李薔 高郭平,2 安佰超 程靈巧,2

(1上海海洋大學(xué)海洋科學(xué)學(xué)院,上海201306;2上海海洋大學(xué)大洋漁業(yè)資源可持續(xù)利用省部共建教育部重點實驗室,上海201306)

0 引言

白令海峽位于亞洲東北端西伯利亞和北美洲西北端阿拉斯加之間,長約60 km,寬約85 km,深約50 m,南與白令海相接,北與楚科奇海相連,是溝通太平洋與北冰洋的唯一航道。白令海是太平洋最北端的邊緣海,東北部是水深小于200 m的寬廣大陸架,存在阿納德爾灣和諾頓灣兩個海灣,以及圣勞倫斯島、努尼瓦克島和圣馬休島3個主要島嶼,經(jīng)白令海峽延伸向楚科奇海。楚科奇海是北冰洋的邊緣海,東至巴羅角,南至科策布灣,西至費蘭格爾島,平均水深約70 m(圖1)。白令海峽及其鄰近海域是太平洋與北冰洋之間海水交換的重要通道。

白令海峽的水交換對北冰洋的大氣、海洋和海冰系統(tǒng)的顯著變化有一定作用[1-4]。通過白令海峽北向輸入的淡水通量占北冰洋淡水總量的40%[5],對北冰洋的溫鹽結(jié)構(gòu)和生物地球化學(xué)結(jié)構(gòu)有深刻影響[6],并通過弗拉姆海峽以及加拿大群島間的水道進入北大西洋并對其產(chǎn)生影響[7]。白令海峽的水交換攜帶的碳、營養(yǎng)鹽和浮游生物,對維持白令海–楚科奇海生態(tài)系統(tǒng)豐富的生產(chǎn)力有重要作用[8-10]。因此,研究白令海峽水交換的動力機制對北極研究具有重要意義。

風(fēng)和潮汐是驅(qū)動海洋內(nèi)部混合的主要機械能來源,大洋表層,風(fēng)驅(qū)動海水混合,大陸架海區(qū),潮汐為海洋的垂直混合提供能量[11]。潮汐是白令海峽區(qū)域的主要水動力環(huán)境控制因素之一,為該區(qū)域提供持續(xù)動力。潮汐在北冰洋混合過程中起著重要作用,會導(dǎo)致海冰的大量減少,對海水的溫度、鹽度和密度也有重要的影響作用。在海冰覆蓋區(qū),尤其是岸邊固定冰覆蓋地區(qū),潮汐為海冰與海水之間的垂直混合提供主要動力[12-15]。Zhang等[16]對白令海海冰變化進行模擬,發(fā)現(xiàn)潮汐通過改變海冰的運動變形及海流影響海冰的空間分布。Luneva等[17]發(fā)現(xiàn)潮汐在北冰洋海冰減少因素中占15%,在減少上層海水(100 m內(nèi))的淡水及熱量因素中占7%。

圖1 研究區(qū)域水深地形及站位分布.藍色圓點: 潮位站;紅色正方形: 潮流站Fig.1.Topography of study area and distribution of observation stations.Blue dot: tide-gauge station; Red square: current station

目前,數(shù)值模型是研究極地海洋的主要工具之一,然而北冰洋模型與觀測分析論壇(FAMOS)中僅有少數(shù)全球和泛北極模型有足夠的分辨率模擬陸架海中的物理海洋過程,其中包括 FVCOM(Finite-Volume Coastal Ocean Model)模型,分辨率達 1—50 km[18]; 全球 1/12° NEMO(Nucleus for European Modelling of the Ocean)模型[19-20];HYCOM 模型,分辨率達 3—5 km[21]。這些模型中,僅有 FVCOM真正解決了潮汐與復(fù)雜的地形岸線問題[17]。前人利用實測數(shù)據(jù)和模型分別對白令海和楚科奇海潮汐進行了大量研究[22-27],通常把白令海峽關(guān)閉,單獨研究分析白令海和楚科奇海潮汐特征,并且少有人研究該海域的潮能通量和耗散。因此,本文基于有限體積海岸海洋模型FVCOM,把白令海陸坡、白令海峽以及楚科奇海陸坡作為一個整體,進行了高分辨率的潮汐數(shù)值模擬研究,利用實測潮汐潮流資料對模擬結(jié)果進行了驗證,模擬結(jié)果和實測數(shù)據(jù)符合良好,說明了模擬結(jié)果的可靠性。在此基礎(chǔ)上,分析了該海域潮汐潮流的分布及特征,研究其潮汐能的傳播與耗散特性。

