分层海洋的内孤立波

本文从流体力学基本方程组出发,在非地转条件下导得了分层海洋的内孤立波方程—Kbv和mKdv方程,证实了在非地转条件下,一类海洋非线性波动是可以严格满足内孤立波方程的。在地转条件下采用f平面近似导出了KdV方程的演化形式一有源KdV方程,地转的影响含于源项中。由初步的分析得出,f对KdV方程的影响是微弱的。由已得的KdV和mKdV方程的解可知,内孤立波与线性波有着本质差别。     

变系数KdV方程在海洋内孤立波的应用

本文讨论了变系数KdV方程的一种求解方法及其理论应用。首先利用解析解给出初值条件,其次通过龙格库塔法结合显格式差分法对方程进行离散,并运用MATLAB软件编程求出方程的数值解。为了更好地体现孤立波的特性,本文选取了不同的初始波形,以研究孤立波的极性转换、线性化及频散产生尾波等典型情形,并将此理论用于实际海洋的孤立波分析中,以便更简洁直观地了解内孤立波的特性。     

内孤立波的研究与数值模型

海洋内孤立波是一种特殊的内波,它能够长距离的传播而保持波形的基本不变。世界上很多海域都观测到了内孤立波的存在,我国南海也是内孤立波频发的典型海区。本文介绍了内孤立波的生成机制、南海内孤立波的研究现状并探讨了南海内波的源、最后介绍研究内孤立波所用的传播模型,认为建立水平二维的内孤立波传播模型具有重要的意义。     

内孤立波波-波相互作用的数值模拟

基于弱二维的KP方程,并结合南中国海东沙群岛附近内孤立波的观测资料,模拟了内孤立波的波-波相互倌用0数值结果较好的反应了内孤立波的二维特征,同时体现两个内孤立波波-波相互作用的非线性特征,即两波相交处相速随振幅的增大而变大。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。     

南海文昌海域内孤立波特征观测研究

内孤立波对大陆架边缘海区的混合和生态有着显著影响,近年来已成为物理海洋学研究的热点。但是南海北部陆架的内波现场资料极为缺乏。2005年4—7月,中国科学院海洋研究所在文昌海区进行了文昌内波实验。通过此次现场观测数据发现,在4月下旬文昌海域有着强盛的内孤立波,其振幅在40m左右,产生的斜压流接近1m／s,且传播方向平行于等深线切线方向,向西南方向传播。分析还得出此类内孤立波并非发源于吕宋海峡,应该属于潮地相互作用局地生成的内孤立波。     

南海东北部C型内孤立波的观测与分析

基于布放在南海东北部陆坡海域的5套潜标观测到的内孤立波波列数据和孤立波扰动KdV(PKdV)理论,研究内孤立波在趋浅陆架上的传播特征。得出如下结果:1)观测到的内孤立波属于C型内孤立波,即平均重现周期为(23.41±0.31)h。2)内孤立波在西传爬坡过程中,其振幅表现为先增大后减小再增大,与该海域温跃层深度的变化趋势一致;由观测数据和理论计算得到的孤立波振幅增长率(SAGR)数值接近,表明该海域的内孤立波的振幅变化可以采用由孤立波PKdV方程导出的趋浅温跃层理论来描述。3)随着水深变浅,内孤立波传播方向向北偏移,传播速度减小,即在A,B和D站位,传播方向分别为279°,296°和301°,偏转角度达22°;传播速度分别为2.36,2.23和1.47 m/s,减小38%。     

变系数EKdV模型在模拟南海北部大振幅内孤立波传播和裂变中的应用

利用垂向连续分层变系数EKdV模型,模拟了南海北部海域大振幅内孤立波的传播和裂变过程,并与观测数据进行比较。结果表明:连续分层变系数EKdV模型能够较好地反映振幅小于100m的内孤立波的振幅和波宽,对于更大振幅的强非线性内波,该模型模拟的振幅和波宽均较实测较小;非线性模态函数能够较准确地反映温度振荡的垂直结构,而水平流速的大小和垂直结构则与线性模态较符合。研究结果表明,变系数EKdV模型能够为研究和理解大振幅内孤立波的传播和裂变过程提供较好的理论支持。     

