全南海內(nèi)潮生成與傳播的數(shù)值模擬研究?

陳 默， 陳學(xué)恩??， 張洪欣， 龔延昆， 張哲恩

(1 中國海洋大學(xué)海洋與大氣學(xué)院，山東 青島 266100； 2 國家海洋局北海海洋技術(shù)保障中心，山東 青島 266033)

全南海內(nèi)潮生成與傳播的數(shù)值模擬研究?

陳 默1， 陳學(xué)恩1??， 張洪欣2， 龔延昆1， 張哲恩1

(1 中國海洋大學(xué)海洋與大氣學(xué)院，山東 青島 266100； 2 國家海洋局北海海洋技術(shù)保障中心，山東 青島 266033)

利用邊界八分潮驅(qū)動的MITgcm模式，對整個南海海區(qū)的內(nèi)潮進(jìn)行了數(shù)值模擬研究。結(jié)果表明：在呂宋海峽出現(xiàn)因內(nèi)潮引起的強(qiáng)烈等密面起伏，其振幅可以達(dá)到30 m；在西沙群島西側(cè)海域和南海南部陸架、陸坡坡折處也出現(xiàn)因內(nèi)潮引起的小振幅等密面起伏，振幅可達(dá)到10 m以上，這表明該兩處海域也是南海內(nèi)潮的可能源地。通過斷面分析，驗(yàn)證了西沙群島西側(cè)海域和南海南部陸架、陸坡坡折處均有內(nèi)潮射線產(chǎn)生。內(nèi)潮能通量的分析表明，呂宋海峽處大潮期間東傳的平均斜壓潮能功率為11.4 GW，西傳的斜壓潮能功率為14.6 GW；在西沙群島西側(cè)海域，東南方向傳播的斜壓潮能功率為0.28 GW，西北方向傳播的斜壓潮能功率為0.08 GW；在西沙群島西側(cè)海域和南海南部陸架、陸坡坡折處海域的斜壓潮能通量的量級可達(dá)20 kW/m。在南海南部陸架、陸坡坡折處海域，東北方向傳播的內(nèi)潮能通量為0.54 GW。通過分析上述三個典型海域內(nèi)潮能通量的時間序列發(fā)現(xiàn)，第一模態(tài)內(nèi)潮在呂宋海峽的傳播相速度可達(dá)3.1 m/s，在南海中部的傳播速度可達(dá)2.2 m/s；在上述三處內(nèi)潮源地均有高模態(tài)內(nèi)潮產(chǎn)生。

南海；內(nèi)潮；數(shù)值模擬；MITgcm

內(nèi)潮是一種具有潮汐頻率的內(nèi)波，是海洋中廣泛存在的一種現(xiàn)象，對海洋能量的收支平衡起著顯著作用。目前人們普遍接受的內(nèi)潮生成機(jī)制是潮地生成機(jī)制，即由正壓潮流、層化的海水和變化的地形共同作用生成的[1]。

南海位于中國大陸南部、太平洋西部邊緣，其面積約為356萬km2。南海東至菲律賓群島，通過巴士海峽、巴林塘海峽等眾多海峽和水道與太平洋相連；東南經(jīng)民都洛海峽和巴拉巴克海峽與蘇祿海相連；西南至越南和馬來半島，通過馬六甲海峽與印度洋相連。南海地貌特征較為復(fù)雜，具有大陸架、大陸坡和深海盆地等多形態(tài)地形,其中南北兩側(cè)大陸架區(qū)域坡度較緩，而東西兩側(cè)陸架則較窄較陡。北部的大陸坡深度隨著向南推進(jìn)呈下降趨勢，在不同深度層次上分布著東沙、西沙和中沙三個群島。南部和西部的大陸坡相對來說要寬廣很多，南部有南沙群島，西部有廣闊的平坦面，呂宋島西南側(cè)有水深較深的馬尼拉海溝[1]。

南海內(nèi)潮研究具有廣泛而重要的意義。南海擁有許多重要的石油工業(yè)平臺和能源輸運(yùn)管道，而內(nèi)潮能夠引起海洋內(nèi)部等密面數(shù)十米乃至數(shù)百米的起伏，對此類工程作業(yè)影響顯著。此外，內(nèi)潮引起的等溫面和等密面起伏能夠影響海洋中聲音信號的傳播速度和方向，顯著降低聲吶的作用，改變聲道，加重水下探測和海底作業(yè)的困難。在某些陸架邊緣的海域，深層海水中的營養(yǎng)鹽會在內(nèi)潮與地形變化的作用下，通過上升流的抬升由底層上升至淺面，從而達(dá)成形成漁場的重要條件[2]。

