深海内波弱非线性模型的建立及其在南海应用的研究

论文摘要

海洋内波是发生在因温盐变化而密度分层海水中的一种波动。它对海洋声学、海洋工程、海洋军事等方面产生了重要影响,因此,内波传播的研究是非常重要的工作。从资料获取手段上来讲,研究内波的方法主要有四种：实测资料分析方法、实验室实验方法、数值模拟方法、遥感图像分析方法。但是对于深海内波,实测和实验室实验资料都较难获得,故本文通过建立适宜模型应用数值模拟方法和遥感图像分析方法来研究深海内波。基于两层分层流体的基本方程推出了深海弱非线性内波的非线性薛定谔(Nonlinear Schrodinger,简称NLS)方程,数值模拟了南海深海区内波的传播,建立了内波合成孔径雷达(Synthetic Aperture Radar,简称SAR)遥感探测模型,反演了南海北部深海内波的特征参量。主要工作如下：首先,导出了描述深海内波传播的NLS方程。引入速度标量势,得出用速度标量势描述的深海两层流体的动力学方程组；在弱非线性条件下,从流体力学的基本方程组出发,采用多重尺度法推导出深海两层界面内波的NLS方程；分析了深海内波NLS方程的频散效应和非线性效应的关系,进而确立了NLS方程的孤子解形式。其次,NLS方程在深海内波传播中的应用。引进空间啁啾的思想,研究了频散效应和非线性效应的作用。选择南海北部深海区为研究区域,并分析其环境参数；应用NLS方程数值模拟该海域的内波传播,结果表明该海区内波不断展宽,振幅减小,频散效应较强；并与内波MODIS影像做了对比,发现内波演变的趋势和遥感影像基本一致。最后,基于NLS方程建立了深海内波SAR探测模型。利用导出的深海内波NLS方程,并结合SAR遥感成像机理,建立了深海内波SAR探测模型,得到了适合深海内波的参数反演方法。选取南海北部内波SAR影像,分别利用基于NLS方程的SAR探测模型和基于KdV方程的SAR探测模型,反演了内波的半宽度和振幅,并与一些实测数据进行比较。结果表明,前者与实测资料较吻合；而后者与实测资料差别较大。由此说明,NLS模型较KdV模型对深海内波的描述更具优越性,验证了NLS模型的合理性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章:前言
• 1.1 海洋内波
• 1.2 研究意义
• 1.3 国内外研究现状
• 1.3.1 浅海内波模型的研究现状
• 1.3.2 深海内波模型的研究现状
• 1.3.3 遥感观测的研究现状
• 1.4 海洋内波的研究方法
• 1.4.1 数值模拟方法
• 1.4.2 遥感图像分析方法
• 1.4.3 实测资料分析方法
• 1.4.4 实验室实验方法
• 1.5 论文的主要工作和创新点
• 1.5.1 论文的主要工作
• 1.5.2 论文的主要创新点
• 第二章:深海内波的NLS方程
• 2.1 基本方程及边界条件
• 2.2 深海内波的弱非线性模型
• 2.3 NLS方程的孤子解
• 2.4 本章小结
• 第三章:NLS方程的应用
• 3.1 频散效应和非线性效应的研究
• 3.1.1 频散效应所致啁啾
• 3.1.2 非线性效应所致啁啾
• 3.1.3 讨论与分析
• 3.2 NLS方程的数值计算方法
• 3.3 理想条件下的内波传播模拟
• 3.3.1 频散效应和非线性效应平衡
• 3.3.2 频散效应大于非线性效应
• 3.3.3 非线性效应大于频散效应
• 3.4 实际海域的内波传播模拟
• 3.4.1 研究海域及环境参数的确定
• 3.4.2 南海北部深海区内波传播模拟
• 3.5 本章小结
• 第四章:基于NLS方程的内波SAR探测模型
• 4.1 内波SAR遥感成像机理
• 4.2 内波SAR图像水动力学成像原理
• 4.2.1 NLS方程
• 4.2.2 表面波的高频谱
• 4.2.3 Bragg散射模型
• 4.3 内波探测方法
• 4.3.1 半波宽度的确定
• 4.3.2 内波波速
• 4.3.3 内波振幅
• 4.4 内波探测实例
• 4.4.1 SAR图像
• 4.4.2 计算步骤
• 4.4.3 水文状况
• 4.4.4 测量和计算结果
• 4.5 本章小结
• 第五章:总结与展望
• 参考文献
• 致谢
• 个人简历
• 发表的学术论文