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。     

东海西部陆架海区潮内波特征的初步分析

我国对浅海内波现象的调查和研究已有二十多年的历史.六十年代初,中国科学院海洋研究所在东海进行过多次单船定点连续观测和三船同步定点连续观测,并用调和分析的方法对观测资料进行过分析和研究,计算过该海区潮周期内波的各要素.近年来,中国科学院声学研究所在黄海也进行过多次短期定点连续观测,并报道过与声场有关的高频段内波谱分析的结果,但没有涉及潮周期内波.     

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。     

用CTD资料分析东海温、盐、密度垂向细结构初步尝试——Ⅰ.浅海内波的垂向结构

用时间间隔为1小时的12次CTD观测短记录分析了东海浅水区温、盐、密度脉动的垂向特性.平均温、盐、密度剖面可以分成明显的3层:跃层及其上、下层.温、盐、密脉动基本上由内波引起,但在跃层上、下界也存在一定的入侵卷挟.跃层中心的深度起伏大于6.35米,厚度变化在3.5-8米之间.它们随时间的变化是间歇性的,不规则的.用最大熵谱估计方法估计得温度脉动的垂向波数谱,表明能量主要集中在低波数段(<0.13周/米),其间有两突出的谱峰,估计谱线斜率低于-3次方.在中(0.13-0.64周/米)、高(>0.64周/米)波数段谱线分别有-3与-5次方波数依从关系.可能低波数段是内波运动;中波数段是细结构过程或内波与细结构的联合作用;而高波数段的细结构则很弱.     

基于多源遥感数据的日本海内波特征研究

日本海特殊的地理位置和复杂的地形使得该海域内波表征极为复杂,遥感是大范围观测内波的有效手段,已被广泛应用于内波的探测研究。本文利用MODIS、GF-1和ENVISAT ASAR遥感影像,开展了日本海内波特征研究。通过提取内波波峰线,生成了日本海内波空间分布图;获取了内波的波峰线长度和传播速度,并基于非线性薛定谔方程反演了内波振幅。研究结果表明,日本海内波分布范围宽广,不仅大陆架沿海区内波分布密集,深海盆地也探测到了大量内波;日本海北部45°N附近海域有少量内波出现,利用高分影像探测到朝鲜陆架浅海区有大量小尺度内波,大和海盆、大和隆起的西南部海域没有发现内波。日本海内波波峰线长达100多千米,深海区的传播速度大于1 m/s;浅海区内波振幅约10 m左右,深海区可达60 m以上。     

基于多源卫星遥感数据的安达曼海及其邻近海域内波分布特征分析

安达曼海是内波频繁发生的海区之一,对其内波的研究是当今海洋研究的热点。本文利用2013—2016年间覆盖整个安达曼海的3 000多幅Terra/Aqua MODIS、GF-1、Landsat-8、Sentinel-1 等卫星遥感图像,从中提取和解译了内波波列线和波向信息,得到安达曼海海洋内波的时间分布特征,并绘制了内波空间分布图。结果表明,安达曼海及其邻近海域内波主要出现在4个区域:苏门答腊岛以北海域、安达曼海中部海域、安达曼海北部海域以及尼科巴群岛以西海域,尺度较大的内波主要分布在苏门答腊岛以北海域和安达曼海中部海域。在时间分布上,2013—2016年间安达曼海内波的年发生次数相近;在热季、雨季及冬季遥感都能观测到内波的发生;2-4月遥感观测到的内波最多,其次为8、9月,7月遥感观测到的内波较少,这可能是由于雨季光学影像受云影响,安达曼海海域晴空影像过少造成,还需要借助更多的遥感影像进一步证明。在波向上,安达曼海多数内波向岸传播,在苏门答腊岛北部、安达曼海中部海域,内波向东或向东南传播;在安达曼群岛东部,内波向东传播,传播一定距离后与海底地形交互作用,一部分继续向前传播,一部分产生反射,向西南方向传播至安达曼群岛;在尼科巴群岛以西海域,内波由尼科巴群岛向孟加拉湾传播。     

