分层海洋中运动物体生成的内波

该文提供分层海洋中运动物体生成内波的理论、数值和实验研究的背景资料的综述 ,并给出理论研究的 Green函数、正交模态模式和极点回避等方法的评述。数值研究给出数值求解Wronsky行列式的源求解方法及介绍直接差分计算含源内波方程和积分方程的方法。有关源致内波的实验研究 ,作者介绍物体在分层流水槽运动时生成内波的两个典型实验及其主要实验结果。最后评述船舶在海洋表面处生成表面波的研究方法 ,以此指导水下 Rankine卵形体生成内波的实验研究。     

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。     

基于遥感与现场观测数据的南海北部内波传播速度

南海北部是全球海洋中内波最为活跃、生成和演变机制较为复杂的海域,本文利用多源卫星遥感数据(MODIS、GF-1、ENVISAT ASAR、RADARSAT-2)和现场观测数据开展了南海北部内波传播速度的研究。通过匹配捕获同一条内波的相邻两幅遥感图像,由内波的空间位移和时间间隔反演传播速度,并以0.5°×0.5°网格给出了南海北部内波传播速度的分布图。研究结果表明,内波传播速度受背景流场、水体层结和底地形变化等多因素影响,特别是水深。在南海北部由东至西、由南至北方向,内波传播速度逐渐递减。深海区内波传播速度最大,可达3m/s以上;内波在向西大陆架传播过程中,随着水深变浅速度逐渐减慢,传播速度为1—2m/s;大陆架浅海的内波传播速度较小,仅为零点几米每秒。同时,利用Kd V方程反演了内波传播速度理论值,对遥感数据提取的内波传播速度进行了精度验证,结果较为一致。     

失稳背景流下对称型海洋内波的生成演变

本文采用无海底地形但考虑海洋跃层和剪切背景流的二维非静力准不可压缩方程组的数值模式,开展失稳垂向剪切背景流下线性和非线性对称型海洋内波生成演变的数值实验,并对结果进行分析、比较和讨论。研究结果表明,线性内波强度随积分时间始终呈指数增长,并有内波的对称不稳定;而非线性内波强度则在发展期呈准线性增长,最终进入稳定期。线性增长比非线性增长要快得多,非线性效应具有维稳作用。对该线性和非线性对称型内波,在跃层附近位密度扰动均有大值中心,即其为跃层所俘获,这与实际观测相一致;流函数与位密度扰动两者均有很好配合,位密度扰动的正、负中心分别相应于流函数的上升、下沉运动,表明有从海底向上的斜对流发生,且以跃层为顶盖。对线性内波来说,随积分时间增加,其波形大体不变,其正、负振幅也大体相同,并有符号相反原地增长的两个倾斜环流圈,而在它们之间则有较强倾斜上升流。非线性内波波形随积分时间改变,倾斜环流圈数目也在增加,最终形成负环流强于正环流的结果,并导致流函数、位密度扰动水平梯度剧增,其可视为间断。     

海洋内波预报技术研究的必要性与可行性初探

海洋内波是发生在海洋内部密度层化水层间的一种波动。海洋内波对潜艇活动的安全以及水中兵器的使用效能等有非常显著的影响。本文就海洋内波的国内外研究现状、已有成果以及研究海洋内波预报技术的必要性和可行性进行分析。     

柱形内波观测浮标的设计与稳定性分析

通过海面浮标实现内波流观测数据的实时传输,对于海洋油气开发的内波流预警安全保障具有非常重要的意义.安装在海面浮标上的海流观测设备(如ADCP)对浮标姿态有较高要求,本文设计了48种不同尺寸的柱形观测浮标,采用Solid Works软件和ANSYS Workbench 2020软件,分析比较了在外界载荷相同的情况下,不同...     

