海洋内波动力学

海洋内波的研究已有较长的历史。Stokes(1847)和Raleigh(1883)分别作了两层流体界面处的波动和连续层结流体中的内波理论研究。本世纪初(1902)Nansen第一次报告了有关海洋内波的观测结果。但由于观测技术限制和理论研究的困难,关于海洋内波的研究长期处于缓慢发展状态。 到了40年代,由于内波对潜艇活动和声纳功能的严重影响等原因促使人们重视海洋内波的观测与研究,而海洋调查仪器和资料分析方法的发展也使内波观测和分析快速发展起来。到了70年代初,在大量调查和研究的基础上,Garrett和Munk(1972,1975)提出大洋内波谱模型(在物理海洋学中被称为GM模型)。此模型假设大洋内波场可抽象成一平稳随机场,它具有水平均匀、水平各向同性、垂向对称性(即上传与下传波能相等)。内波可表示成在一定频率区间内各种频率、各种波数的自由传播的进行波之叠加。从当时所得观测资料看,此模型几乎普遍地适用于世界各大洋。     

地震海洋学研究进展

传统船舶调查获取海洋水体温盐资料的方法在水平方向上分辨率较低,而用反射地震探测海洋水体特性的方法--地震海洋学,能有效提高海水温盐资料在水平方向上的分辨率.概述了近5年来地震海洋学的发展过程,重点介绍了地震海洋学方法在海洋锋面观测、水团边界划分、海洋内波分析、中尺度涡旋等方面的研究成果,以及AVO、全波形反演等反射地震处理方法在海洋水体特性研究中的应用.比较了地震海洋学方法与声层析技术、高频声技术等声学方法应用于海洋水体特性研究的异同.并展望了下一步研究工作的重点:①有关地震反射剖面的各种参数与海洋水体温盐结构物理模型的联系及其定量分析;②以研究海洋水体特性为目标的地震反射剖面的处理方法;③海洋地震调查历史数据的应用.     

分层密度流体的边界波动在不透水刚性底床的运动行为——Ⅰ造波条件对波型演化的关系

在一座二维内波实验水槽(12 m×0.7 m×0.5 m)、于总水深H等于40 cm的条件下,以淡、盐水依密度分层布置的两层流体,从事孤立内波生成的研究。内波水槽内的上下层水深比H₁/H₂、造波区位能差(η₀)、上下层的密度比皆为实验主要的控制变因。在各种不同实验条件配合之下,试验及比较以上变因对内波振幅能量及相关传递系数的影响,进而产生几种不同的波动特性:上举型孤立内波、下沉形孤立内波、非周期性的重力内波等,且不同形式的重力内波需要配合固定的造波条件使能达成。     

深海海底边界层原位观测系统研发与应用

为进一步研究南海北部陆坡海洋动力过程对深海海底边界层的影响,研发了“深海海底边界层原位观测系统(In-situ Observation System for Bottom Boundary Layer in Abyssal Sea)”,ABBLOS。观测系统主体为坐底式深海运载平台,最大工作水深可达6 700 m(实际工作水深取决于搭载设备的耐压水深),是研究深海海底边界层问题的重要技术创新。观测平台由上下两部分框架结构组成,上部框架用于搭载和回收观测设备,下部支撑架为配重,并且用于提供距离海底1 m的观测空间;同时创新性地设计了“卡槽定位-螺栓紧固”的连接方式连接上下两部分,连接方式简单可靠,保证了平台回收成功率。ABBLOS集成了75 k-ADCP、高频ADCP、ADV、高精度压力计、海底摄像机等设备,以及甲烷、温盐深、浊度、溶解氧、氧化还原电位等传感器,首次实现了内波、中尺度涡等海洋动力过程与海底边界层物理化学参数的动态变化同步观测,特别是可以观测距离海底1 m高度范围的水体流速剖面,并且达到7 mm一层的垂向空间分辨率。研制完成后,2020年在南海北部陆坡神狐海域655 m和1 405 m水深处分别成功布放并回收,观测时间共计34天,采集到观测站位上覆海水的流速剖面结构,捕捉到了平均周期为1天1次的内波作用过程,以及海底边界层的多种物理化学参数。初步分析655 m水深处的观测数据后,发现深海海底边界层的温度、压力、溶解氧、密度和盐度等参数受控于海洋潮汐过程,尤其是温度和压力的变化基本与潮汐周期同步。海底边界层氧化环境较为稳定,甲烷浓度由高变低,但是基本在海洋溶解甲烷平均浓度范围内。与潮汐相比,内孤立波对深海海底边界层水体的影响程度较小,但是明显可以引起沉积物的再悬浮,引起的海底边界层的海水浊度从背景值的0.01 NTU增大到48 NTU,海底摄像机也记录到了内孤立波期间深海底层海水突然变浑浊的过程,说明南海内孤立波可以影响海底沉积物的输运。     

