东中国海物理环境长期变化的数值模拟研究

论文摘要

东中国海外有大洋信号从边界传入,近岸受岸界影响较大而且有径流流入,上边界受大气、风场、太阳辐射的作用,不同海域间也存在着物质能量的交换。综合以上因素,并进行长期数值模拟,能消除结构受时间、空间的限制,客观的反映海洋物理过程,从而保证研究的真实性、连续性。本文运用ROMS海洋数值模式,模拟了东中国海近48年的海洋环境的变化过程。初始场和边界强迫来自于SODA数据资料,上边界强迫来自于NCEP再分析资料,边界强迫同时考虑了潮汐的作用,长江、黄河作为近岸海域主要是淡水输入。渤海海峡断面,冬季受风应力作用较强,水交换为南北出流,中间为补偿入流,夏季斜压效应占主,海平面由沿岸向中部倾斜,所以流型为北进南出结构。因为所研究海区水深深浅不一,与海底地形相应的动力学过程应对断面流速形态形成与维持起了至关重要的约束作用。海峡流量呈余弦曲线结构,冬季在强的风应力作用下流出渤海,交换量最大值出现在1月为1*104 m3/s;夏季斜压效应占主,水量流入渤海,水交换量8月份达最大,最大值超过1.5*104 m3/s;春秋为过度季节,渤海海峡的水交换较弱,最小为0.1*104 m3/s。通过渤海海峡断面进入渤海的净通量的年际变化与海洋观测站盐度的年际变化趋势一致,说明通过渤海海峡断面的水交换是渤海盐度年际变化的一个重要因素。东海黑潮水与陆架水是两种不同性质的水团,以台湾岛以北到济州岛的120m等深线为界来从研究黑潮和陆架水的交换和混合特征。水交换在黑潮初始入侵时比较强,随着纬度的增加,水交换逐渐减弱,在28N以北海域,更多的陆架水穿过120m等深线进入黑潮。季节变化上,秋、冬季黑潮向陆架入侵流速最大,春、夏季流速减小,因为冬季陆架水温降低,而黑潮带来高温水体,加强了斜压流动,同时风应力所产生的Ekman流也是向陆架方向的,夏季则相反;而陆架水向外海的入侵则相反,春夏季流速较大,而秋冬季小。盐度交换的季节分布显示,冬季在台湾岛以北600km的区域内,盐度值较高,显示了黑潮水向陆架的入侵;而在济州岛盐度值最低为33Psu向南逐渐增加。夏季陆架水向外海扩展较强,上50M盐度减小1psu,而下层水体盐度只减小0.2Psu,高温低盐的陆架水主要集中在上层。由与长江冲淡水夏季最大,济州岛附近海域低盐海水分布面积明显增加。从能量EOF分解时间来看,七十年代末的气候突变,对动能的分布影响最大。动能的时间分布较PDO延迟39个月,太平洋黑潮异常滞后PDO指数3年,所以可以认为黑潮信号传入东中国海从而使整个区域的能量重新分布需要2-3个月的时间。势能EOF第一模态时间系数较PDO延迟44个月,从而可以认为,正压势能的变化还较强地依赖于东中国海正压势能的季节变化。斜压势能主要受风应力对正压势能作用显著,风应力对海洋的影响最直接,它驱动海洋上层混合,从而产生密度的重新分布。高频时间输出能量的季节变化显示,长江口外海始终有一动能高值区。当不考虑潮汐作用时,高能区消失。因此认为高能区是潮汐作用的结果。单独的潮汐实验结果显示,尽管潮能通量是产生动能的源项,其分布与动能并不完全一致,潮能通量不是长江口外海产生高动能的直接原因。动能是水体运动的结果,潮流椭圆是潮流周期性运动最直接的表现,除了长江口沿岸海域,动能分布和潮流椭圆半焦距等值线分布结构一致,在改变地形效应时,二者变化趋势和分布结构一致。水体的局地旋转效应是长江口外海高动能产生的直接原因。Lagrange余流与Euler余流结构相似,最显著的区别是穿过整个黄海中部向南方向上,Euler余流直接冲入东海陆架,而Lagrange余流则受到长江口外海的向北的余流的抵制作用,二者汇合并转向东流,在济州岛西部分成两支,一支向北,同南下的流形成封闭性流环,一支则转向东南偏南穿过长江口外海达到东海里。