内孤立波与平顶海山作用的能量耗散实验研究

内波破碎引起的能量耗散和混合是海洋内部的重要物理过程。通过在二维内波水槽进行实验室实验,分析内波与地形的作用,探究内孤立波与平顶海山地形作用时波要素、能量以及湍耗散率的时空变化。本实验利用重力塌陷法在两层流体中制造第一模态内孤立波,通过粒子图像测速技术(particle image velocimetry, PIV)获得内孤立波与地形作用时的流场结构,定量分析整个作用过程。结果表明,地形会改变波形甚至引起破碎,内波与地形作用时,振幅和能量密度会在内孤立波爬坡时迅速增大,在地形前缘产生强烈能量耗散。入射波的能量与塌陷高度呈二次函数关系,透射波能量随地形升高减小,反射波能量随地形升高增大。地形前缘局地湍耗散率极值时间序列在部分实验中呈双峰结构,对应内孤立波界面处剪切加强引起湍流耗散和波后缘翻转破碎。破碎引起的地形前缘区域平均湍耗散率量级在10~(-5)m~2/s~3,局地湍耗散率极值与入射波振幅呈指数关系,所有实验中局地湍耗散率的最大值接近10~(-3) m~2/s~3量级。     

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。     

基于舟山外海连续测站的湍混合研究

利用2010年4月3日在舟山外海观测的25hLADCP海流数据与CTD连续观测数据,综合利用Thorpe方法、功率谱分析、交叉谱分析等方法对测站所在海域的小尺度湍混合参数进行估计,分析并讨论了其时空分布特征及影响因子。研究结果表明,上混合层湍流所致的垂向翻转尺度普遍大于下混合层,较大尺度翻转均出现在潮位峰值附近,涨潮时段混合明显大于落潮时段且半日周期,1/4周期显著。该站点存在明显的"上强下弱"双密度跃层现象,湍动能耗散率、湍混合率也呈现出"表强底弱"特征。弱跃层中近惯性频率的内波和近半日潮频率的内潮信号最为显著,而强跃层中则是高频内波和近半日潮频率的内潮信号明显,上下跃层及其之间伴有间歇性强湍流发生。上混合层平均的湍混合对风应力的响应要快于对海流的响应,底应力是下混合层水体湍混合的重要因子。     

海浪破碎对海洋上混合层中湍能量收支的影响

海浪破碎产生一向下输入的湍动能通量,在近海表处形成一湍流生成明显增加的次层,加强了海洋上混合层中的湍流垂向混合。为了研究海浪破碎对混合层中湍能量收支的影响,文中分析了海浪破碎对海洋上混合层中湍流生成的影响机制,采用垂向一维湍封闭混合模式,通过改变湍动能方程的上边界条件,引入了海浪破碎产生的湍动能通量,并分别对不同风速下海浪破碎的影响进行了数值研究,分析了混合层中湍能量收支的变化。当考虑海浪破碎影响时,近海表次层中的垂直扩散项和耗散项都有显著的增加,该次层中被耗散的湍动能占整个混合层中耗散的总的湍能量的92.0%,比无海浪破碎影响的结果增加了近1倍;由于平均流场切变减小,混合层中的湍流剪切生成减小了3.5%,形成一种存在于湍动能的耗散和垂直扩散之间的局部平衡关系。在该次层以下,局部平衡关系与壁层定律的结论一致,即湍动能的剪切生成与耗散相平衡。研究结果表明,海浪破碎在海表产生的湍动能通量影响了海洋上混合层中的各项湍能量收支间的局部平衡关系。     

内孤立波破碎所致混合的实验研究

为定量分析内孤立波破碎的混合过程,本文在二维内波水槽中进行了两层流体第一模态内孤立波在斜坡上破碎的实验,运用粒子图像测速技术(PIV)测量内孤立波传播、破碎、反射过程的流场,计算涡度、湍动能和湍耗散率。结果表明不同振幅内波在不同角度斜坡上破碎时各个量的分布特征十分相似,各组实验各要素时间序列中均有两个峰值,分别发生于非线性增强和破碎时刻。得到破碎时湍耗散率与内孤立波振幅的关系为:较小振幅内波的湍耗散率与振幅呈2次关系,无因次振幅增大到0.9湍耗散率趋于不变;与斜坡角度的关系为:对于小振幅内波斜坡角度增大,破碎程度降低,耗散率减小;振幅较大时,存在一个角度使破碎程度最大。破碎引起的湍耗散率的量级在10–7到10–4m2/s3之间,比实测海洋中内孤立波传播界面和内潮遇地形破碎的湍耗散大1个量级。     

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.     

