太平洋不同海水层结条件下的内波波致声场起伏研究

基于Argo资料对太平洋海域海水层结进行分类区划,利用内波动力学方法对内波致声起伏进行数值求解,对不同层结状况下的内波致声起伏进行模拟试验。结果表明:垂直方向海水层结的不均匀和跃层的存在,使海洋内波斜压模态受到了歪曲变形。层结峰的个数和深度与声速起伏存在很好的对应关系。有内波的声传播特征总体上与没有内波时的相似。不同层结情况下,声场对内波扰动的响应不一致。     

背景流中海洋内波垂向结构的计算和分析

利用了无摩擦、不可压情况下的旋转流体线性方程组,基于数值计算的方法,对背景流中海洋内波各个模态垂向结构进行了分析。结果表明:在无背景流时,海洋内波的垂向结构为简谐波;模态越高,其在垂直方向结构就越复杂,这时其模态属海洋内波的离散谱。在有垂直切变的背景流时,因受背景流的调制,其波形发生变化;此时海洋内波的前几个模态仍与简谐波类似,属海洋内波的离散谱,而此后的模态垂向结构不再光滑连续,出现了间断(奇性),该间断处即为临界层,该具有间断的模态属海洋内波的连续谱,而其积分则为海洋内波波包。正海洋内波在海洋中非常常见,是发生在密度稳定层化海水中的一种波动,其最大振幅出现在海洋内部,是重要的海洋中尺度现象。海洋内波的存在,使得海水运动以及水文要素的分布与变化更加复杂。由于内波发生机制的复杂性以及时空特征的随机性,内波成为海洋学研究中的难点。鉴于海洋内波在海洋学和军事上的意义,目前已经成为研究的活跃领域。对海洋内波垂向结构的研究不但有重要的理论意义,而且有广     

海洋内重力惯性波不稳定模态分析

基于海洋动力方程的内重力惯性波数学模型给出其数值求解方法,并对沿垂直切变背景流传播的海洋内重力惯性波的不稳定做了探讨,得到的结论有:在不考虑海底地形和采用刚盖近似的条件下,在稳定层化海水中,当背景流为常数时,海洋内重力惯性波均是稳定的。在较弱的稳定层结下,具有垂直切变的背景流会导致海洋内重力惯性波的不稳定。该不稳定内波的增长率对其波长具有选择性并可有短波截断。增长率最大处出现在波长为几十公里的范围内。对固定的内波波长,背景流垂直切变越强则其最大增长率越大;若此时有多个不稳定模态,则增长率最大的模态其垂直结构最简单。该不稳定内波流函数的结构在垂直方向大体呈单圈环流形态,环流中心可以是一个,也可以是2个,后者则呈"猫眼"结构。     

海洋内波的产生与分布

海洋内波是指在海水稳定层化的海洋中产生的、最大振幅出现在海洋内部的波动。由于是产生于海洋内部 ,内波的恢复力主要是约化重力 ,这是它不同于表面波的一个重要特征。此外 ,还有许多其他不同特征 ,例如 :内潮波的振幅远大于表面潮波的振幅 ,但速度却要小得多 ;内波的群速度方向与其相速度方向几乎垂直 ;内波不仅在水平方向和时间上存在着固有结构 ,而且在垂直方向上也存在着特定的结构等。方欣华、王景明１９８６年对内波在时间和空间尺度分布特征上的一些典型值做了介绍。尽管海洋内波的频率范围相当广泛 ,但已有的多数研究工作主要集中…     

内波场中水平桩柱波阻的实验研究

分析水平阻力与内波波要素的关系,采用实验室实验的方法,研究了水平桩柱与内波的相互作用,焦点是研究内波波要素与波阻之间的关系。实验中的密度分层采用典型跃层型剖面,而内波是由自行研制的造波机生成。实验结果表明,当内波的频率不变时,水平桩柱所受到的阻力随着内波的振幅增加而增加,它的量值与分层有关。对于强跃层的密度分布,当桩柱处在跃层中时,受到的水平波阻较小,而在跃层之外则受到较大的水平波阻。     

