近海潮控海域底摩擦效应时间变化机理及伴随参数估计研究

The bottom friction plays an important role in the marine systems. How to reasonably parameterize the effect of bottom friction is always an inevitable problem in oceanic studies. The bottom friction coefficient (BFC) is an important parameter when calculating the effect of bottom friction. The temporal variability of BFC significantly increases the difficulties of the parameterization, which has been barely studied in the previous works. Focused on this problem, the following scientific hypothesis has been proposed in this study. The BFC can greatly influence the structure of hydrodynamics in the water column upon the bottom boundary layer, and therefore the time-varying BFC in ocean numerical models can be estimated by assimilating the in-situ observations in water column. In order to testify this hypothesis, the adjacent seas around Zhairuoshan Island in Zhoushan Archipelago will be selected as the study area. The tripod observing system and the seafloor observing system (Z2ERO developed by Zhejiang University) are employed to measure the hydrodynamic data in the water column and in the bottom boundary layers simultaneously. Based on the theory of inverse problem and parameter estimation, a three-dimensional assimilation model for tidal currents will be developed by using the adjoint method. Then the time-varying BFC in three-dimensional tidal models can be inverted (estimated) by assimilating the observations in the water column. Consequently, the effect of bottom friction can be parameterized reasonably by applying the time-varying BFC, which is the ultimate goal of this proposal. Further, the mechanism of temporal variability of bottom friction effect and its influence on the structure on the hydrodynamics in shallow tide-dominated environments can be analyzed. This study will be of great help for the accurate parameterization of bottom friction effect, and the improvement of oceanic numerical simulation and prediction.

底摩擦效应对于海洋动力系统至关重要，研究近海动力过程必然面临对其参数化的问题。底摩擦系数（BFC）作为量化底摩擦效应的重要参数，具有时间分布性，大大增加了参数化的难度。如何在模型中实现BFC的时间分布，前人工作极少涉及。本项目提出如下假说：BFC以底切应力的形式影响边界层以上水体的动力场结构，二者具有动力相关性，从而模型时间分布的BFC可由水体动力场观测数据同化反演得到。为验证此假说，以舟山摘箬山岛海域为研究区域，利用海底三脚架系统和海底观测网络，进行水体和底边界层动力过程观测；基于伴随参数估计的思路，构建三维潮流伴随同化模型；通过同化底边界层以上水体的水位和流速数据，反演近海潮控海域时间分布的BFC，建立底摩擦效应新型参数化方案，进而研究底摩擦效应的时间变化机理及其对动力场结构的影响。本项目可为改进底摩擦效应参数化方案、提高海洋数值模拟与预测能力提供基础数据和科学依据。

底摩擦效应对于海洋动力系统至关重要，研究近海动力过程必然面临对其参数化的问题。在真实海洋环境中，目前的观测和研究多基于低流速的情况，且观测的时间长度较短，无法充分研究底摩擦效应在高流速情境下的时间变化规律和机制。底摩擦系数（BFC）作为量化底摩擦效应的重要参数，与海洋动力场、沉积物和地形等密切相关，诸多研究已经证实BFC具有时间和空间分布性，这大大增加了对其进行参数化的难度。目前广泛应用的参数化方案简单粗暴，影响了数值模拟的准确性。. 本课题基于现场观测、数据同化和参数估计等多学科研究方法，对底摩擦效应的时间和空间变化机理展开研究，具体成果总结如下：. （1）基于高分辨率潮波伴随同化模式，得到渤黄东海具有物理意义的底摩擦系数时间和空间分布。研究发现，时间平均底摩擦系数和深度平均流速呈明显的负相关，从水深、潮波动力机制、沉积环境等角度阐释了底摩擦系数空间分布的物理意义。. （2）基于强流海域坐底式观测平台，得到底边界层内长期、连续、高频观测资料，研究了水道底边界层的动力特征，重点分析了底应力、底摩擦系数等湍流特征量的时间变化特征及主控因素，尤其是发现、阐释了高流速下的底边界层减阻现象。. （3）作为延伸性预研究，探讨了东海内陆架悬沙锋面的长期动态、空间格局和统计特性，并揭示了地形、潮汐、风、层化、径流、黑潮入侵以及ENSO对悬沙锋面空间特征和长期变化的调制机制。. 科学意义方面，本课题：1）构建了强流海域底边界层在线观测系统，获取了长时间尺度的底边界层实测数据，为开展进一步的研究奠定了数据基础。2）研发了高分辨率潮汐潮流伴随同化模式，开发了时空分布底摩擦系数的自动优化算法，相关成果应用于国家重点研发计划——“全球变化及应对”重点专项。3）以第一、通讯作者身份发表JGR、Ocean Modelling、Physics of Fluids等国际主流SCI期刊论文18篇，其中包含中科院2区及以上论文十余篇。本课题为改进底摩擦效应参数化方案、提高海洋数值模拟与预测能力提供了数据基础和科学依据。