基于遥感图像的南海北部内孤立波及相互作用研究

本文通过对卫星遥感图像中的内孤立波及相互作用现象进行统计分析,讨论了南海北部内孤立波及相互作用现象的时空分布特征,验证了利用卫星遥感图像反演内孤立波振幅和传播速度以及研究内波相互作用现象的可行性。统计结果表明,南海北部的内孤立波主要集中在东沙群岛以及海南岛南部,内波相互作用主要集中在东沙岛西北部以及海南岛南部。本文对此给出解释:内波传播至东沙岛附近发生绕射,绕射的内波分裂成两列后以不同的传播方向继续向西传播,相遇并发生相互作用;内波在海南岛浅滩处发生反射,与后续传来的内波发生相互作用。同时,本文利用Korteweg-de Vries (KdV)方程和Benjamin-One(BO)方程,结合观测数据,对内波振幅和传播速度进行了反演实验。反演所得的内波振幅和传播速度与南海北部实际内波振幅和传播速度相近。     

吕宋海峡内波传播演化的数值模拟

吕宋海峡生成的内波在往南海西部传播的过程中,具有明显的二维辐射特征,这是传统的一维KdV模式无法刻画的.基于弱二维的KP方程,并结合南中国海吕宋海峡附近内孤立波的观测资料,模拟了潮成内波的演化特征.数值结果较好地反应了内孤立波的二维特征.相比于一维的KdV方程,KP在内孤立波的仿真反演方面具有更大的优势.     

内孤立波过陆架陆坡地形的数值模拟研究

内波是海洋中普遍存在的波动形式。内孤立波是典型的非线性内波,多发于陆架边缘海,如南海等海域,对陆架海域有重要影响。本文针对内孤立波在陆架地形上的传播问题,先基于弱非线性与全非线性数值模型,模拟了不同振幅、地形高度条件下内孤立波的演化的过程,探讨了动力系数对内孤立波演化过程的影响,对比了两模型的模拟结果在内孤立波演化过程、能量分配以及能量耗散的差异,后分析了南海的动力系数分布特征。结果表明,在内孤立波不发生破碎的情况下,弱非线性模型与全非线性模拟结果相近。当发生破碎过程时,弱非线性模型可准确模拟头波,但无法通过强非线性的破碎过程耗散能量,只能以裂变的方式辐射能量。在弱非线性模型中,随地形高度增加,频散系数减小到零,平方非线性系数由负转正,立方非线性系数绝对值增大一个量级,并主导陆架地形上内孤立波的演化过程。通过对比南海夏季与冬季非线性内波动力系数空间分布,发现内孤立波在传播过程由于夏季平方非线性效应、立方非线性效应与频散效应较强的影响,其在夏季更易发生陡化与裂变,波列发生频率高。     

南海内波研究前沿与热点

内波为发生在层结海洋内部的亚中尺度波动,是物理海洋学研究,特别是海洋混合及能量级串研究,不可或的缺环节。孤立内波的突发性巨大冲击能量可对水下航行和工程设施构成灾难性威胁,实现实时监测与预报海洋内波具有重大现实意义。南海是全球海洋中超强内波多发海区之一。长期现场观测表明,吕宋海峡以西海域内孤立波振幅高达150～200 m,且终年发生。因此,南海是目前海洋内孤立波观测与研究热点海域。本文以2015年至2021年间发表的论文为依据,评述南海内波研究新进展,认为7 a来研究成果取得质的提升。第一,实现了由卫星为主要手段2D观测到以卫星与潜标同步3D观测为主要手段的提升。由此催生出振幅240 m超强内孤立波、中尺度涡对内波的调制作用、重现周期23 h 内孤立波、浅海内孤立波裂变现象、深海盆内波及动能级串等创新成果。第二,研究区开始呈现向中部深海盆扩展趋势。迄今为止,南海内波观测与研究集中在吕宋海峡以西和北部陆架,现已出现向中部深海盆扩展趋势。第三,海洋探测高新技术应用于南海内波观测与研究,取得了突破性成果。由卫星高度计沿轨海面高度场二维平面波分解技术得出的南海M₂内潮辐射图,解决了多年争论不休的南海北部内波生成机制和生成源地问题。人工智能技术成功应用于建立南海邻近的边缘海内波传播预报模式。模式预报的一个潮周期之后内波波峰线位置与后续卫星图像上显示的位置之间的平均相关系数达95%,平均距离均方根差为3 km。快速深潜剖面浮标技术应用于南海北部深海盆,得出0～3 500 m 全水深内波波段（周期为0.1～1.8 d）波动引起的水温起伏幅度垂直分布。高分辨水下声成像技术,包括人工地震技术和回声探测仪,成功应用于南海北部陆架内波观测与研究。其中回声探测仪图像空间分辨率达10 cm,清楚显示出内孤立波波包精细结构,可精确测得水平尺度仅为2 m的孤立波特征半宽度。可以预期,大量科学研究成果的积累,特别是采用人工智能技术建立内波传播预报模式的成功实例,必将为开发南海内波精准预报模式奠定基础。     