东海内陆架春季跃层和内波影响下的环境要素分布

基于东海内陆架P2连续站春季流速和环境要素的观测数据,发现该站存在由浙闽沿岸水系和陆架混合水系界面形成的较强跃层,跃层的浮频率在1×10-3s-2左右。跃层上下水体的温盐值变化和流场的变化有相关关系。环境要素在跃层的影响下呈现显著的分层结构,说明跃层对环境要素的垂直交换起到了限制作用。同时跃层的存在也为内波的产生提供了条件,斜压结构主要由具有半日潮频率的内潮和近惯性频率的内波组成。在观测开始和结束时刻,跃层深度显著抬升,跃层中存在Ri-1大于4的情况,这与叶绿素溶解氧跨跃层现象存在的时刻对应,说明这两个时刻水体由于内波活动改变了跃层深度并存在剪切不稳定的情况,进而引起了水体的垂向交换,为环境要素的跨跃层混合提供了条件。跃层和内波分别对环境要素的垂直混合起到了阻碍和加强的作用。     

南黄海和东海层化陆架区的强制波

本文从理论上探讨了夏季南黄海和东海层化陆架区,在台风作用下强制界面波的基本特性。研究表明,上层强制波受内界面波的影响甚微,具有与正压海强制波同样特性,它导致了一个随台风移行的孤立波,同时派生一个逆向传播的陆架波系。在台风域内跃层下陷导致内界面波时空不连续,形成一个“零波域”随台风移行,但仍有一个内陆架波逆向传播。其振幅随跃层下层水深的增加而增大,下层水深随风速的增大而减小。上层波振幅小于下层内波振幅。     

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。     

海洋内波发展演变数值试验

利用二维非静力数值模式,对海洋跃层中剪切背景流下内波做了线性和非线性模式的数值试验,结果表明:在本文所取的初始场和环境参数下,海洋内波密度扰动大值中心始终出现在密度跃层附近,被跃层所俘获,这与实际观测相一致;线性情况下,流函数扰动中心与密度扰动中心有很好地配合,密度扰动正、负中心附近分别存在流函数扰动的正、负单圈环流中心,且单圈环流垂直贯穿整个水体。线性模式中内波扰动强度在调整适应期后一直呈指数增长发展,剪切背景流是不稳定的;而非线性情况则呈准线性增长发展,以后增长停止而进入稳定期,且后者的增长也比前者要慢;非线性效应抑制了内波增长而使之趋于稳定,具有维稳作用。随着积分时间增加,线性模型中内波波包波形基本不变。波包的负、正振幅大体相同,整个波包宽度也基本不变,仅振幅有所增长;内波波包传播速度与其振幅无关,且传播速度基本不变。非线性情况下内波波包的形状则发生改变,其负、正振幅之比越来越大,波峰前的陡降也越来越强;并且内波传播速度与其振幅和波形有关,通常非线性效应越强,内波传播越慢。从本文中海洋内波的波长、周期和传播速度来看,该内波属于高频内波(短周期内波),性质为内重力惯性波。     

内波流场中悬链线立管涡激振动数值研究

基于内波流场的eKdv理论并结合尾流振子模型和挠性立管的非线性振动方程建立内波流场中悬链线立管计算模型,研究了内波流场中悬链线立管升力方向运动的响应问题,并分析了内孤立波波高和密度跃层位置对悬链线立管升力方向响应的影响。结果表明:内孤立波经过悬链线立管时会引起突然增大的涡激振动,其中高阶模态占主导;涡激振动最大位移发生于流体密度跃层位置附近;内孤立波波高增大以及密度跃层位置加深会使立管转变为更高阶模态振动,并且密度跃层位置加深会使立管涡激振动位移明显减小。     

浮式生产储油系统内孤立波载荷特性实验

将置于大尺度密度分层水槽上下层流体中的两块垂直板反方向平推,以基于MCC理论解的内孤立波诱导上下层流体中的层平均水平速度作为其运动速度,发展了一种振幅可控的双推板内孤立波实验室造波方法,并对内孤立波作用下浮式生产储油系统(FPSO)的载荷特性开展了系列实验。结果表明,无因次内孤立波水平力和力矩幅值均与先导内孤立子无因次振幅之间呈线性关系,其斜率与上下层流体深度比有关;在各种上下层流体深度比下,无因次内孤立波垂向力幅值与先导内孤立子振幅之间近似呈幂函数关系。     

