高频表面波对定常Ekman流解的影响

基于Jenkins(1989)建立的包含Stokes漂流、风输入和波耗散影响的修正Ekman模型,采用Paskyabi等(2012)使用的推广的Donelan等(1987)中的谱和波耗散函数,并利用Paskyabi等(2012)中修正方法给出的包含高频波的风输入函数,在粘性不依赖于水深及粘性随深度线性变化的条件下,研究了包含高频毛细重力波的随机表面波对Stokes漂流和Song(2009)导出的波浪修正定常Ekman流解的影响。结果表明高频表面波使Stokes漂流在海表面剪切加强,对定常Ekamn流解的影响通常不能忽略,但对Ekman流场的角度偏转影响很小。最后,将考虑高频表面波尾谱影响所估算的定常Ekman流解与已有观测结果以及经典Ekman解进行了比对分析。     

用简单海气耦合模式研究西太平洋暖池的形成机制及其对大气扰动的影响——Ⅰ.简单海气耦合模式的建立(英文)

试图建立一个简单海气耦合模式,其中大气垂直分为两层,为－β平面近似线性模式。在非绝热加热项中包含了对流凝结潜热与大尺度流场之间相互作用的ＣＩＳＫ机制以及蒸发、感热与扰动风场之间的反馈机制,并考虑了东风区与西风区的不同。由于只研究大气的平均纬向运动,故模式大气中仅含有Ｋｅｌｖｉｎ波。海洋模式为一约化重力模式,只保留了Ｒｏｓｓｂｙ波。对这一海气耦合模式进行特征波动分析,发现考虑海气耦合效应并不影响大气波动的性质,在东风区大气Ｋｅｌｖｉｎ波仍然增幅和东传;在西风区大气Ｋｅｌｖｉｎ波振幅衰减。但海气耦合效应却使得大气Ｋｅｌｖｉｎ波的传播速度减慢,周期增大。当考虑海气耦合效应时,海洋Ｒｏｓｓｂｙ波的稳定性质发生变化,由原来的中性波动变为非中性波动。在西风区,波数小于某临界波数的长Ｒｏｓｓｂｙ波振幅增大,而短的Ｒｏｓｓｂｙ波振幅衰减。在东风区结论相反。对海气耦合模式中波动的分析,为数值模拟西太平洋暖池的形成及其对大气扰动的影响建立了理论基础。     

海洋运动对大尺度风场影响的解析研究

为探讨海洋向大尺度风应力响应的具体过程,建立了考虑海面风应力强迫的正压原始方程海洋模型,并利用Green函数做了解析求解和讨论。发现风应力引起的Ekman抽吸正比于风应力旋度。得到了海洋向风应力响应的具体形式:即海洋流场和压力场进行着准平衡的演变,并有海洋中压力梯度与科氏力之间的准地转平衡以及海洋Ekman体积输送的散度场与风应力旋度场之间的准平衡;此时有短周期的重力惯性波被激发,该波会较快弥散掉;而准平衡的演变则始终持续着。海洋在大尺度风场的强迫下的运动由重力惯性波、强迫惯性振荡和缓慢演变的准平衡过程三部分组成;前两部分是快过程,第一部分更快,第三部分是慢过程。最终海洋运动表现为强迫惯性振荡和准平衡演变过程的叠加。     

西太平洋暖池形成与维持的动力学机制

建立了一个简单海气耦合模式,其中大气垂直分为两层,为-β平面近似线性模式。在非绝热加热项中包含了对流凝结潜热与大尺度流场之间相互作用的CISK机制以及蒸发、感热与扰动风场之间的反馈机制,并考虑了平均东风区和西风区的不同。由于只研究大气的平均纬向运动,故模式大气中仅含有Kelvin波。海洋模式为一约化重力模式,在一定条件下采用准地转近似,模式海洋中仅保留了Rossby波。对这一海气耦合模式进行特征波动分析,发现海气耦合并不显著改变大气波动的性质。在中东太平洋的平均东风区,大气的Kelvin波仍然增幅和东传。在平均西风区,大气Kelvin波振幅衰减。但耦合作用却使海洋Rossby波的性质发生变化,且波长超过某一临界波长Le的Rossby波的振幅增长。在平均东风区,结论相论。这一理论说明西太平洋暖池的形成与海洋Rossby波有关。在东太平洋,由于是平均东风区,短的Ross-by波振幅增长,不能形成水平尺度很大的“暖池”。而在平均西风的西太平洋区,有可能形成水平尺度很大的“暖池”。     

