呂宋海峽夏季內潮數值模擬?

范　超， 陳學恩， 張哲恩

(1.中國海洋大學海洋與大氣學院，山東 青島 266100； 2.中國人民解放軍91860部隊，上海 200940)

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呂宋海峽夏季內潮數值模擬?

范超1，2， 陳學恩1??， 張哲恩1

(1.中國海洋大學海洋與大氣學院，山東 青島 266100； 2.中國人民解放軍91860部隊，上海 200940)

摘要：利用三維海洋環流模式MITgcm，對呂宋海峽夏季內潮的生成與傳播進行了分析。結果表明，在八分潮驅動的情況下，呂宋海峽夏季生成的內潮能量有4.7GW傳入西太平洋，7.7GW傳入南海，其中M2分潮最強，K1分潮次之。半日分潮主要在恒春海脊中部和巴坦群島附近生成，并在傳播過程中衰減迅速；全日分潮主要在巴布延群島西北處及蘭嶼海脊北部生成，在傳播過程中衰減較慢。西傳M2和K1內潮主要在蘭嶼海脊南部生成，且西傳M2內潮在恒春海脊北部得到增強，在恒春海脊中部則被削弱。在恒春海脊北部生成的東傳M2和K1內潮在經過蘭嶼海脊時被削弱。恒春海脊使得部分源于蘭嶼海脊的西北向全日內潮轉向西南，形成向南海海盆的內潮分支。

關鍵詞：內潮；MITgcm；內潮能通量；呂宋海峽

引用格式：范超，陳學恩，張哲恩. 呂宋海峽夏季內潮數值模擬[J]. 中國海洋大學學報(自然科學版)， 2016， 46(6): 14-20.

FAN Chao, CHEN Xue-En, ZHANG Zhe-En. Numerical simulations of internal tides in the Luzon Strait in summer[J]. Periodical of Ocean University of China, 2016, 46(6): 14-20.

呂宋海峽是連接南海北部海域和西太平洋的唯一深海通道，在海峽通道上有兩條大致呈南北向的海脊：西部的恒春海脊和東部的蘭嶼海脊。當正壓潮流經海底地形時，呂宋海峽起到了內潮發生器的作用，生成向南海北部和西太平洋兩個方向傳播的內潮[1-13]。

近年來，對內潮的數值模擬研究和分析逐漸成為內潮研究的熱點[9-18]。Niwa 和 Hibiya[9]基于POM模式采用單分潮驅動對呂宋海峽M2內潮進行了數值模擬研究，發現呂宋海峽是南海M2內潮的主要來源，進一步的能量分析表明，呂宋海峽共產生7.4GW的內潮能量，其中約4.2GW傳向南海，約3.2GW傳向太平洋。Jan 等[11]基于POM模式，對呂宋海峽K1內潮進行了數值模擬研究，對內潮能通量的分析發現，K1正壓潮從西北太平洋經過呂宋海峽傳向南海時，在呂宋海峽產生的K1內潮能通量約有2.5 GW傳向太平洋，約有1.1GW傳向南海，另外，大約36%的K1正壓潮能量在呂宋海峽轉化為內潮能量。Chao 等[12]利用ONFS模式研究了呂宋海峽東西海脊對內潮傳播的影響，他們認為恒春海脊的北部可以看作是M2內潮的第二生成區。Jan 等[13]再次基于POM模式分別研究了呂宋海峽K1，O1，M2和S2 4個主要分潮的能量變化，計算得到的斜壓全日潮和斜壓半日潮能量各約20和10GW，其中，約30%在西側海脊產生，約70%在東側海脊產生。

由以上研究可見，前人在數值模擬領域的工作極大地推動了我們對呂宋海峽內潮的量化認識，然而，已有數值研究工作對斜壓分潮的研究均是基于相應的單個正壓分潮驅動，事實上，特定正壓分潮驅動模式得到的并不完全是相應的斜壓分潮。因此，本文基于麻省理工大學的海洋模式MITgcm[19-20]，嘗試采用八分潮合成驅動模式得到的結果來對南海內潮進行分析，探討了海底地形對研究海域內潮的影響，較好地刻畫了南海北部K1，O1，M2和S2 4個主要內潮分潮的特征。