1 模式簡介及應(yīng)用

白令海峽及其鄰近海域海岸線及海底地形復(fù)雜,區(qū)域內(nèi)島嶼較多(圖1),采用非結(jié)構(gòu)型三角網(wǎng)格的海洋模式可以實現(xiàn)對分辨率及計算效率的要求,因此選取目前廣泛應(yīng)用的 FVCOM海洋數(shù)值模型,由美國麻省理工大學(xué)開發(fā)的新一代非結(jié)構(gòu)全球海洋模式?；诤Ｑ笤挤匠痰娜S海洋數(shù)值模型,水平方向采用非結(jié)構(gòu)三角元有限體積算法,垂直方向采用σ坐標系來體現(xiàn)不規(guī)則的底部邊界,模式的水平方向采用無結(jié)構(gòu)化的三角形網(wǎng)格,空間分辨率靈活,較好擬合復(fù)雜的岸線。垂向混合系數(shù)由二階湍流閉合模型(Mellor-Yamada模型)確定,水平擴散項由 Smagorinsky公式求得[28-30]。采用內(nèi)、外模時間分裂法,內(nèi)模時間步長較短,外模時間步長較長,節(jié)省運行時間。

本文計算的區(qū)域 175°E—155°W,58°N—75°N(圖2)包括白令海陸架區(qū),白令海峽,楚科奇海,由位于楚科奇海和白令海陸架上的兩條開邊界閉合而成。該海域岸線復(fù)雜,包含許多島嶼,眾多海灣,因此選用非結(jié)構(gòu)三角網(wǎng)格模式能夠在適當?shù)挠嬎阈枨笙?實現(xiàn)該海域的高分辨率模擬。在水平方向上,利用 SMS(Surface-Water Model System)軟件生成了高質(zhì)量、無結(jié)構(gòu)化的不規(guī)則三角形網(wǎng)格,通過改變分辨率的方法,實現(xiàn)了在海峽及島嶼區(qū)域?qū)W(wǎng)格的加密,在白令海峽分辨率最高為1 km,在開邊界處分辨率最低為10 km,整個計算區(qū)域共包括54 534個網(wǎng)格節(jié)點和106 187個三角單元。垂直方向分為 10個等間隔的σ層,模式設(shè)置內(nèi)模步長為30 s,外模步長為3 s。

圖2 模式計算區(qū)域網(wǎng)格Fig.2.Mesh structure of computational domain in the used model

水深資料和岸線資料對潮汐潮流的數(shù)值模擬的準確性至關(guān)重要,水深資料來自 NOAA(National Oceanic and Atmospheric Administration)數(shù)據(jù)中心的 GEBCO格點化水深數(shù)據(jù),分辨率為30'×30',通過內(nèi)插求得其余海域各計算網(wǎng)格點的水深,在岸邊區(qū)域模型最小水深設(shè)為5 m,得到較精確的海區(qū)水深數(shù)據(jù); 岸線數(shù)據(jù)利用 GEODASNG軟件,從 NOAA數(shù)據(jù)中心發(fā)布的 GSHHG(Global Self-consistent,Hierarchical,High-resolution Geography Database)中提取白令海峽海域的高精度岸線數(shù)據(jù)。

