海洋中的内波及其演变、破碎和所致混合

论文摘要

本论文首先介绍了内波的基本概念:内波的观测、生成机制、分布、传播演变过程以及内波和混合等。关于内波破碎和海洋中的湍流混合,论文第二章作了较为详细的总结,包括有导致内波破碎的对流和剪切不稳定、非线性相互作用和PSI机制、内波在倾斜地形上的反射、边界层区域的强混合和大洋内区的交换、内波和剪切流场的作用、湍流动能耗散率ε的参数化方法、海洋湍流中的通量估计、混合效率、GM谱和内波破碎所致层化湍流的统计特征,而这些也是数值模拟结果分析、比较的基础。论文工作的重点是利用高精度的拟谱方法,直接模拟层结海洋中小振幅内行进波的演变和破碎过程,为此作者进行了一系列二维垂直平面内和三维空间内的直接数值实验。通过结果的分析和比较,得到如下结论:1)对小振幅高频内波而言,导致其不稳定而破碎的为PSI机制,即基波的能量向低频、高波数的次级波传递,形成一次级波包,该波包频率约为基波频率的1/2,而逐渐增强的剪切作用则克服了层结的反向力矩作用,导致内波破碎并形成层化湍流;2)内波破碎出现的时间和基波振幅成反比关系,对于粘性系数,由于粘性系数的增大(减小),使得耗散尺度亦增大(减小),向小尺度运动级串的能量不易(更易)堆积,致使内波破碎出现的时间延后(提前),并且破碎后层化湍流的强度相对减弱(加强);3)内波演变和破碎过程中非线性作用的重要性不仅和Froude数Fr有关,而且还和基波频率有关。对高频内波而言,导致其破碎的为PSI机制,而对于较低频内波,演变过程中PSI机制并没有占据主导地位,虽然内波最终破碎,但等密度面的翻转却是发生在基波频率的运动上;4)跨等密度面扩散系数kρ和Cox数C_x以及混合效率γ的变化规律较为相似,在内波破碎之前,k_ρ、C_x和γ均维持在低值水平,内波破碎后, k_ρ、C_x和γ迅速增大,并在湍流维持在一定强度时, k_ρ、C_x和γ均维持在较高值水平,随后由于湍流的衰弱, k_ρ、C_x和γ较快的变小,但衰减速度逐步放缓;5)关于浮力通量谱,在初始阶段,浮力通量

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 引言
• 1.1 海洋内波
• 1.2 内波的观测
• 1.3 内波的生成
• 1.4 内波的分布
• 1.5 内波的传播演变
• 1.6 内波与海洋混合
• 1.7 本文的工作和结构安排
• 第二章 内波破碎和海洋中的湍流混合
• 2.1 内波破碎及对流和剪切不稳定
• 2.2 非线性相互作用和PSI 机制
• 2.3 内波在倾斜地形上的反射
• 2.4 边界层区域的强混合和内区的交换
• 2.5 内波和剪切流场的相互作用
• 2.6 湍动能耗散率的参数化
• 2.7 海洋湍流中的通量估计
• 2.8 混合效率
• 2.9 GM 谱和层化湍流的统计特征
• 第三章 小振幅内行进波的演变和破碎：二维数值实验
• 3.1 谱方法简介
• 3.2 内波演变和破碎的研究现状
• 3.3 数值模型、计算设置和相似问题
• 3.4 内行进波的演变和破碎
• 3.5 振幅和粘性的变化对内波破碎的影响
• 3.6 跨等密度面扩散系数和Cox 数
• 3.7 混合效率
• 3.8 浮力通量谱
• 3.9 层化湍流的统计特征
• 3.10 结论和讨论
• 第四章 三维数值模拟及其与二维结果的对比
• 4.1 SpectralModel 介绍
• 4.2 实验设置
• 4.3 内波的演变和破碎
• 4.4 振幅、粘性、频率变化的影响
• 4.5 Lagrangian 示踪粒子分析
• ρ、Cox 数C_x 和混合效率γ'>4.6 k_ρ、Cox 数C_x和混合效率γ
• 4.7 浮力通量谱
• 4.8 KE 谱和PE 谱
• 4.9 和二维计算结果的比较
• 4.10 结论和讨论
• 第五章 结论、存在的问题及以后的工作
• 5.1 本文的主要工作和结论
• 5.2 数值实验中的局限性
• 5.3 关于内波的几点讨论和工作展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录：谱方法的简单例述