內(nèi)潮的研究手段既有理論研究、實(shí)際海域觀測研究，也有數(shù)值模擬研究方面的工作。就目前南海內(nèi)潮研究現(xiàn)狀來說，國內(nèi)外學(xué)者做了許多有意義的探索。

在現(xiàn)場觀測研究方面，邱章等[3]通過南海北部一觀測點(diǎn)的溫度、鹽度和海流及潮位資料，分析研究了該觀測點(diǎn)存在的特定內(nèi)潮現(xiàn)象。Duda 等[4]根據(jù)ASIAEX的數(shù)據(jù)對南海北部大陸坡(117°E,22°N附近)的內(nèi)潮和內(nèi)波的特征進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)在南海北部大陸坡處全日潮占優(yōu)，半日潮相對較弱，并且內(nèi)潮在此處開始轉(zhuǎn)換為非線性內(nèi)孤立波。郭樸等[5]分析了南海北部一定點(diǎn)觀測站的海流與溫度資料，發(fā)現(xiàn)該海區(qū)以全日內(nèi)潮為主。

在數(shù)值研究方面，Niwa and Hibiya[6]利用POM模式對M2內(nèi)潮進(jìn)行了數(shù)值模擬，發(fā)現(xiàn)呂宋海峽處生成的M2內(nèi)潮是南海M2內(nèi)潮的主要來源。呂宋海峽共產(chǎn)生 7.4 GW 的M2內(nèi)潮能量，其中約4.2 GW 傳向南海，剩余約3.2 GW傳向太平洋。Jan等[7]用 POM模式模擬了呂宋海峽中4個主要分潮的能量情況，產(chǎn)生約 20 GW 的斜壓全日潮和約 10 GW 的斜壓半日潮，其中30%在西側(cè)海脊產(chǎn)生，70%在東側(cè)海脊產(chǎn)生，并計算分析了大、小潮時內(nèi)潮能量的不同。佟景全等[8]利用ECOM 模式模擬南海正壓M2、S2、K1、O1分潮，對南海潮能通量及潮能耗散進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)南海各局地低摩擦系數(shù)與凈潮能通量存在差異，為使二者平衡，可以適當(dāng)調(diào)整各個海域底摩擦系數(shù)。范超等[9]利用MITgcm模式模擬了呂宋海峽夏季內(nèi)潮，研究表明，恒春海脊使得部分源于蘭嶼海脊的西北向全日內(nèi)潮轉(zhuǎn)向西南，形成向南海海盆的內(nèi)潮分支。宋丹等[10]在文章中探討了耗散方案對于內(nèi)潮模擬的影響。徐振華等[11]用ROMS模式模擬了全南海的內(nèi)潮，指出了斜壓M2、K1分潮在南海傳播具有不同特征，M2斜壓潮能夠保持向西南方向傳播，K1斜壓潮則由于波的疊加以及局地波動的干擾而呈現(xiàn)復(fù)雜的傳播特征。

前人對南海內(nèi)潮做了大量的研究工作，但是對于除所熟知的呂宋海峽以外的全南海范圍的探討比較少，這也是本文的出發(fā)點(diǎn)，即探討南海內(nèi)部內(nèi)潮的生成源地以及內(nèi)潮的傳播特征。本文在前人研究的基礎(chǔ)上，基于MITgcm模式對全南海內(nèi)潮進(jìn)行了較為全面的模擬研究，通過分析等密面起伏、斷面變化等來探索全南海內(nèi)潮的生成與傳播過程；通過斜壓潮能通量的有關(guān)分析來研究南海內(nèi)潮的主要源地。

1 模式配置

本文使用的MITgcm全球環(huán)流模式是一個大氣海洋通用模式，也具有模擬多尺度過程的能力，應(yīng)用非常廣泛。本文所研究的區(qū)域范圍覆蓋整個南海海區(qū)(99°E～127°E，1.5°N～24°N)，圖1是整個模擬海區(qū)的示意圖。模式采用的地形數(shù)據(jù)來源于GEBCO的1/30(°)×1/30(°)數(shù)據(jù)，采用球坐標(biāo)系和靜力近似。

