CN116432562B - 一种密度跃层要素变化对内潮影响程度的分析方法 - Google Patents

一种密度跃层要素变化对内潮影响程度的分析方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种密度跃层要素变化对内潮影响程度的分析方法，属于内潮模拟技术领域。方法包括：S1、选取海洋地区地形的种类，设置地形参数和密度跃层参数，密度跃层参数包括强度、深度和厚度，计算得到初始密度场；S2、施加开边界内潮流速强迫，进行内潮模拟，输出水平流速、海洋温度和海洋盐度分布；S3、利用海洋温度和海洋盐度计算海水密度；S4、改变密度跃层参数，重复步骤S2‑S3；S5、根据水平流速和海水密度的分布差异，分析密度跃层参数变化对内潮强度和/或海洋密度的影响。本发明通过参数化密度跃层层结要素，并分析不同密度跃层参数下内潮强度和海洋密度的差异，可定量分析出密度跃层的不同要素对内潮的影响程度。

Description

一种密度跃层要素变化对内潮影响程度的分析方法
技术领域
本发明涉及内潮模拟技术领域，特别涉及一种密度跃层要素变化对内潮影响程度的分析方法。
背景技术
内潮是具有潮汐频率的一种低频内波，是海洋内部机械能再分配的重要媒介，其强弱直接决定了等密度面的起伏程度。内潮及其强度变化在生产生活的诸多领域都产生了重要影响。例如，内潮导致的海水混合或内部等密度面的升降会使海洋内部发生大幅度波动，水下传播的声信号与内界面在不同角度发生反射与折射，进而改变水下信号传播速度和传播方向，最终造成声道的改变以及声信号的破坏，严重妨碍水下通讯以及目标的探测，航行中的潜艇遇到较强的内潮时，其稳定性和安全性都将面临巨大挑战。因此，研究内潮强度的影响因素在海洋渔业生产、舰艇安全、港口开发、能源开发和环境保护等方面具有非常重要的价值。
海水密度层结变化，尤其是密度跃层处的层结变化对内潮如内潮强度或等密度面的起伏程度影响重大。密度跃层的深度、厚度和强度的改变均可以显著影响内潮，对于密度跃层的这三个主要要素分别在多大程度上影响内潮强度是人们所关心的。当下模型大多基于真实观测资料得到的海洋密度层结及其变化对内潮展开模拟和预报，然而，不同观测资料中密度跃层的深度、强度和厚度是同步变化的，无法定量地分离和提取密度跃层各要素（深度、厚度和强度）对内潮的影响程度。而且，目前的模型只能预报单一地形下层结变化对内潮强度的影响，而内潮源地地形复杂多样，如陆坡、海山、海脊海域均存在明显的内潮，单一地形模型显然无法准确捕捉复杂地形下层结要素对内潮的影响程度，适应性有待提高。
发明内容
针对以上现有技术中的问题，本发明提供了一种密度跃层要素变化对内潮影响程度的分析方法。
为实现上述目的，本发明具体通过以下技术实现：
本发明提供了一种密度跃层要素变化对内潮影响程度的分析方法，包括以下步骤：
S1、选取用于模拟海洋地区地形的种类，设置地形参数和密度跃层参数，所述密度跃层参数包括强度、深度和厚度，基于所述强度、所述深度和所述厚度数据计算得到初始密度场；
S2、施加开边界内潮流速强迫，进行内潮模拟，输出水平流速、海洋温度和海洋盐度分布；
S3、利用输出的所述海洋温度和所述海洋盐度计算海水密度的分布；
S4、改变所述密度跃层参数，重复步骤S2-S3；
S5、根据输出的所述水平流速和计算得到的所述海水密度的分布差异，分析所述密度跃层参数变化对内潮强度和/或海洋密度的影响。
进一步地，步骤S1中，所述海洋地区地形的种类包括陆坡地形、海山地形和海脊地形。
更进一步地，所述陆坡地形采用第一公式表示，所述第一公式包括：
；
其中，hslope(x)为陆坡处海洋深度，H为海底深度，hs为陆坡最浅深度，Ls为陆坡长度，xs为西边界位置，x为东西方向地形坐标，tanh表示双曲正切函数。
更进一步地，所述海山地形和所述海脊地形采用第二公式表示，所述第二公式包括：
；
其中，h(x,y)为地形深度，H为海底深度，h0为地形最大高度，x0和y0分别为东西方向和南北方向地形中心坐标，x和y分别为东西方向和南北方向地形坐标，a和b分别为东西方向和南北方向地形宽度；当a=b时，为所述海山地形，当a<b时，为所述海脊地形。
进一步地，步骤S1中，所述初始密度场根据第三公式计算得到，所述第三公式包括：
