A Possible Mechanism of Ocean Finestructure Part Ⅰ: Energy and Coherence

依据在作者的前文（１９９８）中对于考虑旋转向量水平分量（ｆ～）的大洋内波方程求出的渐近解,文中对Ｓ场（考虑ｆ～条件下的总的内波场）,ＳＩ场（不计ｆ～影响的内波场）和ＳＦ场（Ｓ场中与ｆ～相关联的部分）导出了能量谱和相干谱。此理论谱与Ｍｕｌｅｒ等（１９７８）的ＩＷＥＸ实验的观测结果相比较表明,ＳＦ场的水平动能谱和铅直位移谱基本上与水平流细结构和铅直位移细结构的观测谱一致。作者推测ＳＦ场对应于中纬度大洋可逆细结构。但是对于相干谱的观测结果,在不考虑内波非线性相互作用和破碎过程的条件下,仅考虑ＳＦ场的影响还不能给予满意的解释。     

大洋细结构的一种可能的机制Ⅲ.对混合过程动能耗散的估计

继第部分之后研究了惯性内波和近惯性内波由f～的作用所致的剪切不稳定引起的破碎机制。物理上,该机制很象存在由风应力所致薄表面涡旋漂流层时表面波的破碎与饱和过程。惯性内波和近惯性内波的破碎产物与小尺度湍流一起形成了混合块,它与Gregg等人(1986)的持久混合观测结果一致。依据Thorpe(1973)实验的结果作者提出了一个估计湍流动能耗散率和消衰时间的方法。结果表明,在剪切不稳定中近惯性内波在湍动耗散中起了关键作用,而惯性内波引起非常弱的湍动耗散。使用内波能量谱的标准总能量密度估计出的近惯性内波的耗散率和消衰时间与PATCHEX测量结果非常一致。文中还讨论了几个与此破碎机制有关的问题。     

南海北部陆坡海域内波谱特征

本文对1998年南海季风实验中定点观测的声学多普勒流速剖面仪（Acoustic Doppler Current Profiler,ADCP）海流数据进行频谱分析,结果表明南海北部地区内波之间的非线性作用的强弱影响着该海域的内波谱特征。在季节性温跃层（水深22m和58m）中,由于存在着强的非线性作用,内波带的谱斜率趋于σ^-1和σ^-2之间,而且较高能量的潮谐波频率的峰值随着频率呈现少见的一。递减。在季节性温跃层（水深130m）以下,内波非线性相互作用较弱,观测的内波带谱特征与标准Garrett-Munk内波谱相似,均显示了σ^-2的谱斜率。     

利用航天飞机成像雷达图像分析南海内波

利用航天央南海海面获取的内波的合成孔径雷达（ＳＡＲ）图像数据,计算并对比分析了不同波段海面的后向散射系数的差异。系统给出了ＳＡＲ图谱到海浪二维谱的计算过程,改进了一些处理方法以适用于内波分布海面,并利用众ＳＡＲ图像获得的海浪谱,简要分析了内波与风成海浪的相互作用,探讨该区内波的激励因素,认为潮流是激励温跃层在该海区产生有规模内波的主要因素。     

小振幅海洋内波的演变、破碎和所致混合

利用基于谱方法和MPI并行运算的数值模式SpectralModel,直接数值模拟了三维小振幅海洋内波的演变、破碎和所致湍流混合,指出导致其不稳定而破碎的为PSI(parametric subharmonic instability)机制;对于内波破碎所致的湍流混合过程,分析了跨等密度面扩散系数kρ、混合效率γ、浮力通量谱、动能谱以及势能谱等统计性质:内波破碎前,kρ和γ保持低值水平,浮力通量谱值为负,且集中在低波数段;内波破碎后,kρ和γ迅速增大,最大值分别约为0.9×103m2/s和0.18,浮力通量谱值在低波数段为负值,在高波数段为正值,这是因为层化湍流中势能向小尺度运动传递和动能向小尺度运动传递相比更为有效。在内波破碎、强湍流混合阶段,势能谱存在一谱段满足kz3律,P(kz)=0.2N2kz3。此外,与二维模拟结果相比较,导致内波不稳定而破碎的均为PSI机制,kρ、浮力通量谱、势能谱变化趋势大体一致;但三维数值实验中,内波破碎时间提前,湍流衰减加快;KE谱在高波数部分下降速度相对减小,更接近于kz3。     