Wind effects on sub-tidal currents in Puget Sound

Wind effects on sub-tidal currents are studied using current meter records obtained at six moorings across the main basin of Puget Sound. High correlations between wind speeds and currents are found near the surface and at mid-depths of about 100 m. Empirical Orthogonal Function analysis applied to the axial currents in 1984 and 1985 shows that mode 1, containing over 60% of the variance, is highly correlated with wind speed even without any near surface current records. When near surface stratification is strong, direct wind effects are limited to the upper 30 m with counter currents in the lower layer indicating a baroclinic response. The transport in the lower layer almost balances the transport in the upper layer. When near surface stratification is weak, direct wind effects on currents can be detected to about 100 m. In this case, there is no clear and consistent depth at which one can separate the upper from the lower layer. Time series show that the acceleration in the surface layer initially increases in the same direction as the wind when the wind starts blowing, but it reaches a maximum, starts decreasing, and eventually changes to the opposite direction (decelerates) while the wind continues to blow in one direction. Results of a continuously stratified normal mode model and estimations from the observations suggest that friction at solid boundaries is a major cause of these phenomena. The model shows that modal currents of normal modes 2 and 3 are as important as mode 1, although the resultant vertical structure of total current shows a two-layer type pattern with only one zero crossing. The effect of the baroclinic pressure gradient is only apparent at low frequencies and among lower modes.     

Generation of internal waves by barotropic tidal flow over a steep ridge

A three-dimensional nonhydrostatic numerical model is used to study the generation of internal waves by the barotropic tidal flow over a steep two-dimensional ridge in an ocean with strong upper-ocean stratification. The process is examined by varying topographic width, amplitude of the barotropic tide, and stratification at three ridge heights. The results show that a large amount of energy is converted from the barotropic tide to the baroclinic wave when the slope parameter, defined as the ratio of the maximum ridge slope to the maximum wave slope, is greater than 1. The energy flux of internal waves can be normalized by the vertical integral of the buoyancy frequency over the ridge depths and the kinetic energy of the barotropic tides in the water column. A relationship between the normalized energy flux and the slope parameter is derived. The normalized energy flux reaches a constant value independent of the slope parameter when the slope parameter is greater than 1.5. It is inferred that internal wave generation is most efficient at the presence of strong upper-ocean stratification over a steep, tall ridge. In the Luzon Strait, the strength of the shallow thermocline and the location of the Kuroshio front could affect generation of internal solitary waves in the northern South China Sea.     

The annual cycle of vertical mixing and restratification in the Northern Gulf of Eilat/Aqaba (Red Sea) based on high temporal and vertical resolution observations

The stratification in the Northern Gulf of Eilat/Aqaba follows a well-known annual cycle of well-mixed conditions in winter, surface warming in spring and summer, maximum vertical temperature gradient in late summer, and erosion of stratification in fall. The strength and structure of the stratification influences the diverse coral reef ecosystem and also affects the strength of the semi-diurnal tidal currents. Long-term (13 months) moored thermistor data, combined with high temporal and vertical resolution density profiles in deep water, show that transitions from summer to fall and winter to spring/summer occur in unpredictable, pulses and are not slow and gradual, as previously deduced from monthly hydrographic measurements and numerical simulations forced by monthly climatologies. The cooling and deepening of the surface layer in fall is marked by a transition to large amplitude, semi-diurnal isotherm displacements in the stratified intermediate layer. Stratification is rebuilt in spring and summer by intermittent pulses of warm, buoyant water that can increase the upper 100–150 m by 2 °C that force surface waters down 100–150 m over a matter of days. The stratification also varies in response to short-lived eddies and diurnal motions during winter. Thus, the variability in the stratification exhibits strong depth and seasonal dependence and occurs over range of timescales: from tidal to seasonal. We show that monthly or weekly single-cast hydrographic data under-samples the variability of the stratification in the Gulf and we estimate the error associated with single-cast assessments of the stratification.     