1模式設置和驗證

本文所研究海域的范圍為114.5°E～129.5°E，16°N～23°N(見圖1)，海底水深資料取自空間分辨率為1(′)×1(′)的Etopo-1 Global Relief Model數據。數值模式模擬的水平分辨率為2(′)×2(′)，水平網格數為450×210。模式垂向分為74層，其分辨率從表層的10m逐漸遞增至底層的500m。一般來說，南海北部內潮波的波長約在百千米量級，因此，上述模式水平分辨率能夠滿足刻畫內潮的條件。模式的時間步長為120s，滿足Courant-Friedrichs-Lewy(CFL)條件。模式選擇了夏季南海的溫鹽背景場，初始溫鹽場取自World Ocean Atlas數據，將上述數據在模擬區域內的逐層平均值插值到模式的垂向網格點上。圖2給出了模式初始溫鹽場及其對應浮性頻率N的垂向剖面圖。

本文在模式開邊界上采用了施加邊界潮流驅動的方法，潮流數據取自俄勒岡州立大學的全球海洋潮汐反演模式TPXO 7.2[21-22]。TPXO 7.2同化了TOPEX/Poseidon和Jason衛星高度計的海面高度資料，結果較為準確。TPXO 7.2模式在中國近海高分辨率模式中提供了分辨率為1/30(°)×1/30(°)的高分辨率數據，包括8個主要分潮(M2,S2,N2,K2,K1,O1,P1,Q1)和M4分潮。通過對南海沿岸55個驗潮站現場觀測數據與TPXO7.2模式南海結果的比較，Zu 等[23]發現M2和K1 2個分潮的均方根誤差僅為4.16和1.63cm，其準確率相較于直接使用高度計分析所得結果更好。所以，本文模式的潮流驅動采用了TPXO7.2中國近海區域高分辨率模式8個主要分潮(M2,S2,N2,K2,K1,O1,P1,Q1)作為驅動，以更準確地模擬研究區域的潮流。模式共積分了90個模式日。

Chang 等[1]通過東沙附近3個站點的觀測資料研究了東沙群島附近非線性內波能量和內潮能通量。將本文數值模擬結果在鄰近站點的深度積分的內潮能通量與其觀測結果列表比較(見表1)，由表1可知，兩者吻合較好。前兩個站點數值模擬結果稍微偏大的原因源于本文模式的水深設置相對Chang 等[1]的觀測水深要深一些。值得一提的是，在水深106m的觀測點，數值模擬結果稍微偏小，可能的原因是，能量在淺水區的轉化和耗散過程復雜，本文模式采用了靜力近似，難以刻畫大振幅的內孤立波信號，致使能量計算偏低。另外，本文只使用了8個主要分潮作為模式驅動，而觀測則含有全部分潮，這也是偏差存在的可能原因。

綜上所述，本文數值模擬的結果較為符合實際情況，可以用于對呂宋海峽內潮現象的進一步分析和討論。

2呂宋海峽夏季內潮特征

本節主要通過斜壓流速和脈動壓強乘積的垂向積分法[24]來研究南海北部的內潮能通量分布變化。圖3給出了深度積分的內潮能通量在整個研究海區的分布。從圖中可以看出，內潮產生于呂宋海峽，并向東西兩個方向傳播，其中傳向南海的內潮能流通量明顯強于傳向太平洋的內潮能流通量。西傳的內潮能流分為兩支，一支生成于伊特巴亞島和巴丹島島坡附近，進入南海后向西偏北方向傳播，傳至東沙群島附近的大陸架后，受地形的影響，內潮的能量被大量耗散；另一支生成于巴布延群島西北，向西南方向傳播進入南海海盆，并沿著大陸坡向南海中部傳播。由于呂宋海峽東側太平洋的海水很深，東傳內潮能流開始是向東北方向傳播，過了124°E以后轉向東南方向，過程中迅速減弱。

