吕宋海峡内波吸引子的三维数值模拟

Internal waves propagate along wave beams that are inclined with respect to the horizontal plane. It is conjectured that the internal waves generated in the Luzon Strait may be confined between the double ridges in the strait and concentrate to a closed trajectory, the so-called internal wave attractor, due to the reflection of wave beams from the lateral boundaries, sea surface and bottom. This work carried out two experiments using a three dimensional non-hydrostatic general circulation model, MITgcm, to investigate the possibility that the ridges in the Luzon Strait allows for internal wave attractors. Baroclinic current in both of the experiments demonstrate the forming of ring-like patterns in some section around 20° and 21°N, indicating that the development of the internal wave attractors are allowed in the Luzon Strait. The different resolutions and initial conditions in the two experiments also reveal that the internal-wave-attractor phenomenon is robust in this region.     

内波吸引子的数值模拟

密度稳定层结的流体中产生的内波沿着由内波固有频率、流体浮力频率等因素所确定的特征线(或内波射线)传播。边界上的反射不改变内波的频率,从而也不改变反射后的内波特征线与重力方向所成的夹角。侧边界倾斜的封闭容器内,内波能量沿特征线传播的过程中经侧壁、表面和底面的反射可能会集中在一个封闭的轨道上,形成内波吸引子。该现象已经得到水槽试验、线性理论和数值试验的验证。本文利用非线性非静压的环流模式MITgcm,模拟了二维封闭区域中(1,1)-吸引子和(2,1)-吸引子的形成过程,并讨论初值条件对它们的影响。稳定的(1,1)-吸引子其极限环两侧流速出现很强的剪切流。当减小地形的坡度时,由于线性因素的增加,吸引子的结构不变,但吸引子厚度在相空间中的收缩速度加快。对于(2,1)-吸引子,由于轨道所成的两个环中间的节点耗散了部分能量,吸引子的收敛速度较慢。节点处,流体速度始终为0,但存在强烈混合,流体浮力频率呈现振幅较大的周期变化。     

应用非线性薛定谔方程模拟深海内波的传播

本文选取东沙岛以东深海区域,应用描述深海内波的非线性薛定谔方程,采用啁啾的思想,研究了频散和非线性效应之间的关系,模拟了深海内波的传播.数值模拟内波演变趋势与MODIS影像拍摄到的内波演变趋势基本符合,从而验证了应用非线性薛定谔方程模拟深海弱非线性内波传播的合理性.     

黑潮对吕宋海峡全日内潮生成与传播影响的数值模拟研究

基于一套环流-潮汐耦合模型的模拟结果,本文探究并比较了2015—2016年的三种黑潮形态下,吕宋海峡全日内潮以及全日非相干内潮生成与传播的空间分布特征。结果表明,当黑潮以流套形态流经吕宋海峡时,全日内潮非相干性最强,具体表现为全日非相干内潮能量生成最大,全日内潮的传播速度变化率最大。由于传播速度的变化会改变全日内潮的位相,进而会影响全日内潮的非相干性,导致在吕宋海峡内全日内潮的非相干性最强。本研究结果对理解黑潮背景动力过程下吕宋海峡内潮的时空变化有重要意义。     

南黄海非线性内波的数值模拟研究(2)——内潮的非线性演变

在本工作的先行部分的基础上,本文中考虑第一模态半日内潮波分别从A站位(34°4′N,125°6′E)和B站位(36°34′N,123°51′E)向西、西南和西北方向的反射和非线性演变过程,使用的数学物理模型为适用于连续层化海洋并且考虑背景正压落潮流与涨潮流不同作用的一般化的KdV模型(简称之为GKdV模型)。模拟结果表明,南黄海的内孤立波集中分布于南黄海的南部,而在其北部极少出现内孤立波的主要原因是在南黄海的南部存在较强的背景斜压环流和很强的背景正压潮流,而且在涨潮时段(相对于朝鲜半岛的西海岸而言)背景斜压环流和背景正压潮流的方向基本相同,而在南黄海的北部这2种背景流都很弱。另外,由于出现高达0.75 m/s的正压潮流,自A站位向西北方向传播的半日内潮波处于不稳定状态。     

