陆架陆坡区内孤立波的演化：理论分析与数值实验研究

论文摘要

海洋内波是发生在密度稳定层化的海水内部的一种波动,其最大振幅出现在海洋内部,波动频率介于惯性频率和Brunt-V?is?l?之间。经常观测到的一种特殊的内波就是内孤立波或者称为内孤立子,是一种自然界中常见的振幅大,周期短的非线性波,是单个的、孤立的波结构,其传播是单方向的,且速度、波形在传播过程中基本保持不变。内孤立波的研究对海洋声学,海洋资源开发,海洋生态环境保护,海洋军事和海洋工程等方面都具有重要影响。观测表明内孤立波是海洋中普遍存在的一种波动,尤其是在陆架陆坡区,潮流与变化的底地形的作用是这一波动的主要源。南海东北部是内孤立波的频发地带,这里既有吕宋海峡处生成的振幅达100多米,波峰线长达200千米以上的强非线性内孤立波,也有陆架陆坡区局地生成振幅可达几米到几十米的小振幅内孤立波波列。本文结合ASIAEX实验期间南海东北部陆架陆坡区内孤立波的观测资料,以理论与数值实验手段分析研究了内孤立波在变化地形上的传播演化特征,主要可以分为三个方面。首先,回顾了内孤立波研究中弱非线性KdV理论的发展及慢变孤立子理论在内孤立波演化中的应用,研究了内孤立波的分裂特征。基于摄动方法,导出了连续分层条件下的变系数KP方程,这一方程可以描述内孤立波的水平二维特性。其次,开发完成了一个用于分层流数值模拟的非静力近似海洋数值模式,基于这一模式,首次研究了南海东北部陆架陆坡区内孤立波（波列）的局地生成,结果表明,潮流与陆架波折处的相互作用可以激发生成振幅达几米到十几米的向岸传播的内孤立波波列,跃层位置及潮流强度是控制内孤立波生成强弱的主要因素。结合ASIAEX期间观测到的南海东北部陆架陆坡区的内孤立波演化特征,数值模拟了这一海区大振幅内孤立波在向岸传播演化过程中的运动学及动力学特征。研究了内孤立波在传播演化过程中的极性转化特征,采用经验正交函数（EOF）法分析了这一过程中模态演化特征,定量的分析了非静力压强效应。受地形效应的影响,内孤立波可能发生极性转换或强烈的破碎过程,这些过程往往伴随着高模态组分的生成。最后,介绍了新近开发的用于分层流及内波实验的粒子图像速度场仪（PIV）系统,实验研究了不同极性及振幅下内孤立波在斜坡地形上的破碎演化特征。重点分析了内孤立波在爬坡破碎过程中所引起的复杂流场结构。在实验的基础上,借助于前文开发的非静力近似数值模式,数值模拟了下凹型内孤立波在斜坡地形上的翻转破碎特征。揭示了内孤立波在斜坡地形上翻转破碎过程中,多个涡旋结构的形成及发展。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 前言
• 0.1 海洋内波
• 0.2 海洋内波研究的意义
• 0.3 海洋中内孤立波的观测
• 0.3.1 海洋内孤立波的生成
• 0.3.2 世界上不同海域内孤立波的观测研究
• 0.4 本文的主要研究内容
• 第一章 内孤立波弱非线性理论的回顾及变系数KP方程的推导
• 1.1 引言
• 1.2 基于KdV方程的慢变内孤立波理论
• 1.3 KP模式方程的建立
• 1.4 小结
• 第二章 密度分层流的一个非静力近似数值模式
• 2.1 引言
• 2.2 模式方程
• 2.3 数值差分
• 2.4 结论
• 第三章 南海东北部陆架波折处潮-地作用激发非线性内波的数值模拟
• 3.1 引言
• 3.2 南海东北部陆架波折处内波生成的数值模拟
• 3.2.1 模式基本设置
• 3.2.2 模式结果分析
• 3.3 结论和讨论
• 第四章 南海东北部大振幅内孤立波演化的观测与数值模拟
• 4.1 引言
• 4.2 南中国海东北部大振幅内孤立波
• 4.3 数值模拟
• 4.3.1 早期南海内孤立波传播演化的数值模拟研究
• 4.3.2 内孤立波的基本演化过程
• 4.4 内孤立波传播演化过程中的非静力压强
• 4.5 内孤立波在陆架陆坡区演化过程中的模态结构变化
• 4.6 结论
• 第五章 内孤立波在斜坡地形上爬坡，破碎特征的实验研究
• 5.1 前言
• 5.2 实验设备及架构
• 5.2.1 基本实验结构
• 5.2.2 PIV光学系统
• 5.2.3 实验过程
• 5.3 下凹型内孤立波的爬坡破碎实验
• 5.3.1 一次典型实验结果分析
• 5.3.2 爬坡破碎过程中流场特性分析
• 5.3.3 爬坡破碎过程中涡度场特性分析
• 5.3.4 不同断面处时间序列的特征分析
• 5.4 上凸形内孤立波的爬坡破碎特征
• 5.5 一次典型实验过程的数值模拟
• 5.6 结论
• 第六章 结论和展望
• 6.1 本文的主要工作
• 6.2 存在的问题及进一步的发展
• 参考文献
• 附录
• 附录A 分层流体中内孤立波的理论描述
• 附录B 内孤立波引起的静力压强与非静力压强
• 个人简历
• 发表的学术论文
• 致谢