女川湾附近的长周期波Ⅲ──湾中假潮特征的时间变化

根据湾顶Konorihama站和湾外Enoshima站1972年5月至1973年5月1a的观测资料研究了女川湾（OnagawaBay）的假潮特征。在Konorihama站经常出现7～11cm全振幅假期（占总样本的63％），最大达31cm．短时间资料谱分析指出，谱峰值周期明显地随时间而变化。位于湾嘴的波节线离岸移动，而在Enoshima站却向岸移动。造成这些现象的原因似乎是由于引起假潮的外海波入射角的改变。假潮的基波和横向波型的振幅随时间增加或减小交替变化，被认为是这些波型之间能量的转换。能够观测到由气压波引起的湾振荡，但振荡振幅仅在几厘米之内，而且在几小时内耗散。     

逆时偏移波场延拓中的几何扩散问题

从理论上分析逆时偏移波场延拓过程中的振幅变化有助于发展真振幅的逆时偏移方法,提高成像结果的精度和保真性。本文研究逆时偏移波场延拓中的几何扩散对振幅的影响,首先基于高频渐进理论,给出正向和逆时延拓波场的WKBJ近似表示;然后应用稳相原理,证明逆时偏移中逆向波场延拓能够补偿正向波场延拓中的几何扩散效应;最后通过数值算例验证理论推导的结果,分析逆时偏移自动补偿几何扩散后的成像振幅。该研究为真振幅逆时偏移方法研究提供理论基础。     

实验室造波条件对内孤立波发展影响的直接数值模拟

内孤立波具有振幅尺度大、能量集中的特点,其引起流场和密度场的迅速变化可能对海洋工程结构物以及水下潜体造成严重威胁。因此研究不同造波条件下生成的内孤立波运动的流场特征具有重要的学术意义和实际应用价值。采用直接数值模拟方法和给定的初始密度场密度跃迁函数,对重力塌陷激发内孤立波的运动过程进行研究,探讨了不同造波条件下,激发产生的内孤立波波型、涡度、振幅和水平速度等流场特征。结果表明:(1)直接模拟数值方法能够模拟内孤立波传播过程中的密度界面波型反转现象;(2)从定性和定量的角度,证实了不稳定内孤立波传播过程中存在能量的向后传递;(3)对于相同的台阶深度(水闸两侧初始密度界面的高度差),初始涡流保持相同,但是随着上下层水深比的减小,其强度下降显著;(4)台阶深度对初始涡流的垂直结构的影响要大于上下层水深比,且台阶深度对内孤立波的振幅、水平速度的影响显著。     

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。     

时间平均基本气流中的定常Rossby波频散及能量西传特征

本文利用正压无辐散模式讨论时间平均基本气流中的行星波活动特性。结果表明,当经向基本气流v≠0时,Rossby波在东风带(u<0)和西风带(u>0)里均存在振荡解。此外,在一定条件下,定常Rossby波能量可以向西传播。本文给出了定常Rossby波能量西传的充分必要条件,并且求得了波包能量传播路径的近似方程。所得结论可以解释埃尔尼诺与大气和海洋环流之间的某些遥相关现象,从而加深了对海、气环流异常物理机制的认识。     

旋转地球上不可压缩流体惯性重力波的频率方程

用微扰动方法对旋转地球上不可压缩流体的控制方程组进行线性化,得到了扰动解和流体界面上惯性重力波的频率方程。表面惯性重力波和惯性重力内波的相速公式都是这个更普遍的频率方程的特殊情况。     

全球海洋高频波动主振荡周期的纬向带状分布特征

基于1992年10月至2000年12月的TOPEX/Poseidon和ERS-1/2卫星高度计资料,分析了周期短于150d的高频波动及其能量的空间分布特征.在功率谱密度计算基础上,分析特定频段所含能量占周期短于150d的高濒波动总能量的百分比,发现该频段最强振荡(下文称主振荡)所对应的周期从近赤道的1个月逐步增加至南北纬30°附近的4个月,进一步分析表明主振荡周期的这种变化是连续的,与西向行星Rossby波的相速随纬度增加而变慢相对应.主振荡所对应的周期在全球海洋中呈显著的带状分布.进而表明在14°N(S)附近60d周期的振荡除通常所认为的由于潮汐混淆所造成的虚假信号之外,主要是行星Rossby波形态的真实信号.     

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.     

大尺度圆柱墩群周围的波流场的数值模拟

本文对波流共同作用下大尺度圆柱墩群周围的波流场进行了数值研究。利用波浪弥散关系的迭代计算求得波向与流向的夹角以及波浪的相对频率。流场通过求解浅水环流方程得到,波浪场通过求解含流的缓坡方程得到,通过二者的迭代计算得到大尺度圆柱墩群周围的波流场的耦合解。用有限元法建立了数值模型,并将本文的计算数据与试验数据以及其他学者计算数据进行了比较,结果较为合理。     