合成孔径雷达图像中海洋内波的特征检测

海洋内波在合成孔径雷达(SAR)图像中具有特定纹理分布,因此可以根据海洋内波SAR图像的纹理分布特性,进行内波海面特征检测。利用功率谱对具有不同纹理特征的SAR图像进行分析,并对特征进行分类统计得出内波的功率谱特征。在海洋内波区域,利用多孔小波变换及多尺度融合提取海洋内波特征,在此基础上对波-流散射系数进行提取。提出了"内波特征的功率谱特征-多孔小波综合检测算法",为海洋内波参数反演奠定了基础。     

运动物体生成内波的一类非线性谱方程组

本文给出了由运动物体所生成内波的基本方程组和对应的谱方程组。该方程组的线性部分是一具有体积源 (其下简称为体源 )的 Sturm- Liouville本征值问题 ,而它的非线性部分是由体源与线性波场相互作用的谱表示。在这类强迫方程的源项中包含了 10类内波谱 ,这些谱最终均可利用内波的振幅谱表示。本文给出了线性波场波要素的谱表示和运动物体生成内波的非线性谱方程可解性的讨论。为了检验所得到的谱方程组 ,文中又进行了该谱方程组线性部分的数值计算。     

海洋内波破碎问题的研究

从理论、观测、数值实验和实验室实验四个方面对国内外近20年来关于海洋内波破碎问题的研究成果进行了分析总结.数值实验和实验室实验表明:中高频内波破碎时,初始的不稳定是二维的,当最终有横向对流卷团形成时,能量开始大量耗散,这时不稳定发展成为三维的;从初始的二维不稳定到对流卷团的产生这一过程,到底是一个剪切不稳定过程,还是一个对流不稳定过程,或者是对流不稳定和剪切不稳定共同存在的一个过程,取决于海水的层化、地形、背景剪切流和内波的自身性质.现场曾观测到内孤立波破碎时存在的剪切不稳定过程,数值研究模拟出了内孤立波破碎时存在的对流不稳定过程.现有的海洋内波破碎判据主要是关于中高频海洋内波的.理论分析侧重于确定线性或弱非线性内波的破碎机制和破碎条件.     

层化流体中半板造波的内波解

为了形象地说明内波的传播模式,研究给出了内波水槽中由半板造波所形成的内波解。结合Ｖａｅｉｓａｅｌａｅ频率Ｎ（ｚ）＝ｃｏｎｓｔ和简化Ｈｏｌｍｂｏｅ两种密度剖面模式讨论了内波场的传播图案。在内波水槽中成功地形成了上述两种密度剖面,相应的实验印证了本文分析的正确性。     

关于南沙海域内波与细结构研究

作者综述了南沙海域内波及细结构研究现状。首先介绍研究中所用的国际或国内首次使用的一些研究方法,它们包括最基础的ＣＴＤ资料质量控制的方法,浮力频率计算方法、频散关系和波函数计算方法,细结构概率分布假设检验方法,内波检测方法,内潮计算的谱差分方法等。而后总结所得的研究成果（其中一部分是首次发表的）,它们包括南沙海区浮力频率的分类及其随地域和季节的变化规律;内波频散关系和波函数;细结构特性及其与内波的关系;细结构的非高斯概率分布特性;垂向波数谱特性及其随季节、地域及水层的变化;频率特性;Ｃｏｘ 数及其概率分布;内潮特性等。最后对今后研究方向作了展望。     

内波频散关系的一种数值解法

基于Ｆｌｉｇｅｌ等（１９７５）采用的Ｔｈｏｍｐｓｏｎ－Ｈａｓｋｅｌｌ算法（Ｈａｓｋｅｌｌ，１９５１），在取消Ｂｏｕｓｓｉｎｅｓｑ近似的条件下求解线性内波方程，以研究内波的频散关系及其各种模态的垂直速度振幅随深度分布的特征。本文以南海（１３°３０′Ｎ，１１８°３０′Ｅ）、（９°３０′Ｎ，１１１°３０′Ｅ）两个测站夏季和冬季的内波特征的计算为例，分别用Ｆｌｉｇｅｌ等原先的方法（引入Ｂｏｕｓｓｉｎｅｓｑ近似）和本文改进的方法（取消Ｂｏｕｓｓｉｎｅｓｑ近似）进行了计算；结果表明：对于垂直波数较小的内波，在取消Ｂｏｕｓｓｉｎｅｓｑ近似情况下，其计算精度可获得明显的提高。     

