范　超， 陈学恩， 张哲恩

(1.中国海洋大学海洋与大气学院，山东 青岛 266100； 2.中国人民解放军91860部队，上海 200940)



吕宋海峡夏季内潮数值模拟❋

范超1，2， 陈学恩1❋❋， 张哲恩1

(1.中国海洋大学海洋与大气学院，山东 青岛 266100； 2.中国人民解放军91860部队，上海 200940)

摘要：利用三维海洋环流模式MITgcm，对吕宋海峡夏季内潮的生成与传播进行了分析。结果表明，在八分潮驱动的情况下，吕宋海峡夏季生成的内潮能量有4.7GW传入西太平洋，7.7GW传入南海，其中M2分潮最强，K1分潮次之。半日分潮主要在恒春海脊中部和巴坦群岛附近生成，并在传播过程中衰减迅速；全日分潮主要在巴布延群岛西北处及兰屿海脊北部生成，在传播过程中衰减较慢。西传M2和K1内潮主要在兰屿海脊南部生成，且西传M2内潮在恒春海脊北部得到增强，在恒春海脊中部则被削弱。在恒春海脊北部生成的东传M2和K1内潮在经过兰屿海脊时被削弱。恒春海脊使得部分源于兰屿海脊的西北向全日内潮转向西南，形成向南海海盆的内潮分支。

关键词：内潮；MITgcm；内潮能通量；吕宋海峡

引用格式：范超，陈学恩，张哲恩. 吕宋海峡夏季内潮数值模拟[J]. 中国海洋大学学报(自然科学版)， 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.

吕宋海峡是连接南海北部海域和西太平洋的唯一深海通道，在海峡通道上有两条大致呈南北向的海脊：西部的恒春海脊和东部的兰屿海脊。当正压潮流经海底地形时，吕宋海峡起到了内潮发生器的作用，生成向南海北部和西太平洋两个方向传播的内潮[1-13]。

近年来，对内潮的数值模拟研究和分析逐渐成为内潮研究的热点[9-18]。Niwa 和 Hibiya[9]基于POM模式采用单分潮驱动对吕宋海峡M2内潮进行了数值模拟研究，发现吕宋海峡是南海M2内潮的主要来源，进一步的能量分析表明，吕宋海峡共产生7.4GW的内潮能量，其中约4.2GW传向南海，约3.2GW传向太平洋。Jan 等[11]基于POM模式，对吕宋海峡K1内潮进行了数值模拟研究，对内潮能通量的分析发现，K1正压潮从西北太平洋经过吕宋海峡传向南海时，在吕宋海峡产生的K1内潮能通量约有2.5 GW传向太平洋，约有1.1GW传向南海，另外，大约36%的K1正压潮能量在吕宋海峡转化为内潮能量。Chao 等[12]利用ONFS模式研究了吕宋海峡东西海脊对内潮传播的影响，他们认为恒春海脊的北部可以看作是M2内潮的第二生成区。Jan 等[13]再次基于POM模式分别研究了吕宋海峡K1，O1，M2和S2 4个主要分潮的能量变化，计算得到的斜压全日潮和斜压半日潮能量各约20和10GW，其中，约30%在西侧海脊产生，约70%在东侧海脊产生。

由以上研究可见，前人在数值模拟领域的工作极大地推动了我们对吕宋海峡内潮的量化认识，然而，已有数值研究工作对斜压分潮的研究均是基于相应的单个正压分潮驱动，事实上，特定正压分潮驱动模式得到的并不完全是相应的斜压分潮。因此，本文基于麻省理工大学的海洋模式MITgcm[19-20]，尝试采用八分潮合成驱动模式得到的结果来对南海内潮进行分析，探讨了海底地形对研究海域内潮的影响，较好地刻画了南海北部K1，O1，M2和S2 4个主要内潮分潮的特征。