地表的分形测量及其大地构造学意义

以湖北红安地区为例,采用投影覆盖法(projectivecoveringmethod)对地表进行了二维分形测量,结果表明,地表面积具有双分形(bifractal)关系,即具有小尺度的结构分形(texturalfractal)和大尺度的构造分形(structuralfractal),分叉点(breakpoint)的尺度为3610m,分维值都在2～3之间且结构分维值大于其构造分维值。可见,地表形态具有分形性质,分维值可以指示地表形态的复杂程度。构造分维值可作为构造活动强度的一个指标,可为大地构造单元的划分提供定量依据。复杂地表形态主要是由构造活动(内营力作用)和各种复杂表生地质作用(外营力作用)引起的,前者主要控制大尺度的地形起伏,后者则塑造小尺度的地表形态。地表分维值可以指示地表的发育成熟度,该地区小尺度的结构分维值大于大尺度的构造分维值表明其处于地表形态的发育晚期。此外,地表的分形尺度可以来用确定构造活动尺度,从而指导构造地质与找矿勘探研究。     

浅谈耗散结构和非平衡态热力学

具体说明了几个耗散结构的实例,综合对比了耗散结构与平衡结构的异同,并概括介绍了耗散结构的概念以及其生成条件。由闭系平衡态的摘产生和熵生率入手,借助局域平衡假设,从开系的平衡态进入线性非平衡态,讨论了不可逆过程唯象定律Ｏｎｓａｇｅｒ倒易关系、熵生率最小原理及该原理作为稳定性判据的不足．最后,提到了一般演化判据和非线性非平衡态热力学中讨论系统稳定性的办法。     

基于野外水力试验的玄武岩渗透性及尺度效应

在金沙江溪洛渡水电站坝区玄武岩中,进行了3种水力试验,探讨玄武岩渗透性及其尺度效应。平硐渗水试验的试验尺度为1～2 m,渗透系数为10-4～101 m/d,非常离散;地下水示踪试验的尺度为70～145 m,渗透系数为10-0.5～100.5 m/d,非常集中;压水试验的试验尺度为4～7 m,渗透系数值10-2～100 m/d。试验结果显示渗透系数随着试验尺度的增加而增大,笔者认为产生尺度效应的原因在于非均质性。小尺度试验常作用在局部基质段或单条裂隙上,而大尺度试验常穿越几条大裂隙,所获得的渗透系数值要大于前者。在进行裂隙岩体地下水渗流研究时,针对不同尺度的研究对象,应选择不同尺度的野外水力试验来求取渗透系数。     

西太平洋海域海山地形分形特征研究

对太平洋麦哲伦海山区、威克—马尔库斯海山区、马绍尔群岛、中太平洋海山区及莱恩群岛5个海山区的平顶海山与尖顶海山地形进行分形研究,结果表明两种类型海山地形具有不同的分形特征。海山形态投影覆盖法揭示平顶海山具有单分形的大尺度构造分形,尖顶海山具有大尺度构造分形和小尺度结构分形的双分形结构。海山等高线尺度法分形结果显示,同一海山区平顶海山分维值小于尖顶海山的;同一海山不同高程段等高线分维值基本保持稳定,垂向上具有明显的分段性,可以参考并使用它进行地貌垂向分带。     

