumn, and winter, the wave height increased significantly in the range of approximately one latitude near the main axis of the Kuroshio Current, and in the summer, the wave height showed a tendency to gradually decrease in the region affected by the Kuroshio main shaft. Studies have shown that wind is the main factor affecting the distribution of waves. Near the Kuroshio Current, the modulation of the wind speed distribution causes the wave height to change; the Kuroshio Current can also directly affect the wave distribution through wave-flow interactions.

Key words: Kuroshio; East China Sea wave; Effective wave height; Wave-current interaction;Wind speed;

1绪论

1.1研究意义

黑潮是一支西边界强流。黑潮主轴自台湾岛的东侧流入我国东海海域，流经该片海域的黑潮部分也被称作东海黑潮^[1]。进入东海海域之后，黑潮沿着琉球群岛的西侧向东北方向延伸。黑潮主轴、主流流量及其分支的时空变化对我东海海域水体及附近地区的气候等产生重要的影响^[2]。不仅如此，黑潮在我国东海海域经常与附近陆架水体发生相互作用。二者在相互作用过程中不乏物质和能量的交换^[3]，由于海洋是一个各要素相互独立又相互统一的整体，两者之间的物质和能量交换对东海海域各生物、化学以及物理过程均产生显著的影响作用。波浪作为一个重要的海水运动过程，与该海域的黑潮既相互独立又相互影响。因此，在具有特殊水文、地理环境的中国东海海域，黑潮这支西边界强流是影响东海波浪分布的一个重要因素。

研究黑潮对东海波浪的影响具有重大现实意义：充分考虑黑潮的影响作用有助于提高波浪预报水平，同时可以为海洋开发、优化航线设计、沿海工程建设等等实际操作的实施提供理论支持，并在其过程中起到重要指导作用。在进行海洋预报的数值计算过程中，计算结果的精确度问题历来是科研人员重点关注的问题，尽可能的考虑各种影响因素的作用是解决这一问题的有效途径。波浪传播到近岸区域，对沿岸建筑和沿海工程产生不可忽视的影响作用，正确的评估波浪的作用，能够在经济和安全等方面对沿岸建筑保护工作和沿海工程的设计与建造工作提供理论支撑。除此之外，在进行海上运输以及科学考察等工作的海上航行过程中，错杂的海洋环境经常将船舶至于危险的境地之中。波浪在遇到强流时，会发生折射以及绕射等现象^[1^]，这使得波浪的波形、波向和波高等波浪要素发生显著改变。在波高较高、波形较陡以及波浪破碎等现象发生的海区航行是对航行安全的重大挑战，因此在这些海区进行优化航线设计工作显得尤为重要。因此，在我国东海海域，考虑黑潮这一西边界强流对波浪的影响，在为大众提供更高效的海洋预报服务、预防海洋灾害、节约航行时间、避开危险海域、减少经济损失以及提高国计民生等方面有积极作用。