基于光学遥感MODIS的安达曼海内波时空分布与传播特性研究

This paper describes investigations of the internal waves in the Andaman Sea using Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer(MODIS) imagery over the period of June 2010 to May 2016. Results of the spatial and temporal distribution, generation sources and propagation characteristics of internal waves are presented. The statistical analysis shows that internal waves can be observed in almost the entire area of the Andaman Sea. Most internal waves are observed in the northern, central and southern regions of the Andaman Sea. A significant number of internal waves between 7°N and 9°N in the East Indian Ocean are also observed. Internal waves can be observed year-round in the Andaman Sea, while most of internal waves are observed between February and April, with a maximum frequency of 15.03% in March. The seasonal distribution of the internal waves shows that the internal waves have mostly been observed in the dry season(February to April), and fewer internal waves are observed in the rainy season(May to October). The double peak distribution for the occurrence frequency of internal waves is found. With respect to the lunar influence, more internal waves are observed after the spring tide, which implies the spring tide may play an important role in internal wave generation in the Andaman Sea. Generation sources of internal waves are explored based on the propagation characteristics of internal waves. The results indicate that six sources are located between the Andaman Islands and the Nicobar Islands, and one is located in the northern Andaman Sea. Four regions with active internal wave phenomenon in the Andaman Sea were presented during the MODIS survey, and the propagation speed of internal waves calculated based on the semidiurnal generation period is smaller than the results acquired from pairs of the images with short time intervals.     

基于多源卫星遥感数据的安达曼海及其邻近海域内波分布特征分析

安达曼海是内波频繁发生的海区之一,对其内波的研究是当今海洋研究的热点。本文利用2013—2016年间覆盖整个安达曼海的3 000多幅Terra/Aqua MODIS、GF-1、Landsat-8、Sentinel-1 等卫星遥感图像,从中提取和解译了内波波列线和波向信息,得到安达曼海海洋内波的时间分布特征,并绘制了内波空间分布图。结果表明,安达曼海及其邻近海域内波主要出现在4个区域:苏门答腊岛以北海域、安达曼海中部海域、安达曼海北部海域以及尼科巴群岛以西海域,尺度较大的内波主要分布在苏门答腊岛以北海域和安达曼海中部海域。在时间分布上,2013—2016年间安达曼海内波的年发生次数相近;在热季、雨季及冬季遥感都能观测到内波的发生;2-4月遥感观测到的内波最多,其次为8、9月,7月遥感观测到的内波较少,这可能是由于雨季光学影像受云影响,安达曼海海域晴空影像过少造成,还需要借助更多的遥感影像进一步证明。在波向上,安达曼海多数内波向岸传播,在苏门答腊岛北部、安达曼海中部海域,内波向东或向东南传播;在安达曼群岛东部,内波向东传播,传播一定距离后与海底地形交互作用,一部分继续向前传播,一部分产生反射,向西南方向传播至安达曼群岛;在尼科巴群岛以西海域,内波由尼科巴群岛向孟加拉湾传播。     

SAR极化特征图像与σ0图像的海洋内波可视性对比

利用ALOS PALSAR全极化SAR内波图像,对比分析了SAR海洋内波在11种极化特征与后向散射系数(σ⁰) 图像中的可视性。在提取的SAR极化特征图像中,Lambda值的内波特征最为明显,极化熵和极化角次之。与σ⁰图像相比,Lambda值的内波可视性优于同极化的σ⁰图像;对于极化熵和极化角,沿距离向传播的内波可视性优于同极化的σ⁰图像,沿方位向传播的内波可视性略差于同极化的σ⁰图像,两者均优于交叉极化的σ⁰图像。HH/VV极化比、归一化圆极化系数和Bata值的内波特征较弱;HH/HV极化比、VV/VH极化比、Gamma值、Delta值和各向异性指数的内波图像均不清晰,无法识别内波。     

极端波浪对海洋导管架平台的作用及其模型试验研究

通过极端波浪对海洋导管架平台作用力的模型试验,对极端波浪的作用进行了探讨。首先在常规波浪力计算公式的基础上,提出了极端波浪作用下的简易计算方法,并结合国外相应研究成果,提出了三个简易计算表达式;在对模型试验数据的分析基础上,给出了上述三个简易计算公式中的系数,从而得到极端波浪作用下的波浪力计算表达式。     

缓坡地形上内孤立波的破碎及能量分析

在大型重力式分层流水槽中对内孤立波沿缓坡地形的演化特征进行了实验研究,利用分层染色标识方法和多点组合探头阵列技术对其传播特性做了定性分析和定量测量。实验表明:下凹型内孤立波沿缓坡地形传播过程中的破碎先从波背部发生,继而演化出上凸型内孤立波;内孤立波破碎不仅与入射波波幅相关,而且受到地形坡度的强烈影响;入射波幅参数??0.4是内孤立波不稳定及破碎的实验判据,内孤立波能量损失出现跃升是其发生破碎的重要特征。研究进一步获得了内孤立波沿缓坡地形的三维演化结构、破碎发生条件和能量变化特性,对于复杂海洋环境中非线性内波传播特性认识及其动力学建模具有重要的科学意义。     

