密度分层模型的内潮数值模拟与同化研究

内潮是具有潮汐频率的一种低频内波，表面潮通过密度层化的海水与海底的跃变地形相互作用可以生成内潮。海洋中的内潮及内潮波破碎所引起的混合对海水的质量、动量、能量的输送以及全球气候变化都起着非常重要的作用。在陆架陆坡区生成的内潮为当地的混合过程提供了相当的能量，在全球海洋能量平衡中占据非常重要的地位。南海北部海底地形变化剧烈，是内潮频发区。大振幅内潮或由其演变出的强孤立内波会干扰海洋工程作业，对建成的石油钻井平台和海底油气管道构成严重的威胁。开展内潮研究具有重要科学意义。.本项目拟根据海水实际的密度分层建立垂向密度分层的内潮伴随同化模式，基于观测资料，利用变分同化技术来优化模型中的控制参数（底摩擦系数，层间摩擦系数），实现观测资料与数值模式的有机结合。利用所建立的内潮伴随同化模式开展南海北部内潮的数值模拟研究，准确刻画南海北部海域内潮的空间分布特征，为南海北部海域内孤立波的研究奠定坚实的基础。

本项目建立了一个三维等密度坐标数值模型，该模型将海洋看作是由一系列的“等密度层”构成，每层海水具有相同的位势密度。该模型由外模态和内模态组成，外模态用来计算正压运动－表面潮，内模态用来计算斜压运动－内潮。在该模型中使用一种改进的FCT方法以及前人提出的一种外推算法来解决分层界面与海面或底地形相交时给数值求解带来的困难。此外，本项目还尝试采用漫滩算法来解决以上问题，与外推算法的比较结果表明，漫滩算法能更好地处理等密度坐标模型中底地形与分层界面相交的问题。通过对各种常见开边界条件的特性进行比较与分析，选择了适合于内潮数值模拟的开边界条件。首先，将该模型的模拟结果与理论解进行对比，初步验证了的正确性。然后，使用该模型以M2和K1分潮作为强迫对水平均匀层化下南海内潮的生成和传播过程进行了模拟。结果表明，吕宋海峡是南海内潮的主要生成源地，生成的M2内潮分成三个分支向不同方向传播。向东传播到太平洋的分支，幅度最宽；向西传播到东沙群岛的分支，能量最强且较为集中；向西南传播至南海海盆的分支，幅度最窄且能量最弱。生成的K1内潮分为两个分支向不同方向传播，其中一个分支向东传播到太平洋；另外一个分支向西南传播到南海。.基于已建立的等密度坐标内潮伴随同化数值模型，通过理想实验探讨了模型控制变量的反演问题，并借此对模型的合理性进行初步检验。数值实验结果表明：该伴随同化模型在多种理想地形上对多种空间分布的开边界条件都有较强的反演能力；通过反演开边界条件能够精确再现全场的内潮结构；代价函数和同化误差对模拟效果具有较强的表征能力，可以综合反映开边界条件的反演情况和全场内潮的模拟情况；借助独立点方案，空间分布的底摩擦系数、层间摩擦系数和水平涡动粘性系数也都能得到准确反演。理想实验的结果初步表明该伴随同化模型的建立是合理的、成功的。