；
其中，ρa(z)为垂向密度，ρ0为背景密度，z为铅直方向地形坐标，△ρa、d和δ分别为密度跃层的强度、深度和厚度。
更进一步地，△ρa由所述密度跃层上下界面间的密度差表示。
进一步地，步骤S2中，所述开边界内潮流速通过第四公式进行计算，所述第四公式包括：
；
其中，Uob为开边界内潮流速，Uam1和Uam2分别为第一模态和第二模态流速振幅，ωtide为内潮频率，t为时间，π为圆周率，z为铅直方向地形坐标，h为模拟区域水深。
进一步地，步骤S2中，利用MITgcm（MIT General Circulation Model）海洋数值模式进行所述内潮模拟，以输出所述水平流速、所述海洋温度和所述海洋盐度分布。
进一步地，步骤S3中，采用Matlab软件中seawater工具包，调用sw_ptmp命令，利用所述海洋温度和所述海洋盐度计算得到所述海水密度随时间和深度的分布。
进一步地，步骤S5中，根据第五公式和/或第六公式分析所述密度跃层参数变化对内潮强度和/或海洋密度的影响；
所述第五公式包括：
内潮强度影响程度=VB-VS；
其中，VB为在初始密度跃层参数下进行内潮模拟输出的水平流速，Vs为在改变密度跃层参数后进行内潮模拟输出的水平流速；
所述第六公式包括：
海洋密度影响程度=ρB-ρS；
其中，ρB为在初始密度跃层参数下进行内潮模拟计算得到的某深度上的海水密度，ρS为在改变密度跃层参数后进行内潮模拟计算得到的相同深度上的海水密度。
本发明相对与现有技术具有的优势：
本发明通过参数化密度跃层各层结要素（深度、厚度和强度），并通过分析不同密度跃层参数下内潮强度和海洋密度的差异，可定量分析出密度跃层的不同要素对内潮强度和海洋密度分布的影响程度，对探究密度跃层的层结要素变化对内潮的具体影响具有重要意义。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例的密度跃层要素变化对内潮影响程度的分析方法的流程图；
图2为本发明实施例1的水平流速及内潮强度对密度跃层要素变化响应的结果图，其中，（a）和（d）分别为初始密度跃层参数下进行内潮模拟输出的东西方向水平流速图和南北方向水平流速图，（b）和（e）分别为改变密度跃层参数后进行内潮模拟输出的东西方向水平流速图和南北方向水平流速图，（c）和（f）分别为密度跃层参数的变化对东西方向内潮强度的影响程度图和南北方向内潮强度的影响程度图；
图3为本发明实施例1的海水密度分布及海洋密度对密度跃层要素变化响应的结果图，其中，（a）为在初始密度跃层参数下进行内潮模拟计算得到的海水密度分布，（b）为改变密度跃层参数后进行内潮模拟计算得到的海水密度分布，（c）为密度跃层参数的变化对海洋密度的影响程度图。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。另外，术语“包括”、“含有”、“具有”的含义是非限制性的，即可加入不影响结果的其它步骤和其它成分。如无特殊说明的，材料、设备、试剂均为市售。
为了更好地理解本发明而不是限制本发明的范围，在本发明中所用的表示用量、百分比的所有数字、以及其他数值，在所有情况下都应理解为以词语“大约”所修饰。因此，除非特别说明，否则在说明书和权利要求书中所列出的数字参数都是近似值，其可能会根据试图获得的理想性质的不同而加以改变。各个数字参数至少应被看作是根据所报告的有效数字和通过常规的四舍五入方法而获得的。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施例做详细的说明。
本发明实施例提供了一种密度跃层要素变化对内潮影响程度的分析方法，参见图1，包括以下步骤：
S1、选取用于模拟海洋地区地形的种类，设置地形参数和密度跃层参数，密度跃层参数包括强度、深度和厚度，基于强度、深度和厚度数据计算得到初始密度场；
S2、施加开边界内潮流速强迫，进行内潮模拟，输出水平流速、海洋温度和海洋盐度分布；
