南海北部内孤立波数学模型

在二层内潮数学模型的基础上,考虑非静力平衡扰动压力的影响,导出潮频内孤立波产生、传播的数学模型。该模型不受小地形假设的限制,并适用于南海。应用该模型能解释说明产生以下现象的物理机制：潮流流过巴坦-萨布坦海脊时,在一定海洋环境条件下,通过潮流与起伏的底地形相互作用可激发产生潮频内孤立波,并西传至东沙群岛附近的海域。     

南海北部大陆坡区斜压海流的垂向结构

对南海北部陆坡区一定点站连续28.6d的27个等间隔水层(11,15,…,115m)的ADCP海流观测资料进行正压海流、斜压海流分解, 运用调和分析、功率谱分析和能量计算等方法着重对观测点各水层的斜压海流的时间序列进行研究.得到如下结果:(1)斜压海流向岸分量平均值、斜压海流两分量样本标准差、斜压海流K1分潮流振幅、斜压海流的平均涡动动能以及斜压海流向岸分量功率谱显著的谱峰值的垂向分布均随深度的增加由大变小再变大.(2)斜压海流的日周期显著, 斜压海流的日分潮流的椭圆长轴方向偏NW-SE向, 日分潮流作顺时针方向旋转;斜压海流的日分潮流迟角的垂向分布是:约以67m为界,界面附近水层的迟角变化较大,远离界面的水层的迟角分布较稳定,界面上、下水体的迟角反向;67m层以浅水层, 相对集中在300°附近,67m以深水层,主要分布在120°周围.(3)斜压海流的平均涡动动能较大,约占实测海流平均动能的41%,其向岸分量大于沿岸分量, 且其大小与日分潮流椭圆的长短轴分布相对应.(4)斜压海流功率谱峰值显著周期在24h左右;19与99m层相同,为23.6h,55m层为24.4h;斜压海流向岸分量与沿岸分量功率谱的显著谱峰值的垂向分布有所不同, 前者随深度增加由大变小再变大,后者则随深度增加而减小.     

南海北部陆架区内孤立波向岸传播过程研究

南海北部是全球海洋中内孤立波最强和最为活跃的海域。然而,内孤立波在传入陆架区后,其形态发生显著变化,其传播演变过程表现出高度的复杂性。本研究综合卫星图像和数值模式手段研究了内孤立波在向岸传播过程中的空间变化特征。可见光卫星图像研究结果显示,南海北部陆架区存在三种形态的内孤立波,分别为第一模态下凹型内孤立波、第一模态上凸型内孤立波和第二模态内孤立波。受水深和层结变化的控制,它们的分布区域显著不同。基于MITgcm的数值模拟研究表明,上凸型内孤立波由第一模态下凹内孤立波经过极性转换过程发展而来,而第二模态内孤立波由第一模态下凹内孤立波与急剧变浅地形相互作用而产生。     

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。     

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。     

南海北部反气旋涡对内孤立波传播的影响研究

海洋内波具有振幅大、流速强和周期短等特点,可对海上施工和水下作业安全造成严重威胁。南海北部陆坡海域是内孤立波和中尺度涡频发的海域之一,研究中尺度涡对内孤立波传播的影响对深入了解南海北部内孤立波在反气旋涡过境时的传播特征、提高该海域内波预报准确性具有重要意义。基于此,本文利用布放于南海北部东沙群岛西侧陆坡海域的潜标观测数据,针对2017年3月一个反气旋中尺度涡经过潜标站位的过程,探讨了中尺度涡对内孤立波传播的影响。结果表明：①受反气旋涡影响,内孤立波的平均振幅减小28.6%,其主要原因是中尺度涡导致等温线下压,进而对内孤立波的振幅产生抑制作用,其影响过程可用趋浅温跃层理论描述。②反气旋涡影响期间,内孤立波的平均波速由1.26 m/s增大到1.47 m/s,增幅约16.7%,反映了反气旋涡对内孤立波波速的强化作用,这种强化作用主要是由中尺度涡边缘流场引起背景流场变化所致,而中尺度涡引起的温盐场变化对内孤立波波速的影响相对较小。     