對于模式的配置，全場的溫鹽數(shù)據(jù)來源于WOA13數(shù)據(jù)集的溫鹽數(shù)據(jù)，圖2是模式選取的WOA13數(shù)據(jù)集的溫度、鹽度以及浮性頻率的分布。模式水平分辨率為1/30(°)×1/30(°)，垂向?yàn)?10層，分為50個10 m層，25個20 m層以及若干個粗分辨率的深度較深的海水層，網(wǎng)格點(diǎn)數(shù)為860×690×110。如圖1所示，模擬海域東邊界大部分為海水，西邊界則全部為陸地，考慮到安達(dá)曼海對于模式模擬的影響較小，因此，將之視作陸地。南面有兩段范圍較大的開邊界，北端有臺灣島東西兩側(cè)的開邊界。

圖1 南海水深示意圖Fig. 1 Bathymetric distribution of the South China Sea

圖2 模式采用的溫度(T)、鹽度(S)、 以及浮性頻率(N)的垂直剖面場Fig. 2 Vertical profiles of initial temperature field, salinity field and buoyancy frequency

模式采用八分潮邊界驅(qū)動，數(shù)據(jù)來源于TPXO_7.2數(shù)據(jù)，配置海綿邊界層用于吸收邊界上的虛假反射，海綿層厚度的東西參數(shù)分別為25和0個網(wǎng)格點(diǎn)，南北參數(shù)均為20個網(wǎng)格點(diǎn)。模式中的不同變量采用不同的差分格式，其中，速度u、v、w采用半隱半顯格式；海面起伏和耗散采用隱式差分，而溫度和鹽度采用顯式差分。模式采用KPP方案作為湍參數(shù)化方案。模式的時間步長為60 s，滿足Courant-Friedrichs-Lewy(CFL)條件，從2015年6月1日起運(yùn)行15 d，用于模式結(jié)果分析。

2 模式結(jié)果驗(yàn)證

2.1 模式驗(yàn)證

將得到的模式水位和流速進(jìn)行調(diào)和分析，得到各分潮水位和流速的調(diào)和常數(shù)。將模式得到的結(jié)果與TPXO_7.2提取的潮汐結(jié)果進(jìn)行比對，可評估模式的可信度。

通過計算均方根誤差(Absolute Root-Mean-Square Error)的方法來評估[12]，均方根誤差的計算公式為：

其中：A表示振幅；φ表示相位；腳標(biāo)m和o分別表示本文的模擬結(jié)果和參照的TPXO 7.2數(shù)據(jù)。上式同時考慮了振幅和位相，對于模式評估來說較為合理。

表1 各分潮均方根誤差在整個海區(qū)分布比例Table 1 Distribution of the respective tide root mean square errors in the whole area /m·s-1

圖3是由模式的正壓流速U的調(diào)和分析結(jié)果計算得到的均方根誤差，分別代表M2、K1、O1、S2分潮。從圖中可以看出，在呂宋海峽以及南海內(nèi)部大部分區(qū)域均方根誤差都在0.2 m/s以內(nèi)。其中O1、S2分潮模擬效果較好，M2與K1分潮在瓊州海峽等某些海域誤差偏大，分析其原因，通過調(diào)用其數(shù)據(jù)集流速結(jié)果發(fā)現(xiàn)在瓊州海峽處的流速出現(xiàn)異常高值，這可能是由于TPXO7.2具有1/4(°)×1/4(°)的分辨率，在刻畫局地地形的時候會有較大的誤差。

圖3 M2、K1、O1、S2分潮流速U調(diào)和分析結(jié)果均方根誤差

通過計算整個海區(qū)的RMS值發(fā)現(xiàn)，對于M2、K1、O1、S2分潮來說，RMS數(shù)值小于0.2的區(qū)域占整個研究海域的比例分別為98.45%、98.74%、99.81%、99.85%；小于0.1的比例分別為96.40%、94.80%、98.73%、99.41%；小于0.05的比例分別為91.21%、84.79%、93.64%、98.32%(見表1)。