河控型河口盐度层化对悬沙的捕集机制

河控型河口盐度混合和层化是控制悬沙输移扩散的重要动力机制。以珠江磨刀门河口为研究对象,基于2017年洪季三船同步大、小潮水文泥沙观测数据,分析河控型河口水体盐度层化结构的时空变化对悬沙分布的影响机制。结果表明:受径潮动力耦合时空变化影响,河口盐度垂向分布表现出时空差异,即受径流主导的M1站(挂锭角),河口盐度在涨落潮周期内垂向混合均匀,受径潮控制的M2站(口门)在整个潮周期内盐度层化结构明显,口门外侧的M3站,潮动力作用较强,盐度垂向分布随涨落潮变化而变化;悬沙空间分布与盐度分布关系密切,盐度混合均匀利于悬沙垂向均匀分布,而盐度层化则使悬沙倾向于滞留在底层水体中,且在盐度层结界面之下出现高悬沙浓度,悬沙浓度垂向分布曲线呈L字型或抛线型,纵向上表现为高浓度悬沙团抑制在盐水楔前端,盐度层化对悬沙的捕集效应明显。通过对比水体标准化分层系数与水流垂向扩散强度系数发现,两者呈现负相关关系,即标准化分层系数愈大,垂向扩散强度愈小,表明水体层化抑制悬沙垂向扩散强度,而且水体层化程度越高,悬沙垂向扩散抑制程度越大,进而促进了河口水体盐度层化对悬沙捕集作用。本研究有助于揭示河口细颗粒泥沙运动机制及河口拦门沙演变机制,并为磨刀门河口拦门沙治理提供科学依据。     

Resonant Excitation of Baroclinic Waves in the Presence of Ekman Friction

The quasi-geostrophic dynamics of disturbances of a flow with a vertical shear is described by a transfer equation for potential vorticity. Wave solutions of this equation are represented by edge baroclinic waves (modes in a discrete spectrum) and singular modes in a continuous spectrum. When frequencies of these modes coincide, the effect of resonant excitation occurs in which the amplitude of baroclinic waves increases linearly. This paper studies this effect in the presence of Ekman bottom friction. It is shown that friction suppresses linear wave growth and gives rise to baroclinic waves of finite amplitude.     

波浪破碎下湍流混合的实验研究

波浪破碎过程产生的湍流动量和能量垂向输运对于加快海洋上混合层中垂向混合具有显著效果。采用二维实验室水槽中对波浪破碎过程进行模拟。对采集的波浪振幅时间序列采用希尔伯特变换定位破碎波位置,波浪的破碎率随有效波高的增加而增大,波浪谱分析得到的波浪基本周期与有效周期结果相似。实验中采用粒子图像测速技术(particle image velocimetry, PIV)计算波浪破碎过程中湍动能耗散率的空间分布。湍流强度与波浪的相位密切相关,波峰位置处湍流活动最为剧烈,而且波峰位置处湍流混合区内湍动能耗散率量值的垂向分布基本保持不变,即出现"湍流饱和"现象,湍流影响深度可以达到波高的70%—90%。计算湍流扩散系数的垂向分布发现,湍流扩散在混合区上部随深度的增大以指数函数的形式增加,在混合区下部趋于稳定。作为对比,在相同位置处对声学多普勒流速测量仪(acoustic Doppler velocimeter, ADV)测量的单点流速做频谱分析,发现与该位置处PIV湍动能耗散率结果量级处于同一水平,进一步验证了实验结果的准确性。     

在IONESS系统中浮游介形类的昼夜垂直移动

根据IONESS系统对浮游动物的分层采样结果,研究浮游介形动物的昼夜垂直移动.浮游介形类存在着整个类群的昼夜垂直移动,白天其丰度最大值记录于200～300m层,并往上层水域递减,而夜间则明显往上层密集,丰度最大值提升至50～100m层;就物种多样性而言,由于工作水层(0～1000m)以深水层的众多种类于夜间上升至1000m以浅水层,导致工作水层内总种数由白天的49种剧增至夜间的78种,增幅达60%,各分层的种类数都有较明显的增加,750～1000m层的增幅最大,达150%,其次为50～100m层(增幅达125%);各种浮游介形类有不同的昼夜垂直移动模式,但绝大多数种类属于夜间上升型,少数种类属于不敏感类型,极少数种类却具夜间下降的移动特点.浮游介形类虽具明显的昼夜垂直移动,但这一变动往往局限于一定水深范围,从而反映出介形类的层状分布特点,可划分为广深分布型、上层分布型、中层分布型和下层分布型.