分別計算呂宋海峽傳出的內潮能量，發現有4.7 GW傳入西太平洋，7.7GW傳入南海，另有0.77和0.07GW的能量分別從北邊界和南邊界傳出(見圖4)。楊慶軒[2]基于對LADCP實測數據的分析也證實了呂宋海峽內潮傳播方向以西傳占優。

對模式結果進行調和分析，得到內潮各個分潮的流速，進一步計算4個主要分潮K1，O1，M2和S2的內潮能通量(見圖5)。從圖5可以看出，半日分潮主要生成于巴坦群島附近和恒春海脊中部，并且在傳播過程中衰減迅速；全日分潮主要生成于巴布延群島西北及蘭嶼海脊北部，相比于半日分潮，其在傳播過程中衰減要慢很多。全日分潮有較強的西南向內潮傳向南海海盆，而半日分潮幾乎沒有西南向內潮存在。

對比K1，O1，M2和S2 4個主要分潮從呂宋海峽向東西方向傳出能量(見表2)。從分潮頻率上來說，呂宋海峽生成的內潮能量M2分潮最強，K1分潮次之，S2分潮最弱。從呂宋海峽傳入南海的M2、K1、O1和S2內潮的能量分別為3.1(40.2%)、2.3(29.9%)、1.1(14.3%)和0.7GW(9.1%)，占傳入南海總的內潮能量(7.7GW)的93.5%；從呂宋海峽傳入西太平洋的M2、K1、O1和S2內潮的能量分別為1.5(31.9%)、1.4(29.9%)、1.2(25.5%)和0.3 GW(6.4%)，占傳入西太平洋總的內潮能量(4.7 GW)的93.7%。Jan 等[13]由單分潮驅動的POM模式所計算得到的結果與本文結論相似(見表2)，其西傳進入南海的內潮能量吻合較好，而東傳進入西太平洋的內潮能量數值偏大。導致這種差異的最大原因在于采用單分潮驅動會忽略其他分潮作為背景潮流可能對內潮能量起到的增強或減弱效應。半日分潮(M2+S2)從呂宋海峽傳出的內潮能量為5.6GW，全日分潮(K1+O1)從呂宋海峽傳出的內潮能量為5.0GW，可見，呂宋海峽內生成的全日內潮和半日內潮相差不大。

3海底地形對呂宋海峽夏季內潮的影響

為考察蘭嶼海脊和恒春海脊對呂宋海峽內潮生成的影響，本文設計了海脊敏感性實驗，分別針對去掉蘭嶼海脊(見實驗a)、去掉恒春海脊(見實驗b)和2個海脊均去掉(見實驗c)的情況進行了研究。圖6給出了上述3個實驗假設下呂宋海峽深度積分的內潮能通量分布以及從呂宋海峽傳出的內潮能量。由圖6(a)可以看出，只存在恒春海脊時，整個研究海區的內潮能通量顯著變小，內潮主要在恒春海脊處生成，向東南方向傳入西太平洋，向西傳入南海傳播并逐漸衰減，從呂宋海峽傳入南海和西太平洋的內潮能量分別只有1.4和1.14GW；臺灣島西南部出現了較大的內潮能通量。從圖6(b)中可以看出，只存在蘭嶼海脊時，內潮能通量有所減弱，但仍有可觀的內潮生成，傳入南海和西太平洋的內潮能量分別為5.0和3.1GW，遠大于圖6(a)的結果；值得關注的是，傳向南海海盆的內潮變得非常小，說明恒春海脊是使內潮西南向傳播的重要因素。在同時去掉2個海脊的圖6(c)中，呂宋海峽已失去“內潮發生器”的作用，僅有0.02GW的能量分別傳入南海和太平洋，內潮能通量的最大值反而出現在臺灣島西部。