Lagrange余流的产生是由于潮流沿着岬角流动时,水质点受到强的离心力作用流线有一个大的曲率。离心力强迫水体向外流动,岬角附近海面下降,水体流向岬角形成两个不同旋转意义上的两个流环。长江口外侧的舌状浅滩可减弱来自深水区的潮流,使得往复流速在不同位相上不同的,潮周期平均必然产生水体微团的净位移,因此Lagrange余流更能代表余流场。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 中国近海物理环境特征及相关研究
• 1.1 东中国海基本物理特征
• 1.1.1 潮汐
• 1.1.2 海流
• 1.1.3 温度
• 1.2 能量的研究
• 1.3 论文研究的主要内容
• 2 模式配置及验证
• 2.1 模式介绍
• 2.1.1 动力和热力学方程
• 2.1.2 S 坐标系统
• 2.1.3 湍封闭模型
• 2.1.4 开边界条件
• 2.1.5 河流计算模块
• 2.1.6 温度计算模块
• 2.2 模式配置
• 2.2.1 资料的选取与处理
• 2.2.2 边界条件
• 2.3 模式结果验证
• 2.3.1 历史观测数据
• 2.3.2 断面 CTD 观测数据
• 2.3.3 卫星遥感观测数据
• 2.3.4 潮汐模拟结果
• 2.4 本章小结
• 3 气候月平均模拟结果
• 3.1 东中国海温、盐、流季节变化的模拟结果
• 3.1.1 冬季
• 3.1.2 春季
• 3.1.3 夏季
• 3.1.4 秋季
• 3.2 东中国海海表高度季节变化的模拟结果
• 3.3 东中国海年际变化的模拟结果
• 3.3.1 EOF 方法介绍
• 3.3.2 东中国海海面高度异常的年际变化
• 3.3.3 东中国海流场的年际变化
• 3.3.4 东中国海温度场的年际变化
• 3.4 本章小结
• 4 主要断面的水交换特征
• 4.1 渤海海峡
• 4.1.1 渤海海峡断面流速的季节变化特征及动力机制猜想
• 4.1.2 渤海海峡断面流结构影响因素分析
• 4.1.3 渤海海峡断面流速的年际变化特征
• 4.1.4 渤海海峡断面水交换的季节变化
• 4.1.5 渤海海峡断面水交换的年际变化
• 4.2 黑潮流量的变化特征及与陆架浅海的相互作用
• 4.2.1 水交换的气候态平均特征
• 4.2.2 穿过120m 等深线水交换的季节变化
• 4.2.3 穿过120m 等深线盐度交换的季节变化
• 4.2.4 穿过120m 等深线水交换的年际变化特征
• 4.3 本章小结
• 5 东中国海能量的长期变化及气候态特征
• 5.1 动能、势能的季节变化
• 5.2 EOF 分析动能、势能的年际变化
• 5.3 能量的转化
• 5.4 本章小结
• 6 东中国海能量季节分布及潮汐对能量分布的影响
• 6.1 能量的季节分布
• 6.1.1 潮汐作用下能量的季节分布
• 6.1.2 无潮汐作用时能量的季节分布
• 6.1.3 改变地形作用下能量的季节分布
• 6.2 东中国海潮汐潮流特征
• 6.2.1 潮位特征
• 6.2.2 潮流特征
• 6.2.3 余流特征
• 6.2.4 根据不同余流流速所计算的东中国海动能的分布
• 6.2.5 潮能通量
• 6.3 潮汐作用下东中国海动能分布特征及形成机制
• 6.3.1 潮汐作用下东中国海动能分布特征
• 6.3.2 地形对潮动能的影响
• 6.4 本章小结
• 7 结语
• 7.1 主要结论
• 7.2 本文主要的创新点
• 7.3 今后努力的方向
• 参考文献
• 致谢
• 个人简历
• 发表的学术论文