基于快速行进算法的南海内波传播模型

南海内波水平二维空间位置的估计和预测具有应用价值。一个简单而精确的估计南海非线性内孤立波地理位置的经验模型已由Jackson(2009)提出,该模型将快速行进算法应用于海洋内波传播并给出内波相速度与深度关系的经验模式函数。本文尝试用KdV方程计算非线性内波相速度,以探讨海水层化对相速度和内波传播的影响。初步结果表明,海水层化的时空差异在内波传播过程中不可忽略。本文进一步将考虑海水层化的非线性内波相速度代替文献中的经验模式函数,建立不依赖于现场实测数据的基于快速行进算法的南海内波传播模型,并给出计算个例。本文模型的计算结果从个例来看与文献一致。     

南海北部反气旋涡对内孤立波传播的影响研究

海洋内波具有振幅大、流速强和周期短等特点,可对海上施工和水下作业安全造成严重威胁。南海北部陆坡海域是内孤立波和中尺度涡频发的海域之一,研究中尺度涡对内孤立波传播的影响对深入了解南海北部内孤立波在反气旋涡过境时的传播特征、提高该海域内波预报准确性具有重要意义。基于此,本文利用布放于南海北部东沙群岛西侧陆坡海域的潜标观测数据,针对2017年3月一个反气旋中尺度涡经过潜标站位的过程,探讨了中尺度涡对内孤立波传播的影响。结果表明：①受反气旋涡影响,内孤立波的平均振幅减小28.6%,其主要原因是中尺度涡导致等温线下压,进而对内孤立波的振幅产生抑制作用,其影响过程可用趋浅温跃层理论描述。②反气旋涡影响期间,内孤立波的平均波速由1.26 m/s增大到1.47 m/s,增幅约16.7%,反映了反气旋涡对内孤立波波速的强化作用,这种强化作用主要是由中尺度涡边缘流场引起背景流场变化所致,而中尺度涡引起的温盐场变化对内孤立波波速的影响相对较小。     

南海文昌海域内孤立波特征观测研究

内孤立波对大陆架边缘海区的混合和生态有着显著影响，近年来已成为物理海洋学研究的热点。但是南海北部陆架的内波现场资料极为缺乏。2005年4—7月，中国科学院海洋研究所在文昌海区进行了文昌内波实验。通过此次现场观测数据发现，在4月下旬文昌海域有着强盛的内孤立波，其振幅在40m左右，产生的斜压流接近1m／s，且传播方向平行于等深线切线方向，向西南方向传播。分析还得出此类内孤立波并非发源于吕宋海峡，应该属于潮地相互作用局地生成的内孤立波。     

单一海脊地形对海洋内波生成与传播影响的分析

在海洋内波多发区,海底地形变化是影响海洋内波生成、传播和演化的重要因素。本文基于不可压缩原始N-S方程,在非静压近似条件下,通过建立适应于非线性海洋内波研究的非静压海洋动力学模型,并将其应用于正压潮驱动下的内孤立波生成和传播的数值模拟研究。根据模拟结果,研究了一类单海脊地形拓扑结构变化对内孤立波生成和传播的影响;分析并讨论了地形拓扑结构参数变化与生成的内孤立波传播至特定位置的抵达时间、强度等特征参数之间的变化关系;提出内孤立波生成之前在海脊一侧形成"L-下陷"结构的观点,并揭示了与该观点相合的能量"积聚"和"释放"机制。     