綜合上述分析可以看出，模式在該海區(qū)的模擬結(jié)果與TPXO7.2數(shù)據(jù)集結(jié)果符合良好，具有較好的可信度。

2.2 內(nèi)潮導(dǎo)致的等密面起伏分析

海水內(nèi)部等密度面的起伏情況能夠很好地刻畫內(nèi)潮的生成、傳播以及分布情況。圖4所示為選取模式運(yùn)行第6、24、48和120 h，即第0.5、2、4、10個半日分潮周期時刻的溫躍層100 m層南海等密面起伏分布圖。從圖中可以看出，當(dāng)T=0.5M2時刻在呂宋海峽處出現(xiàn)強(qiáng)烈的等密面起伏，其振幅可以達(dá)到30 m，并向東西方向傳播。東傳的內(nèi)潮到模式邊界的過程中振幅逐漸衰減，到邊界處約衰減為5 m。西傳的內(nèi)潮一支沿西北方向向大陸架延伸，另一支則傳向南海內(nèi)部。由圖4還可以看出，在西沙群島西側(cè)海域和南海南部陸架、陸坡坡折處海域也出現(xiàn)了小振幅的等密面起伏，其振幅約為5～15 m之間。在T=10M2時刻，呂宋海峽處傳來的內(nèi)潮信號，其相鄰波峰之間的距離隨水深而增大，這與實(shí)際是相符的。從全南海等密度面起伏的整體狀況來看，上述兩海域不僅出現(xiàn)了等密面的起伏，而且其振幅仍可以達(dá)到10 m以上，因此，該兩處海域也是南海內(nèi)潮生成的源地。

圖4 模式開始第0.5、2、4、10個M2分潮時刻100 m等密面起伏Fig.4 Model-predicted distribution of the vertical isopycnal displacement after the (a) half, (b) second, (c) fourth, and (d) tenth M2 tidal period from the start of the calculation

2.3 斷面分析

依據(jù)上節(jié)模式結(jié)果中等密面起伏的空間特征，選定如圖1所示的幾個典型斷面進(jìn)行內(nèi)潮結(jié)構(gòu)的斷面分析，其中A斷面沿20°N向西延伸至海南島東側(cè)海域；B斷面是一個斜斷面，穿過呂宋海峽中部海域并延伸至南海中部中沙群島的東南側(cè)；C斷面也是一個斜斷面，從西沙群島西側(cè)海域至南海中部海域；D斷面則是南海西南部向中部延伸的一個斜斷面。

上述分析進(jìn)一步驗(yàn)證了呂宋海峽、西沙群島西側(cè)海域和南海南部陸架、陸坡坡折處均有內(nèi)潮射線產(chǎn)生。

圖5 T=85 h時刻，沿斷面A的斜壓流速和等溫線分布示意圖

圖6 T=100 h時刻，模式斷面B流速及等溫線垂向分布示意圖Fig. 6 The velocity and isotherm of vertical profile B when the time is 100th hour

3 內(nèi)潮能通量分析

3.1 內(nèi)潮能通量計算方法

本文采用斜壓流速和脈動壓強(qiáng)乘積的垂向積分的方法來計算內(nèi)潮能通量[15]，斜壓流速為實(shí)際流速與正壓流速的差值，其計算公式為：

(1)

。

(2)

其中：k是垂向?qū)訑?shù)；n是計算用的某一特定層；h為每一層的厚度。脈動壓強(qiáng)的計算公式為：

圖7 T=95 h時刻，模式斷面C流速及等溫線垂向分布示意圖Fig. 7 The velocity and isotherm of vertical profile C when the time is 95th hour

圖8 T=112 h時刻，模式斷面D流速及等溫線垂向分布示意圖Fig. 8 The velocity and isotherm of vertical profile D when the time is 112th hour

(3)

其中psurf(t)為斜壓海表面壓強(qiáng)。由于垂向積分的脈動壓強(qiáng)必須為0，即：

(4)

(5)

(6)

3.2 典型海域內(nèi)潮生成分析

將模式得到的流速進(jìn)行深度積分可以得到正壓流速，用實(shí)際流速減去正壓流速得到斜壓流速，選取正壓流速的大潮區(qū)間進(jìn)行能通量的計算。下面分析前節(jié)論述的3個典型海域的內(nèi)潮生成。