内孤立波与海脊相互作用的模拟研究

A nonhydrostatic numerical model was developed and numerical experiments performed on the interaction of an internal solitary wave(ISW) with a sill, for a two-layer fluid with a diffusive interface. Based on the blocking parameter(Br), the flow was classified into three cases:(1) when bottom topography has little influence on the propagation and spatial structure of the ISW(Br0.5),(2) where the ISW is distorted significantly by the blocking effect of the topography(though no wave breaking occurs,(0.5Br0.7), and(3) where the ISW is broken as it encounters and passes over the bottom topography(0.7Br). The numerical results obtained here are consistent with those obtained in laboratory experiments. The breaking process of the incident ISW when Br≈0.7 was completely reproduced. Dissipation rate was linearly related to the blocking parameter when Br0.7, and the maximum dissipation rate could reach about 34% as Br raised to about 1.0. After that, instead of breaking, more reflection happened. Similarly, breaking induced mixing was also most effective during Br around 1.0, and can be up to 0.16.     

Numerical modeling on the interaction of internal solitary wave with slope-shelf and modal analysis

On the basis of a nonhydrostatic numerical model,the interaction of internal solitary wave with slope-shelf was studied.The breaking and polarity transformation were analyzed.A "kink" structure,due to shoaling topography and higher nonlinear effect,was found to be generated by the leading wave before breaking.Coherent vortex shedding behind the leading wave was presented.The evolution characteristics of the modal structure were analyzed based on the empirical orthogonal function method.The modal structure was complicated due to the effect of the variable topography,especially when breaking occurred.In the performed experiments,the contributions to the total variance from higher mode jumped from no more than 20% to over 40%.     

Effects of mesoscale eddies on the internal solitary wave propagation

The mesoscale eddy and internal wave both are phenomena commonly observed in oceans. It is aimed to investigate how the presence of a mesoscale eddy in the ocean affects wave form deformation of the internal solitary wave propagation. An ocean eddy is produced by a quasi-geostrophic model in f-plane, and the one-dimensional nonlinear variable-coefficient extended Korteweg-de Vries (eKdV) equation is used to simulate an internal solitary wave passing through the mesoscale eddy field. The results suggest that the mode structures of the linear internal wave are modified due to the presence of the mesoscale eddy field. A cyclonic eddy and an anticyclonic eddy have different influences on the background environment of the internal solitary wave propagation. The existence of a mesoscale eddy field has almost no prominent impact on the propagation of a smallamplitude internal solitary wave only based on the first mode vertical structure, but the mesoscale eddy background field exerts a considerable influence on the solitary wave propagation if considering high-mode vertical structures. Furthermore, whether an internal solitary wave first passes through anticyclonic eddy or cyclonic eddy, the deformation of wave profiles is different. Many observations of solitary internal waves in the real oceans suggest the formation of the waves. Apart from topography effect, it is shown that the mesoscale eddy background field is also a considerable factor which influences the internal solitary wave propagation and deformation.     

下凹内孤立波致流场结构及其影响因素的实验研究

为进一步探究海洋内孤立波诱导流场对海洋工程结构物以及潜航器的影响,本文采用重力塌陷方法和粒子图像测速(Particle Image velocimetry,PIV)技术在大型分层流水槽中进行内孤立波造波以及内部流速场测量,定量分析了下凹型内孤立波诱导流场结构及其影响因素。研究表明:在密度分层流体中,PIV技术可实现对大幅面内孤立波诱导流场的精细测量以及波动结构特征的准确描述;水平流速在上下层方向相反且在跃层处最小,其剪切作用在波谷附近最强;垂向流动在波前和波后分别为上升和下沉流,两者流速值在距离波谷1/4~1/2波长位置达到最大;在相同内孤立波振幅条件下,上下层流体密度差越大、厚度比越小,则波致流场越强;随着振幅增大,流场结构与Kd V、e Kd V和MCC理论模型对应波幅适用范围的描述相吻合。     