北太平洋海温场的频谱特征及其对西太平洋副高的影响

谱分析显示赤道东太平洋海温距平场（ＳＳＴＡ）与北太平洋海温指数（ＰＴＩ）具有相同的振荡周期,而西风漂流区ＳＳＴＡ除了具有低频３７个月的周期变化,还存在５个 ３个月的高频振荡,海温场的低频振荡中,赤道东太平洋ＳＳＴＡ振荡振幅比西漂流区约大１个量级,位相提前约２个月,说明赤道东太平洋ＳＳＴＡ变化在整个北太平洋ＳＳＴＡ变化中领先且起主导作用。西太平洋副高的振荡周期在低频部分与赤道东太平洋ＳＳＴＡ和ＰＴＩ     

海滩冲流带高频振动地形动力过程分析

在粤东汕尾后江湾海滩冲流带布设2条观测剖面,共计6个观测点,对滩面冲流带在约一个潮周期内的高频振动进行了观测,取得采样频率分别为1min/次和6min/次的滩面数据各1组.结合同步观测的碎波带波浪潮汐数据,分析探讨了海滩高频振动特征.分析认为在涌浪条件下,滩面高频振动的日内变化主要受到潮位变化过程的控制,涨潮堆积,落潮侵蚀.利用交叉谱分析的结果表明滩面高程变化滞后于潮位变化.滩面下部比上部振动幅度大,变化复杂,滩角脊部比凹部活跃.波群对滩面高频振动有显著影响,特别是波高大于有效波高的波群.滩面高频振动没有表现出明显的泥沙逐渐向陆地堆积过程,有一定的振动周期.     

斯里兰卡南部海域次重力波特征研究

次重力波在近岸水动力运动过程中起到重要作用,深入地了解次重力波对预防其引发的近岸灾害有着重要意义。结合波浪现场观测方法和数值模拟方法研究了斯里兰卡南部海域次重力波特征。短波和自由次重力波通过海浪谱模型WAVEWATCH III模拟,而约束次重力波通过二阶非线性理论模拟,数值模拟结果与现场观测结果对比吻合良好。研究结果表明,斯里兰卡南部海域大部分时间以自由次重力波为主;在强涌浪海况下（短波波高大于2.5 m,周期大于15 s）约束次重力波逐渐逼近自由次重力波甚至占主导地位;斯里兰卡大陆架极其狭窄,对涌浪的能量损耗作用极为有限,使得近岸面对强劲的涌浪及其伴生的次重力波的侵袭,增大了次重力波引发近岸水动力灾害的风险。     

海洋内波发展演变数值试验

利用二维非静力数值模式,对海洋跃层中剪切背景流下内波做了线性和非线性模式的数值试验,结果表明:在本文所取的初始场和环境参数下,海洋内波密度扰动大值中心始终出现在密度跃层附近,被跃层所俘获,这与实际观测相一致;线性情况下,流函数扰动中心与密度扰动中心有很好地配合,密度扰动正、负中心附近分别存在流函数扰动的正、负单圈环流中心,且单圈环流垂直贯穿整个水体。线性模式中内波扰动强度在调整适应期后一直呈指数增长发展,剪切背景流是不稳定的;而非线性情况则呈准线性增长发展,以后增长停止而进入稳定期,且后者的增长也比前者要慢;非线性效应抑制了内波增长而使之趋于稳定,具有维稳作用。随着积分时间增加,线性模型中内波波包波形基本不变。波包的负、正振幅大体相同,整个波包宽度也基本不变,仅振幅有所增长;内波波包传播速度与其振幅无关,且传播速度基本不变。非线性情况下内波波包的形状则发生改变,其负、正振幅之比越来越大,波峰前的陡降也越来越强;并且内波传播速度与其振幅和波形有关,通常非线性效应越强,内波传播越慢。从本文中海洋内波的波长、周期和传播速度来看,该内波属于高频内波(短周期内波),性质为内重力惯性波。     

热带气旋过程中的近惯性振荡解及频散关系

基于简单的Slab模式,建立了热带气旋过程中上层海洋近惯性流与风应力之间的定量关系。在此基础上推导出了近惯性振荡在海面能量输入通量及在温跃层内能量耗散表达式,揭示了近惯性流在大尺度准地转流场作用下的频散关系。研究表明:上混合层近惯性流的产生是局地风应力直接作用的结果。海洋因其层化效应存在相应的斜压正交模,当风应力频率与海洋内部固有的斜压模态相近时,二者共振产生近惯性振荡。而当海面输入近惯性能量大于其在上混合层能量损耗的水深平均值时,近惯性振荡处于增长阶段,反之则处于衰减阶段。大尺度准地转流的作用是对近惯性振荡流产生频移效应,而对近惯性流的能量耗散没有贡献。     

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。     

深海畸形波振幅与增益的关系

依据深海表面波的非线性薛定谔方程,推导深海表面波的增益谱,研究在调制不稳定条件下的非线性薛定谔方程的一阶解与增益之间的关系,又结合呼吸孤子产生畸形波的现象,得到畸形波的最大振幅为初始波振幅与增益最大值的叠加。这个结果对研究畸形波的产生具有一定的参考价值。