沿海聲層析的同化和應(yīng)用研究.pdf

1、沿海聲層析（Coastal Acoustic Tomography，簡(jiǎn)稱CAT）技術(shù)相比傳統(tǒng)的測(cè)流方法，它僅在觀測(cè)區(qū)域外圍布置較少的站位即可對(duì)近岸快速變化的潮流實(shí)現(xiàn)大面積、長(zhǎng)時(shí)間的同步觀測(cè)。CAT適用于海灣、海峽和港口等航運(yùn)繁忙、漁業(yè)活動(dòng)頻繁的近岸半封閉海區(qū)。CAT觀測(cè)在站位選取、流場(chǎng)反演等方面仍有許多需要研究和改進(jìn)的地方。本論文基于逆方法和數(shù)據(jù)同化方法對(duì)CAT的數(shù)據(jù)進(jìn)行流場(chǎng)反演，并選取了三個(gè)典型的近岸海區(qū)（三門灣、舟山和瓊州海峽）對(duì)潮

2、流結(jié)構(gòu)、余流動(dòng)力機(jī)制等近海潮流動(dòng)力學(xué)問題進(jìn)行了討論。
　　論文用集合卡曼濾波方法將CAT數(shù)據(jù)同化到三角網(wǎng)格的海洋模式中。首先，我們建立了高空間分辨率三角網(wǎng)格，用于擬合近岸復(fù)雜的岸線邊界;其次，我們通過聲線與不規(guī)則網(wǎng)格的位置關(guān)系建立了傳播時(shí)間差與模式狀態(tài)向量在水平方向上的投影關(guān)系;最后，我們利用垂向平均的傳播時(shí)間差數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)同化，得到三維的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)。
　　論文利用三門灣CAT觀測(cè)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)了三角網(wǎng)格的CAT數(shù)據(jù)同化。數(shù)據(jù)同化

3、方法得到了CAT觀測(cè)區(qū)域內(nèi)部楊礁附近的精細(xì)流場(chǎng)結(jié)構(gòu)。數(shù)據(jù)同化方法得到的流場(chǎng)與三個(gè)定點(diǎn)ADCP的平均均方根誤差為0.07 m s-1，優(yōu)于逆方法(0.12 m s-1)和模式模擬(0.17 m s-1)的結(jié)果。數(shù)據(jù)同化方法得到了逆方法無法獲得的流速垂向結(jié)構(gòu)，與ADCP在垂向各層的均方根誤差范圍為0.02 m s-1至0.14 m s-1，同樣優(yōu)于模式模擬的結(jié)果（0.08 m s-1至0.27 m s-1）。這些結(jié)果表明數(shù)據(jù)同化方法得到的流

4、場(chǎng)精度最高。進(jìn)一步的敏感實(shí)驗(yàn)結(jié)果則表明，數(shù)據(jù)同化方法在聲線數(shù)據(jù)缺失的情況下比逆方法更為穩(wěn)定，精度更高。由此可見，相比于逆方法和模式模擬，基于非結(jié)構(gòu)三角網(wǎng)格的CAT數(shù)據(jù)同化方法在近岸流場(chǎng)反演具有更好的效果。
　　在對(duì)近岸非線性潮的研究中，我們利用連續(xù)27小時(shí)的15分鐘滑動(dòng)平均的舟山峙頭洋灣的CAT數(shù)據(jù)，用逆方法反演得到了觀測(cè)區(qū)域的主要的半日潮(M2)以及由M2產(chǎn)生的非線性潮M4和M6的潮流的水平結(jié)構(gòu)。三者的空間平均的流速振幅比為M2

5、∶M4∶M6=1.00∶0.15∶0.11。我們將M2的潮流代入到淺水方程的平流項(xiàng)和底摩擦項(xiàng)，通過理論推導(dǎo)計(jì)算得到了理論上M4和M6的潮流。對(duì)比觀測(cè)和理論推導(dǎo)的結(jié)果，在水深大于60 m的深水區(qū)域，M4與平流項(xiàng)產(chǎn)生的潮流非常接近，表明峙頭洋灣深水區(qū)域的M4主要由平流項(xiàng)作用產(chǎn)生。而對(duì)M6的研究則表明，M6在水深小于20 m的區(qū)域主要由底摩擦項(xiàng)的作用產(chǎn)生。我們還討論了M4和M6對(duì)峙頭洋灣的潮流不對(duì)稱性變形的影響，發(fā)現(xiàn)M4在觀測(cè)區(qū)域?qū)Τ绷鞯牟粚?duì)

6、稱性變形的影響大于M6。我們還利用一個(gè)M2周期內(nèi)的動(dòng)量方程對(duì)峙頭洋灣的余流動(dòng)力機(jī)制進(jìn)行了討論。結(jié)果表明，余水位的壓力梯度項(xiàng)和余流的平流項(xiàng)占了潮流的平流項(xiàng)的75％，所以峙頭洋灣的余流是由潮流的非線性作用所產(chǎn)生的。
　　在瓊州海峽為期15天的CAT觀測(cè)實(shí)驗(yàn)中，我們利用CAT同步觀測(cè)數(shù)據(jù)得到了潮流和余流的水平分布，并計(jì)算了通過瓊州海峽的流量。結(jié)果顯示，瓊州海峽以全日潮為主，O1、K1、M2、S2和MSF五個(gè)分潮的流速振幅比為1.00∶0

7、.60∶0.47∶0.21∶0.11。余流在海峽北部為西向，在海峽南部轉(zhuǎn)為南向。余流流速在海峽北部區(qū)域較大，最大余流流速為西向12.4cm/s。利用CAT數(shù)據(jù)估計(jì)的流量變化范圍為-0.71Sv到0.86 Sv，余流流量為-0.04 Sv（西向?yàn)樨?fù)）。另外，對(duì)觀測(cè)區(qū)域的動(dòng)量分析結(jié)果顯示，潮汐調(diào)整和海峽兩端入口處的水位差對(duì)維持西向余流起重要作用。
　　本文利用CAT的觀測(cè)數(shù)據(jù)，得到了近岸主要的全日潮（O1和K1）、半日潮(M2和S2)