FVCOM模式的驅(qū)動力包括潮汐、風(fēng)、大氣壓、熱通量、降水與蒸發(fā)、河淡水通量以及海冰,本文僅分析潮汐結(jié)果。潮汐模式由 8個天文分潮K1、O1、Q1、P1、M2、K2、N2和S2產(chǎn)生的平衡潮驅(qū)動,本文將來自全球海洋潮汐模型(TPXO7.2)中研究海域的上述 8個分潮的調(diào)和常數(shù),利用OTPS(Osu Tidal Prediction Software)差值到模式的開邊界點上,再利用以下水位預(yù)報公式進行計算:

其中,ζ為水位,hi、gi和wi分別是第i個分潮的振幅、遲角和角速度,fi為分潮的交點因子,ui為分潮的焦點訂正角,voi為分潮的天文初位相位。計算開邊界節(jié)點處在5月1日—7月31日(UTC),共計92 d的水位時間序列,作為開邊界的驅(qū)動。在正壓模式中,整個海洋初始是靜止的,不考慮風(fēng)、大氣壓力、熱通量、淡水通量的影響,也不考慮分層的影響。模式區(qū)域內(nèi)的所有三角網(wǎng)格中心的水平垂向速度均為 0,不考慮溫度和鹽度的變化,分別取常數(shù),參考前人工作基礎(chǔ)[25],底摩擦系數(shù)取0.002 5。模式模擬5月1日—7月31日計算區(qū)域的潮汐和潮流狀況,每 1小時輸出一次結(jié)果,待模型穩(wěn)定后,取運行30 d后的模擬結(jié)果進行調(diào)和分析。

2 模型驗證

為驗證模型模擬結(jié)果的準確性,收集到26個潮位站和 28個海流的錨系數(shù)據(jù)資料(圖1),來自于 3個數(shù)據(jù)中心: NOAA潮汐潮流中心(http://tidesandcurrents.noaa.gov/)、阿拉斯加大學(xué)(http://www.ims.uaf.edu/tide/)和華盛頓大學(xué)極地科學(xué)中心(http://psc.apl.uw.edu/)。潮位站和海流的錨系數(shù)據(jù)均滿足 Lefèvre等[31]提出的有關(guān)驗潮資料的標準: 驗潮站位置具有連貫性,數(shù)據(jù)資料連續(xù)且時間超過1個月。從圖1可以看出,潮位站多位于美國阿拉斯加和圣勞倫斯島沿岸地區(qū),其調(diào)和常數(shù)來自NOAA潮汐潮流中心,其結(jié)果都是基于一年以上的觀測值,足夠準確; 俄羅斯西伯利亞沿岸僅有6個,且均位于楚科奇海,其調(diào)和常數(shù)來自阿拉斯加大學(xué) Kowalik和 Proshutinsky[32-33]對北極潮汐的觀測。海流的錨系數(shù)據(jù)在白令海峽、白令海陸架和楚科奇海均有分布,均來自華盛頓大學(xué)極地科學(xué)中心。本節(jié)分別利用以上實測潮位站、海流的錨系數(shù)據(jù)對模型模擬的潮汐、潮流結(jié)果進行驗證。

2.1 潮汐驗證

因為研究海域振幅普遍較小,會影響遲角的方差,導(dǎo)致遲角不穩(wěn)定,僅僅比較潮汐調(diào)和常數(shù)的觀測值與模擬值的均方根是不合理的,因此,除對比均方根之外,還對比了相對差值D,公式如下:

其中,Aoi和goi分別是第i個站點振幅和遲角的觀測值,Aci和gci分別是與觀測值對應(yīng)的模擬值。所有振幅的均方根誤差公式如下:

利用收集的驗潮站調(diào)和常數(shù),與模型模擬結(jié)果進行對比。在本文計算區(qū)域內(nèi),選取了26個驗潮站的實測資料,通過插值尋找與觀測點距離最近的點,對比 M2、K1分潮觀測站與其對應(yīng)模擬值的結(jié)果(表1)。

整體上,實測驗潮站調(diào)和常數(shù)與模擬結(jié)果吻合良好,M2分潮的振幅、遲角的平均絕對誤差為0.89 cm和10.95°,K1分潮的振幅、遲角的平均絕對誤差為0.77 cm和7.34°,M2和K1分潮所有振幅的均方根誤差分別為 3.26、2.95 cm(表1)。然而,從表1中可以看出,M2和K1的振幅、遲角的相對誤差存在一些較大值,這些潮位站均位于諾頓灣、科策布灣等灣內(nèi)沿岸。造成這種現(xiàn)象的原因可能有,潮汐模擬結(jié)果的準確性與水深精確度有關(guān),模式采用的水深數(shù)據(jù)分辨率不足以精確刻畫沿岸淺水區(qū)域,此外,進行對比時,通過插值和尋找距離觀測點最近的模擬點并不能完全與實測站點重合。

表1 M2、K1分潮調(diào)和常數(shù)實測值與模擬值對比Table 1.Observed and calculated tidal harmonic constant of M2,K1

2.2 潮流驗證

利用收集的 28個海流錨系站的數(shù)據(jù)驗證潮流模擬結(jié)果,根據(jù)其位置分布不同,劃分為 4個區(qū)域(圖1)。海流錨系數(shù)據(jù)來自聲學(xué)多普勒海流儀(ADCP)和安德拉海流儀(RCM),數(shù)據(jù)進行線性差值和校準。根據(jù)實測數(shù)據(jù)水深,驗證模擬結(jié)果相對應(yīng)的σ層,其中ADCP實測數(shù)據(jù)用其測量深度的平均值,RCM 實測數(shù)據(jù)用測量深度。通過Matlab的調(diào)和分析工具(T-tide)對實測及模擬結(jié)果進行調(diào)和分析得到潮流橢圓要素。在驗證潮流橢圓要素時面臨兩個問題: 一是潮流橢圓要素中的方向和相位會隨季節(jié)和年份的變化而改變,即同一個站位的同一個深度上,不同時間記錄的方向和相位會有差距; 二是實測站位的水深與模型使用的水深數(shù)據(jù)并不完全一致。Murty等[34]提出由于海冰覆蓋的時空變化以及海水分層的季節(jié)和年際變化,潮流橢圓要素也有季節(jié)變化。本文僅在正壓條件下模擬潮汐,因此,對待潮流驗證結(jié)果應(yīng)謹慎分析。

圖3表明,整體上,各觀測站點與模擬的潮流橢圓要素間的吻合性較高。在楚科奇海域及圣勞倫斯島附近,實測與模擬潮流橢圓的長短半軸基本一致,方向略有偏差; 在白令海峽及努尼瓦克島,模擬潮流橢圓的長短半軸均比實測小,方向也有差別。造成這種現(xiàn)象的原因除上述客觀存在的問題,還有可能因為計算潮流只是三角形網(wǎng)格中心的流速,通過插值得到觀測點上的流速,與實測站位并不能完全重合。潮流橢圓的驗證結(jié)果表明,模擬結(jié)果能基本反映研究海域潮流的變化特征。

圖3 M2底層潮流橢圓對比圖.紅色: 模式數(shù)據(jù); 藍色: 觀測數(shù)據(jù)Fig.3.Comparison of the modeled and observed bottom M2 tide ellipse.Red ellipse: modeled results; blue ellipse: observed results

3 潮汐模擬結(jié)果分析

鑒于以上模擬結(jié)果的驗證,模擬結(jié)果與實測情況符合較好,本節(jié)對模擬結(jié)果后60 d結(jié)果進行調(diào)和分析,得到M2、K1、N2、S2、O1五個主要分潮等振幅線、等遲角線和潮流橢圓要素,分析討論研究區(qū)域潮汐、潮流的基本特征。

3.1 M2分潮

對每個網(wǎng)格點的模擬結(jié)果進行調(diào)和分析,計算得到M2分潮的潮汐調(diào)和常數(shù)和潮流橢圓參數(shù),繪制 M2分潮的同潮圖和潮流橢圓圖(圖4)。M2分潮同潮圖(圖4a)的分布狀況與 Kowalik等[27,35]和Li[25]研究結(jié)果相似。研究海域M2分潮的振幅范圍在2—100 cm。從圖4a中可以看出,白令海陸架大部分海域振幅在30 cm以上。較大振幅出現(xiàn)在白令海陸架東南部,振幅值超過70 cm。在狹窄的淺海灣振幅增加,在諾頓灣振幅達到35 cm,阿納德爾灣振幅可達60 cm。較小振幅出現(xiàn)在阿納德爾灣的納瓦林角、圣勞倫斯島東南部、諾頓灣和白令海峽東南部,都形成旋轉(zhuǎn)潮波系統(tǒng)。此外,楚科奇海整體振幅偏小,大部分海域振幅小于20 cm。較大振幅位于西伯利亞沿岸淺水區(qū),振幅超過 30 cm。較小振幅位于科策布灣入口和波因特萊近岸處,在這兩處存在旋轉(zhuǎn)潮波系統(tǒng)。

從圖4a中的等遲角線可以看出,來自白令海的半日潮波在進入白令海陸架時,受到半封閉地形的影響,部分潮波發(fā)生反射,在白令海陸架中形成多個逆時針旋轉(zhuǎn)潮波系統(tǒng)。來自白令海的半日潮波通過白令海峽進入楚科奇海,與來自北冰洋向南傳播的半日潮波相互干涉,在楚克奇海的科策布灣入口和波因特萊近岸處形成兩個逆時針旋轉(zhuǎn)潮波系統(tǒng)。

為更好了解研究海域的潮流的運動形式,圖4b、c給出了M2分潮表層潮流橢圓分布,紅色橢圓代表順時針旋轉(zhuǎn)潮流,藍色橢圓代表逆時針旋轉(zhuǎn)。研究海域潮流橢圓以逆時針旋轉(zhuǎn)為主,然而,在沿岸地區(qū)出現(xiàn)順時針旋轉(zhuǎn)。從潮流橢圓的主軸長短可以看出,潮流在白令海東南部最強,由南向北逐漸減弱,在白令海峽處流速達到最小; 潮流在楚克奇海較弱,由南向北逐漸增強,在費蘭格爾島處較強。與圖4a對比可以看出,強潮流與高振幅是相對應(yīng)的,高振幅的地區(qū)潮流較強,低振幅的地區(qū)潮流較弱。

圖4 M2分潮同潮圖和潮流橢圓分布.a)同潮圖(顏色填充: 潮汐振幅,單位為cm; 白色實線: 等遲角線格林尼治0:00);b),c)表層1 m潮流橢圓(紅色: 順時針旋轉(zhuǎn)潮流; 藍色: 逆時針旋轉(zhuǎn)潮流)Fig.4.Cotidal charts and tidal ellipses of the M2 tide.a) cotidal chart(filled contours denote the magnitude of the tidal elevation amplitude(in centimeters),white contour lines denote the co-phase lags lines GMT at 0:00); b),c)tidal current ellipses are the surface ellipses at 1 m depth(red ellipses denote clockwise rotation; blue ellipses denote counterclockwise rotation)

3.2 K1分潮

通過每個網(wǎng)格點調(diào)和分析得到 K1分潮潮汐調(diào)和常數(shù)和潮流橢圓參數(shù),繪制K1分潮的同潮圖和潮流橢圓圖(圖5)。從K1分潮同潮圖(圖5a)可以看出,K1分潮的潮汐結(jié)構(gòu)比M2分潮簡單。研究海域K1分潮的振幅范圍在2—70 cm,最大振幅出現(xiàn)在白令海陸架東南沿岸和諾頓灣里,這與 Kowalik[35]的研究結(jié)果一致。整體趨勢從白令海向楚科奇海遞減,楚克奇海潮汐微弱,振幅均在6 cm以下。從圖5a中的等遲角線可以看出,來自白令海的全日潮波進入白令海陸架后向東北傳播,經(jīng)過圣勞倫斯島進入諾頓灣,在諾頓灣以全日分潮為主。潮波繼續(xù)向北傳播,通過白令海峽進入楚克奇海,與北冰洋的潮波相互作用,在楚科奇海形成旋轉(zhuǎn)潮波系統(tǒng)。

圖5b、c給出了K1分潮的潮流橢圓圖,從圖中可以看出,楚科奇海潮流流速普遍很小,白令海潮流流速比楚科奇海流速大,較大流速位于白令海阿拉斯加沿岸,最大流速出現(xiàn)在諾頓灣。與M2分潮潮流不同的是,K1在阿拉斯加沿岸潮流均為順時針旋轉(zhuǎn),在阿納德爾灣順時針旋轉(zhuǎn)潮流較少。在諾頓灣里 K1分潮潮流比 M2分潮潮流強,這也證明在諾頓灣,K1分潮占主導(dǎo)地位。

圖5 K1分潮同潮圖和潮流橢圓分布.a)同潮圖(顏色填充: 潮汐振幅,單位為cm; 白色實線: 等遲角線格林尼治0:00);b),c)表層1 m潮流橢圓(紅色: 順時針旋轉(zhuǎn)潮流; 藍色: 逆時針旋轉(zhuǎn)潮流)Fig.5.Cotidal charts and tidal ellipses of the K1 tide.a) cotidal chart(filled contours denote the magnitude of the tidal elevation amplitude(in centimeters),white contour lines denote the co-phase lags lines GMT at 0:00); b),c)tidal current ellipses are the surface ellipses at 1 m depth(red ellipses denote clockwise rotation; blue ellipses denote counterclockwise rotation)

3.3 N2、S2和O1分潮

研究海域的潮汐主要受北太平洋向北傳入白令海的潮波影響,其次受北冰洋向南傳播的潮波影響。白令海陸架4個主要分潮分別是M2、N2、K1和O1,楚克奇海4個主要分潮分別是M2、S2、K1和O1。N2、S2和O1也是研究海域的主要分潮,調(diào)和分析得到 3個分潮的調(diào)和常數(shù)。限于篇幅,N2、S2和O1的同潮圖和潮流橢圓沒有給出。N2和S2分潮的潮汐系統(tǒng)特征與M2分潮相似,在研究海域存在6個無潮點,振幅比M2分潮小,但是在白令海陸架上,N2分潮的振幅比 S2分潮的振幅大,在楚克奇海S2分潮振幅比N2分潮振幅大。O1分潮的潮汐系統(tǒng)特征與K1分潮相似,在楚克奇海存在1個無潮點,振幅比K1分潮的振幅小。

4 潮汐能通量和耗散

潮汐是驅(qū)動海洋內(nèi)部混合的主要機械能來源[11],在淺海中湍底邊界層(bottom boundary layer,BBL)主導(dǎo)耗散平衡。白令海峽及其鄰近海域的潮汐能通量及耗散并未很好估算,本節(jié)計算研究海域的潮能通量和潮能 BBL耗散,對其潮汐動力進行分析。

4.1 潮能通量傳播

潮能通量的計算公式如下:

式中,Eλ和Eθ分別代表潮能通量在緯向和經(jīng)向的分量,u和v分別代表潮流速度在緯向和經(jīng)向的分量,H代表水深,?代表潮位,ρ是海水密度,是重力加速度,T是潮周期。M2(圖6a)和 S2、N2(未給出)潮能的空間分布相似,但S2和N2分潮潮汐能大小僅為 M2分潮的 1/10,并且在楚克奇海S2比N2潮能通量大,在白令海陸架N2比S2潮能通量大。K1(圖6b)和 O1(未給出)潮能的空間分布也相似,但是O1比K1潮能通量小。為了研究半日分潮和全日分潮潮能通量的不同,分別以M2和K1分潮為代表,繪制M2和K1分潮的潮能通量矢量分布圖。