细颗粒粘滑运动的能量耗散与释放试验

近年来,利用断层产物以及其中的颗粒来研究断层或地震带的能量耗散与释放,已引起大家的重视.在围压分别为30 kPa、60 kPa、100 kPa、200 kPa、400 kPa和600 kPa的条件下,采用直径为0.6~0.8 mm的玻璃珠以0.02 mm/min的轴向应变速率进行干燥、松散细颗粒材料的固结不排水三轴压缩试验.为了减少轴向应变过大时主应力轴旋转产生的误差及其对做功的影响,试验只分析加载后轴向应变为10%时试样变形破坏过程中的能量耗散与能量释放特性.试验结果表明:随着围压的增大,主震频率减小、偏应力降幅增大,但偏应力降幅与最大偏应力的比值逐渐趋于稳定.粘滑运动过程中,在偏应力骤降瞬间,声发射强烈、试样体积收缩,说明能量控制着试样的变形与破坏特征,耗散结构能量越大,系统发生滑动的频率越小.粘滑运动过程可以表示为能量耗散与能量突然释放.最后,从热力学的角度分析滑动过程的3个阶段,得出粘滑运动为不可逆耗散能与可释放应变能共同作用的结果.      

海洋微塑料源汇搬运过程的研究进展

海洋微塑料是全球性的环境问题和挑战,受到了国际社会的广泛关注。然而,现阶段研究主要集中在调查海洋表层微塑料丰度及生态效应,对深海环境中微塑料的分布和沉积搬运过程认识不足。通过总结近10年海洋微塑料的相关研究,综述了海洋微塑料来源、分布以及从源到汇的搬运过程。实地调查表明,海洋表层和水柱都是海洋微塑料的重要聚集区,而深海表层沉积物却是海洋微塑料最终沉积聚集的汇。海洋微塑料搬运到深海沉积汇的过程包括2种方式:垂向沉降和侧向搬运。实验室模拟表明,海洋中微塑料颗粒沉降速率为300～1 000 m/d,沉降过程除了受控于颗粒密度等物理学性质外,还受海洋动力过程、生物作用和海洋雪聚集等因素的影响。沉积在海底的微塑料则可以随再悬浮沉积物向深海侧向运移,该过程与内波、深海浊流或气候事件等因素有关。但是,微塑料向深海搬运的速率和数量等问题远未解决,不利于全面理解海洋微塑料从源到汇的搬运和沉积过程。因此,建议利用分层沉积物捕集器原位观测微塑料的沉降通量,以便开展深海微塑料源汇搬运过程研究。     

链接热带东印度洋环流的海洋波动桥梁

热带印度洋环流动力研究对认识海盆尺度物质和水体交换、区域乃至全球气候变化具有重要意义,亦服务于人类的生产生活。回顾了近年来基于中国科学院南海海洋研究所热带印度洋观测取得的环流动力方面的研究进展,探讨提出海洋波动桥梁概念,即：赤道波通过水平传播、垂向传播和东边界反射,在赤道上混合层、次表层和中深层调制着赤道流系的生成与变化;随着波动能量在东边界以沿岸开尔文波和反射罗斯贝波的形式往外赤道传输,赤道动力过程亦调节着外赤道的环流结构变化。作为能量传输的十字路口,海洋东边界是环流变化的动力支点。在其支撑下,海洋波动成为环流间重要的能量纽带,贡献于环流的动力联系,是东印度洋环流多尺度变化的重要内因。基于观测,初步探讨了大尺度气候模态等外因对热带东印度洋环流的影响。凝练的海洋波动桥梁动力学框架,为进一步研究热带印度洋的环流的特征、变化及影响提供科学启示。     