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。     

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。     

浅海环境噪声时间平稳性与起伏特性实测分析

海洋环境噪声具有时域非平稳和幅度起伏的特性。对于浅海海洋环境噪声的时间平稳性与起伏特性的研究,能够揭示浅海海洋环境噪声在时间尺度上的特性,为岸基与浅海声呐的设计、使用以及近岸安保提供技术支持。本文对实测的浅海海洋环境噪声进行时间平稳性与起伏特性分析,通过计算瞬时功率谱起伏率的概率分布,选取适当判别门限来确定环境噪声的平稳时间,得到浅海环境噪声平稳时间在3~5min内,并且不同频率的平稳时间不同;浅海环境噪声低频段与高频段在不同时间尺度上的起伏特性不同。本文还讨论了海况、季节和实验地点对浅海环境噪声平稳性的影响,分析表明噪声源的变化是引起浅海环境噪声场平稳性变化的主要原因。     

南海内波研究前沿与热点

内波为发生在层结海洋内部的亚中尺度波动,是物理海洋学研究,特别是海洋混合及能量级串研究,不可或的缺环节。孤立内波的突发性巨大冲击能量可对水下航行和工程设施构成灾难性威胁,实现实时监测与预报海洋内波具有重大现实意义。南海是全球海洋中超强内波多发海区之一。长期现场观测表明,吕宋海峡以西海域内孤立波振幅高达150～200 m,且终年发生。因此,南海是目前海洋内孤立波观测与研究热点海域。本文以2015年至2021年间发表的论文为依据,评述南海内波研究新进展,认为7 a来研究成果取得质的提升。第一,实现了由卫星为主要手段2D观测到以卫星与潜标同步3D观测为主要手段的提升。由此催生出振幅240 m超强内孤立波、中尺度涡对内波的调制作用、重现周期23 h内孤立波、浅海内孤立波裂变现象、深海盆内波及动能级串等创新成果。第二,研究区开始呈现向中部深海盆扩展趋势。迄今为止,南海内波观测与研究集中在吕宋海峡以西和北部陆架,现已出现向中部深海盆扩展趋势。第三,海洋探测高新技术应用于南海内波观测与研究,取得了突破性成果。由卫星高度计沿轨海面高度场二维平面波分解技术得出的南海M2内潮辐射图,解决了多年争论不休的南...     

南海北部孤立子内波生成条件的初步数值研究

南海北部是一个孤立子内波活动频繁的海域,早在20世纪70年代,Fett等[1]就从卫星图片中发现在东沙群岛附近存在着孤立子内波;近年来,在该海域又多次观测到孤立子内波的活动(图1)[2-4];在1998年5～6月期间,中国科学院南海海洋研究所的“实验三号”科学考察船执行“南海季风实验”计划在南海北部东沙群岛以南进行定点观测时,也曾观测到孤立子内波的活动。     

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。     

海南岛南部海区非线性内波特征分析

2004年6月在南海海南岛南部海域进行了内波观测实验,实验中使用了3条温度链组成链阵,来估计内波在该海区传播的方向和速度。实验中发现了非线性内波群的活动。对潮汐的测量表明,非线性内波群出现在海区的涨潮时刻。计算得到实验海区内波(非线性波群)速度约为0.54m/s。测量有效数据从29日10:00~30日14:00,只发现了一组非线性内波群,说明该海区的非线性内波群不同于别的海区所观测到具有半日潮周期的非线性内波。对非线性内波波形分析可以看出,KdV(Korteweg-de Vries)方程的dn2(x,t)解能比较好的描述得到的内波波形。数据表明非线性内波群在爬坡传播过程中随波包范围的不断扩张,波峰间距离有减小的趋势。对高频线性内波(非线性内波出现前后)的分析表明,高频线性内波中周期为15min~12min的波动成份的能量比较突出,这与非线性内波群中单个波包周期基本吻合,说明非线性内波群在传播扩张过程中其衰落的尾迹分散到了两个非线性波包之间的水体中。     