通过在开边界处施加低模态内潮流速强迫，用于驱动模拟区域生成内潮，进行内潮模拟。初始密度场分布和开边界内潮流速是模拟内潮不可或缺的初始场。计算得到初始密度场分布，施加开边界内潮流速强迫后，利用MITgcm（MIT General Circulation Model）海洋数值模式进行内潮模拟，以输出水平流速、海洋温度和海洋盐度分布，水平流速包括东西方向水平流速u和南北方向水平流速v，流速绝对值越大，内潮越强，可以用于表征内潮强度。
S3、利用输出的海洋温度和海洋盐度计算海水密度的分布；
具体操作包括：采用Matlab软件中seawater工具包，调用sw_ptmp命令，利用海洋温度和海洋盐度计算得到海水密度随时间和深度的分布。
S4、改变密度跃层参数，重复步骤S2-S3；
S5、根据输出的水平流速和计算得到的海水密度的分布差异，分析密度跃层参数变化对内潮强度和/或海洋密度的影响。
具体而言，根据第五公式计算对内潮强度的影响程度，所述第五公式包括：
内潮强度影响程度=VB-VS；
其中，VB为在初始密度跃层参数下进行内潮模拟输出的水平流速，Vs为在改变密度跃层参数后进行内潮模拟输出的水平流速。流速是表示内潮强弱的手段之一，流速差越大表明对内潮强度影响越大。
根据第六公式计算对海洋密度的影响程度，所述第六公式包括：
海洋密度影响程度=ρB-ρS；
其中，ρB为在初始密度跃层参数下进行内潮模拟计算得到的某深度上的海水密度，ρS为在改变密度跃层参数后进行内潮模拟计算得到的相同深度上的海水密度。海水密度是表示海洋密度分布情况的手段之一，海水密度差越大表明对海洋密度分布的影响越大。
本发明首先设置密度跃层的深度、强度和厚度的初始值，并建立内潮模型进行模拟，作为基准实验，输出的模拟结果包括东西方向水平流速u和南北方向水平流速v以及海洋温度T和海洋盐度s等，基于海洋温度T和海洋盐度s数据，计算得到海水密度ρ随时间和深度的分布。之后根据用户需要，重新设置密度跃层参数（深度、厚度、强度）作为敏感实验进行内潮模拟，得到另一组水平流速u和v以及海洋温度T和海洋盐度s的模拟结果，并计算得到新的海水密度ρ随时间和深度的分布，将两组结果做差，就可以定量分析密度跃层参数变化对内潮强度和海洋密度的影响程度。内潮强度由水平流速u和v体现，海洋密度由海水密度ρ分布体现。内潮强度影响程度由基准实验与敏感实验流速之差进行定量，海洋密度影响程度由基准实验与敏感实验间相同深度处的海水密度之差进行定量。
本发明通过参数化密度跃层层结要素，并通过分析不同密度跃层参数下内潮强度和海洋密度的差异，可定量分析出密度跃层的不同要素（深度、厚度和强度）对内潮强度和海洋密度分布的影响程度，对探究密度跃层处的层结变化对内潮影响具有重要意义。
步骤S1中，海洋地区地形的种类包括陆坡地形、海山地形和海脊地形。一般而言，除前述地形以外的其他区域，均设置为深度均匀的平底海洋，具体深度由用户指定，如可为1000米、2000米。
具体地，陆坡地形采用第一公式表示，所述第一公式包括：
；
其中，hslope(x)为陆坡处海洋深度，H为海底深度，hs为陆坡最浅深度，Ls为陆坡长度，xs为西边界位置，x为东西方向地形坐标，tanh表示双曲正切函数。H、hs和Ls可由用户自主设置。
本发明模拟的陆坡地形是三维空间（x，y，z），陆坡宽度（南北方向地形坐标）y的深度不随着y坐标的改变而改变，因此，本公式中不需体现y，陆坡宽度y取整个模拟区域的宽度，即海盆的宽度。
具体地，海山地形和海脊地形采用第二公式表示，所述第二公式包括：
；
其中，h(x,y)为地形深度，H为海底深度，h0为地形最大高度，x0和y0分别为东西方向和南北方向地形中心坐标，x和y分别为东西方向和南北方向地形坐标，a和b分别为东西方向和南北方向地形宽度；当a=b时，为海山地形，当a<b时，为海脊地形。h0、a和b可由用户自主设置。
用双曲函数表达陆坡地形，用二维高丝函数表达海山地形或海脊地形，可以给出模拟地形的二维分布（包括地形高度和深度），用于对内潮的三维模拟；另外，通过设置参数a和b可以表示海山和海脊两种不同地形（海山：a=b，海脊：a<b），使得可以分别模拟陆坡、海山和海脊海域的内潮，而且陆坡、海山和海脊等地形的重要参数如高度和宽度由用户根据实际情况自主设置，能够预报不同复杂地形下密度跃层参数变化对内潮强度的影响，适应性强。
步骤S1中，初始密度场根据第三公式计算得到，所述第三公式包括：
；