1模式设置和验证

本文所研究海域的范围为114.5°E～129.5°E，16°N～23°N(见图1)，海底水深资料取自空间分辨率为1(′)×1(′)的Etopo-1 Global Relief Model数据。数值模式模拟的水平分辨率为2(′)×2(′)，水平网格数为450×210。模式垂向分为74层，其分辨率从表层的10m逐渐递增至底层的500m。一般来说，南海北部内潮波的波长约在百千米量级，因此，上述模式水平分辨率能够满足刻画内潮的条件。模式的时间步长为120s，满足Courant-Friedrichs-Lewy(CFL)条件。模式选择了夏季南海的温盐背景场，初始温盐场取自World Ocean Atlas数据，将上述数据在模拟区域内的逐层平均值插值到模式的垂向网格点上。图2给出了模式初始温盐场及其对应浮性频率N的垂向剖面图。

本文在模式开边界上采用了施加边界潮流驱动的方法，潮流数据取自俄勒冈州立大学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卫星高度计的海面高度资料，结果较为准确。TPXO 7.2模式在中国近海高分辨率模式中提供了分辨率为1/30(°)×1/30(°)的高分辨率数据，包括8个主要分潮(M2,S2,N2,K2,K1,O1,P1,Q1)和M4分潮。通过对南海沿岸55个验潮站现场观测数据与TPXO7.2模式南海结果的比较，Zu 等[23]发现M2和K1 2个分潮的均方根误差仅为4.16和1.63cm，其准确率相较于直接使用高度计分析所得结果更好。所以，本文模式的潮流驱动采用了TPXO7.2中国近海区域高分辨率模式8个主要分潮(M2,S2,N2,K2,K1,O1,P1,Q1)作为驱动，以更准确地模拟研究区域的潮流。模式共积分了90个模式日。

Chang 等[1]通过东沙附近3个站点的观测资料研究了东沙群岛附近非线性内波能量和内潮能通量。将本文数值模拟结果在邻近站点的深度积分的内潮能通量与其观测结果列表比较(见表1)，由表1可知，两者吻合较好。前两个站点数值模拟结果稍微偏大的原因源于本文模式的水深设置相对Chang 等[1]的观测水深要深一些。值得一提的是，在水深106m的观测点，数值模拟结果稍微偏小，可能的原因是，能量在浅水区的转化和耗散过程复杂，本文模式采用了静力近似，难以刻画大振幅的内孤立波信号，致使能量计算偏低。另外，本文只使用了8个主要分潮作为模式驱动，而观测则含有全部分潮，这也是偏差存在的可能原因。

综上所述，本文数值模拟的结果较为符合实际情况，可以用于对吕宋海峡内潮现象的进一步分析和讨论。

2吕宋海峡夏季内潮特征

本节主要通过斜压流速和脉动压强乘积的垂向积分法[24]来研究南海北部的内潮能通量分布变化。图3给出了深度积分的内潮能通量在整个研究海区的分布。从图中可以看出，内潮产生于吕宋海峡，并向东西两个方向传播，其中传向南海的内潮能流通量明显强于传向太平洋的内潮能流通量。西传的内潮能流分为两支，一支生成于伊特巴亚岛和巴丹岛岛坡附近，进入南海后向西偏北方向传播，传至东沙群岛附近的大陆架后，受地形的影响，内潮的能量被大量耗散；另一支生成于巴布延群岛西北，向西南方向传播进入南海海盆，并沿着大陆坡向南海中部传播。由于吕宋海峡东侧太平洋的海水很深，东传内潮能流开始是向东北方向传播，过了124°E以后转向东南方向，过程中迅速减弱。

分别计算吕宋海峡传出的内潮能量，发现有4.7 GW传入西太平洋，7.7GW传入南海，另有0.77和0.07GW的能量分别从北边界和南边界传出(见图4)。杨庆轩[2]基于对LADCP实测数据的分析也证实了吕宋海峡内潮传播方向以西传占优。

对模式结果进行调和分析，得到内潮各个分潮的流速，进一步计算4个主要分潮K1，O1，M2和S2的内潮能通量(见图5)。从图5可以看出，半日分潮主要生成于巴坦群岛附近和恒春海脊中部，并且在传播过程中衰减迅速；全日分潮主要生成于巴布延群岛西北及兰屿海脊北部，相比于半日分潮，其在传播过程中衰减要慢很多。全日分潮有较强的西南向内潮传向南海海盆，而半日分潮几乎没有西南向内潮存在。