Gerris在海洋大振幅内孤立波数值模拟中的应用

本文运用基于自适应网格的流体动力学开源软件Gerris,来建立基于Boussinesq近似下的二维不可压缩Euler方程组的数值模型,以模拟不同层化条件下稳定状态的完全非线性大振幅内孤立波。文中比较了完全非线性的用Gerris实现的Euler模型与弱非线性的KdV理论模型在刻画大振幅内孤立波结构及特征参数上的差异,说明在模拟大振幅内孤立波时,高阶非线性不应忽略。Euler模型模拟结果表明,完全非线性大振幅内孤立波的等密度面半宽度随深度变化,这使得基于KdV方程解析解、利用卫星SAR(Synthetic Aperture Radar)图像提取内孤立波极值间距来反演内波振幅的可行性存疑,需要重新评估。此外,本文用两组实测数据验证了用Gerris实现的Euler模型模拟大振幅内波的有效性。     

两相流模型在南海内孤立波与沙波相互作用中的应用

为研究内孤立波与沙波的相互作用,本文对基于OpenFOAM的SedWaveFoam求解器进行改进,建立了内孤立波-泥沙运动欧拉两相流模型。在利用试验资料对模型进行验证的基础上,在南海北部典型代表性条件下,模拟分析了500 m水深位置沙波床面上内孤立波作用下的水动力变化和泥沙运动。结果表明,内孤立波逐渐离开沙波时,海底沙波背流面处出现与内孤立波背景流速反向的流速,在内孤立波导致的流场作用下,沙波床面上的泥沙悬起并运动到床面以上的水体中。振幅100 m的内孤立波可以导致床面以上14 m高的位置处出现约0.07 kg/m³的悬沙浓度。     

基于变系数Korteweg-de Vries方程的海洋内孤立波非线性相互作用仿真模拟研究

本文主要是利用含有散射项和微扰项的变系数Korteweg-de Vries方程的双孤子解对海洋内孤立波的非线性相互作用进行研究.在南海东沙群岛海域,着重分析该弹性碰撞在合成孔径雷达图像上的信号特征,同时研究耗散项和微扰项对海洋内孤立波的弹性碰撞引起的表层流速的影响.     

Assessment of theoretical approaches to derivation of internal solitary wave parameters from multi-satellite images near the Dongsha Atoll of the South China Sea

This study assesses the accuracy and the applicability of the Korteweg-de Vries(KdV) and the nonlinear Schr?dinger(NLS) equation solutions to derivation of dynamic parameters of internal solitary waves(ISWs) from satellite images. Visible band images taken by five satellite sensors with spatial resolutions from 5 m to 250 m near the Dongsha Atoll of the northern South China Sea(NSCS) are used as a baseline. From the baseline, the amplitudes of ISWs occurring from July 10 to 13, 2017 are estimate...     

基于遥感的南海北部中尺度涡对内孤立波传播的影响

海洋内孤立波和中尺度涡是南海北部常见的中尺度动力过程。本文利用2010−2015年的Terra/Aqua-MODIS、ENVISAT ASAR和多源卫星高度计资料开展了南海海洋内孤立波和中尺度涡遥感探测研究,分析了中尺度涡对内孤立波传播方向的影响。结果表明,中尺度涡和内孤立波主要在南海东北部海域共存,当二者共存时,气旋（冷涡）促使内孤立波偏离原来的传播方向,向西偏南方向传播;反气旋（暖涡）促使内孤立波向西偏北方向传播,气旋与反气旋改变的内孤立波传播方向刚好相反。内孤立波和中尺度涡共存时间主要集中在3−9月,其中,3月受气旋和反气旋的共同作用,内孤立波传播方向几乎无变化;4月和5月,主要受气旋影响,内孤立波偏离原来传播方向向南传播;6−9月,主要受反气旋影响,内孤立波偏离原来的传播方向向北传播。本文利用遥感手段探索了海洋中尺度涡对内孤立波传播方向的影响,结果与现场观测结果一致。     

