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…     

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。     

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。     

考虑旋转向量水平分量的大洋内波方程的一个渐近解

对于考虑旋转向量水平分量的大洋内波方程,本文求出了满足该方程的波函数的一个渐近解.该渐近波函数的振荡特性得到研究,结果表明旋转向量水平分量对高模态(高波数)内波的影响是不可忽略的.     

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。     

基于VMD对SAR海洋内波参数的自动反演

经验模态分解(empirical mode decomposition,简称EMD)是反演海洋内波参数的有效方法之一,但由于EMD存在模态混叠等问题,对海洋内波进行参数反演时会产生一定误差。相比较于EMD,变分模态分解(variational mode decomposition,简称VMD)能够有效地抑制模态混叠现象。为了更好地对海洋内波进行参数反演,提出了一种基于VMD对合成孔径雷达(synthetic aperture radar,简称SAR)遥感图像中的内波参数进行自动反演的方法。该方法先对SAR图像进行Canny处理,获取图像中的内波条纹信息,再根据内波传播方向自动选取灰度剖面;然后利用集合经验模态分解(ensemble empirical mode decomposition,简称EEMD)信号特征自适应分解模态函数的特点,再将分解得到的有效模态数作为VMD中参数K的参考值;最后利用VMD分解后的数据进行内波参数反演。试验结果表明:通过对Canny预处理后的条纹信息进行灰度剖面自动选取,解决了人为选取剖面所可能导致的误差;通过对剖面信号进行VMD处理不仅解决了EMD模态混叠的问题,成功地反演出内波的前导波振幅,而且所反演的结果与EEMD反演参数以及实测资料数据吻合得很好。     

机载超低频雷达探测海洋内波

机载超低频雷达探测海洋内波是海洋内波探测的新方法。海洋内波使海水电导率垂向分布发生扰动,当雷达发射的电磁波探测信号传播到内波扰动界面,电磁信号发生反射,部分反射信号再次穿透海面传播到空气中并被天线捕捉,雷达系统通过处理内波界面处的反射信号并抑制海面的反射信号实现对海洋内波的探测。根据麦克斯韦方程和海水的物理性质,推导出超低频电磁波在海水中的传播特性,研究海水温度、盐度变化对海水电导率的影响,根据KDV方程解和垂向特征函数解构造了海洋内波垂向结构,仿真了雷达接收到的海表面处、内波界面处的反射信号及其延迟时间,仿真结果表明,可以使用该方法探测海洋内波。     

背景流与地形对海洋内波影响初探

采用Boussinesq近似,研制了准三维、非线性、非静力的斜压数值模式。利用该模式做了背景流与海底地形对高频海洋内波影响的数值试验。本文得到的主要结论有:各数值试验初始1小时内,有适应过程,并最终形成垂直方向为单圈环流的海洋内波波包;以后进入海洋内波的演变过程,并在非线性作用下形成椭圆余弦波波包,并向孤立内波演变。当无背景流时,地形会激发出两支传播方向相反的海洋内波波包,水深大处波包传播较慢。当存在定常背景流时,在其与地形共同作用下,在地形处会激发出较强的内波波包,若地形足够陡峭,则内波波包截陷于该陡峭处,造成该处强烈的垂直运动。背景流随时间的变化会对在台阶地形跃阶处的内波波包产生不同的影响。     

基于X波段海洋雷达的南海西北部内波参数特征研究

中国南海是内波频发海域,卫星遥感在内波参数特征的统计分析中得到了广泛应用,但是卫星轨道的重复访问时间长,不能连续观测内波参数的变化特征。X波段海洋雷达具有高时间和空间分辨率,可以长期连续观测内波的变化,本文提出了利用X波段海洋雷达图像提取内波参数的方法,并利用连续观测的数据研究了各参数的分布特征。首先,对雷达图像进行预处理,包括平均处理及斜坡校正两步;利用二维快速傅里叶变换确定内波的传播方向,进而根据该方向上的径向廓线确定内波的相速度大小、波长及周期。最后,利用在南海石油平台上观测的X波段雷达图像对内波各参数进行提取和统计分析,结果表明,研究区域内波的传播方向多为西北向及西向传播,相速度多为0.6～0.8 m/s,波长一般为400～600 m,周期大部分不超过1000 s。     