对比K1，O1，M2和S2 4个主要分潮从吕宋海峡向东西方向传出能量(见表2)。从分潮频率上来说，吕宋海峡生成的内潮能量M2分潮最强，K1分潮次之，S2分潮最弱。从吕宋海峡传入南海的M2、K1、O1和S2内潮的能量分别为3.1(40.2%)、2.3(29.9%)、1.1(14.3%)和0.7GW(9.1%)，占传入南海总的内潮能量(7.7GW)的93.5%；从吕宋海峡传入西太平洋的M2、K1、O1和S2内潮的能量分别为1.5(31.9%)、1.4(29.9%)、1.2(25.5%)和0.3 GW(6.4%)，占传入西太平洋总的内潮能量(4.7 GW)的93.7%。Jan 等[13]由单分潮驱动的POM模式所计算得到的结果与本文结论相似(见表2)，其西传进入南海的内潮能量吻合较好，而东传进入西太平洋的内潮能量数值偏大。导致这种差异的最大原因在于采用单分潮驱动会忽略其他分潮作为背景潮流可能对内潮能量起到的增强或减弱效应。半日分潮(M2+S2)从吕宋海峡传出的内潮能量为5.6GW，全日分潮(K1+O1)从吕宋海峡传出的内潮能量为5.0GW，可见，吕宋海峡内生成的全日内潮和半日内潮相差不大。

3海底地形对吕宋海峡夏季内潮的影响

为考察兰屿海脊和恒春海脊对吕宋海峡内潮生成的影响，本文设计了海脊敏感性实验，分别针对去掉兰屿海脊(见实验a)、去掉恒春海脊(见实验b)和2个海脊均去掉(见实验c)的情况进行了研究。图6给出了上述3个实验假设下吕宋海峡深度积分的内潮能通量分布以及从吕宋海峡传出的内潮能量。由图6(a)可以看出，只存在恒春海脊时，整个研究海区的内潮能通量显著变小，内潮主要在恒春海脊处生成，向东南方向传入西太平洋，向西传入南海传播并逐渐衰减，从吕宋海峡传入南海和西太平洋的内潮能量分别只有1.4和1.14GW；台湾岛西南部出现了较大的内潮能通量。从图6(b)中可以看出，只存在兰屿海脊时，内潮能通量有所减弱，但仍有可观的内潮生成，传入南海和西太平洋的内潮能量分别为5.0和3.1GW，远大于图6(a)的结果；值得关注的是，传向南海海盆的内潮变得非常小，说明恒春海脊是使内潮西南向传播的重要因素。在同时去掉2个海脊的图6(c)中，吕宋海峡已失去“内潮发生器”的作用，仅有0.02GW的能量分别传入南海和太平洋，内潮能通量的最大值反而出现在台湾岛西部。

为进一步分析2个海脊对内潮生成的影响，将分别去掉兰屿海脊(见实验(a))和恒春海脊(见实验(b))情况下数值实验结果进行调和分析获得M2和K1分潮，绘制分潮内潮能通量于图7。

对于M2分潮，在吕宋海峡中部实际地形情况下(见图7(a))，M2内潮过恒春海脊后衰减明显，而恒春海脊的缺失(见图7(c))，使得内潮在吕宋海峡中部向西偏北方向传播，因此，在吕宋海峡中部，恒春海脊对M2内潮起到削弱作用；再看吕宋海峡北部，实际地形情况下(见图7(a))，吕宋海峡北部有较强的M2内潮从恒春海脊进入南海，在恒春海脊缺失时(见图7(c))，兰屿海脊有西向M2内潮生成，但几乎没有M2内潮从吕宋海峡北部传向南海，而只考虑恒春海脊存在时(见图7(b))，在吕宋海峡北部仍有M2内潮生成并传入南海，但明显弱于实际地形中的情况(见图7(a))，因此，吕宋海峡北部恒春海脊起到了对兰屿海脊传来的M2内潮的加强作用。Xu等[3]分析了吕宋海峡西侧海域的现场实测数据，认为M2内潮在吕宋海峡北部比南部强是受双海脊地形共振的影响。Chao等[12]在只考虑单一M2分潮的研究中也得到了类似的结论。