其中，ρa(z)为垂向密度，ρ0为背景密度，z为铅直方向地形坐标，△ρa、d和δ分别为密度跃层的强度、深度和厚度；△ρa由密度跃层上下界面间的密度差表示，用于表征密度跃层的强度。
需要注意的是，用户可以根据具体需要设置密度跃层的强度、深度和厚度，强度、深度和厚度可同时改变或仅改变其中一个或两个参数，并利用上述公式计算得到不同深度的密度，以此数据作为内潮模拟时的初始密度场分布，进而参数化密度跃层的各层结要素。
考虑到全球海洋中的内潮以低模态（第一和第二模态）为主，因此，步骤S2中开边界内潮流速强迫主要施加第一和第二模态用于驱动模型模拟，具体开边界内潮流速通过第四公式进行计算，所述第四公式包括：
；
其中，Uob为开边界内潮流速，Uam1和Uam2分别为第一模态和第二模态流速振幅，ωtide为内潮频率，t为时间，π为圆周率，z为铅直方向地形坐标，h为模拟区域水深。Uam1和Uam2可由用户自主设置。
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。下列实施例中未注明具体条件的实验方法，通常按照制造厂商所建议的条件。
实施例1
本发明实施例提供了一种密度跃层要素变化对内潮影响程度的分析方法，参见图1，包括以下步骤：
S1、选取用于模拟海洋地区地形的种类，设置地形参数和密度跃层参数；
本实例中海底地形选择为海脊地形；除前述地形以外的其他区域，均设置为水深1000m的平底海洋；
海脊地形采用如下公式表示：
；
其中，h(x,y)为地形深度，H为海底深度，具体为1000m，h0为地形最大高度，具体为800m，x0和y0分别为东西方向和南北方向地形中心坐标，具体取值为（121.5°E，20.5°N），x和y分别为东西方向和南北方向地形坐标，a和b分别为东西方向和南北方向地形宽度；a=100km，b=550km；
密度跃层参数包括强度、深度和厚度，基于强度、深度和厚度数据，根据如下公式计算得到初始密度场，用于后续内潮模拟；
；
其中，ρa(z)为垂向密度，ρ0为背景密度，具体为1025kg/m3，z为铅直方向地形坐标，△ρa、d和δ分别为密度跃层的强度、深度和厚度，具体△ρa=3 kg/m3、d=300m、δ=200m；
S2、施加开边界内潮流速强迫，利用MITgcm海洋数值模式进行内潮模拟，输出水平流速、海洋温度和海洋盐度分布，水平流速包括东西方向水平流速u和南北方向水平流速v；
开边界内潮流速通过如下公式进行计算：
；
其中，Uob为开边界内潮流速，Uam1和Uam2分别为第一模态和第二模态流速振幅，对于东西方向：Uam1=0.2 m/s和Uam2=0.1 m/s，对于南北方向：Uam1=0.1 m/s和Uam2=0.05 m/s，ωtide为内潮频率，本实施例中取M2内潮的内潮频率；
S3、采用Matlab软件中seawater工具包，调用sw_ptmp命令，利用输出的海洋温度和海洋盐度计算海水密度随时间和深度的分布；
S4、改变密度跃层参数，设置△ρa=6 kg/m3、d=200m和δ=300m，重复步骤S2-S3；
S5、根据改变密度跃层参数前后输出的内潮流速和计算得到的海水密度的分布差异，根据如下公式计算对内潮强度的影响程度和对海洋密度的影响程度；
内潮强度影响程度=VB-VS；
其中，VB为在初始密度跃层参数下进行内潮模拟输出的水平流速，Vs为在改变密度跃层参数后进行内潮模拟输出的水平流速；
海洋密度影响程度=ρB-ρS；
其中，ρB为在初始密度跃层参数下进行内潮模拟计算得到的某深度上的海水密度，ρS为在改变密度跃层参数后进行内潮模拟计算得到的相同深度上的海水密度。
图2示出了初始密度跃层参数下进行内潮模拟输出的东西方向水平流速（见图2中（a））和南北方向水平流速（见图2中（d））、改变密度跃层参数后进行内潮模拟输出的东西方向水平流速（见图2中（b））和南北方向水平流速（见图2中（e））以及密度跃层的变化对东西方向内潮强度（见图2中（c））和南北方向内潮强度（见图2中（f））的影响程度。
图3示出了在初始密度跃层参数下进行内潮模拟计算得到的海水密度分布（见图3中（a））、改变密度跃层参数后进行内潮模拟计算得到的海水密度分布（见图3中（b））以及密度跃层的变化对海洋密度的影响程度（见图3中（c））。