近海陆架区内潮观测研究进展

内潮是近海陆架区内最常见的海洋内波,一般是由正压潮经过特殊地形或海况激发产生,内潮由此具有天文潮周期且出现频率相对稳定。频繁出现的内潮对人类海上活动的影响有弊也有利,它可引发强烈的海水混合或产生上升流,使深层营养盐提升从而形成丰富的渔场;而大振幅内潮或由其演变出的强孤立内波会干扰海洋工程作业,对建成的石油钻井平台和海底油气管道构成严重的威胁;内潮导致的水体扰动还会对海上舰船的行驶产生不利影响。所以对近海陆架区内潮的观测研究一直为人们所重视。对内潮的一些相关特点做了简要介绍,主要论述了国际上近海陆架区内潮观测研究的进展情况,以及近几年来观测方法的最新发展趋势;并着重分析了南海北部海区内潮研究现状,讨论了目前南海内潮观测研究中存在的一些问题,进而提出今后开展进一步观测研究的思路。     

非线性科学在地学领域的应用

地球是一个开放的复杂的非线性大系统,它依赖于与宇宙星体不断的物质和能量交换及内部的耗散过程来维持自身的运动状态和各种层次的时空结构。      

镭同位素在海洋学研究中的应用及进展

镭同位素具有不同的半衰期,可以用来研究不同时空尺度的海洋学过程,在海洋学研究中得以广泛应用。镭同位素在海洋学中的应用主要包括溶解态物质输运,水体停留时间的估算,海洋地下水排放,沉积物的地球化学和放射年代学以及海洋水团分析5个方面的内容。从海洋中镭同位素的地球化学行为、测量方法及其在以上5个方面的研究综述了镭同位素海洋学研究进展,比较了海洋中镭同位素测量方法,阐释了各应用领域的示踪原理,给出各种应用的方法模式及公式,总结了镭同位素海洋学的发展变化,并指出我国镭同位素海洋学的发展前景和方向。     

小尺度含水层热量运移试验研究及热弥散效应评估

将小尺度含水层热机械弥散系数模型应用于对流弥散传热过程中,推导了该条件下对流弥散热量运移的解析解,结合试验进行验证,对含水层热弥散效应进行评估,结果表明,热机械弥散系数等于1×10-2 W/(m?°C)可以作为热弥散对温度场影响的临界点,从而将热机械弥散系数的分布划分为不可忽略的三角区域和可以忽略的多边形区域;明确了自然含水层结构条件下纵向热弥散度范围,从小尺度的热弥散研究结果来看,纵向热弥散度最大值为厘米数量级,它与野外大尺度条件下热弥散度的研究成果有着显著差异,表明热弥散尺度效应的存在,这将是进一步开展研究工作的方向。     

静水生长的淡水湖冰微结构的季节变化及其受生长过程的影响

冰物理微结构特征控制着冰层基本物理性质。基于多年冬季对东北平原区水库和湖泊冰层生消过程、气象条件,以及冰层晶体、冰内气泡和密度特征的现场观测,分析了淡水湖冰微结构的季节演化和年变化规律及其影响因素。湖冰晶体结构、气泡含量与分布、冰密度具有明显的分层结构,且在冰厚增长期和稳定期内基本维持不变;进入融化期,冰内微结构变化迅速,表现为晶体边界融化、气泡体积扩展和融水迁移。不同年份、不同湖泊冰晶体类型和气泡形态类似,但各类晶体层厚度比例、气泡含量与尺寸存在差异。统计分析显示,晶体和气泡结构与湖冰生长速率关系密切,晶体粒径与生长速率呈正比,水内气体的产生和溶解过程、水体扰动程度的差异影响着气泡含量同生长速率之间的关系。     

