發(fā)布時間：2020-05-06 19:16

【摘要】：內(nèi)潮是海洋中具有潮汐頻率的內(nèi)波。層化海洋中正壓潮流經(jīng)變化的底地形時可以激發(fā)內(nèi)潮。內(nèi)潮可以造成海水?dāng)?shù)十米乃至上百米的升降，內(nèi)潮波破碎所引起的混合過程直接影響海水的質(zhì)量、動量和能量的輸送，對全球大洋動能和熱含量的平衡起著非常重要的作用。內(nèi)潮在正壓潮能量的耗散以及深�；旌线^程中起著非常重要的作用，進(jìn)而對大洋環(huán)流也有著重要影響。伴隨同化方法是建立在嚴(yán)格的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)之上的一種有效的四維變分同化技術(shù)，它將變分原理與最優(yōu)控制理論相結(jié)合，以海洋動力模型作為約束條件，通過同化可觀測的海洋要素對無法觀測到的海洋要素進(jìn)行反演，實現(xiàn)了數(shù)值模型與觀測資料的有機(jī)結(jié)合，提高了數(shù)值模擬的精度。本文對伴隨同化方法在內(nèi)潮數(shù)值模擬中的應(yīng)用進(jìn)行了深入的研究。 本文首先由海水動力學(xué)原始方程的球坐標(biāo)形式出發(fā)，通過方程推導(dǎo)和連續(xù)變分分析，，建立了一個非線性的等密度坐標(biāo)內(nèi)潮伴隨同化數(shù)值模型。該模型在垂向采用等密度坐標(biāo)，在水平方向采用球坐標(biāo)，考慮靜壓近似和自由海面。該模型由兩個子模型組成：正向模型和反向（伴隨）模型，其中正向模型用來對內(nèi)潮進(jìn)行模擬，反向模型主要用來優(yōu)化模型控制變量。兩個子模型各自都采用了內(nèi)外模態(tài)分離技術(shù)。該模型通過將內(nèi)潮數(shù)值模型與觀測數(shù)據(jù)相結(jié)合，以期提高內(nèi)潮模擬的精度。本文基于新建立的伴隨同化模型，圍繞模型控制變量的反演問題開展了一些探索性研究工作。 基于已建立的等密度坐標(biāo)內(nèi)潮伴隨同化數(shù)值模型，通過理想實驗探討了模型控制變量的反演問題，并借此對模型的合理性進(jìn)行初步檢驗。數(shù)值實驗結(jié)果表明：該伴隨同化模型在多種理想地形上對多種空間分布的開邊界條件都有較強(qiáng)的反演能力；通過反演開邊界條件能夠精確再現(xiàn)全場的內(nèi)潮結(jié)構(gòu)；代價函數(shù)和同化誤差對模擬效果具有較強(qiáng)的表征能力，可以綜合反映開邊界條件的反演情況和全場內(nèi)潮的模擬情況；借助獨(dú)立點(diǎn)方案，空間分布的底摩擦系數(shù)、層間摩擦系數(shù)和水平渦動粘性系數(shù)也都能得到準(zhǔn)確反演。理想實驗的結(jié)果初步表明該伴隨同化模型的建立是合理的、成功的。 基于該模型，針對開邊界條件的反演問題，通過理想實驗進(jìn)一步對控制變量的優(yōu)化方法和優(yōu)化技巧進(jìn)行了深入探討。研究表明：經(jīng)典的先進(jìn)優(yōu)化算法在該模型的實際應(yīng)用中未必總是可行，因而這些經(jīng)典方法仍然是需要改進(jìn)的，此時，一些易于實現(xiàn)并具有良好可操作性的簡單算法不失為值得考慮的選擇；獨(dú)立點(diǎn)方案的使用通過減少控制變量的數(shù)量提高了反問題的適定性，并在物理上保證了控制變量空間變化的連續(xù)性和光滑性，進(jìn)而可以提高參數(shù)估計和數(shù)值模擬的精度。 作為該模型的初步應(yīng)用，本文通過同化TOPEX/Poseidon (T/P)高度計資料對南海東北部呂宋海峽附近海域的M2分潮進(jìn)行了數(shù)值模擬。數(shù)值實驗結(jié)果表明：通過優(yōu)化模型控制變量，模擬結(jié)果與大部分的觀測數(shù)據(jù)具有很好的一致性，從而實現(xiàn)了內(nèi)潮數(shù)值模型與觀測數(shù)據(jù)的有機(jī)結(jié)合以及呂宋海峽附近M2內(nèi)潮的高精度模擬；在該海域的內(nèi)潮模擬中，開邊界條件的影響占主導(dǎo)地位，代價函數(shù)的下降絕大部分是由開邊界條件的優(yōu)化引起，水平渦動粘性系數(shù)的優(yōu)化對同化結(jié)果有重要影響，但遠(yuǎn)小于開邊界條件的影響，底摩擦系數(shù)的影響略大于層間摩擦系數(shù)的影響，但都遠(yuǎn)小于水平渦動粘性系數(shù)的影響，幾乎可以忽略。
【圖文】：

圖 1-1 Hawaii 中脊海域觀測到的大振幅內(nèi)潮波動（Rudnick et al., 2003）從 1907 年 Petterson 第一次在海洋中觀測到源于潮汐的內(nèi)潮波后(Wun75)，眾多學(xué)者圍繞內(nèi)潮的生成機(jī)制問題進(jìn)行了大量探討，提出的生成機(jī)制有：Zeilon (1911, 1912)首先提出分層液體在不平坦地形上移動導(dǎo)致內(nèi)波；在中“有限寬”的地區(qū)內(nèi)，外力作用下某些頻率的內(nèi)波與引潮力發(fā)生共振導(dǎo)致潮波(Haurwitz, 1950; Defant, 1950)；當(dāng)正壓潮通過斜壓渦場時，兩者之間的性相互作用產(chǎn)生內(nèi)潮波（Krauss, 1999）。然而，以上這些機(jī)制都不能很好地深海大洋中的內(nèi)潮波，是否存在與上述機(jī)制相異的其他生成機(jī)制還不清楚（華等 2005）。到目前為止，潮地作用生成內(nèi)潮的機(jī)制已經(jīng)被廣泛接受和證表面潮通過密度層化的海水與海底的躍變地形發(fā)生相互作用可以生成內(nèi)潮面潮、層化的海水和躍變的底地形是內(nèi)潮波產(chǎn)生的三個主要因素。潮地作用機(jī)制在解釋有顯著地形變化的海域中的內(nèi)潮波時，是比較令人滿意的�；�

圖 2-1 等密度坐標(biāo)模型垂向分層示意圖等密度坐標(biāo)內(nèi)潮數(shù)值模型，我們引入等密度分層假設(shè)。如面到海底分為l層，第k 層的范圍為kk z 1（k 為面位置），每層海水具有相同的密度k ，即 kk z 1與水平位置無關(guān)。下面我們對方程組（2-14）在第k 層內(nèi)定義變量 a z在第 k 層中的垂向平均量為： kkazdzHak 11， 1 kk 為層厚度。設(shè) a a a 和 b b b ，易知垂向：
【學(xué)位授予單位】：中國海洋大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2012
【分類號】：P731

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本文編號：2651740