為進一步分析2個海脊對內潮生成的影響，將分別去掉蘭嶼海脊(見實驗(a))和恒春海脊(見實驗(b))情況下數值實驗結果進行調和分析獲得M2和K1分潮，繪制分潮內潮能通量于圖7。

對于M2分潮，在呂宋海峽中部實際地形情況下(見圖7(a))，M2內潮過恒春海脊后衰減明顯，而恒春海脊的缺失(見圖7(c))，使得內潮在呂宋海峽中部向西偏北方向傳播，因此，在呂宋海峽中部，恒春海脊對M2內潮起到削弱作用；再看呂宋海峽北部，實際地形情況下(見圖7(a))，呂宋海峽北部有較強的M2內潮從恒春海脊進入南海，在恒春海脊缺失時(見圖7(c))，蘭嶼海脊有西向M2內潮生成，但幾乎沒有M2內潮從呂宋海峽北部傳向南海，而只考慮恒春海脊存在時(見圖7(b))，在呂宋海峽北部仍有M2內潮生成并傳入南海，但明顯弱于實際地形中的情況(見圖7(a))，因此，呂宋海峽北部恒春海脊起到了對蘭嶼海脊傳來的M2內潮的加強作用。Xu等[3]分析了呂宋海峽西側海域的現場實測數據，認為M2內潮在呂宋海峽北部比南部強是受雙海脊地形共振的影響。Chao等[12]在只考慮單一M2分潮的研究中也得到了類似的結論。

對于K1分潮，在實際地形或只存在蘭嶼海脊的情況下(見圖7(d)、7(f))，K1內潮主要是在蘭嶼海脊南部部的巴布延群島西北、巴坦群島西部生成，而只考慮恒春海脊存在時(見圖7(e))，生成的西傳內潮K1分潮較小，這說明蘭嶼海脊南部是K1內潮的主要生成源。Jan等[5]使用單一K1分潮驅動數值模式研究了蘭嶼海脊，亦得出類似結論。

((a)(d)為實際地形下的實驗；(b)(e)為去掉蘭嶼海脊的實驗；(c)(f)為去掉恒春海脊的實驗。(a) and (d) are the result of experiment with real topography； (b) and (e) are the results of experiments with no LanYu Ridge； (c) and (f) are the results of experiments with no HengChun Ridge.)

圖7不同海底地形下M2(左列)和K1(右列)內潮能通量分布

Fig.7Depth-integrated baroclinic energy flux of M2 ( left ) and K1 (right) in different bathymetry

類似地，考察圖7(a)～(c)可知，蘭嶼海脊南部的巴布延群島西北、巴坦群島西部同時也是M2內潮的主要生成源。

另外，在只考慮恒春海脊存在時，恒春海脊的北部有可觀的M2內潮和K1內潮向東南方向傳播(見圖7(b)、(e))，而實際地形情況下，恒春海脊生成的東南向內潮，未能越過蘭嶼海脊向東南方向傳播，只有一部分在恒春海脊北部向東或東北方向傳播，一定距離后才轉向東南(見圖7(a)、(d))，這說明蘭嶼海脊對恒春海脊北部生成的東南方向M2和K1內潮起到削弱作用。

最后，從圖7(a)、7(d)中可以看出傳入南海海盆的西南向內潮分支主要是全日分潮(K1)，而圖7(e)、7(f)顯示，只考慮恒春海脊或只考慮蘭嶼海脊存在時，也只有很少的K1內潮向西南方向傳入南海海盆，這說明，傳向南海海盆的內潮主要是蘭嶼海脊激發的全日分潮在傳播過程中受恒春海脊作用轉向西南而形成。