如圖9所示，為南海大潮期間深度積分的瞬時緯向潮能通量分布圖。藍(lán)色表示西向傳播的內(nèi)潮能流，紅色則表示東向傳播的內(nèi)潮能流。由圖9可見，內(nèi)潮能流的瞬時量級可以達(dá)到200 kW/m。在T=30 h時刻，本文發(fā)現(xiàn)西向的內(nèi)潮能流主要產(chǎn)生于121°E～122°E之間的海域，主要分布于巴布延群島的西側(cè)與北側(cè)海域以及恒春海脊的南段海域；而東傳的內(nèi)潮能流在恒春海脊與蘭嶼海脊均有產(chǎn)生。隨著能流的東西向傳播，能通量逐漸衰減、耗散。當(dāng)T=34 h時刻，恒春海脊產(chǎn)生的東向內(nèi)潮在東傳過程中能量增強(qiáng)，當(dāng)其跨過呂宋海溝到達(dá)蘭嶼海脊，能流在蘭嶼海脊處逐漸耗散，很少傳入太平洋；而蘭嶼海脊產(chǎn)生的內(nèi)潮能流則繼續(xù)沿緯向略微偏北傳入太平洋，能量也在增強(qiáng)。而此時，西向傳播的內(nèi)潮能流由于受到恒春海脊的阻礙作用，在呂宋海溝水深較深的海域積聚，能量強(qiáng)度的增長比較顯著。T=38 h時刻，本文發(fā)現(xiàn)，東傳的能流已經(jīng)到達(dá)123°E左右，且能量的強(qiáng)度已經(jīng)逐漸衰減，而與此同時在內(nèi)潮的源地正在產(chǎn)生新的能流。在隨后的時刻發(fā)現(xiàn)，東傳的內(nèi)潮能通量逐漸衰減且逐漸轉(zhuǎn)向東南方向傳播。而西傳的內(nèi)潮能通量一支傳向西北方向的陸架海區(qū)，另一支能量較弱的能流則向西南的南海內(nèi)部海域傳播。從圖中可以看出南海內(nèi)部各海域的內(nèi)潮能通量的量級較弱，只能達(dá)到20 kW/m的量級，并且其主要源于幾個邊緣海區(qū)。本文發(fā)現(xiàn)在西沙群島的西側(cè)海域以及南海南部陸架、陸坡坡折處海域出現(xiàn)了比較明顯的能通量的發(fā)散。在西沙群島的西側(cè)海域，能通量的傳播方向大致是向東南方向的傳播，而南海南部陸架、陸坡坡折處海域的能通量的傳播方向則大致為向東北方向的傳播。

圖9 南海大潮期深度積分的內(nèi)潮瞬時緯向能通量的分布Fig. 9 The distribution of vertical integration of instantaneous energy flux during the spring tide in the northern South China Sea

3.3 典型海域內(nèi)潮能通量估算

圖10是大潮期間5天平均的斜壓潮能通量分布，為了更清楚得辨別圖中的信息，把其中呂宋海峽處的標(biāo)尺設(shè)定為80 kW/m，其他區(qū)域設(shè)定為5 kW/m。由此可以明顯的看出，南海有呂宋海峽這樣的內(nèi)潮能通量大值分布區(qū)域以及西沙群島西側(cè)海域、南海南部陸架、陸坡坡折處海域這樣的相對大值分布區(qū)域。另外，在南海中部的中沙群島附近海域沒有發(fā)現(xiàn)內(nèi)潮的能通量的高值區(qū)。對幾個能通量的高值區(qū)進(jìn)行了定量分析，結(jié)果表明：在呂宋海峽產(chǎn)生的潮能通量絕大部分沿緯向傳播。本文計算得到西傳入南海的斜壓潮能功率約為14.6 GW，而東傳入太平洋的斜壓潮能功率約為11.4 GW，西傳與東傳斜壓能功率比值大于1，Li等[16]也曾獲得類似結(jié)果。在另外的區(qū)域，計算得到斜壓潮能功率的量值相對較小，西沙群島西側(cè)海域產(chǎn)生的斜壓潮能有0.28 GW的能量向東南方向傳播，還有0.08 GW的能量傳向了西南越南沿岸海域；在南海南部陸架、陸坡坡折處海域，本文計算得到有0.54 GW向東北方向傳播。

圖11是斜壓潮能通量分別在圖7中的A、B、C、D4個斷面上的時間序列。從圖(a)可以看到，在斷面A上內(nèi)潮分別沿東西方向傳播，并且圖中的顏色條紋則在一定程度上代表斜壓能的傳播速度大小。眾所周知，速度為距離和時間之比，那么x軸代表的是斷面寬度，而y軸為時間序列，所以顏色射線的斜率的倒數(shù)能夠刻畫斜壓能的傳播速度。