南海北部陆架区内波的演变与耗散机制

海洋是多尺度强迫-耗散系统,机械能主要在大尺度输入,在小尺度耗散。在大、中尺度运动的能量向小尺度湍流传递过程中,内波扮演着重要角色。内波的生成和破碎可打破海洋动力平衡,而在陆架区,内波（主要是内孤立波）的浅化演变与耗散则是驱动湍流混合的关键过程。通过长期的理论、观测与数值模拟研究,目前已认识到内波浅化过程中主要发生如下演变：波形调制、极性转变、裂变、破碎与耗散。相较于直接发生破碎,浅化演变过程中的裂变及其引发的剪切不稳定和对流不稳定是内孤立波在陆架区的主要耗散机制,显著调制陆架区的跃层混合。从能量串级的角度讲,内孤立波浅化裂变为动力不稳定的高频内波是潮能串级的重要通道。本文简要回顾南海北部陆架区内波的研究历史,并着重总结内波在陆架区演变与耗散机制的研究进展。     

基于观测的南海西沙海域深层近惯性振荡特征分析

近惯性内波运动普遍存在于全球大洋中,影响大洋中的质量、动量和能量输送,是大气强迫与海洋混合之间的重要纽带。由于目前海洋深层观测资料的缺乏,对于深层近惯性内波生消演变特征研究甚少。利用2009-2012年的潜标观测资料,采用带通滤波和谱分析方法研究了南海西沙海域深层近惯性内波生成、传播和消亡等演变特征。通过研究发现,南海西沙海域深层存在较强的近惯性振荡,其生成源为台风过境能量输入,绝大部分时段内,近惯性振荡能量在海洋浅层耗散,不向海洋深层传播;仅在少部分时段内,近惯性振荡能量的80%～85%耗散在500 m以浅区域,有大概15%～20%继续向海洋深层传播。     

基于数值模式评估细尺度参数化方案在南大洋背风波生成源地的适用性

验证基于GM(Garret-Munk)大洋内波普适谱的细尺度参数化方案在不同海域的适用性,对于湍流混合研究来说非常重要。包含背景GM内波场的高分辨率数值模式被用于评估细尺度参数化方案在背风波生成源地处的适用性。细尺度参数化方案主要包括基于剪切的G89 (Gregg 1989)方案、基于应变的W93 (Wijesekera 1993)方案、基于剪切和应变的GHP (Gregg-Henyey-Polzin)方案以及对GHP方案中的频率矫正项作出变换的IH (Ijichi-Hibiya)方案。计算结果显示,背风波的生成伴随着海底上方近惯性内波的增强,使得内波场的动能与势能的比值相较于GM内波场偏大。在这种情况下,基于剪切的G89方案会因为高估内波场的总能量而高估耗散率。反之,基于应变的W93方案会因为低估内波场的总能量而低估耗散率。计算结果还显示,已经考虑了内波谱变形的GHP方案仍然会高估耗散率,但IH方案能比较准确地估算耗散率。     

南海中部上层海洋湍流混合的空间分布特征及参数化模型

通过对2010年5月南海16°N和14.5°N断面的湍流微结构剖面观测资料分析,给出了南海海盆上层湍流混合空间分布特征:在16°N断面上,上层10~400m垂向平均湍动能耗散率ερ在东侧略大于西侧;相反,在14.5°N断面上,西侧ερ均值约是东侧ερ的4倍,其中,西侧110.5°~111°E的ερ的平均值为2.6×10-6 W/m3,东侧118.5°E的ερ仅为5.89×10-7 W/m3。通过分析细结构剪切和湍流混合的相关性,发现剪切是南海中部上层强湍流混合的主要驱动力,揭示了高模态内波破碎可能是湍流混合的主要机制。另外,研究了大洋中的3种参数化模型,发现适用于大洋近海的参数化MacKinnon-Gregg(MG)模型能较好地用浮频和剪切估算南海中部深海区上层湍流耗散率。     