对于K1分潮，在实际地形或只存在兰屿海脊的情况下(见图7(d)、7(f))，K1内潮主要是在兰屿海脊南部部的巴布延群岛西北、巴坦群岛西部生成，而只考虑恒春海脊存在时(见图7(e))，生成的西传内潮K1分潮较小，这说明兰屿海脊南部是K1内潮的主要生成源。Jan等[5]使用单一K1分潮驱动数值模式研究了兰屿海脊，亦得出类似结论。

((a)(d)为实际地形下的实验；(b)(e)为去掉兰屿海脊的实验；(c)(f)为去掉恒春海脊的实验。(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.)

图7不同海底地形下M2(左列)和K1(右列)内潮能通量分布

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

类似地，考察图7(a)～(c)可知，兰屿海脊南部的巴布延群岛西北、巴坦群岛西部同时也是M2内潮的主要生成源。

另外，在只考虑恒春海脊存在时，恒春海脊的北部有可观的M2内潮和K1内潮向东南方向传播(见图7(b)、(e))，而实际地形情况下，恒春海脊生成的东南向内潮，未能越过兰屿海脊向东南方向传播，只有一部分在恒春海脊北部向东或东北方向传播，一定距离后才转向东南(见图7(a)、(d))，这说明兰屿海脊对恒春海脊北部生成的东南方向M2和K1内潮起到削弱作用。

最后，从图7(a)、7(d)中可以看出传入南海海盆的西南向内潮分支主要是全日分潮(K1)，而图7(e)、7(f)显示，只考虑恒春海脊或只考虑兰屿海脊存在时，也只有很少的K1内潮向西南方向传入南海海盆，这说明，传向南海海盆的内潮主要是兰屿海脊激发的全日分潮在传播过程中受恒春海脊作用转向西南而形成。

5结语

本文利用三维非线性的MITgcm模式，使用八分潮驱动，对吕宋海峡海域的夏季内潮进行了研究，考察吕宋海峡内潮及其主要分潮的特征，并探讨了海底地形对研究海域内潮的影响。结果表明，在八分潮驱动的情况下，吕宋海峡夏季生成的内潮能量有4.7GW传入西太平洋，7.7GW传入南海；从频率上看，前4个主要内潮分潮中，M2分潮能通量最强，K1分潮次之，S2分潮最小。在此基础上，本文进一步分析了恒春海脊和兰屿海脊对夏季内潮生成的影响，结果发现，半日分潮主要生成于恒春海脊中部和巴坦群岛附近，在传播过程中衰减迅速；全日分潮主要生成于巴布延群岛西北及兰屿海脊北部，相比于半日分潮，其在传播过程中衰减较慢。兰屿海脊南部是吕宋海峡西向的M2和K1内潮的主要生成源。恒春海脊使得部分源于兰屿海脊的西北向全日内潮转向西南，形成向南海海盆的内潮分支。在吕宋海峡中部，恒春海脊对兰屿海脊传来的M2内潮起着削弱作用；在吕宋海峡北部,恒春海脊则对兰屿海脊传来的M2内潮的起着加强作用。兰屿海脊对恒春海脊北部生成的东南方向M2和K1内潮起着削弱作用。

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责任编辑庞旻

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

基金项目：❋国家自然科学基金项目“南海内波的生成、传播及其三维性”(41276008)；山东省超级计算科技专项项目“全球大洋中尺度涡旋预报和南中国海内孤立波预报系统研发”；泰山学者工程专项经费资助

收稿日期：2014-12-15；

修订日期：2015-05-03

作者简介：范超(1986-)，男，硕士。E-mail：fjklik@163.com 通讯作者：E-mail:xchen@ouc.edu.cn

中图法分类号：P731.24

文献标志码：A

文章编号：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.