通過計算可發(fā)現(xiàn)，A斷面處源地產(chǎn)生的斜壓能傳播最強(qiáng)，傳播速度可達(dá)3.1 m/s。而隨著傳播的距離增大，傳播速度有所減弱，斜壓能也逐漸耗散。B斷面是呂宋海峽產(chǎn)生的斜壓能向西南方向的南海內(nèi)部傳播的斷面，同樣簡單的計算得到傳播速度約為2.2 m/s；而在C斷面和D斷面的110°E附近也能看到斜壓能通量的傳播，并且向等深線減小方向傳播的能通量雖然微弱，也可以看到速度射線。分析斷面C、D的結(jié)果發(fā)現(xiàn)，向東南或者東北方向傳播的能量在經(jīng)過海脊時會有所衰減，其中D斷面在經(jīng)過多個海脊后還存在較為明顯的繼續(xù)傳播的能量，而C斷面在過兩個海脊后，已經(jīng)基本看不到能量的傳播，推測這與當(dāng)?shù)氐碾p脊地形之間的能量耗散有關(guān)，具體機(jī)制還需要進(jìn)一步探討。值得一提的是，在4個斷面中都發(fā)現(xiàn)了內(nèi)潮的多模態(tài)結(jié)構(gòu)，但是不同斷面的高模態(tài)內(nèi)潮特性有所不同；在A、B、D斷面的高模態(tài)內(nèi)潮傳播迅速耗散，而在C斷面的高模態(tài)內(nèi)潮能夠保持一定的相速度傳播，并且達(dá)到與第一模態(tài)內(nèi)潮相同的傳播距離。分析其原因，可能與當(dāng)?shù)氐牡匦我约皟?nèi)潮波共振機(jī)制有關(guān)，具體機(jī)制尚需日后深入探討。

圖10 大潮期5天平均的斜壓潮能通量分布Fig. 10 The distribution of 5-days average of baroclinic energy flux during the spring tide

圖11 ABCD分別為斷面ABCD能通量時間序列分布圖，圖底為斷面地形

圖12是以C斷面為例，求解本征方程，并將理論相速度與根據(jù)數(shù)值結(jié)果計算的傳播速度作的對比圖。公式參考龔延昆等[17]的文章，其中：N和U分別表示浮頻率和背景剪切流；H為局地水深。圖12(a)表示斷面C在100 m深度上的溫度的時間序列分布圖，(b)代表內(nèi)潮波速隨地形變化過程，(c)為地形剖面示意圖。由圖12，(a)中的模式結(jié)果計算斜率得到的波的相速度與線性長波相速度的理論值吻合較好，圖12(b)中展示的事第一模態(tài)波速與第二模態(tài)波速，可以看到二者從量值上與作者對波速的認(rèn)知相符合，因此進(jìn)一步證實(shí)了上一部分結(jié)論的可靠性。

φ0=φ-H=0。

圖12 100 m水深處溫度填色圖(a)； 內(nèi)潮波速隨地形變化過程(b)及剖面地形圖(c)

4 結(jié)論

本文利用MITgcm模式對全南海內(nèi)潮的生成與傳播過程進(jìn)行了數(shù)值模擬，得到以下結(jié)論：

(1)通過分析100 m等密度面起伏發(fā)現(xiàn)，在呂宋海峽出現(xiàn)強(qiáng)烈的等密面起伏，其振幅可以達(dá)到30 m，并向東西方向傳播。在西沙群島西側(cè)海域以及南海南部陸架、陸坡坡折處海域也出現(xiàn)了小振幅的等密面起伏，其振幅仍可達(dá)到10 m以上，這表明該兩處海域是南海內(nèi)潮的可能源地。

(2)通過斷面分析發(fā)現(xiàn)，呂宋海峽海域A斷面流速高值區(qū)集中的分布在海表溫躍層以及接近海底的水層，并且垂向上下流速反向，這表明該海域內(nèi)潮引起的緯向斜壓流第一模態(tài)占主導(dǎo)；斷面C、D可以看到內(nèi)潮射線的激發(fā)，但是流速的量值較斷面A、B而言小很多。

(3)通過計算斜壓潮能通量發(fā)現(xiàn)，在內(nèi)潮的主要生成區(qū)呂宋海峽處的斜壓潮能通量最大，其瞬時量級可達(dá)200 kW/m，而在南海西部以及南部的海域斜壓潮能通量只有20 kW/m的量級。呂宋海峽處東傳的斜壓潮能功率達(dá)到11.4 GW，而西傳的斜壓潮能功率達(dá)到14.6 GW；西沙群島西側(cè)海域產(chǎn)生的斜壓潮能有0.28 GW的能量向東南方向傳播，還有0.08 GW的能量傳向了西南越南沿岸海域；在南海南部陸架、陸坡坡折處海域，計算得到有0.54 GW向東北方向傳播。此兩處海域斜壓潮能不僅存在，而且其量級不可忽略，所以作者認(rèn)為，南海內(nèi)潮的源地除了呂宋海峽以外，還包括西沙群島西側(cè)海域以及南海南部陸架、陸坡坡折處海域。

(4)通過分析斜壓潮能通量在斷面上的時間序列發(fā)現(xiàn)，第一模態(tài)內(nèi)潮在呂宋海峽的傳播的相速度可達(dá)3.1 m/s，在南海中部的相速度可達(dá)2.2 m/s；而在4個斷面均發(fā)現(xiàn)內(nèi)潮的高模態(tài)結(jié)構(gòu)，其中C斷面發(fā)現(xiàn)能夠穩(wěn)定傳播的高模態(tài)內(nèi)潮。

致謝：感謝國家超級計算濟(jì)南中心提供的“神威藍(lán)光”系統(tǒng)的超算支持

[1] 方欣華, 杜濤. 海洋內(nèi)波基礎(chǔ)和中國海內(nèi)波[M] . 青島: 中國海洋大學(xué)出版社, 2005.