1.2研究现状

目前，国内外研究工作大多围绕强流对有效波高的影响展开。近年来，多种研究方法被用于各项强流对于波浪影响的研究当中。其中，将耦合模型与单一波浪模型的数值模拟结果进行对比分析的方法是一种当前研究采取较多的研究方法。此外随着海洋遥感学科的不断发展壮大，采用卫星高度计测量数据进行绘图研究的方法也逐渐成为研究人员广为关注的一种研究方法。研究表明，通过卫星高度计测量获得的风速和波高数据是进行全球以及区域风和波浪条件研究的良好数据来源^[4-6]。目前在采用上述研究方法进行的不同研究中，均发现了强流对于有效波高等要素产生重要影响的现象。在Hwang^[4]的研究中，他采用星载高度计沿轨数据展开研究工作，利用绘图结果分析黑潮对于黄海和东海海域风和浪分布的影响作用。在Hwang^[4]的研究中，发现黑潮主轴附近风速和有效波高的数值会有明显增强^[4]的现象，在黑潮轴线附近几百千米的范围内，风和浪的分布都受到黑潮的显著影响作用^[4]，有效波高的分布与风速的分布表现出相似的增减趋势。研究过程中，Hwang^[4]分析了黑潮主轴地理位置随季节变化分布，研究发现黑潮的主轴轨迹在东中国海海域内随季节变化没有明显波动，基本维持稳定^[4]。研究选取一条穿过黑潮轨迹的地面轨道进行黑潮影响的研究，研究针对东中国海海域风速和有效波高数据沿地面轨道的季节性分布展开分析，分布图呈现出有效波高和风速这两个要素在四个季节中随纬度的一维变化。研究通过对比卫星轨道与黑潮主轴交点附近区域各要素在数值上与其他区域的差异，分析黑潮对该片海域风和浪分布的影响作用。卫星高度计数据，使得研究结果更为直观地呈现出来。除此之外，在采用星载高度计测量数据进行的不同研究中，均发现黑潮对波浪有类似的作用^[5]。研究表明，星载高度计测得的数据具有很高的准确性，有研究使用数值模拟的结果验证星载高度计对全球尺度和区域尺度的有效波高和风速的测值^[6]，验证结果证明高度计的测值非常准确。同样的，在前人使用数值模拟数据进行研究的过程中，黑潮的重要影响作用也被频繁发现。采取数值模拟的方式进行研究，在保证了研究结果准确性的基础上极大程度上降低了研究的成本。目前采用数值模拟方法进行“强流对波浪的影响”课题的研究及其成果已经相当丰富，并且不局限于采用单一的数值模型。波流耦合模型被广泛应用于强流对于波浪影响的研究当中。例如，在刘娜^[7]等人的研究过程中，采取将波流耦合模型模拟结果与单独的海浪模型模拟结果对比的方式，发现强流的存在对波高产生了重大影响。为了检验试验结果，刘娜^[7]等人采用浮标实测数据进行比对，在强流存在区域同样发现了波高发生显著变化的现象，检验结果证实了强流对于波高的重要影响作用。此外，在贾岩^[8]等人的波流耦合模型研究中发现，黑潮附近海域有效波高较其他区域发生了明显改变。前人工作已经发现了不同海域的强流区都存在波浪分布产生重大变化的现象^[9-13]，对于其中原因以及强流作用的物理机制，目前的研究也已经做出很多工作。一方面，研究表明波流相互作用^[14]是影响波浪分布变化的一个重要因素，耦合模型的采用不仅使得强流的影响作用被明显的表现出来，而且为这类现象的原理分析提供了很大方便。在贾岩^[8]等人的数值模拟研究工作中，他们利用耦合模型印证了波流相互作用在强流存在情况下对波浪分布变化起到的重要作用；更为重要的是，他们的研究论证了：加入流的影响后，模式对于对波浪的模拟与实测数据更为符合，这一定程度上弥补了单独波浪模型数值模拟结果准确性较低的不足。在夏波^[15]等人的研究中，他们利用风浪-水流-潮汐耦合模型证明了近岸水体的波流相互作用。在关皓^[16]等人的研究中，他们利用大气-海流-海浪耦合模型发现：台风天气发生时，波流相互作用会使得局地波高增加。同样的，Hwang^[4]等人的研究同样证明了波流相互作用是黑潮影响东中国海波浪分布的一个重要并且复杂的机制。另一方面，风的存在对东海波浪的分布起到不可忽略的重要作用^[4]。东海大部分海区位于第三海浪气候区，是大浪较多的海区。在该海域，波浪受风的影响很大，在研究中发现，东海海域风场以及波浪场有相似的时空分布特征^[17]。目前对于“强流对波浪影响”这一课题的研究工作已经不乏成果，采用数值模拟方法进行的研究尤为丰富。但是，目前的大部分研究工作都停留在比较宽泛的层面，针对东海这一有着特殊水文特征的海域以及黑潮这支强流的研究依然缺乏。特别地，进一步的研究工作需要详尽考察黑潮对于波浪的影响作用，黑潮影响下波浪分布的季节特征及其规律也需要进行深入地发现与研究。为了进行黑潮对东海波浪影响的研究，发现其季节特征探究其规律，阐明其原理，本文在前人工作基础上展开，利用高度计针对东海波浪分布进行分析。

1.3本文工作概述

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