一个典型南海北部第二模态内孤立波的观测分析

第二模态内孤立波在海洋中极少被观测到。本文基于潜标高时空分辨率观测数据,对南海北部陆架区的一个典型第二模态内孤立波进行了分析。结果表明,该第二模态内孤立波的流核出现在135 m深度处,其最大水平流速为0.66 m/s,传播方向为西偏北58°。沿传播方向的内孤立波流速分布在80～170 m的深度范围内,而与传播方向相反的逆流出现在海表和海底附近。垂向模态分析表明,该第二模态内孤立波水平流速的垂向结构与理论结果吻合良好。能量计算结果显示其动能密度的垂向积分可达14 kJ/m2,而波峰线方向单位长度上的动能估算值为5.98 MJ/m。尽管该第二模态内孤立波的动能比陆架区第一模态内孤立波小1个量级,但其高达0.045 s-1的流速垂向剪切约为典型第一模态内孤立波的2倍,表明其导致的混合可能更强。     

Effects of westward shoaling pycnocline on characteristics and energetics of internal solitary wave in the Luzon Strait by numerical simulations

An internal gravity wave model was employed to simulate the generation of internal solitary waves(ISWs) over a sill by tidal flows. A westward shoaling pycnocline parameterization scheme derived from a three-parameter model was adopted, and then 14 numerical experiments were designed to investigate the influence of the pycnocline thickness, density difference across the pycnocline, westward shoaling isopycnal slope angle and pycnocline depth on the ISWs. When the pycnocline thickness on both sides of the sill increases, the total barotropic kinetic energy, total baroclinic energy and ratio of baroclinic kinetic energy(KE) to available potential energy(APE) decrease, whilst the depth of isopycnal undergoing maximum displacement and ratio of baroclinic energy to barotropic energy increase. When the density difference on both sides of the sill decreases synchronously, the total barotropic kinetic energy, ratio of baroclinic energy to barotropic energy and total baroclinic energy decrease, whilst the depth of isopycnal undergoing maximum displacement increases. When the westward shoaling isopycnal slope angle increases, the total baroclinic energy increases whilst the depth of turning point almost remains unchanged. When the depth of westward shoaling pycnocline on both sides of the sill reduces, the ratio of baroclinic energy to barotropic energy and total baroclinic energy decrease, whilst the total barotropic kinetic energy and ratio of KE to APE increase. When one of the above four different influencing factors was increased by 10% while the other factors keep unchanged, the amplitude of the leading soliton in ISW Packet A was decreased by 2.80%, 7.47%, 3.21% and 6.42% respectively. The density difference across the pycnocline and the pycnocline depth are the two most important factors in affecting the characteristics and energetics of ISWs.     

Layer-block tectonics of Cenozoic basements and formation of intra-plate basins in Nansha micro-plate, southern South China Sea

Layer-block tectonics(LBT)concept,with the core of pluralistic geodynamic outlook and multilayer-sliding tectonic outlook,is one of new keys to study 3-dimensional solid and its 4-dimensional evolution history of global tectonic system controlled by global geodynamics system.The LBT concept is applied to study the lithospheric tectonics of the southern South China Sea(SCS).Based on the analysis of about 30000 km of geophysical and geological data,some layer-blocks in the Nansha micro-plate can be divided as Nansha ultra-crustal layer-block,Zengmu crustal layer-block,Nanwei(Rifleman bank)–Andu(Ardasier bank)and Liyue(Reed bank)–North Palawan crustal layer-blocks,Andu-Bisheng and Liyue–Banyue basemental layer-blocks.The basic characteristics of the basemental layer-blocks have been dicussed,and three intra-plate basin groups are identified.The intra-plate basins within Nansha micro-plate can bedivided into three basin groups of Nanwei–Andu,Feixin–Nanhua,and Liyue–North Palawan based on the different geodynamics.In the light of pluralistic geodynamic concept,the upheaving force induced by the mid-crust plastic layer is proposed as the main dynamical force which causes the formation of the intra-plate basins within the Nansha micro-plate.Finally,models of a face-to-face dip-slip–detachment of basemental layer-block and a unilateral dip-slip–detachment of basemental layer-block are put forward for the forming mechanisms of the Nanwei–Andu and Liyue-North Palawan intra-plate basin groups,respectively.