风浪频谱的成长模型 Ⅱ.三参量的风浪频谱随风区的增长关系

为研究三参量风浪频谱随风浪的成长关系,从而直观地描述风浪频谱成长过程中的超射现象.并证明三参量谱谱型的合理性.基于已得到的谱参量随风区的变化关系,对三参量风浪频谱以及风浪频谱成长过程中存在的"超射"现象作深入的研究,得到三参量风浪频谱随风区的成长关系:S(-ω,-m0,-ω0,B)=-m0(-x)/-ω0(-x)B(-x)[-ω/-ω0(-x)]-p(x)exp[-p(-x)/q(-x)([ω/ω0(-x)]-q(-x)-1)]在此基础上,得到无因次风区:300、500、2000、5500、10000、15000下,风浪频谱的谱线,从而直观地描述了风浪频谱成长过程中的"超射"现象,并认为在风浪频谱的成长过程中确实存在着"超射"现象,但是该现象并不如Hasselmann等提出的理论中阐述的那样存在于风浪频谱成长的全过程,而是仅存在于风浪频谱成长的初期.随着风浪的不断成长,"超射"现象逐渐减弱,直到风浪接近充分成长,"超射"现象也随之逐渐消失.经过不同风区下实测数据的检验,证明S(ω,-m0,-ω0,B)、S(ω,-H,-T,B)、S(ω,-H,-T,-δ)以及S(ω,-H,-T,β)四种形式的三参量风浪频谱谱型是合理的,同时也进一步证明了谱的零阶矩、谱的峰频率、谱宽度、波高、周期、波陡和波龄随风区变化关系的正确性.     

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。     

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。     

中国海南岛东部海域内波特性观测分析

在海南岛东部海域内波生成区和传播区,采用CTD与温度链实测数据,结合潮流资料,从发生周期、时间与振幅等方面分析了海南岛东部海域内波的特性,发现此处内波与潮汐间存在较强的对应关系,周期表现为不规则全日潮周期,内波多发于高潮时后1~4h内,占总发生次数的75%。2009年观测得到的内波周期范围主要集中在10~29min之间,约占总数的70%,振幅主要集中在6~15m,约占总数的80%;2010年观测得到的内波周期主要集中在10~45min之间,约占总数66.8%,振幅集中在10~29m,约占总数75%。海南岛东部海域潮致内波的周期与振幅的差异性可能是由海水深度与上升流的影响导致的。     

赤道西太平洋1°45′S,156°E海区的半日内潮波特性(英文)

通过对TOGA-COARE期间的一组锚系仪器阵列资料的分析得出:在赤道西太平洋1°45′S,156°E。海域存在显著的半日潮频内波,它的水平波数(波长)、垂向波数、水平传播速度和垂向传播速度分别约为:3.3×10-2km-1(210km),-1.6×10-3m-1,2.0m/s,-3.8cm/s。波形向斜下方传播,亦即波能向斜上方传输。它在观测点西南方生成后,向东北方向传播,到达观测海区。流速矢量旋转谱水平随深度的变化呈马鞍形,低谷及深处的峰所在深度分别与南赤道流及赤道潜流的南边界所在深度大体一致。旋转椭圆主轴方位角随深度变化,在浅层(40m处)为北偏东30°,到深处(324m)转为东偏南14°。总体上呈东北方向,表明波来自西南方向。     

赤道西太平洋 1°45''''S,156°E 海区的半日内潮波特性

通过对TOGA-COARE期间的一组锚系仪器阵列资料的分析得出:在赤道西太平洋1°45′S,156°E.海域存在显著的半日潮频内波,它的水平波数(波长)、垂向波数、水平传播速度和垂向传播速度分别约为:3.3×10-2 km-1 (210 km),-1.6×10-3 m-1,2.0 m/s,-3.8 cm/s.波形向斜下方传播,亦即波能向斜上方传输.它在观测点西南方生成后,向东北方向传播,到达观测海区.流速矢量旋转谱水平随深度的变化呈马鞍形,低谷及深处的峰所在深度分别与南赤道流及赤道潜流的南边界所在深度大体一致.旋转椭圆主轴方位角随深度变化,在浅层(40 m处)为北偏东30°,到深处(324 m)转为东偏南14°.总体上呈东北方向,表明波来自西南方向.