南海北部内孤立波生成对黑潮响应的初步研究

为了研究南海北部黑潮入侵对内孤立波生成造成的影响,本研究在对合成孔径雷达图像处理分析的基础上,运用二维非静力模式,对南海北部内孤立波生成以及其对黑潮入侵的响应做了初步的模拟和分析。对4 a(2007~2010年)的合成孔径雷达(SAR)图像统计分析发现,内波出现频率呈现明显的季节变化。月平均数据表明,内波出现频率在5月到8月期间较高并在6月达到峰值,占全年总数的29%;而在11月到次年的2月份期间出现频率较低并在12月和1月达到最低,各占全年的0.5%。通过二维、非静力近似数值模拟研究发现:黑潮入侵引起的平流对吕宋海峡区域内孤立波的激发产生具有明显的影响。具体表现为,黑潮入侵引起的的西向平均流拉伸了内孤立波波形并加强内孤立波的能量的频散,使得大振幅内孤立波演变成多个分散的波动,波长变长、振幅变小。敏感性实验通过替换夏季温盐场为冬季温盐场,对模拟结果并无实质上的影响,表明冬夏季温盐场的差异并非是SAR观测内波出现频率呈季节变化的重要因素。     

吕宋海峡M2内潮的三维数值模拟

A three-dimensional isopycnic-coordinate internal tidal model is employed to investigate the generation,propagation, vertical structure and energy conversion of M2 internal tides in the Luzon Strait(LS) with mooring observations. Simulated results, especially the tidal current amplitudes, agree well with observations,demonstrating the reasonability and accuracy of the model. Results indicate that M2 internal tides mainly propagate into three directions horizontally, i.e., eastward towards the western Pacific Ocean, westward towards the Dongsha Island and southwestward towards the South China Sea Basin. In the horizontal direction, tidal current amplitudes decrease as distance increases away from the LS; in the vertical direction, they show an obvious decreasing tendency with depth. Between the double ridges of the LS, a clockwise gyre of M2 baroclinic energy flux appears, which is caused by reflections of M2 internal tides at supercritical topographies, and resonance of M2 internal tides happens along 19.5° and 21.5°N due to the heights and separation distance of the double ridges. The total energy conversion in the LS is about 14.20 GW.     

吕宋海峡M2内潮生成与传播数值模拟研究

本文在z坐标海洋数值模式HAMSOM中引入了内潮黏性项(Interhal-tide viscosity term),将之运用到吕宋海峡M2内潮的生成与传播过程的数值模拟研究.研究结果表明:(1)在250 m以浅,吕宋海峡产生的M2内潮振幅于温跃层处最大,岛坡附近的内潮明显强于别处,且最大振幅可达到40 m左右;(2)M2内潮的生成源主要集中在伊特巴亚岛西北、巴丹岛西南以及巴布延群岛西北的岛坡;(3)海峡产生的M2内潮向东西2个方向传播.巴丹岛以西的西向能量在吕宋海沟斜向下传播,在到达恒春海脊附近发生反射返回海面,到达海面后再次反射回海底,在此过程中,有高模态的内潮被激发,不同模态间有相消干涉的现象产生.西传的内潮能量分为2支进入南海,产生于巴布延群岛西北的能量分支直接向西南折转进入南海海盆,而产生于伊特巴亚岛和巴丹岛岛坡附近的主要能量则以束状向南海陆架传播,在到达118°E后部分能量折向西南的海盆,其余的能量则沿西北方向传入中国近岸,陆架陆坡地形起着重要的耗散作用.伊特巴亚岛西北有最大的能量产生,向东北传入太平洋.在122°E以东,能量主要以束状向东南传入太平洋.     

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。     

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.     

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...     

Mooring observations of internal solitary waves in the deep basin west of Luzon Strait

A total of 137 internal solitary waves （ISWs） are captured during a field experiment conducted in the deep basin west of the Luzon Strait （LS） from March to August, 2010. Mooring observations reveal that a fully developed ISW owns a maximum westward velocity of more than 1.8 m/s and an amplitude of about 200 m. The ISWs in the South China Sea （SCS） are most active in July, which may be due to the strong stratification in summer. Most of the ISW episodes are detected around and after the 1st or 15th lunar day, indicating that the ISW in the SCS is triggered by astronomic tides. Half part of the observed ISWs were detected around 19：00 local time, which can be explained by the fact that type-a ISWs emerged in the evening at roughly the same time each day. The propagation direction of the ISWs and the astronomic tides in the LS show that the area south of the Batan Island is probably the main source region of the type-a ISWs, while the area south of Itbayat Island and south of the Batan Island is likely the main source region of the type-b ISWs observed at the mooring. Moreover, for the resonance of semidiurnal internal tides emitting from the double ridges in the LS, the underwater ridge south of the Itbayat Island and south of the Batan Island is believed to favor the generation of the energetic ISWs.     