南海北部陆坡海区春末第一模态内孤立波观测及特征分析

为获取南海北部陆坡海区第一模态内孤立波的动力结构及时间变化特征,本文利用该海区1套内孤立波浮标观测数据,对陆坡海区的内孤立波现场观测数据分析,识别判定了2021年5月5日至6月3日共30 d的179次第1模态内孤立波过程,并进行了内孤立波的特征分析。南海北部陆坡海区第1模态内孤立波剖面流场为双层结构,上层主要为西偏北向流动,下层流向与之相背,流速转向发生在100～150 m深度处。内孤立波期间,最大流速多发生于上层,流速为60～120 cm/s,底层流增强,上层流与下层流流向相反。受内潮影响,研究区域内孤立波存在半日和全日2个周期,主要以20～30 min间隔的波列形式向西偏北方向传播。本文关于南海北部陆坡海区第一模态内孤立波的分析研究有助于提升对该海区内孤立波时空变化特征的认识,为工程水下施工提供参考和依据。     

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。     

基于MODIS图像的内孤立波信息反演——以南海北部深水区为例

卫星遥感技术是探测海洋内孤立波的重要手段,目前提取内孤立波特征参数的工作均使用SAR图像。本文首次探讨了基于MODIS可见光图像的内孤立波信息反演方法,并对位于南海北部水深3 000m左右的内孤立波个例进行了研究,发现其振幅为124m,传播速度为3.14m/s,半波宽度为3 258m。根据潜标现场观测结果对反演得到的内孤立波信息进行了检验,结果表明,此方法具有较高的准确度,为研究南海北部深水区内孤立波提供了一条新的可行路径。     

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。     

南海西北陆坡区内潮与近惯性内波观测研究

通过对2006年南海西北部海域近3个月的全水深流速观测资料的分析,研究了该海区正压潮、内潮及近惯性内波的时空分布特征。结果表明,全日内潮明显强于半日内潮,且最大潮流均出现在海洋上层;内潮的主轴方向基本沿东南-西北方向,近似与局地等深线垂直;内潮能量显示出明显的时间长度约为半月的大小潮调制周期;全日内潮的coherent部分占全日内潮能量的70%,而半日内潮的coherent部分占半日内潮能量的53%;进一步研究发现半日内潮主要由第一模态主导,而全日内潮第三模态能量占总能量的比例仅次于第一模态且量值上与之相当;强风过程可激发出强的近惯性运动,暖涡使得近惯性内波能量更有效地向海洋深层传播,冷涡则不利于近惯性内波能量向下传播。     

Mooring observed mode-2 internal solitary waves in the northern South China Sea

The mode-2 internal solitary waves (ISWs) generated by mode-2 internal tide (IT) are identified by mooring observations in the northern South China Sea (SCS) from 2016 to 2017. Two mode-2 ISWs with a re-appearance period of 24.9 h observed on 29 and 30 July 2016 are characterized by type-b ISWs. They occurred when the isotherms compressed obviously in the vertical direction. Modal decomposition of IT horizontal currents shows that the vertical compression of the isotherms is mainly caused by diurnal mode-2 IT. The analysis of the role of the density stratification reveals that a deeper and thinner pycnocline is favorable for generation of mode-2 ISWs rather than pycnocline intensity. By comparing the mode-2 nonlinear, dispersion coefficients and the Ursell numbers calculated based on the stratification associated with different kinds of ITs with the observation results, it is shown that the diurnal mode-2 IT plays a crucial role in the generation of the mode-2 ISWs. When the diurnal mode-2 IT interacts with the semidiurnal IT and causes a deeper and thinner pycnocline, the mode-2 ISWs are easily excited.     

南海北部中尺度涡与内波相遇的特征分析

基于2009年12月~2010年4月南海北部大陆坡上东沙岛以西的一套潜标资料,分析一个中尺度涡与内波相遇时海水温度的变化特征。根据潜标上的温压记录,利用功率谱分析,发现潜标布放处存在周期为20~30 min的内孤立波及全日和半日周期的内潮;结合海表面高度异常资料,描述此处一个中尺度涡的经过过程。利用天文潮大潮发生的时间规律,推断出中尺度涡与内波的相遇,从而解释了压力记录的异常变化。根据中尺度涡与内波各自引起的海流流向,分析在本次观测中两者相遇时的共同作用所引起的海水温度的垂向变化,即当两者引起的流向相反时,内波引起的日周期等温线波动由上凸型弧状变为下凹型弧状,短时震荡由向下振荡变化为向上振荡。     

