水下波動—內(nèi)波

賈海青　劉偉++黨瑋

摘 要：該文首先介紹了內(nèi)波的發(fā)現(xiàn)以及作用，內(nèi)波被稱為水下聲道的背景噪聲源，并且在其生成、傳播、衰減過程中將能量向深海區(qū)傳遞；然后介紹了內(nèi)波的觀測，內(nèi)波的觀測對于內(nèi)波理論研究具有重要意義；最后從數(shù)值研究和理論研究兩個方面介紹了內(nèi)波的發(fā)展。

關(guān)鍵詞：內(nèi)波的發(fā)現(xiàn)及其作用 背景噪聲源 能量傳遞 內(nèi)波觀測 數(shù)值研究 理論研究

中圖分類號：F038 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2014）07（b）-0232-02

1 內(nèi)波的發(fā)現(xiàn)及其研究價值

內(nèi)波是指發(fā)生在密度穩(wěn)定層結(jié)流體中、最大振幅出現(xiàn)在流體內(nèi)部的波動，是一種普遍存在的自然現(xiàn)象。但是，鑒于在水體內(nèi)部才能產(chǎn)生內(nèi)波，在水面上通常很難被觀測到。內(nèi)波現(xiàn)象是由一個叫Nansen在北極探險過程中最早發(fā)現(xiàn)的，Nansen發(fā)覺船只在進(jìn)入一片上層冰發(fā)生融化的淡水區(qū)域時行駛突然變的十分困難。1904年，Ekman用內(nèi)波增阻效應(yīng)解釋了這種現(xiàn)象，認(rèn)為船只停滯不前是由于咸淡水面之間產(chǎn)生的內(nèi)波做功[1]。

人們最早開始注意海洋內(nèi)波的威力源自于石油公司的海上鉆井作業(yè)。19世紀(jì)70年代，經(jīng)過長達(dá)4個月的觀測，在安得曼海域發(fā)現(xiàn)有些流速甚至達(dá)到了1.8 m/s，此后人們發(fā)現(xiàn)這是由于該海域有孤立子內(nèi)波的通過。因此，人們決定不在輕視這隱藏在水下這“軒然大波”的威力[2]。

對海洋結(jié)構(gòu)有影響的內(nèi)波，波長可以是幾百米甚至百公里，溫躍層處，內(nèi)波振幅可以達(dá)到百米量級，所誘導(dǎo)的內(nèi)波流場的最大流速可以達(dá)到2 m/s甚至以上[3]。內(nèi)波被稱為水下聲道的背景噪聲源，它對海洋中聲音的傳播具有重要影響，海洋中傳播的聲信號起伏現(xiàn)象都是由于內(nèi)波所致。移動中的潛艇會產(chǎn)生內(nèi)波使其蹤跡暴露，增大了能量損失，因而對船舶輻射噪聲識別影響巨大[4]。內(nèi)波在其生成、傳播、衰減過程中將能量向深海區(qū)傳遞[5]。在深海區(qū)，內(nèi)波破碎對海水混合有重要作用，是其主要方式。此外，內(nèi)孤立波會導(dