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泰国湾潮汐潮流的数值模拟与理论模型研究

作　者: 吴頔
导　师: 方国洪
学　校: 国家海洋局第一海洋研究所
专　业: 物理海洋学
关键词: 泰国湾数值模拟 FVCOM 双矩形海湾模型 Taylor问题
分类号: P731.2
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

泰国湾是南海最大的一个海湾，其潮波系统相对复杂，尤其是半日潮在湾口存在顺时针旋转的无潮点，有悖于北半球的一般规律，因而受到许多研究者的关注。同时，对于泰国湾湾顶半日潮无潮点的存在性及其位置，至今各研究者所给出的数值模拟结果亦存在很大差异。此外，关于泰国湾潮汐的研究尚仅局限于资料分析和数值模拟，未建立理论模型。本文基于FVCOM（Finite-Volume Coastal Ocean Model）建立了泰国湾及其周边海域的潮汐潮流数值模型；同时基于广义Taylor解建立了泰国湾潮汐的一种双矩形理论模型。数值模型采用无结构三角形网格架构、有限体积方法的二维海洋潮汐数值模型，利用新近的全球潮汐模型DTU10提供的调和常数进行水位预报作为开边界条件，同时对K1、O1、M2和S2四个主要分潮进行模拟。模拟结果与国际水路局资料集中所列的29个验潮站进行比较，四个分潮偏差的平均值分别为5.69cm、3.98cm、7.35cm和4.71cm。利用该模拟结果对泰国湾及周边海域的潮汐、潮流和潮能通量分布进行研究，并针对不同底摩擦系数、地形进行敏感性实验。在理论模型中，泰国湾被理想化为由分别代表泰国湾主体和曼谷湾的两个矩形海域所组成。我们考虑了底摩擦及开边界强迫作用，利用广义Taylor问题解研究了K1和M2分潮的潮汐动力学。理论模型良好地再现了泰国湾K1和M2分潮的潮汐特征，并将其分解为Kelvin波和Poincaré波形式，分别给出了K1和M2分潮的潮流及潮能通量密度分布图。模型揭示了Kelvin波和Poincaré波在泰国湾潮波形成中的贡献，从理论上解释了K1和M2分潮各无潮点的成因。为揭示曼谷湾和开边界条件在泰国湾M2分潮形成中的动力作用，设计了两组敏感性实验。实验结果表明，曼谷湾对于泰国湾湾顶无潮点的存在及位置起到关键作用；开边界迟角向西增加是湾口附近顺时针旋转潮波系统形成的必要条件。结合数值模型和理论模型，证明了全日潮在泰国湾以Kelvin波为主，迟角分布主要受底摩擦影响，对地形变化相对不敏感；半日潮在泰国湾内Kelvin波性质弱，在湾口和湾顶的Poincaré波性质较强，迟角分布受底摩擦影响小，对地形变化敏感，且主要受湾口开边界条件控制。

全文目录

摘要  4-6
Abstract  6-10
1 绪论  10-20
  1.1 潮汐研究简史  10-11
  1.2 研究海区自然环境  11-14
    1.2.1 地理位置  11-13
    1.2.2 自然环境条件  13-14
  1.3 泰国湾的潮汐与潮流研究现状  14-16
    1.3.1 泰国湾的潮波系统  14-15
    1.3.2 泰国湾潮汐研究的回顾与进展  15-16
  1.4 基于 Taylor 模型的理论模型发展  16-18
  1.5 本文工作  18-20
2 泰国湾潮汐的数值模拟  20-48
  2.1 模型介绍  20-23
    2.1.1 控制方程组与边界条件  20-22
    2.1.2 网格设计  22-23
  2.2 模型配置  23-25
    2.2.1 计算区域与网格剖分  23
    2.2.2 岸线与水深数据  23-25
    2.2.3 初始条件和边界条件  25
  2.3 模式结果验证  25-30
    2.3.1 评价方法  25-26
    2.3.2 使用数据  26-27
    2.3.3 评价结果与误差分析  27-30
  2.4 泰国湾海域的潮波分布  30-41
    2.4.1 潮汐分布  30-34
    2.4.2 潮流分布  34-38
    2.4.3 潮能通量和潮波传播  38-41
  2.5 敏感性试验  41-46
    2.5.1 底摩擦系数  41-43
    2.5.2 不同地形数据对结果的影响  43-46
  2.6 小结  46-48
3 泰国湾潮汐的理论模型  48-67
  3.1 Taylor 模型简介  48-50
  3.2 推广的 Taylor 模型  50-56
    3.2.1 模型设置  50
    3.2.2 控制方程  50-51
    3.2.3 边界条件和衔接条件  51
    3.2.4 模型求解  51-56
  3.3 模型检验——模型在北海中的应用  56-58
    3.3.1 单矩形模型  56
    3.3.2 双矩形模型  56-57
    3.3.3 结果分析  57-58
  3.4 模型在泰国湾的应用  58-63
    3.4.1 模型配置  58-59
    3.4.2 潮汐分布  59-61
    3.4.3 潮流分布  61-62
    3.4.4 潮能通量  62-63
  3.5 敏感性实验  63-65
    3.5.1 曼谷湾存在和位置的敏感性实验  63-65
    3.5.2 开边界条件的敏感性实验  65
  3.6 小结  65-67
4 总论与展望  67-69
  4.1 主要结论  67-68
  4.2 下一步工作展望  68-69
参考文献  69-74
致谢  74

泰国湾潮汐潮流的数值模拟与理论模型研究

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