从图2-3中可以看出，本发明通过参数化密度跃层各层结要素（深度、厚度和强度），并通过分析不同密度跃层参数下内潮强度和海洋密度的差异，可定量分析出密度跃层的不同要素对内潮强度和海洋密度的影响程度，可快速探究层结要素变化对内潮的具体影响。
虽然本发明公开披露如上，但本发明公开的保护范围并非仅限于此。本领域技术人员在不脱离本发明公开的精神和范围的前提下，可进行各种变更与修改，这些变更与修改均将落入本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种密度跃层要素变化对内潮影响程度的分析方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、选取用于模拟海洋地区地形的种类，设置地形参数和密度跃层参数，所述密度跃层参数包括强度、深度和厚度，基于所述强度、所述深度和所述厚度数据计算得到初始密度场；
S2、施加开边界内潮流速强迫，进行内潮模拟，输出水平流速、海洋温度和海洋盐度分布；
S3、利用输出的所述海洋温度和所述海洋盐度计算海水密度的分布；
S4、改变所述密度跃层参数，重复步骤S2-S3；
S5、根据输出的所述水平流速和计算得到的所述海水密度的分布差异，分析所述密度跃层参数变化对内潮强度和/或海洋密度的影响，包括：
根据第五公式和/或第六公式分析所述密度跃层参数变化对内潮强度和/或海洋密度的影响；
所述第五公式包括：
内潮强度影响程度=VB-VS；
其中，VB为在初始密度跃层参数下进行内潮模拟输出的水平流速，Vs为在改变密度跃层参数后进行内潮模拟输出的水平流速；
所述第六公式包括：
海洋密度影响程度=ρB-ρS；
其中，ρB为在初始密度跃层参数下进行内潮模拟计算得到的某深度上的海水密度，ρS为在改变密度跃层参数后进行内潮模拟计算得到的相同深度上的海水密度。
2.根据权利要求1所述的密度跃层要素变化对内潮影响程度的分析方法，其特征在于，步骤S1中，所述海洋地区地形的种类包括陆坡地形、海山地形和海脊地形。
3.根据权利要求2所述的密度跃层要素变化对内潮影响程度的分析方法，其特征在于，所述陆坡地形采用第一公式表示，所述第一公式包括：
；
其中，hslope(x)为陆坡处海洋深度，H为海底深度，hs为陆坡最浅深度，Ls为陆坡长度，xs为西边界位置，x为东西方向地形坐标。
4.根据权利要求2所述的密度跃层要素变化对内潮影响程度的分析方法，其特征在于，所述海山地形和所述海脊地形采用第二公式表示，所述第二公式包括：
；
其中，h(x,y)为地形深度，H为海底深度，h0为地形最大高度，x0和y0分别为东西方向和南北方向地形中心坐标，x和y分别为东西方向和南北方向地形坐标，a和b分别为东西方向和南北方向地形宽度；当a=b时，为所述海山地形，当a<b时，为所述海脊地形。
5.根据权利要求1所述的密度跃层要素变化对内潮影响程度的分析方法，其特征在于，步骤S1中，所述初始密度场根据第三公式计算得到，所述第三公式包括：
；
其中，ρa(z)为垂向密度，ρ0为背景密度，z为铅直方向地形坐标，△ρa、d和δ分别为所述密度跃层的强度、深度和厚度。
6.根据权利要求5所述的密度跃层要素变化对内潮影响程度的分析方法，其特征在于，△ρa由所述密度跃层上下界面间的密度差表示。
7.根据权利要求1所述的密度跃层要素变化对内潮影响程度的分析方法，其特征在于，步骤S2中，所述开边界内潮流速通过第四公式进行计算，所述第四公式包括：
；
其中，Uob为开边界内潮流速，Uam1和Uam2分别为第一模态和第二模态流速振幅，ωtide为内潮频率，t为时间，π为圆周率，z为铅直方向地形坐标，h为模拟区域水深。
8.根据权利要求1所述的密度跃层要素变化对内潮影响程度的分析方法，其特征在于，步骤S2中，利用MITgcm海洋数值模式进行所述内潮模拟。
9.根据权利要求1所述的密度跃层要素变化对内潮影响程度的分析方法，其特征在于，步骤S3中，采用Matlab软件中seawater工具包，调用sw_ptmp命令，利用所述海洋温度和所述海洋盐度计算得到所述海水密度随时间和深度的分布。
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