東海內(nèi)潮的模擬研究

劉魯燕 張婕

摘 要：本文運(yùn)用HAMSOM三維斜壓陸架海洋模型，在東海海域模擬M2內(nèi)潮，并計(jì)算內(nèi)潮能通量。研究表明，東海內(nèi)潮主要在沖繩海槽和琉球海溝區(qū)域產(chǎn)生，產(chǎn)生區(qū)域內(nèi)潮振幅、能通量均很大，分別向淺海陸架和深海大洋傳播，主要向深海大洋傳播，內(nèi)潮能通量基本沿黑潮路徑分布，吐噶喇海峽附近內(nèi)潮能通量值最大，方向沿黑潮流向。

關(guān)鍵詞：內(nèi)潮；HAMSOM；能通量；黑潮

中圖分類號：P731.2 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1006—7973（2018）8-0040-03

內(nèi)潮是具有潮汐頻率的低頻海洋內(nèi)波，主要發(fā)生在密度穩(wěn)定層化的海洋內(nèi)部。目前普遍認(rèn)為，內(nèi)潮的產(chǎn)生機(jī)制主要是潮地作用生成機(jī)制，即在穩(wěn)定層化的海洋中，正壓潮波受到變化的海底地形的擾動，產(chǎn)生內(nèi)潮。

東海的沖繩海槽及琉球海溝，地形變化劇烈，常年有溫躍層存在，符合內(nèi)潮的產(chǎn)生機(jī)制， Tian[1]通過TOPEX/POSEIDON數(shù)據(jù)提取了西北太平洋邊緣的M2內(nèi)潮能通量，指出西北太平洋區(qū)域內(nèi)潮能通量最大值出現(xiàn)在130°E～140°E，20°N～30°N的琉球海溝處，大約為4kw/m，向西南方傳播。Niwa and Hibiya[2]基于POM模式研究顯示內(nèi)潮在琉球島鏈附近產(chǎn)生，主要向東南方向傳播到太平洋，但該研究并未在模式中考慮海區(qū)內(nèi)的黑潮。張效謙[3]通過TOPEX/POSEIDON數(shù)據(jù)提取內(nèi)潮，指出琉球島鏈附近的內(nèi)潮向東南方向傳播，能通量大小為3.9kw/m。姜波[4]采用三維非線性數(shù)值模型研究發(fā)現(xiàn)，長江口、杭州灣以東海域的內(nèi)潮主要由地形和潮波特征所決定，而臺灣東北（沖繩海槽）海域的內(nèi)潮強(qiáng)烈主要受黑潮和地形的影響。宋丹[5]采用HAMSOM模式研究表明，東海內(nèi)潮主要產(chǎn)生于琉球島鏈以東的大陸坡折處，在生成區(qū)域M2內(nèi)潮的最大振幅在20m左右，主要向西北太平洋傳播，傳播過程中振幅衰減到5m左右，波長在150km左右，傳播速度約為4m/s。

1 HAMSOM模式對東海M2內(nèi)潮的模擬

HAMSOM（Hamburg Shelf Ocean Model）適用于模擬邊緣海及陸架海域，本文在模式中加入每一層每一水點(diǎn)的月平均溫度、鹽度值作為初始場，加入M2分潮的調(diào)和常數(shù)作為模式的驅(qū)動場，輸出結(jié)果包括水位、流速、溫度、鹽度及密度。

1.1模式驗(yàn)證

內(nèi)潮生成機(jī)制中，正壓潮是產(chǎn)生內(nèi)潮的能源，模擬的正壓潮是否準(zhǔn)確對模式驗(yàn)證至關(guān)重要。將模式輸出水位進(jìn)行調(diào)和分析，得到M2分潮的振幅和相位，如圖1所示，單位為m，并在填充圖上做同潮時線。圖2為Niwa and Hibiya[2]基于POM模式模擬東中國海M2內(nèi)潮時所作的M2分潮同潮時分布圖，與本文模擬結(jié)果基本一致，潮波在太平洋產(chǎn)生經(jīng)琉球島鏈傳入東海后，基本保持前進(jìn)波的特點(diǎn)。

進(jìn)一步驗(yàn)證，按照Cummins and Oey[6]的方法，將模擬結(jié)果與TOPEX/Poseidon衛(wèi)星高度計(jì)觀測數(shù)據(jù)反演的M2分潮的振幅和相位進(jìn)行比較，計(jì)算兩者之間的絕對均方差RMS，公式為：