利用正壓半日潮潮能的傳播途徑研究 M2分潮潮能傳播的空間分布(圖6)。研究海域主要受到太平洋向北傳入白令海的潮能影響,其次受到北冰洋向南傳入楚科奇海的潮能影響。研究海域水深較淺,潮流速度較小,潮能通量較小,潮能從白令海傳入白令海陸架,分成兩部分,一部分向西北傳播,在阿納德爾海峽又分為兩支,一支繼續(xù)向西北傳播進入阿納德爾灣,并在阿納德爾灣沿岸反射,形成一個逆時針傳播,另一支在阿納德爾海峽處向東北傳播,并在圣勞倫斯島沿岸形成順時針傳播; 另一部分向東北傳播,穿過斯番博格海峽進入諾頓灣。來自白令海的潮能繼續(xù)向北傳播,通過白令海峽,進入楚科奇海。來自北冰洋的潮能向南進入楚克奇海,也分為兩部分,一部分從西伯利亞沿岸向南傳播至白令海峽,另一部分沿費蘭格爾島形成順時針傳播。

研究海域中的K1分潮潮能傳播特征與M2分潮潮能傳播特征有很多區(qū)別。從圖6b可以看出,K1分潮潮能從白令海傳入白令海陸架分為兩部分。一部分沿著阿納德爾灣向北傳播,在阿納德爾灣入口處分為三支。第一支向北進入阿納德爾灣里,并在阿納德爾灣沿岸發(fā)生反射形成逆時針傳播,但相對于M2潮汐能小得多,且范圍僅局限在阿納德爾灣里。第二支一直向東北傳播,遇到圣勞倫斯島分為南北兩支,北面一支的小部分繼續(xù)向北穿過白令海峽傳入楚克奇海,其余部分向東傳入諾頓灣,南面一支沿圣勞倫斯島南岸穿過斯番博格海峽進入諾頓灣。第三支在阿納德爾灣入口處向東南傳播,在圣馬休島與奴尼瓦克島之間發(fā)生偏折后向東北傳播,最終傳入諾頓灣。另一部分沿阿拉斯加沿岸向西北傳播,至奴尼瓦克島繼續(xù)向北傳播。

圖6 M2和K1分潮的潮能通量矢量分布(單位: W·m–1)Fig.6.Distribution of the M2,K1 tidal energy flux(Unit: W·m–1)

4.2 不同斷面的潮能通量

為了初步研究潮汐能的空間分布特征,在研究海域選取了7條斷面(圖7),計算討論了通過不同斷面的潮汐能通量,其中 A、B斷面為白令海進入白令海陸架截面,C、D斷面為北冰洋進入楚科奇海截面,L1為阿納德爾海峽截面,L2為斯番博格海峽截面,L3為白令海峽截面。

圖7 計算斷面分布Fig.7.Distribution of sections

表2為4個主要分潮在各個截面上的潮能通量值,M2、S2、K1、O1四個主要分潮通過A、B、C、D斷面進入研究海域的潮能通量分別為384.945、6.554、285.321和 73.707 MW(1 MW=106W),其中M2分潮約占4個分潮總?cè)肷淠艿?1%,K1分潮約占38%,O1分潮約占10%。

在諾頓灣海域,潮能耗散總量約為188 MW,其中 K1分潮潮能耗散約 131 MW,約占總量的70%; 在圣勞倫斯島以南的白令海陸架區(qū),潮能耗散總量約為526 MW,其中M2分潮潮能耗散約369 MW,約占總量的70%。潮能進入白令海陸架后,M2分潮主要在圣勞倫斯島以南陸架區(qū)耗散,K1分潮主要在諾頓灣海區(qū)耗散。從通過C、D兩個截面的潮能通量可以看出,經(jīng)過C斷面的半日分潮潮能為正,全日分潮潮能為負,即半日分潮潮能通過德朗海峽進入楚克奇海,全日分潮潮能通過德朗海峽流出楚克奇海; D斷面與C斷面情況相反。

4.3 潮能BBL耗散

計算4個主要分潮的底邊界耗散。底邊界潮能耗散公式由Taylor于1919年提出:

對d在整個海域進行積分,就得到整個海域的潮能耗散:

式中,CD為底摩擦系數(shù),取0.002 5,ρ為海水密度,為底層速度,括號代表在一個潮周期內(nèi)進行平均,A是三角單元的面積。

表2 計算各斷面的潮能通量Table 2.Tidal energy fluxes across different sections(1 MW=106 W)