浅海底边界动力过程与物质交换研究

浅海底边界动力过程是能量分配、颗粒物输运和水—底边界物质交换的关键环节,深入研究浅海底边界动力过程是提高环境容纳量预测能力的重要前提。分析了国内外该研究方向的进展和现状,提出在黄海中部和长江口外两个典型海区,以集成先进设备的海床基观测平台和水体要素连续观测的研究策略,获得底边界流场结构、水体和底边界湍流混合特征、底耗散动力学参数、底颗粒物浓度和梯度变化等规律,建立潮汐、层化、海浪等不同动力条件下底边界动力过程参数化方案,研究沉积物启动、沉降等动力学规律,以数值模式探讨海底拖曳力变化对潮流和环流结构的影响;了解颗粒物组成的季节变化及对起动、再悬浮、絮凝等动力过程的影响,以颗粒物输运模型研究中国近海沉积物源汇分布;以同位素示踪研究底界面交换对动力过程的响应。为解决面临的2个科学问题：①中国近海底边界能量耗散在能量分配中的作用;②中国近海底边界动力过程、颗粒物输运与物质交换的多时空尺度变化规律,奠定基础。     

地球化学动力学体系

本文以地球化学作用与其时-空结构的统一性为指导思想,将地质区域和各种地质体视为动力学体系,应用耗散结构理论,通过对云南个旧钖、多金属成矿区的研究,讨论地球化学动力学体系的建立。 作者应用马尔科夫过程理论揭示了沉积过程的地球化学旋回性,并用动力学体系分析阐明每一旋回的时间结构。花岗岩浆的分离结晶作用与对流驱动的热重力扩散作用相结合导致了岩体内痕量元素的化学分带。岩浆期后体系系由具有非线性动力学机制的复杂的反应-输运网络所构成,其拓朴结构使体系产生异常的动力学行为。通过各种物理化学参数的实验测定建立了成岩、成矿作用的动力学模型,并用计算机模拟了典型矿田内热液流体的流速场与温度场。 地球化学全过程的时间结构可以归结为热力学分枝的分支在时间上的展开或多阶耗散结构的阶梯。地球化学场的空间结构产生于耗散结构的局域化和化学波的成生与传播。成矿区域是囿于有界介质内的局域化耗散结构。不同反应前锋的差速前进从而产生不同物种的分异沉淀使成矿区域出现化学分带。成矿源区起因于某种化学反应核心或特殊的物理边界所产生的局域不均一性。 对地球化学动力学体系作进一步的研究可以揭示金属矿源学、历史地球化学与区域地球化学之间的内在联系。     

黄土湿陷性及其成因

本文根据甘肃17个剖面湿陷系数的测定,查明黄土湿陷性从上向下呈现波动变小,造成湿陷性垂向上变小的原因是土层自重压力,引起波动变化的原因是土层受成壤强弱的差异。作者根据镜下鉴定和湿陷性与成壤强弱关系的研究,将黄土微结构分为18种类型,指出湿陷性是在几种特定的成壤过程中产生的,是成壤作用弱的黄土所具有的特征,受风化成壤作用强的黄土不具湿陷性。      

海洋中尺度涡旋表面特征和三维结构研究进展

海洋中广泛存在的中尺度涡旋对动量、能量、热量和物质传输起着至关重要的作用。详细介绍了利用卫星高度计资料识别中尺度涡的闭合等值线、Okubo-Weiss数、绕角和流矢量的方法。结果表明,绝大部分涡旋都呈近刚性旋转的非线性特征,生命周期大于等于16周涡旋的平均寿命、传播距离、振幅和半径分别为32周、550 km、8 cm和90 km。重点介绍了结合卫星高度计和Argo浮标资料合成中尺度涡三维结构的方法。受生成地和移动到当地海洋温盐背景场的共同作用,涡旋呈现不同的三维结构。从演变角度简单介绍了墨西哥湾的回流环和大西洋的地中海涡旋的基本特征。最后,对中尺度涡研究的难点问题,如次中尺度过程、中尺度涡能量耗散和次表层涡旋等进行讨论,并提出今后应从中尺度涡立体化、机动性观测,中尺度涡多学科融合式观测以及多尺度相互作用等方面开展突破性研究。