完全非线性深水波的数值模拟

基于势流理论,并结合深水波质点运动从水面向下呈e指数衰减的特性,建立了完全非线性数值变深水槽模型,通过实时模拟活塞式造波机运动来产生波浪.采用时域高阶边界元法进行模拟,利用混合欧拉-拉格朗日方法和四阶Runge-Kutta方法追踪流体瞬时水面,应用镜像格林函数消除了水槽两个侧面的积分,在水槽末端布置人工阻尼层来消除反射...     

基于TerraSAR-X卫星数据的内孤立波参数和海表流速信息提取的探索研究

本文利用TerraSAR-X(TSX)卫星于2010年4月22日在南海东沙岛附近海域获取的数据进行海洋内孤立波动力要素和海表流速信息的提取研究。基于TSX数据的后向散射强度信息,利用经验模态分解法得到内孤立波半波宽度,再利用两层模型法和参数化法计算得到内孤立波振幅和相速度。反演结果显示,利用参数化方法得到的振幅(约21～39 m)和两层模型法得到的相速度(约1.07 m/s)与历史实测资料较为一致。进而利用TSX的顺轨干涉数据获取研究海域内的多普勒速度,再分别采用M4S模型法和直接分离法处理,进而提取海表流速。结果显示,两种方法得到的海表流速的全场平均值较为一致,均为1.10 m/s左右。M4S模型法对流速最大值的改变量较大而直接分离法对流速最小值的改变量较大。M4S模型对内孤立波波峰线区域海表流速的修正大于无内孤立波的海域。最后,基于KdV方程计算得到内孤立波引起的表面流的流速约为0.28 m/s,对反演出的海表流速贡献占比23%。     

南海北部a波和b波的生成与传播特征的数值研究

本文基于真实地形、潮汐的高分辨率三维MITgcm海洋环流模式,对南海北部a波（大振幅波列形式）和b波（孤立子形式）的生成与传播特征进行了数值研究。首先,我们总结和分析了这些波动的生成与传播特征。然后我们计算了吕宋海峡的能量收支。能量的生成在一天内有三个极大值,其中最大值对应a波的生成。吕宋海峡西边界的能通量一天内有两个极大值,较大的那个对应a波的生成而另一个对应b波的生成。我们设计了敏感性试验来探究吕宋海峡东西海脊对a、b波的生成和传播造成的影响。通过对比敏感性实验和标准试验的结果,发现对于a波的生成东海脊必不可少,但西海脊几乎没有影响。西海脊削弱了a波的振幅但未对a波波速造成明显的影响。b波来自于从东海脊生成的扰动信号。西海脊加强了这个扰动信号但减慢了它的传播速度。     

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。     

南海北部孤立子内波生成条件的初步数值研究

南海北部是一个孤立子内波活动频繁的海域,早在20世纪70年代,Fett等[1]就从卫星图片中发现在东沙群岛附近存在着孤立子内波;近年来,在该海域又多次观测到孤立子内波的活动(图1)[2-4];在1998年5～6月期间,中国科学院南海海洋研究所的“实验三号”科学考察船执行“南海季风实验”计划在南海北部东沙群岛以南进行定点观测时,也曾观测到孤立子内波的活动。     

南海北部陆架区内孤立波向岸传播过程研究

南海北部是全球海洋中内孤立波最强和最为活跃的海域。然而,内孤立波在传入陆架区后,其形态发生显著变化,其传播演变过程表现出高度的复杂性。本研究综合卫星图像和数值模式手段研究了内孤立波在向岸传播过程中的空间变化特征。可见光卫星图像研究结果显示,南海北部陆架区存在三种形态的内孤立波,分别为第一模态下凹型内孤立波、第一模态上凸型内孤立波和第二模态内孤立波。受水深和层结变化的控制,它们的分布区域显著不同。基于MITgcm的数值模拟研究表明,上凸型内孤立波由第一模态下凹内孤立波经过极性转换过程发展而来,而第二模态内孤立波由第一模态下凹内孤立波与急剧变浅地形相互作用而产生。