CN110490354A - 一种基于roms模拟结果计算潮汐锋位置的优化方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于ROMS模拟结果计算潮汐锋位置的优化方法，包括下列步骤：考虑表层风摩擦作用、底层潮流摩擦作用、净热通量作用和浮力平流作用的情况下，得到计算潮汐锋的公式；计算得到底层潮流对锋的作用项A；计算得到表层风场对锋的作用项B；计算得到净热通量对锋的作用项C；计算得到浮力平流对锋的作用项M，为使计算过程简便同时减少M项误差，对M项的计算进行反算处理；计算得到潮汐锋的位置H_front；将潮汐锋所处的位置深度H_front与ROMS模式输出的地形水深H_depth相减，得到差值ΔH，ΔH为零的地方即为海洋中潮汐锋真正存在的位置。

Description

一种基于ROMS模拟结果计算潮汐锋位置的优化方法

技术领域

本发明属于海洋科学领域，具体涉及一种基于ROMS模拟结果计算潮汐锋位置的优化方法。

背景技术

潮汐锋是海洋锋的一种，指在增温季节由潮混合与层化共同作用形成的近岸混合区与远岸层化区之间的过渡海域，对动力海洋学和海洋生物学研究以及探讨低氧的形成及变化机制都具有重要意义。表层风摩擦作用、底层潮混合作用、净热通量、浮力平流等都会对潮汐锋的生成和位置变化产生影响。大多数学者根据Simpson-Hunter层化参数K_SH＝log(H/U_max ³)对潮汐锋的位置进行过计算，但Simpson-Hunter层化参数仅考虑了地形和潮流对潮汐锋位置的影响，并未将影响潮汐锋位置的其他因素考虑在内，不能够较为准确的计算出潮汐锋的位置。海洋数值模式是定量描述海洋物理现象及其变化的数值模型，也是海洋与气候研究、预测的核心工具，是对原位观测资料的有力补充和拓展，长远来看能够降低海洋研究成本、节省外出作业人力资源。ROMS(Regional Ocean Modeling System,区域海洋模式系统)，是一个采用自由表面、静力假定、sigma坐标、曲线正交网格的三维原始方程模式。目前该海洋模式已被广泛应用于中国近海水动力模拟研究中。本发明考虑了风摩擦作用、底层潮流摩擦作用、净热通量作用和浮力平流作用等对潮汐锋的影响因素，得到一种基于ROMS模拟结果计算潮汐锋位置的优化方法。该方法能够更为准确的刻画出潮汐锋的位置及变化情况，对分析潮汐锋的形成和变化机制具有重要意义。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种基于ROMS模拟结果计算潮汐锋位置的优化方法。本发明的技术方案如下：

一种基于ROMS模拟结果计算潮汐锋位置的优化方法，包括下列步骤：

1)考虑表层风摩擦作用、底层潮流摩擦作用、净热通量作用和浮力平流作用的情况下，计算潮汐锋的公式为：

其中H_front为潮汐锋所处的水深，A为底层潮流对锋的作用项，B为表层风场对锋的作用项，C代表净热通量对锋的作用项，M代表浮力平流对锋的作用项；

2)通过ROMS模式输出底层潮流流速同时选择合适的常数参量，计算得到底层潮流对锋的作用项A；

3)利用关于风场的ERA数据资料同时选择合适的常数参量，计算得到表层风场对锋的作用项B；

4)利用关于热通量的ERA-Interim数据资料同时选择合适的常数参量，计算得到净热通量对锋的作用项C；

5)根据计算得到的A项、B项、C项数值，结合ROMS模式输出的密度和流场数据并选择合适的常数参量，计算得到浮力平流对锋的作用项M，为使计算过程简便同时减少M项误差，对M项的计算进行反算处理；

6)将计算得到的A项、B项、C项和M项值代入式(1)，可以计算得到潮汐锋的位置H_front；

7)将潮汐锋所处的位置深度H_front与ROMS模式输出的地形水深H_depth相减，得到差值ΔH，ΔH为零的地方即为海洋中潮汐锋真正存在的位置。

本发明实施例提供的技术方案的有益效果是：

本发明的一种基于ROMS模拟结果计算潮汐锋位置的生态参数优化方法，进一步提高了潮汐锋位置计算准确度，弥补了Simpson-Hunter参数不能准确反映潮汐锋短时间尺度内位置变化的不足。同时通过反算的处理方式，大大简化了浮力平流作用项M的计算过程，减少了M项的噪音，提高了计算效率。充分利用模式结果和再分析数据对潮汐锋位置进行更为准确的计算，体现了模式和再分析数据对海洋科学研究的重要性，为更加准确地进一步探究潮汐锋的形成和变化机制提供了帮助。这是一次模式结果和再分析数据与计算方法很好结合的案例。

附图说明

图1渤海辽东湾；

图2 2017年6、7、8月份辽东湾潮汐锋位置分布；

图3一种基于ROMS模拟结果计算潮汐锋位置的优化方法流程。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本发明实施方式作进一步地详细描述。