5結語

本文利用三維非線性的MITgcm模式，使用八分潮驅動，對呂宋海峽海域的夏季內潮進行了研究，考察呂宋海峽內潮及其主要分潮的特征，并探討了海底地形對研究海域內潮的影響。結果表明，在八分潮驅動的情況下，呂宋海峽夏季生成的內潮能量有4.7GW傳入西太平洋，7.7GW傳入南海；從頻率上看，前4個主要內潮分潮中，M2分潮能通量最強，K1分潮次之，S2分潮最小。在此基礎上，本文進一步分析了恒春海脊和蘭嶼海脊對夏季內潮生成的影響，結果發現，半日分潮主要生成于恒春海脊中部和巴坦群島附近，在傳播過程中衰減迅速；全日分潮主要生成于巴布延群島西北及蘭嶼海脊北部，相比于半日分潮，其在傳播過程中衰減較慢。蘭嶼海脊南部是呂宋海峽西向的M2和K1內潮的主要生成源。恒春海脊使得部分源于蘭嶼海脊的西北向全日內潮轉向西南，形成向南海海盆的內潮分支。在呂宋海峽中部，恒春海脊對蘭嶼海脊傳來的M2內潮起著削弱作用；在呂宋海峽北部,恒春海脊則對蘭嶼海脊傳來的M2內潮的起著加強作用。蘭嶼海脊對恒春海脊北部生成的東南方向M2和K1內潮起著削弱作用。

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責任編輯龐旻

Numerical Simulations of Internal Tides in the Luzon Strait in Summer

FAN Chao1,2, CHEN Xue-En1, ZHANG Zhe-En1

(1.College of Oceanic and Atmospheric Science, Ocean University of China, Qingdao 266100, China； 2.No.91860 Unit, Chinese People's Liberation Army, Shanghai 200940, China)

Abstract：In this paper, the spatial-temporal characteristics and energetics of the internal tides in the Luzon Strait in summer is investigated using a fully nonlinear nonhydrostatic three-dimensional model (MITgcm) driven by eight principal tidal constituents together. There is 4.7 GW internal tide energy propagating into Pacific while 7.7 GW into South China Sea. M2 internal tide is the most intensive component, and K1 internal tide is the second. The influences of the two ridges to the generation of the internal tides are further clarified. The semidiurnal internal tide which dissipate sharply during its propagation mainly generated in the southwest of Batan islands and the middle part of the Hengchun Ridge, while the diurnal internal tide which dissipate moderately mainly generated in the northwest of Babuyan islands and the northern part of the Lanyu Ridge. The Lanyu Ridge is the main source of western propagating M2 and K1 internal tides, which is also a block to the southeastern propagating M2 and K1 tides generated in northern part of the Hengchun Ridge. The western propagating M2 internal tide generated in the Lanyu Ridge is enhanced and reduced through northern and middle part of the Hengchun Ridge. When the northwestern propagating diurnal tides generated in the Lanyu Ridge flow over the Hengchun Ridge, part of them turns to southwest, which is the branch of internal tide that flows into the South Sea Basin.

Key words:internal tide; MITgcm; internal tide energy fluxes; the Luzon Strait

基金項目：?國家自然科學基金項目“南海內波的生成、傳播及其三維性”(41276008)；山東省超級計算科技專項項目“全球大洋中尺度渦旋預報和南中國海內孤立波預報系統研發”；泰山學者工程專項經費資助

收稿日期：2014-12-15；

修訂日期：2015-05-03

作者簡介：范超(1986-)，男，碩士。E-mail：fjklik@163.com 通訊作者：E-mail:xchen@ouc.edu.cn

中圖法分類號：P731.24

文獻標志碼：A

文章編號：1672-5174(2016)06-014-07

DOI：10.16441/j.cnki.hdxb.20140416

Supported by the National Science Foundation of China (NSFC)、( 41276008) “Generation and Propagation of Internal Waves in South China Sea as Well as Its 3-D Characteristics”； Shandong Province Science and Technology Supercomputing Special Project “Research on Forecast System of Mesoscale Eddies in Global Ocean and Internal Solitary waves in South China Sea”； the Taishan Scholars Project.