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考虑内潮耗散的南海潮波伴随同化研究-物理海洋学专业论文
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 29.78 cm、24.08 cm、 12.64 cm、12.56 cm、10.19 cm、10.63 cm 和 10.15 cm,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 12.35 cm、6.47 cm、9.79 cm 和 8.21 cm,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。关键词:南海潮波;伴随同化;潮能通量;底摩擦耗散;内潮耗散Data assimilation of tides in the South China Sea using adjoint method considering the internal tide dissipationAbstractThe South China Sea (SCS) is located in the south of China mainland. It is an important area to connect the Pacific Ocean and Indian Ocean. The steep bottom topography and numerical islands form a complex tidal system in the SCS. The tidal energy dissipation in the SCS is very strong. In the deep water area, the bottom friction dissipation can not represent the dissipation of tidal energy sufficiently. The tidal energy dissipation also occurs through the scattering of surface tides into internal tides, which is called internal tide dissipation.In th
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