基于光学遥感的安达曼海内孤立波传播速度特性研究

安达曼海内孤立波非常活跃且错综复杂,传播速度是内孤立波的重要特征参量,本文采用光学遥感手段建立了内孤立波传播速度的计算方法。收集并处理大量Terra/Aqua-MODIS遥感图像,利用两景图像追踪同一内孤立波与同一激发源产生的内孤立波波群两种方法定量研究安达曼海内孤立波传播速度。研究结果表明:安达曼海内孤立波传播速度在0.5～2.7 m/s之间,内孤立波传播方向主要受海底地形的影响,传播速度大小在传播过程中随水深变浅而呈减小的趋势,在深水区传播速度大小还呈现出季节性差异。     

一种基于声速剖面展开的内波监测新方法

声速剖面时空分布的获取是利用声学方法监测内波的核心问题。在反演算法中,声速剖面通常是采用展开的方式用若干个参数来表示的。这就导致了有时很难从反演结果中直接获得内波的相关信息。本文的目标是找到一种通过展开系数直接获取内波特性的方法。通过推导内波水动力方程,可以从较少的声速剖面样本中提取出水动力简正模态（Hydrodynamic Normal Modes,HNMs）作为声速剖面展开的正交基。较之广泛采用的正交经验函数（Empirical Orthogonal Functions, EOFs）,HNMs直接与内波活动相关,具有更明确的物理含义。然后,基于HNMs对声速剖面的时间序列进行展开,获得展开系数。最后,从前两阶展开系数的时间导数中可以获取内波活动的信息。将方法应用于受内波影响而具有明显时空扰动的南海北陆架区温度链数据,结果表明：只用前两节模态就可以在较好的精度范围内重构声速剖面。前两阶系数的时间导数具有独特的双震荡结构可以用于探测内孤立波。从展开系数也可以获得幅度以及波长信息。理论推导和实验分析证明了本文方法在内波监测中的有效性。HNMs方法使用便利且对样本的依赖性较小,可以在内波活跃海域作为EOFs的有效补充用于声速剖面的展开。     

南海北部陆坡内孤立波对桩柱作用力的极值推算

内孤立波的发生常伴随着大振幅波动和突发性强流,对桩柱等海中结构物产生强烈破坏作用。基于KdV方程和Morison公式,在忽略高阶模态的情况下,探讨内孤立波对桩柱的单位作用力、总作用力、剪力和弯矩的极值问题,并利用2016-07南海北部陆坡的实测资料对理论结果进行检验。结果表明:1)在内孤立波最大振幅所在的垂向剖面上,上层与下层各存在一个单位作用力极值,且二者方向相反,上层总作用力强于下层,最大剪力和弯矩分别发生于水平流速的转向层和海底;2)各水层中,沿着内孤立波的传播方向,所有作用力的数值均随时间的推移先递增后递减,存在正向或负向的最大值;3)全水层总作用力极值发生在半周期,其值与波动振幅和水平波速有关,其他作用力极值发生于最大振幅时刻之前,作用力极值与振幅和非线性波速正相关,与水平特征宽度负相关;4)单位作用力极值的时间提前量与振幅和水平特征宽度强相关,与非线性波速弱相关。     

地转及均匀背景流场对混合层深度SAR遥感反演的影响

以考虑了地转和均匀背景流场影响的两层流体界面内波频散关系模型为基础,得到新的利用SAR遥感图像计算混合层深度的方法。利用该方法对一幅南海北部SAR内波图像进行了实例研究,并且和时空同步的CTD资料进行了对比。结果表明,加入地转和均匀背景流场影响的模型更为合理,为更准确地反演混合层深度奠定了基础。     

基于机器学习的内孤立波波要素关系研究

内孤立波在海洋中的传播会携带能量和动量,不同振幅的内孤立波对海洋中的能量交换及海上工程等影响也不同,因此,研究内孤立波振幅与半波宽度、水深、分层条件、密度等水文特征参量之间的关系显得尤为重要.以往在研究中建立内孤立波振幅与它们之间的关系时,会受到不同理论有效适用范围的限制.本文借助实验室的水槽方法,设计了不同的水深、分...     

基于高阶边界元的三维数值波浪港池--波浪破碎的模拟

在势流理论的框架内,采用高阶边界元方法和混合欧拉-拉格朗日法,实现了对三维波浪破碎过程的数值模拟.数值模型使用可调节时间步长的基于二阶显式泰勒展开的混合欧拉-拉格郎日时间步进来求解自由表面的演化过程.在所使用的边界元方法中,采用16节点三次滑移四边形单元来表示,这种单元在单元内具有高阶的精度同时在单元之间具有良好的连续性.给出了孤立波的传播和周期性非线性波浪沿缓坡传播的计算结果,表明数值模型具有良好的稳定性.     

Depression and elevation internal solitary waves in a two-layer fluid and their forces on cylindrical piles

Both large amplitude depression and elevation internal solitary waves (ISWs) were observed on the continental shelf of the northwest South China Sea (SCS) during the Wenchang Internal Wave Experiment. In this study, we investigate the characteristics of depression and elevation ISWs based on comparisons between observational results and internal wave theories. It is suggested that the large amplitude depression wave is better represented by the extended Korteweg-de Vries (EKdV) theory than by the KdV model, whereas the large amplitude elevation wave is in better agreement with the KdV equation than with the EKdV theory. Wave-induced forces on a supposed small-diameter cylindrical pile by depression and elevation waves are also estimated using the internal wave theory and Morison formula. The wave-induced force by elevation ISWs is rarely reported in the literature. It is found that the force induced by the elevation wave differs significantly from that by the depression wave, and the elevation wave generally produces greater force on the pile in the lower water column than the depression wave. These results show that ISWs in the study area can present a serious threat to ocean engineering structures, and should not be ignored in the design of oil platforms and ocean operations.     

The numerical study of wave-induced pore water pressure response in highly permeable seabed

The coupling numerical model of wave interaction with porous medium is used to study waveinduced pore water pressure in high permeability seabed.In the model,the wave field solver is based on the two dimensional Reynolds-averaged Navier-Stokes(RANS) equations with a k-ε closure,and Forchheimer equations are adopted for flow within the porous media.By introducing a Velocity-Pressure Correction equation for the wave flow and porous flow,a highly efficient coupling between the two flows is implemented.The numerical tests are conducted to study the effects of seabed thickness,porosity,particle size and intrinsic permeability coefficient on regular wave and solitary wave-induced pore water pressure response.The results indicate that,as compared with regular wave-induced,solitary wave-induced pore water pressure has larger values and stronger action on seabed with different parameters.The results also clearly show the flow characteristics of pore water flow within seabed and water wave flow on seabed.The maximum pore water flow velocities within seabed under solitary wave action are higher than those under regular wave action.     

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。     

刚性植物分布方式对海啸波消减影响实验研究

在理论分析的基础上通过物理模型实验探究了刚性植物分布方式对海啸波消减的影响。实验中借助孤立波模拟海啸波,分析了矩形、交错、组合三类分布方式下孤立波沿程波高、透射系数以及拖曳力系数的变化情况。结果表明,植物分布密度相等时,孤立波在矩形和组合分布植物模型前的壅高均大于交错分布植物模型。同时,植物分布密度一定时,分布方式将对植物消波产生影响,且植物间横向间距L2比纵向间距L1的影响更大。在雷诺数2000≤Rep≤4000且体积分数小于或等于0.331的条件下,各植物模型的拖曳力系数随植物分布密度的增大而增大。