Fang X H, Du T. Fundamentals of Oceanic Internal Waves and Internal Waves in the China Seas. [M]. Qingdao: China Ocean Universuty Press, 2005.

[2] 杜濤, 方欣華. 潮成內(nèi)波在物理海洋和相關(guān)學(xué)科中的影響[J]. 海洋預(yù)報, 2003, 20(4): 50-55.

Du T, Fang X H. The influences of internal tides in physical oceanography and in related disciplines[J]. Marine Forecasts, 2003, 20(4): 50-55.

[3] 邱章, 徐錫禎, 龍小敏. 南海北部—觀測點(diǎn)內(nèi)潮特征的初步分析[J]. 熱帶海洋， 1996， 15(4)： 63-67

Qiu Z, Xu X Z, Long X M. A preliminary analysis oninternal tide characteristics at an observation point in northern south china sea. [J]. Tropic Oceanology, 1996， 15(4)： 63-67.

[4] Duda T F, Lynch J F, Irish J D, et al. Internal tide and nonlinear internal wave behavior at the continental slope in the northern South China Sea [J]. IEEE Journal of Oceanic Engineering, 2004, 29(4): 1105-1130.

[5] 郭樸, 方文東, 于紅兵. 近海陸架區(qū)內(nèi)潮觀測研究進(jìn)展[J]. 地球科學(xué)進(jìn)展, 2006, 21(6): 617-624.

Guo P, Fang W D, Yu H B. Research progress of tide observation in offshore shelf area[J]. Advances in Earth Science, 2006, 21(6): 617-624.

[6] Niwa Y, Hibiya T. Three-dimensional numerical simulation of M2 internal tides in the East China Sea[J]. Journal of Geophysical Research, 2004， 109(C4)： C04027.1-C04027.14.

[7] Jan S, Lien R C and Ting C H, Numerical study of baroclinic tides in Luzon Strait[J], Journal of Oceanography, 2008, 64(5): 789-802.

[8] 佟景全, 雷方輝, 毛慶文, 等. 不考慮局地引潮勢的南海正壓潮能通量與潮能耗散[J]. 熱帶海洋學(xué)報, 2010(3): 1-9.

Tong J Q, Lei F H, Mao Q W, et al. Tidal energy fluxes and dissipation in the South China Sea without considering tide-generated potential energy[J]. Journal of Tropical Oceanography, 2010(3): 1-9.

[9] 范超, 陳學(xué)恩, 張哲恩. 呂宋海峽夏季內(nèi)潮數(shù)值模擬[J]. 中國海洋大學(xué)學(xué)報: 自然科學(xué)版, 2016, 4(6): 14-20.

Fan C, Chen X E, Zhang Z E. Numerical simulation of internal tides in the Luzon Strait in summer[J]. Periodical of Ocean University of China, 2016, 46(6): 14-20.

[10] Song D, Pohlmann T, Chen X, et al. The role of sea water viscidity in modeling the vertical movement of internal tides[J]. Ocean Modelling, 2010, 34(3): 63-69.

[11] Xu Z, Liu K, Yin B, et al. Long‐range propagation and associated variability of internal tides in the South China Sea[J]. Journal of Geophysical Research: Oceans, 2016,121(11): 8268-8286.

[12] Cummins P F, Oey L Y. Simulation of barotropic and baroclinic tides off northern British Columbia[J]. Journal of Physical Oceanography, 1997, 27(5): 762-781.

[13] 苗春葆. 三維等密度坐標(biāo)數(shù)值模型的建立以及南海內(nèi)潮的數(shù)值模擬[D]. 青島： 中國海洋大學(xué), 2012.

Miao C B. Development of An Isopycnic-Coordinate Numerical Model and The Simulation of Internal Tides in the South China Sea[D]. Qingdao： Ocean University of China, 2012.