其中，A代表振幅，G代表相位，m表示模式結(jié)果，o表示參照對象，計(jì)算所得RMS如圖3所示，整個海區(qū)的RMS在0.5m以下，本文重點(diǎn)研究的沖繩海槽和琉球海溝區(qū)RMS在0.1m以下，模擬結(jié)果與T/P高度計(jì)資料符合較好。

因此，HAMSOM模式模擬的內(nèi)潮正壓潮驅(qū)動是合理的，尤其在本文重點(diǎn)研究的沖繩海槽和琉球海溝區(qū)域，模擬基本準(zhǔn)確。

1.2模擬結(jié)果分析

內(nèi)潮的觀測主要通過對各水層等溫線量值變化考察相關(guān)特質(zhì)的[7]，因此，本文通過分析海水的垂向密度變化來分析模式對內(nèi)潮的模擬。

為研究內(nèi)潮的產(chǎn)生，在沖繩海槽和琉球海溝海域設(shè)置6個點(diǎn)位（1～6號點(diǎn)位），如圖4所示，另外，為研究內(nèi)潮的傳播情況，在其兩側(cè)共設(shè)置4個點(diǎn)位（7～10號點(diǎn)位）。

圖5至圖8為10個點(diǎn)位1個月內(nèi)的垂向密度剖面圖。可見，等密度線呈規(guī)則波狀起伏，每一點(diǎn)位振幅大致相等，呈半日潮周期特性，說明HAMSOM模式模擬到了M2內(nèi)潮現(xiàn)象。其中，繩海槽和琉球海溝海域1號～6號點(diǎn)位等密度線振幅大約為20m～40m，等密度線的振幅可反映內(nèi)潮的振幅大小，Niwa and Hibiya研究發(fā)現(xiàn)，琉球島鏈附近M2內(nèi)潮振幅高達(dá)30m以上，宋丹研究指出，琉球島鏈區(qū)域M2內(nèi)潮最大振幅在20m左右，與本文結(jié)果基本一致。淺海陸架區(qū)內(nèi)的7號、8號點(diǎn)位等密度線振幅小，約為5m～7m。深海區(qū)域9號、10號點(diǎn)位等密度線振幅與沖繩海槽和琉球海溝區(qū)域基本一致。可見，內(nèi)潮在沖繩海槽和琉球海溝區(qū)域產(chǎn)生后，分別向淺海陸架和深水大洋傳播。淺海陸架區(qū)域由于水體層結(jié)程度較弱，并且溫躍層較淺，內(nèi)潮的波動振幅較小，并且內(nèi)潮波在大陸架上的反射也會使振幅明顯減弱。而在深海大洋，海水層結(jié)穩(wěn)定，溫躍層較深，內(nèi)潮振幅較大。

2 內(nèi)潮能通量的計(jì)算

內(nèi)潮生成過程中由正壓潮傳給內(nèi)潮的能通量一直備受學(xué)者們關(guān)注，所以對內(nèi)潮的研究，除了分析內(nèi)潮現(xiàn)象本身的規(guī)律外，對能通量的計(jì)算必不可少。

內(nèi)潮能通量為脈動壓強(qiáng)與脈動速度V的乘積在一個潮周期內(nèi)的平均，即

脈動壓強(qiáng)和脈動流速的計(jì)算方法主要根據(jù)Simmons和Nash中關(guān)于計(jì)算內(nèi)潮能通量的敘述。圖9為一個潮周期內(nèi)的內(nèi)潮能通量分布，沖繩海槽區(qū)域內(nèi)潮能通量較大，約為15 kw/m ～25kw/m，另外，黑潮經(jīng)吐噶喇海峽向東北彎曲部分海域，能通量值很大，且沿黑潮路徑向東北延伸，總體看來，內(nèi)潮能通量集中分布在黑潮路徑區(qū)域和琉球海溝區(qū)域，與前人研究相符。

