西北太平洋马里亚纳海沟内潮模拟研究

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内潮是海洋中独一无二的一种物理现象,它是一种具有天文潮周期的内波,对海洋混合、能量耗散以及大洋环流起着关键的调控作用。目前国内外开展了大量关于大洋海山海脊的内潮研究,但针对具有凹形地形的大洋深渊,相关研究方兴未艾,其内潮生成、传播和消亡规律有待揭示。西北太平洋马里亚纳海沟作为全球最著名的深渊,具有极其特殊地形特征和战略地位,它拥有世界上最深的深渊——“挑战者深渊”,也是连接西北太平洋与菲律宾海两大深海海盆的关键通道,承担着两大海盆深海水交换的重任。因此对马里亚纳海沟开展内潮研究意义重大。  本文利用三维非静力、高分辨率的MITgcm模式,对马里亚纳海沟及其周边海域的主要四大分潮M2、S2、K1、O1内潮进行模拟研究。基于能量的分析方法,探讨了内潮在该海区的生成、传播及耗散机制,重点解析了马里亚纳岛弧及马里亚纳海沟南部这两个区域内潮收支情况,最后结合参数化方案,估算了该海区由于内潮作用引起的耗散及垂向混合扩散率的量级。  研究结果表明马里亚纳海沟及其周边海域M2正压潮源自北太平洋,其能量的传播方向主要为西北方向,M2正压潮能量的最大值出现在模型的西北海域,量级约100kw/m。两个日潮K1和O1的正压潮能通量传播方向一致,均为西南方向。内潮模式的结果表明,在研究区域有内潮产生。  在马里亚纳海沟中,斜压流在上层比较连续,在海沟内部相对混乱。以M2潮为例,总的来看斜压流的流速基本在0.1m/s以下,最大斜压流速出现在表层,可达0.06m/s。单点的斜压流速随时间变化,表现出明显的周期性,并且周期与M2潮的周期相近。  基于能量的分析方法,对马里亚纳海沟及其周边海域的内潮进行了定量的分析,发现在研究区域M2内潮的量值明显大于其他三个分潮内潮,在研究区域M2内潮占主导地位。同时还发现在研究区域正负正压潮转换率交替出现,表明在研究区域,正压潮与地形相互作用,不断产生内潮,而生成的内潮在传播不远后就又会转化为正压潮。  在马里亚纳岛弧及其西侧的海脊区域,存在正的内潮能通量散度的大值区,而负的内潮能通量散度的大值区会与之相邻出现,这表明马里亚纳岛弧及其西侧的海脊既是内潮的主要生成区,也是内潮的耗散区。  在马里亚纳海沟南部区域,内潮由东、北侧传入,从西、南侧传出。在这一区域有0.287GW的正压潮能量转化为内潮,其中55.1%的能量在局地耗散掉,剩余的能量向外传播。在马里亚纳岛弧及其西侧的海脊区域,由正压潮转化而来的内潮能量为7.16GW,有2.03GW的能量在局地耗散,占总转化能量的28.4%,其余能量向外传播。  海沟中的垂向混合扩散率的量级可达10-3m2s-1,与凸型地形上及边缘海区域的混合量级相当。这表明海沟中由于内潮引起的混合作用是不能忽略的,其对于海沟内部的环流及海沟与外部海水进行交换起着重要的作用。
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