变系数EKdV模型在模拟南海北部大振幅内孤立波传播和裂变中的应用

利用垂向连续分层变系数EKdV模型,模拟了南海北部海域大振幅内孤立波的传播和裂变过程,并与观测数据进行比较。结果表明:连续分层变系数EKdV模型能够较好地反映振幅小于100m的内孤立波的振幅和波宽,对于更大振幅的强非线性内波,该模型模拟的振幅和波宽均较实测较小;非线性模态函数能够较准确地反映温度振荡的垂直结构,而水平流速的大小和垂直结构则与线性模态较符合。研究结果表明,变系数EKdV模型能够为研究和理解大振幅内孤立波的传播和裂变过程提供较好的理论支持。     

基于X 波段雷达获取东沙群岛附近内波的传播速度

根据2009年6月24日15时40分至25日16时40分“科学一号”考察船在东沙岛东北部陆架上K106站进行的长达25 h的X波段雷达、温度链、声学多普勒流速剖面仪(ADCP)同步观测数据,在该海域利用 Radon 变换技术获取了本次观测到的内孤立波的传播速度.利用该孤立波到达前30 min 的ADCP 流速值,计算得到内波传播方向上的背景流流速为0.04 m/s.最终得出该孤立波的传播速度为3.04 m/s,传播方向约为297°.基于同样的处理方法,求解了本航次中获取的南海东北部陆架处其他站点部分内波的波速信息.南海东北部陆架处内波,主要向西或西北方向传播.本研究对增进东沙群岛附近内孤立波传播特征的认识,具有重要意义.     

内孤立波波-波相互作用的数值模拟

基于弱二维的KP方程，并结合南中国海东沙群岛附近内孤立波的观测资料，模拟了内孤立波的波-波相互倌用0数值结果较好的反应了内孤立波的二维特征，同时体现两个内孤立波波-波相互作用的非线性特征，即两波相交处相速随振幅的增大而变大。相比于一维的KdV方程，KP在内孤立波的仿真反演方面具有更大的优势。     

南海北部内孤立波数学模型

在二层内潮数学模型的基础上,考虑非静力平衡扰动压力的影响,导出潮频内孤立波产生、传播的数学模型。该模型不受小地形假设的限制,并适用于南海。应用该模型能解释说明产生以下现象的物理机制：潮流流过巴坦-萨布坦海脊时,在一定海洋环境条件下,通过潮流与起伏的底地形相互作用可激发产生潮频内孤立波,并西传至东沙群岛附近的海域。     

基于调制不稳定性的吕宋海峡内孤立波生成机理探讨

The South China Sea (SCS) is a hot spot for oceanic internal solitary waves due to many factors, such as the complexity of the terrain environment. The internal solitary waves in the northern SCS mainl...     

不同TVD 格式对内孤立波数值模拟结果影响研究

为了研究不同TVD格式对内孤立波模拟结果的影响,利用改进后的SUNTANS三维非静压海洋模型,通过理想算例和南海东北部海域内孤立波的模拟,比较分析了求解温盐方程TVD格式的4种经典通量限制函数(superbee, minmod, van Leer和MUSCL)对计算结果的影响。综合理想算例和南海东北部海域模拟结果,在所讨论的4种通量限制函数中,利用MUSCL限制函数所得模拟结果最优,建议在南海东北部海域内孤立波模拟中采用MUSCL限制函数。     

两相流模型在南海内孤立波与沙波相互作用中的应用

为研究内孤立波与沙波的相互作用,本文对基于OpenFOAM的SedWaveFoam求解器进行改进,建立了内孤立波-泥沙运动欧拉两相流模型。在利用试验资料对模型进行验证的基础上,在南海北部典型代表性条件下,模拟分析了500 m水深位置沙波床面上内孤立波作用下的水动力变化和泥沙运动。结果表明,内孤立波逐渐离开沙波时,海底沙波背流面处出现与内孤立波背景流速反向的流速,在内孤立波导致的流场作用下,沙波床面上的泥沙悬起并运动到床面以上的水体中。振幅100 m的内孤立波可以导致床面以上14 m高的位置处出现约0.07 kg/m³的悬沙浓度。     

南海北部内孤立波SAR遥感反演的初步研究

应用海洋内孤立波2层流体模型的SAR遥感反演技术,对南海北部内孤立波SAR遥感反演进行了初步研究.对于不存在由同一波源生成的2个内孤立波波包的SAR遥感图像资料,可以利用Levitus等的月平均温盐资料确定跃层深度和约化重力加速度,进而确定内波波速并进行内波振幅的反演.这样能够充分利用宝贵的SAR图像资源.     