海洋内波的控制方程组

从海水质量守恒律、盐量守恒律、动量守恒律、熵变化律和海水状态律出发，给出了低频变密度海洋运动的原始控制方程和它的各类实用形式。在推导的过程中着重明确控制方程各种近似形式的数学物理意义，这使我们在使用这些方程时更严格、更准确。     

Evolution and breaking of a propagating internal wave in stratified ocean

The evolution and breaking of a propagating internal wave are directly numerically simulated using a pseudo-spectral method. The mechanism of PSI （ parametric subharmonic instability） involved in the evolution is testified clearly. It dominates gradually in nonlinear resonant interactions. As a consequence, the energy cascades to a second plant wave packet which has lower frequencies and higher wavenumbers than that of the primary wave. With the growth of this wave packet, wave breaking occurs and causes strongly nonlinear regime, i.e. stratified turbulence. The strong mixing and intermittent of the turbulence can be learned from the evolution of the total energy and kurtosis of vorticity vs. time. Some statistic properties of the stratified turbulence are also analyzed, including the spectra of KE （kinetic energy） and PE （potential energy）. The results show that the PE spectra display a wavenumber range scaling as 0. 2 N^4ky^-3 （N is the Brunt - Vaisala frequency, k, is the vertical wavenumber）, which is called buoyancy sub-range. However, the KE spectra cannot satisfy the negative cubic law of vertical wavenumber, which have a much larger downtrend than that of the PE spectra, for the potential energy is transferred more efficiently toward small scales than the kinetic energy. The Cox number of diapycnal diffusivity is also calculated, and it shows a good consistency with the observations and deductions in the ocean interior, during the stage of the stratified turbulence maintaining a fairly active level.     

四层成层水域内波的研究

运用小振幅波理论研究了四层成层水域的内波运动，给出了四层成层状态下的各界面波波面位移和各层速度势的解析表达式及各层深度平均流速分布和内波波动频散关系，并与三层成层水域内波的解析结果进行了比较。     

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。     

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。     

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。     

经验模态与小波分解在光学遥感内波参数提取中的应用

内波遥感参数提取是利用遥感影像研究海洋内波的重要手段,通过提取内波的基本参数可以对海洋内波的生成与传播机制进行进一步的研究。提出了利用经验模态分解、小波分解与高阶多项式拟合从光学影像中提取内波半波宽度的方法。经验模态分解与小波分解对内波剖面数据进行尺度分解,根据归一化方差最大来提取内波分量;多项式拟合基于内波剖面的亮暗条纹变化完全由内波调制的假设,对数据进行拟合,并根据一阶导数来提取半波宽度。用南海北部东沙岛附近2004年7月10日的中-巴资源卫星(China-Brazil Earth Resources Satellite,CBERS)影像对方法进行了验证。结果表明,3种方法能较好地提取所需参数,获取的内波半波宽度具有较好的一致性;上述方法在处理非平稳及非线性遥感数据上,具有非常明显的优势。基于一维非线性内波理论,通过提取的内波半波宽度,辅以水深和混合层深度数据,反演了内波的振幅。     

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%.     

内波对风浪中短波波面斜率分布的影响

在小风速条件下,分层水中,水下运动物体所产生的内波,通过改变表面流场,使得风浪中的短波波面斜率分布发生了改变。由此,可以通过观察表面风浪中短波波面斜率分布的变化,识别出水下运动物体的移动轨迹     

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.     

Analysis of a simplification strategy in a nonhydrostatic model for surface and internal wave problems

This paper examines the simplification strategy of retaining only the nonhydrostatic effect of local acceleration in a three-dimensional fully nonhydrostatic model regarding the submesoscale wave phenomenon in the ocean.Elaborate scale analysis of the vertical component of the Reynold-averaged Navier–Stokes(RANS) equation was performed, confirming the rationalization of this simplification. Then, the simplification was implemented in a RANS equation-based nonhydrostatic model NHWAVE(nonhydrostat...