[14] 李歡, 陳學(xué)恩, 宋丹. 呂宋海峽M_2內(nèi)潮生成與傳播數(shù)值模擬研究[J]. 中國海洋大學(xué)學(xué)報: 自然科學(xué)版. 2011, 41(Z1): 16-24.

Li H, Chen X E, Song D. Numerical simulation study of M2internal tides generation and propagation in the Luzon Strait[J]. Periodical of Ocean University of China. 2011, 41(Z1): 16-24.

[15] Nash J D, Alford M H, Kunze E. Estimating internal wave energy fluxes in the ocean[J]. Journal of Atmospheric and Oceanic Technology, 2005, 22(10): 1551-1570.

[16] Li M, Hou Y, Li Y, et al. Energetics and temporal variability of internal tides in Luzon Strait: a nonhydrostatic numerical simulation[J]. Chinese Journal of Oceanology and Limnology, 2012, 30(5): 852-867.

[17] 龔延昆, 陳學(xué)恩. 南海北部內(nèi)孤立波繞東沙島傳播特性的數(shù)值研究[J]. 中國海洋大學(xué)學(xué)報: 自然科學(xué)版, 2016， 46(12): 1-8.

Gong Y K, Chen X E. Modelling of internal solitary waves propagating over Dongsha Atoll in the South China Sea[J]. Periodical of Ocean University of China, 2016， 46(12): 1-8.

ModellingofInternalTidesOriginatingandPropagatingintheSouthChinaSea

CHEN Mo1, CHEN Xue-En1, ZHANG Hong-Xin2,GONG Yan-Kun1, ZHANG Zhe-En1

(1.College of Physical and Environmental Oceanography, Ocean University of China, Qingdao 266100, China; 2.North China Sea Marine Technical Support Center, SOA, Qingdao 266033， China)

In this paper, relying on the boundary eight-tides drive, the model MITgcm is used to make a numerical simulation of the whole of the south China sea of internal tides. The results show that there are strong vertical isopycnal displacement accompanied by internal tide in the Luzon Strait, and its amplitude can reach 30 m and propagate in the east-west direction. At the same time, small amplitude is also found in the west coast of the Xisha Islands and the southern shelf-slope of the South China Sea, and its amplitude can reach 10 m yet. These vertical isopycnal displacements indicate that the two areas are also possible generated sources of internal tide in the South China Sea. Cross-section analysis shows that both the west coast of the Xisha Islands and the southern shelf-slope of the South China Sea have internal tide-ray generation. Based on the analysis of the internal tidal flux, we find that the baroclinic tidal energy flux in the east of the Luzon Strait reaches 11.4 GW, while that in the west reaches 14.6 GW.In the west of the Xisha Islands, the internal tidal energy fluxes in the southeastern direction is 0.28 GW, while in the northwestern direction is 0.08 GW. The magnitude of the internal tidal energy flux in the west coast of the Xisha Islands and the southern shelf-slope of the South China Sea is 20 kW/m. In the southern shelf-slope of the South China Sea, the internal tidal flux is 0.54 GW. By observing the time series of tidal energy fluxes in each region, it is found that the velocity of tidal energy flux in the Luzon Strait can reach 3.1m/s, and the propagation velocity can reach 2.2 m/s in the middle of the South China Sea. High modes of internal tide were generated in the above three generated sources.

South China Sea; internal tide; numerical simulation; MITgcm

P731.23

A

1672-5174(2018)02-001-10

10.16441/j.cnki.hdxb.20170065

陳默，陳學(xué)恩，張洪欣，等.全南海內(nèi)潮生成與傳播的數(shù)值模擬研究[J].中國海洋大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2018, 48(2): 1-10.

CHEN Mo, CHEN Xue-En, ZHANG Hong-Xin,et al.Modelling of internal tides originating and propagating in the South China Sea[J].Periodical of Ocean University of China, 2018, 48(2): 1-10.

國家重點(diǎn)研發(fā)計劃項(xiàng)目(2016YFC1401300)；海南自然科學(xué)基金創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目(2016CXTD016)；山東省超級計算科技專項(xiàng)；泰山學(xué)者計劃項(xiàng)目資助

Supported by the National Key Research and Development Program of China(2016YFC1401300)；Natural Science Foundation of Hainan Province of China(2016CXTD016)；Supercomputing Technology of Shandong Province；Taishan Scholars Program

2017-02-19；

2017-04-08

陳默(1991-)，男，碩士生，研究方向：內(nèi)波與混合。E-mail：121803318@qq.com

? ? 通訊作者：E-mail：xchen@ouc.edu.cn

責(zé)任編輯 龐 旻