内波频散关系的一种数值解法

基于Ｆｌｉｇｅｌ等（１９７５）采用的Ｔｈｏｍｐｓｏｎ－Ｈａｓｋｅｌｌ算法（Ｈａｓｋｅｌｌ，１９５１），在取消Ｂｏｕｓｓｉｎｅｓｑ近似的条件下求解线性内波方程，以研究内波的频散关系及其各种模态的垂直速度振幅随深度分布的特征。本文以南海（１３°３０′Ｎ，１１８°３０′Ｅ）、（９°３０′Ｎ，１１１°３０′Ｅ）两个测站夏季和冬季的内波特征的计算为例，分别用Ｆｌｉｇｅｌ等原先的方法（引入Ｂｏｕｓｓｉｎｅｓｑ     

水下运动源内波尾迹海面作用量谱扰动分析

应用作用量守恒理论,对二维作用量谱平衡方程的波流作用机理及源(汇)函数进行分析,并对水下运动源内波尾迹在自由面(水面)形成的辐聚和辐射流场引起的作用量谱扰动进行了数值仿真,模拟出不同的配置条件下作用量谱扰动可能存在的"不对称性"。根据海面微波散射及雷达海面成像理论及作用量谱扰动的数值仿真结果,认为内波尾迹雷达散射的不对称可能是源自于作用量谱扰动的"不对称性"。     

连续层化流体中内波破碎的动力学机制的数值研究

对单频内波在白噪声的干扰下引起的不稳定现象进行了数值研究,分析了不同振幅和不同Pr数(Prandtl number)对静力不稳定、剪切不稳定、对流不稳定出现的时间、地点及持续时间的影响.结果显示,静力不稳定总是比其它2种不稳定先出现,其持续时间也是最长的;振幅越大(Pr＝0.72)时,内波越不稳定,导致3种不稳定出现的时间明显提前;Pr数增大(A＝0.256)时,3种不稳定出现的时间也略有提前.     

海洋内波对水声场的扰动

针对海洋内波对水声传播影响的问题，在简要引出内波方程，水声方程和内波解，射线理论之后，以水深2100m等Vaisala频率的全板造波内波解对双线性水声剖面情况计算了内波和内波对声场及声线传播的影响，结果表明，内波对声线传播的路径和时间的影响是不可忽略的。     

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。     

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。     

南海北部非线性内波的特征研究及生成模拟

海洋内波由于其对海洋资源、海洋军事和工程的重要性而成为海洋学中的前沿课题。文中基于SAR遥感数据,结合KDV方程和Bragg散射机制反演内波波速、半振幅宽度、深度和振幅等动力学参数。对南海北部的非线性内波进行案例研究,由吕宋海峡传来的内波遇到东沙岛发生破裂,一部分继续向西传播,另一部分向西北沿等深线垂直方向传播。波向作为一个重要指标可以有效反映内波传播变化特征,文中以方向谱模型计算同一潮周期内内波传播的方向变化,并验证了180°方向模糊问题是可以解决的。同时内波传播将次表层海水和叶绿素从下层抬升,叶绿素浓度最高值达到0.35 mg/m~3,随着内波传播在0.08~0.35 mg/m~3范围内波动并逐渐趋于背景浓度值。研究使用海底地形与潮流数值合成的OTIS(Oregon State University Tidal Inversion Software)模型对南海北部大陆架区域的内波进行生成模拟,结果表明:当暖水流经吕宋海峡进入南海北部,body forcing1.5 m~2/s~2的海域能够激发内波的生成,其中兰屿岛和恒春半岛等海底山脊起到了关键作用。     

南海北部上层细尺度流速剪切的时间变化规律研究

基于2011年4月至2012年3月南海北部陆坡区潜标观测的高分辨率流速数据,本文研究了海洋上层细尺度流速剪切的时间变化特征及其演变规律。流速剪切的功率谱分析结果显示,南海北部上层的细尺度流速剪切主要受亚惯性运动、近惯性内波、全日内潮和半日内潮四种过程控制。其中,风生近惯性内波和中尺度涡旋所对应的亚惯性运动是造成上层流速剪切时间变化的主要原因,以往研究强调的全日和半日內潮的贡献则相对较弱。进一步分析发现,冬季中尺度暖涡能够极大地增强海洋上层的亚惯性剪切;夏、秋季南海活跃的台风所激发的近惯性内波能够造成近惯性剪切增强。另外,研究还发现,背景涡度对近惯性剪切具有重要的调制作用,即负涡度相较于正涡度更有利于近惯性剪切增强。该研究所揭示的流速剪切的时间变化规律及调控机制对改进海洋混合的参数化方案具有重要的参考价值。     

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。