淺海陸架區(qū)域內(nèi)潮能通量值很小，深海區(qū)域內(nèi)潮能通量值較大，這與前面等密度線振幅大小的分布是一致的。

進(jìn)一步研究琉球島鏈附近海域的內(nèi)潮能通量，圖10所示為一個潮周期內(nèi)的內(nèi)潮能通量分布及傳播狀況，圖11所示為Niwa and Hibiya[2]基于POM的研究結(jié)果，兩幅圖符合良好，內(nèi)潮能通量的量級一致，內(nèi)潮在琉球島附近海域產(chǎn)生，分別向淺海陸架及深海傳播，其中主要向深海區(qū)域傳播，內(nèi)潮在淺海傳播時加上受到強(qiáng)烈的底摩擦耗散作用，所以淺海陸架區(qū)域內(nèi)潮能通量值很小。在黑潮經(jīng)吐噶喇海峽彎曲部分，黑潮流速和流量都很大，此區(qū)域的內(nèi)潮能通量不僅量值很大，傳播方向也基本沿黑潮的流向。

為了進(jìn)一步研究內(nèi)潮的產(chǎn)生與耗散，計(jì)算一個潮周期內(nèi)的內(nèi)潮能通量的散度，如圖12所示，臺灣以東海域、沖繩海槽、琉球海溝和吐噶喇海峽區(qū)域散度值均比較大，表明這些區(qū)域有內(nèi)潮向外傳播；淺海陸架區(qū)域散度基本為零，表明這些區(qū)域內(nèi)潮很弱；琉球島鏈以外海域也有一些散度較大區(qū)域，可以看出內(nèi)潮自琉球島鏈周圍產(chǎn)生后主要向外傳播。另外，由散度圖還可以看出，散度數(shù)值正負(fù)相間，即東海內(nèi)潮的輻散區(qū)和輻合區(qū)域相鄰出現(xiàn)，Holloway研究澳大利亞西北陸架內(nèi)潮時發(fā)現(xiàn)，低模態(tài)內(nèi)潮表現(xiàn)為內(nèi)潮的耗散區(qū)與產(chǎn)生區(qū)鄰接，與本文結(jié)論一致。

3 結(jié)論

本文采用HAMSOM模式模擬東海內(nèi)潮，考慮了黑潮的影響。研究發(fā)現(xiàn)：東海內(nèi)潮主要在琉球島鏈附近的沖繩海槽、琉球海溝區(qū)域產(chǎn)生，分別向淺海陸架區(qū)域和深海區(qū)域傳播，其中，陸架區(qū)域內(nèi)潮振幅較小，深海區(qū)域內(nèi)潮振幅較大；計(jì)算所得內(nèi)潮能通量，量級為1 ～10kw/m，與前人模擬的能通量量級一致。內(nèi)潮能通量主要分布在沖繩海槽、琉球海溝和吐噶喇海峽附近區(qū)域，基本沿黑潮路徑分布，量值達(dá)到20 ～30kw/m，其中吐噶喇海峽附近內(nèi)潮能通量值相當(dāng)大，且傳播方向與黑潮流向一致。淺海區(qū)域能通量較小，深海區(qū)域能通量值較大。

參考文獻(xiàn)：

[1]Jiwei Tian，Lei Zhou.Estimates of M2 internal tide energy fluxes along the margin of Northwestern Pacific using TOPEX/POSEIDON altimeter data.Geophysical Research Letters，2003，30（17）.

[2]Niwa Y Hibiya T.Three-dimensional numerical simulation of M2 internal tides in the East China Sea.Journal ofGeophysical Research—Oceans，2004，109（C4）.

[3]張效謙，梁鑫峰，周磊.利用TOPEX/Poseidon高度計(jì)資料提取的太平洋M2內(nèi)潮能通量分布.海洋學(xué)報(bào)，2005，27（5）：9～14

[4]姜波.渤黃東海內(nèi)潮的數(shù)值模擬.[碩士學(xué)位論文].青島：中國海洋大學(xué)，2009.

[5]宋丹.基于z坐標(biāo)的中國東部陸架邊緣海潮汐——環(huán)流模式研究：[博士畢業(yè)論文].青島：中國海洋大學(xué)，2009

[6]Cummins， P.， Oey， L.， 1997. Simulation of barotropic and baroclinic tides off Northern British Columbia. Journal of Physical Oceanography 27， 762-781.

[7]郭樸，方文東，于紅兵.近海陸架區(qū)內(nèi)潮觀測研究進(jìn)展，地球科學(xué)進(jìn)展，2006：21（6）