圖8是M2、S2、K1和O1四個主要分潮的底邊界耗散,等值線代表潮能耗散取對數(shù)后的值。從圖中可以看出,M2分潮和S2分潮的底摩擦耗散相似,K1分潮和O1分潮的底摩擦耗散相似,分別與圖4中的M2、K1分潮的潮流橢圓分布特征接近。在楚克奇海M2分潮的耗散比S2分潮的耗散大1—2個量級,在白令海陸架M2分潮的耗散比 S2分潮的耗散大得多。在白令海陸架K1分潮的耗散比O1分潮的耗散大1—2個量級,在楚克奇海K1和O1分潮的耗散都很小。

圖8 4個主要分潮底邊界耗散分布:lgd(d的單位：W·m–2)Fig.8.Distributions of the BBL of M2,S2,K1 and O1 constituents: lgd(unit of d: W·m–2)

從表2中可以看出,四個主要分潮M2、S2、K1和O1在研究海域的底邊界層(BBL)的耗散值分別為 236.542、2.059、221.443和35.519 MW,分別約占研究海域內(nèi)總耗散的61%、31%、78% 和48%。四個主要分潮的總BBL耗散為495.563 MW,約占總耗散量的 66%,相應(yīng)地,約 34%的潮能參與到海水的內(nèi)部混合過程中,其中,四個主要分潮M2、S2、K1和O1分別約有148.403、4.495、63.878和38.188 MW潮能進行了內(nèi)部混合。

5 結(jié)論與討論

本文基于FVCOM海洋數(shù)值模型對白令海峽及其鄰近海域的潮汐、潮流進行數(shù)值模擬研究,模擬結(jié)果與實測吻合良好,能夠較真實地反映研究海域正壓潮潮汐及潮汐能的特征。

研究結(jié)果如下。

1.研究海域潮汐主要受白令海的潮汐影響,其次受到北冰洋微弱的潮汐影響。白令海陸架4個主要分潮分別是M2、N2、K1和O1,楚克奇海4個主要分潮分別是 M2、S2、K1和 O1。潮汐類型混合復(fù)雜,白令海陸架區(qū)以半日潮為主,但在諾頓灣海域附近以全日潮為主,楚科奇海和白令海峽主要以半日潮為主。研究海域M2分潮存在6個無潮點,K1分潮也存在1個無潮點。造成這種現(xiàn)象的原因主要是半日潮與全日潮的相互作用以及阿拉斯加、西伯利亞沿岸獨特的地形和水深。

2.研究海域潮流橢圓以逆時針旋轉(zhuǎn)為主,沿岸地區(qū)存在一些順時針旋轉(zhuǎn)。M2分潮潮流在白令海陸架東南部及阿納德爾灣較強,K1分潮潮流在諾頓灣潮流達到最大值。重力、科氏力和水深分布在潮汐動力過程中發(fā)揮著重要作用。

3.研究海域潮能通量較小,這是由于水深較淺,潮流速度也較小,4個主要分潮在白令海陸架和楚科奇海的潮能耗散總量約為 751 MW(1 MW=106W),M2潮能耗散占總量的52%,K1潮能耗散占總量的38%; 在諾頓灣海域,潮能耗散總量約為188 MW,K1潮能耗散占總量的70%;在圣勞倫斯島以南的白令海陸架區(qū),潮能耗散總量約為526 MW,M2潮能耗散占總量的70%。潮能進入白令海陸架后,M2分潮主要在圣勞倫斯島以南陸架區(qū)耗散,K1分潮主要在諾頓灣海區(qū)耗散。

此外,本文僅研究正壓條件下的潮汐潮能特征,未考慮其他條件,然而在楚科奇海海域,夏季仍存在浮冰和固定冰,海冰對潮汐振幅的影響不大,但其對潮汐遲角和潮流橢圓方向有較大影響,造成楚科奇海海域潮汐遲角和潮流橢圓方向的誤差。在今后的工作中,以此潮汐動力背景為基礎(chǔ),進一步考慮海冰等的影響。

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