一种基于Curvelet变换的合成孔径雷达海洋内波图像的斑点噪声抑制方法

合成孔径雷达是海洋内波研究中最重要的工具之一。雷达图像中的斑点噪声会严重降低图像的质量,这一问题在处理和分析信号较弱的二模态内波信号和上升型内波信号时极为明显。合成孔径雷达图像中的海洋内孤立波的信号具有明显的尺度性和方向性。同时,curvelet变换作为一种同时具备尺度分辨率和方向分辨率的数学变换,能够对一幅雷达图像在不同尺度、不同方向和不同位置上进行分析。本文给出了一个基于curvelet变换的合成孔径雷达海洋内孤立波图像的斑点噪声抑制方法。该方法可简述为：(1)对一幅合成孔径雷达海洋内孤立波图像进行curvelet变换,获得curvelet系数;(2)分别仅仅保留一个尺度的系数,将其它尺度的系数置为零,利用处理之后的系数分别重建图像,得到仅仅用一个尺度的系数重建的图像;(3)分别计算上一步中得到的图像的均方差,根据波浪理论,图像的方差代表能量,方差越大则能量越大,以此可以确定内波信息集中的尺度;(4)在每个尺度下,分别计算每个方向的curvelet系数矩阵的平均值,以此确定内孤立波信号集中的方向;(5)在上两步工作的基础上,仅仅保留内波信号集中的尺度和方向的系数,而将其它尺度和方向的系数置为0,得到一幅提取主波信息的图像;(6)将上一步得到的提取主波信息的图像加回到原始图像中,从而达到增强波浪信息并抑制斑点噪声的目的。大量的实验验证表明,该方法不仅能有效地压制斑点噪声,而且能有效地增强波浪信号。     

内孤立波中半潜平台动力响应特性

基于内孤立波mKdV理论,采用时域有限位移运动方程,结合改进的Morison公式,研究了两层流体中内孤立波与带分段式悬链系泊约束半潜平台的相互作用问题。针对东沙群岛南部海域附近某实测内孤立波特征参数,计算分析了在该内孤立波作用下SEDCO-700型半潜平台的内孤立波载荷、运动响应及其系泊张力的变化特性。研究表明,内孤立波不仅会对半潜平台产生突发性冲击载荷作用,使其产生大幅度水平漂移运动,并导致其系泊张力显著增大,因此在半潜平台等深海平台的设计与应用中,内孤立波的影响是不可忽视的。     

内孤立波作用下Spar平台动力响应特性

以三类内孤立波理论(Kd V、e Kd V和MCC)的适用性条件为依据,采用Morison和傅汝德-克雷洛夫公式分别计算Spar平台内孤立波水平力和垂向力,结合时域有限位移运动方程,建立了有限深两层流体中内孤立波与带分段式系泊索Spar平台相互作用的理论模型。以东沙群岛某海域实测内孤立波为对象,数值分析了在内孤立波作用下某经典式Spar平台的内孤立波动态载荷、运动响应及其系泊张力的变化特性。研究表明,内孤立波不仅会对Spar平台产生突发性冲击载荷,使其产生大幅度水平漂移运动,而且还会使其系泊张力显著增大。因此,在Spar平台等深海平台的设计应用中,内孤立波的影响不可忽视。     

内孤立波作用下半潜平台荷载及其周围流场数值模拟研究

内孤立波对海洋平台的安全运行存在一定的威胁,基于三维数值水槽对内孤立波传播引起的半潜平台受力及其周围流场的分布进行了数值模拟研究.通过与试验对比,分析了入射波幅和分层流体深度比对半潜平台上内孤立波荷载特性的影响规律,验证了数值模拟结果是准确可靠的.研究表明,内孤立波引起的平台荷载会随着内孤立波波幅的增加而增大,随着分层流体深度比的增加而减小.基于对平台周围剖面速度场和三维涡场的演化规律研究,发现在内孤立波传播过程中,平台周围会出现明显的速度减小区,平台周围会有大量的漩涡产生并发生脱落现象.     

内孤立波作用下Spar平台的运动响应

建立了内孤立波作用下Spar平台运动响应的时域数值模型,并利用这一模型计算了内孤立波作用下Spar平台的运动响应。其中根据K-dv方程解出内孤立波的波面及水质点速度表达式,应用Morison公式求出内孤立波对Spar平台的水平作用力;由伯努力方程求解压强,通过在平台底面积分求出内孤立波对Spar平台的垂向作用力;在悬链线理论的基础上,分析锚链对平台的作用力,采用四阶Runge-Kutta方法求解运动方程。数值结果表明,当内孤立波不断接近海洋平台时,Spar平台受到的作用力随之增大,海洋平台会产生远大于表面波作用下的水平位移,从而证实了内孤立波是影响海洋平台稳定的重要因素,在海洋平台的设计和评估中内孤立波的作用是不可忽略的。