南海北部2011年台风“纳沙”尾迹处近惯性内波特征的研究

In September 2011, Typhoon Nesat passed over a moored array of instruments recording current and temperature in the northern South China Sea（SCS）. A wake of baroclinic near-inertial waves（NIWs） commenced after Nesat passed the array. The associated near-inertial currents are surface-intensified and clockwise-polarized. The vertical range of NIWs reached 300 m, where the vertical range is defined as the maximum depth of the horizontal near-inertial velocity 5 cm/s. The current oscillations have a frequency of 0.709 9 cycles per day（cpd）, which is 0.025 f higher than the local inertial frequency. The NIWs have an e-folding time-scale of 10 d based on the evolution of the near-inertial kinetic energy. The depth-leading phase of near-inertial currents indicates downward group velocity and energy flux. The estimated vertical phase velocity and group velocity are 0.27 and 0.08 cm/s respectively, corresponding to a vertical wavelength of 329 m. A spectral analysis reveals that NIWs act as a crucial process to redistribute the energy injected by Typhoon Nesat. A normal mode and an empirical orthogonal function analysis indicate that the second mode has a dominant variance contribution of 81%, and the corresponding horizontal phase velocity and wavelength are 3.50 m/s and 420 km respectively. The remarkable large horizontal phase velocity is relevant to the rotation of the earth, and a quantitative analysis suggests that the phase velocity of the NIWs with a blue-shift of 0.025 f overwhelms that of internal gravity waves by a factor of 4.6.     

A study of internal solitary waves observed on the continental shelf in the northwestern South China Sea

Based on in-situ time series data from the acoustic Doppler current profiler (ADCP) and thermistor chain in Wenchang area, a sequence of internal solitary wave (ISW) packets was observed in September 2005, propagating northwest on the continental shelf of the northwestern South China Sea (SCS). Corresponding to different stratification of the water column and tidal condition, both elevation and depression ISWs were observed at the same mooring location with amplitude of 35 m and 25 m respectively in different days. Regular arrival of the remarkable ISW packets at approximately the diurnal tidal period and the dominance of diurnal internal waves in the study area, strongly suggest that the main energy source of the waves is the diurnal tide. Notice that the wave packets were all riding on the troughs and shoulders of the internal tides, they were probably generated locally from the shelf break by the evolution of the internal tides due to nonlinear and dispersive effects.     

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。     

南海北部陆坡区内孤立波的垂向热量输送

An integrated analysis of internal solitary wave(ISW) observations obtained from two moorings over the continental slope in the northern South China Sea(SCS) leads to an assessment of the vertical heat transport of the ISWs. The clusters of ISW packets are phase-locked to the fortnightly cycle of the semidiurnal tide. The ISWs appear during large semidiurnal tides, and there is a period of 5–6 d when no ISWs are observed. The effect of the ISWs on the continental slope heat budget is observed. The ISWs can modify a local temperature field in which the temperature in the upper layer can be changed by O(100) °C after the ISWs passed the mooring. Both ISWinduced diffusion and ISW-induced advection contribute to the temperature variation. The estimates imply an average vertical heat flux of 0.01 to 0.1 MW/m~2 in the ISWs in the upper 500 m of the water column. The vertical heat transport ranges from 0.56 to 2.83 GJ/m~2 with a mean value of 1.63 GJ/m~2. The observations suggest that the vertical heat transport is proportional to the maximum vertical displacement.     

南海北部a波和b波的生成与传播特征的数值研究

本文基于真实地形、潮汐的高分辨率三维MITgcm海洋环流模式,对南海北部a波（大振幅波列形式）和b波（孤立子形式）的生成与传播特征进行了数值研究。首先,我们总结和分析了这些波动的生成与传播特征。然后我们计算了吕宋海峡的能量收支。能量的生成在一天内有三个极大值,其中最大值对应a波的生成。吕宋海峡西边界的能通量一天内有两个极大值,较大的那个对应a波的生成而另一个对应b波的生成。我们设计了敏感性试验来探究吕宋海峡东西海脊对a、b波的生成和传播造成的影响。通过对比敏感性实验和标准试验的结果,发现对于a波的生成东海脊必不可少,但西海脊几乎没有影响。西海脊削弱了a波的振幅但未对a波波速造成明显的影响。b波来自于从东海脊生成的扰动信号。西海脊加强了这个扰动信号但减慢了它的传播速度。