近惯性内波破碎混合方案对MOM4模式的影响

风生近惯性内波破碎引起的跨等密度面混合在海洋内部混合中起重要作用。然而其参数化对海洋模式的模拟影响仍有待进一步认识。本文给出的是在模块化海洋模式（MOM）中海洋表面边界层以下引入一个考虑风驱动近惯性内波破碎引起的跨等密度面混合参数化方案的研究工作。模拟结果显示,该方案有效改善MOM4模拟的上层1 000 m以上的温盐偏差,特别是在北太平洋和北大西洋的通风地区。数值试验表明,风生近惯性内波破碎有可能是维持海洋通风过程的重要机制之一,它使得海洋通风区的位温变冷,盐度变淡,整层等位密面加深。维持的通风过程使得北太平洋副极地大涡的影响延伸到副热带大涡。从而模拟的北太平洋中层水源头及其副热带大涡东侧的温盐更接近观测实际。同时,模拟的北大西洋经圈翻转环流强度也更为合理。     

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。     

夏季长江河口层化与湍流混合特征分析

利用2016年夏季长江河口现场水文特性与湍流微结构观测资料, 分析了长江河口水体温盐结构、层化发育、湍流与混合特征。结果表明: 1)夏季长江河口水体密度层化结构明显, 根据各层水体密度梯度差异, 可将水体分为底部混合层和上层密度跃层, 两部分的密度层化界限与浮力频率等值线lg N ² = - 4.0接近。2)底部混合层湍动能耗散率大, 层化结构弱, 水体分层稳定性弱; 上层密度跃层湍动能耗散小, 层化结构强, 水体分层稳定性强, 这有利于河口内波的发育与传播。3)在密度层化的作用下, 水体的湍动能耗散率、湍动能剪切生成及浮力通量的能量关系在一定范围内符合湍动能局部能量平衡方程。不同层之间的湍流弗劳德数Fr_t和湍流雷诺数Re_t在Fr_t-Re_t平面上呈现明显的分区, 与经典的分层剪切流理论基本吻合。     

波生运动和波湍相互作用对海洋上混合层影响的数值探究

本文将波生运动和波湍相互作作用的参数化方案嵌入一维垂向混合模式GOTM中,并与不考虑波浪效应以及仅考虑波浪破碎的试验结果进行对比,发现不考虑波浪效应时,海表温度模拟结果偏高,混合层深度模拟结果偏浅,偏差在夏季尤其明显。波浪破碎对湍流的增强作用仅限于上层几米甚至仅限于表层,对整个混合层的温度分布和混合层深度影响不大。波生运动和波湍相互作用则有效增强海洋上层的湍流强度,改善模式高估海表温度而低估混合层深度的问题,温度分布模拟结果降低了上层温度同时增大了次表层温度,与观测更加相符。波生运动和波湍相互作用增大了海洋上层的湍流剪切生成项、湍动能、耗散率和湍流输运系数,两者对上混合层的温度分布、湍流强度和湍流输运作用的改善结果十分相似。波生运动和波湍相互作用的影响在冬季并不明显,此时可能有其他混合机制占主导地位。     

利用高分辨率水体反射地震资料研究吕宋海峡以东黑潮区混合

混合过程是海洋中普遍存在的一种形式, 对气候变化、物质分布等起到了重要作用。地震海洋学是近十多年发展起来的一门新兴学科, 被广泛应用到物理海洋学问题的研究中, 具有高空间分辨率的突出优点。文章利用反射地震资料, 通过斜率谱方法, 分别获得了吕宋海峡以东黑潮区湍流段与内波段的耗散率及扩散率。结果显示, 在剖面深度200~800m的平均耗散率为10 ^-7.0W·kg ^-1, 平均扩散率为10 ^-3.3m ²·s ^-1, 比大洋统计均值10 ^-5.0m ²·s ^-1高约1~2个量级, 与前人在吕宋海峡的观测结果相一致。湍流段和内波段的扩散率空间分布差异较大: 湍流段扩散率高值区对应强流区域, 推测这里是中尺度涡边缘, 其次中尺度不稳定过程引起扰动增强, 进而引起湍流混合的加强; 内波段扩散率高值区出现在吕宋岛弧附近, 推测是内波遇到岛弧地形发生破碎, 进而引起强的内波混合。     

大洋细结构的一种可能的机制 Ⅱ.剪切和拉伸(英文)