本发明实施例介绍了一种基于ROMS模拟结果计算潮汐锋的优化方法，目的在于通过一种改进的、高效的计算方法，更加准确地计算出潮汐锋的位置，为进一步研究潮汐锋的形成和变化机制提供帮助。具体实施步骤如下：

1)考虑表层风摩擦作用、底层潮流摩擦作用、净热通量作用和浮力平流作用的情况下，本发明计算潮汐锋的公式为：

其中H_front为潮汐锋所处的水深，A为底层潮流对锋的作用项，B为表层风场对锋的作用项，C代表净热通量对锋的作用项，M代表浮力平流对锋的作用项。

2)ROMS模式输出底层潮流流速，通过计算得到底层潮流对锋的作用项A，A的计算公式如下：

A＝2m_obU_*b ³ (2)

式(2)中m_ob为下层挟卷参量，取为1.12，而U_*b ²＝C_dbU_b ²，U_b为底层潮流流速，海底阻力系数C_db＝1.5×10^-3。

3)登陆ECMWF(欧洲中期天气预报中心,https://www.ecmwf.int/)网站，下载关于风场的ERA-Interim再分析数据资料，通过计算得到表层风场对锋的作用项B，B的计算公式如下：

B＝2m_owU_*w ³ (3)

式(3)中m_ow上层挟卷参量，取为1.25，U_w为表层风速，海水平均密度空气密度ρ_a＝1.18kgm^-3，海面阻力系数C_dw＝1.15×10^-3。

4)登陆ECMWF(欧洲中期天气预报中心,https://www.ecmwf.int/)网站，下载关于热通量的ERA-Interim再分析数据资料，通过计算得到净热通量对锋的作用项C，C的计算公式如下：

式(4)中，Q为净热通量，g＝9.8m s^-2，热膨胀系数α＝3×10^-4k^-1，系统比热C_p＝3.93×10³Jkg^-1k^-1。

5)根据上述计算公式得到的A项、B项、C项数值，结合ROMS模式输出的密度和流场数据，计算得到浮力平流对锋的作用项M，M的计算公式如下：

式(5)中，ρ₁、ρ₂分别为上层海水密度，h₁、h₂分别为上、下层海水的厚度(h₁、h₂,根据ROMS模式输出的垂向密度差得到)，u₁、v₁分别为上层海水东分量流速和北分量流速，u₂、v₂分别为下层海水东分量流速和北分量流速。为了减小噪音和误差，将式(5)做如下转换：

由于近岸水体混合均匀(h₂＝0)，此时有

6)将式(2)、(3)、(4)、(5)代入式(1)可以计算得到改进算法后的潮汐锋的位置H_front。

7)海洋中潮汐锋位置的确定，将根据上述公式计算得到的潮汐锋所处的位置深度H_front与ROMS模式输出的地形水深H_depth相减，得到差值ΔH，即ΔH＝H_fron-H_depth，ΔH为零的地方即为海洋中潮汐锋真正存在的位置。

8)绘图分析，以渤海辽东湾为例(图1)，利用绘图软件(如Matlab-2014a)对ΔH绘制平面图，将ΔH＝0的地方绘制成红线，同时将ROMS模式输出的作为潮汐锋判据的0.2℃表底温差等值线绘制为黑线，对计算结果进行检验，两者符合较好，认为该计算方法对潮汐锋的位置计算较为准确，能够用来研究潮汐锋的形成和变化机制。如图2所示。

Claims (1)

1.一种基于ROMS模拟结果计算潮汐锋位置的优化方法，包括下列步骤：

1)考虑表层风摩擦作用、底层潮流摩擦作用、净热通量作用和浮力平流作用的情况下，计算潮汐锋的公式为：

其中H_front为潮汐锋所处的水深，A为底层潮流对锋的作用项，B为表层风场对锋的作用项，C代表净热通量对锋的作用项，M代表浮力平流对锋的作用项；

2)通过ROMS模式输出底层潮流流速同时选择合适的常数参量，计算得到底层潮流对锋的作用项A；

3)利用关于风场的ERA数据资料同时选择合适的常数参量，计算得到表层风场对锋的作用项B；

4)利用关于热通量的ERA-Interim数据资料同时选择合适的常数参量，计算得到净热通量对锋的作用项C；

5)根据计算得到的A项、B项、C项数值，结合ROMS模式输出的密度和流场数据并选择合适的常数参量，计算得到浮力平流对锋的作用项M，为使计算过程简便同时减少M项误差，对M项的计算进行反算处理；

6)将计算得到的A项、B项、C项和M项值代入式(1)，可以计算得到潮汐锋的位置H_front；

7)将潮汐锋所处的位置深度H_front与ROMS模式输出的地形水深H_depth相减，得到差值ΔH，ΔH为零的地方即为海洋中潮汐锋真正存在的位置。