内孤立波下深水半潜式平台系统动力响应研究

我国南海海域海洋环境条件复杂且海水密度垂直层化现象显著,内孤立波活动频繁,因内孤立波而造成海洋开采平台破坏的案例屡见不鲜。依托水动力计算软件AQWA二次开发功能,采用Kdv方程,借助Fortran语言将深水半潜式平台立柱、浮箱、系泊系统3部分的内孤立波作用力叠加到外力项中,联合求解半潜式平台的6自由度动力响应特性。数值模拟结果表明,在内孤立波作用下,半潜式平台的运动及系泊线张力均受到了显著的影响。在不考虑系泊系统受内孤立波作用时,平台在纵荡和横荡方向上产生较大的漂移运动,最大偏移量较无内孤立波情况下增加了8倍;系泊线最大张力提高了17%,增加了系泊线断裂的风险。在考虑系泊系统受内孤立波作用时,平台的纵荡和横荡运动响应在原响应基础上继续提高15%,但是系泊线张力变化不大。内孤立波不同浪向下的平台纵荡和横荡响应相差也很明显;系泊系统合力在不同方向上的大小决定了平台不同方向上运动的大小。     

基于遥感的南海北部中尺度涡对内孤立波传播的影响

海洋内孤立波和中尺度涡是南海北部常见的中尺度动力过程。本文利用2010?2015年的Terra/Aqua-MODIS、ENVISAT ASAR和多源卫星高度计资料开展了南海海洋内孤立波和中尺度涡遥感探测研究,分析了中尺度涡对内孤立波传播方向的影响。结果表明,中尺度涡和内孤立波主要在南海东北部海域共存,当二者共存时,气旋（冷涡）促使内孤立波偏离原来的传播方向,向西偏南方向传播;反气旋（暖涡）促使内孤立波向西偏北方向传播,气旋与反气旋改变的内孤立波传播方向刚好相反。内孤立波和中尺度涡共存时间主要集中在3?9月,其中,3月受气旋和反气旋的共同作用,内孤立波传播方向几乎无变化;4月和5月,主要受气旋影响,内孤立波偏离原来传播方向向南传播;6?9月,主要受反气旋影响,内孤立波偏离原来的传播方向向北传播。本文利用遥感手段探索了海洋中尺度涡对内孤立波传播方向的影响,结果与现场观测结果一致。     

南海北部陆坡海区春末第一模态内孤立波观测及特征分析

为获取南海北部陆坡海区第一模态内孤立波的动力结构及时间变化特征,本文利用该海区1套内孤立波浮标观测数据,对陆坡海区的内孤立波现场观测数据分析,识别判定了2021年5月5日至6月3日共30 d的179次第1模态内孤立波过程,并进行了内孤立波的特征分析。南海北部陆坡海区第1模态内孤立波剖面流场为双层结构,上层主要为西偏北向流动,下层流向与之相背,流速转向发生在100～150 m深度处。内孤立波期间,最大流速多发生于上层,流速为60～120 cm/s,底层流增强,上层流与下层流流向相反。受内潮影响,研究区域内孤立波存在半日和全日2个周期,主要以20～30 min间隔的波列形式向西偏北方向传播。本文关于南海北部陆坡海区第一模态内孤立波的分析研究有助于提升对该海区内孤立波时空变化特征的认识,为工程水下施工提供参考和依据。     

南海东北部C型内孤立波的观测与分析

基于布放在南海东北部陆坡海域的5套潜标观测到的内孤立波波列数据和孤立波扰动KdV(PKdV)理论,研究内孤立波在趋浅陆架上的传播特征。得出如下结果:1)观测到的内孤立波属于C型内孤立波,即平均重现周期为(23.41±0.31)h。2)内孤立波在西传爬坡过程中,其振幅表现为先增大后减小再增大,与该海域温跃层深度的变化趋势一致;由观测数据和理论计算得到的孤立波振幅增长率(SAGR)数值接近,表明该海域的内孤立波的振幅变化可以采用由孤立波PKdV方程导出的趋浅温跃层理论来描述。3)随着水深变浅,内孤立波传播方向向北偏移,传播速度减小,即在A,B和D站位,传播方向分别为279°,296°和301°,偏转角度达22°;传播速度分别为2.36,2.23和1.47 m/s,减小38%。