研究了Ｓ、ＳＩ和ＳＦ场的剪切谱、拉伸谱、拉伸对剪切之比以及Ｒｉｃｈａｒｄｓｏｎ函数。发现剪切和拉伸谱在铅直波数βｃ处（约为０．１ｃｐｍ）出现由ｆ～引起的不稳定性。这些结果与ＰＡＴＣＨＥＸ等观测资料的比较进一步支持在部分Ⅰ中提出的推测。分析旋转向量水平分量（ｆ～）沿着内波（尤其是惯性内波）的一个等势密度面的作用,提出了一种产生大洋细结构的可能物理机制。它有些类似于表面波动力学中的风生漂流机制。     

南海北部中深层细结构混合研究

基于2007年8月获得的ADCP（声学多普勒流速剖面仪）海流资料和CTD（温盐深剖面仪）水文资料,应用Gregg模型对南海中深层内波尺度的混合进行估计,同时应用Thorpe尺度对中深层存在的垂向翻转及由此引起的混合进一步分析。两种方法均显示,吕宋海峡附近上层400m的耗散率及混合率均强于18°N断面,中深层两个区域的混合率并没有显著区别。这表明吕宋海峡上层400m,可能存在更活跃的内波活动,从而产生更强的内波混合和垂向水团翻转。Gregg模型估计的耗散率和混合率量级分别为10^-9W·kg^-1和10^-6m^2·s^-1。大部分CTD站位在中深层均存在垂向翻转,而且保持较高的发生率,翻转所对应的混合率并不随深度增加而减小。以上南海北部的细结构混合特征增强对南海中深层混合的认识。     

南海混合的能量源研究

南海是全球内波高发区之一,也是强混合海区。本文利用公开的温盐、流场、风场等数据,结合理论模型分别给出了近惯性内波、内潮、背风波对南海混合的能量贡献及空间分布。三者输入南海的能量之和约为19GW,其中近惯性内波贡献27%;内潮贡献66%;背风波贡献7%。假设这些能量全部在南海耗散为混合提供能量,计算得到南海的平均混合率约为2.8×10~(-3)m~2·s~(-1)。     

夏季长江口及其邻近海域湍流特征分析

利用2019年7月在长江口科学考察实验研究夏季航段(NORC2019-03-02)中获得的MSS90L湍流剖面仪的直接观测数据,本文计算并分析了该断面的湍动能耗散率ε和垂向湍扩散系数K_Z的分布情况。湍动能耗散率的大小为1.72×10?10～2.95×10?5 W/kg;垂向湍扩散系数的大小为3.24×10?7～4.55×10?2 m2/s。湍动能耗散率和垂向湍扩散系数的分布相似,均为上层最强,底层次之,中层最弱。上层由于风应力的作用,使得湍动能耗散率和垂向湍扩散系数较大;温跃层处层化较强,抑制了湍动能的耗散和垂向上的湍混合。盐度锋面的次级环流会促使低盐水团脱离,锋面引起的垂向环流会加强海洋的湍混合。低盐水团与外界的能量交换较少,湍动能耗散率较弱。长江口海区存在明显的上升流和下降流,它们是由锋面的次级环流产生的;上升流和下降流的存在促进湍动能的耗散与湍混合。     

东海内陆架春季跃层和内波影响下的环境要素分布

基于东海内陆架P2连续站春季流速和环境要素的观测数据,发现该站存在由浙闽沿岸水系和陆架混合水系界面形成的较强跃层,跃层的浮频率在1×10-3s-2左右。跃层上下水体的温盐值变化和流场的变化有相关关系。环境要素在跃层的影响下呈现显著的分层结构,说明跃层对环境要素的垂直交换起到了限制作用。同时跃层的存在也为内波的产生提供了条件,斜压结构主要由具有半日潮频率的内潮和近惯性频率的内波组成。在观测开始和结束时刻,跃层深度显著抬升,跃层中存在Ri-1大于4的情况,这与叶绿素溶解氧跨跃层现象存在的时刻对应,说明这两个时刻水体由于内波活动改变了跃层深度并存在剪切不稳定的情况,进而引起了水体的垂向交换,为环境要素的跨跃层混合提供了条件。跃层和内波分别对环境要素的垂直混合起到了阻碍和加强的作用。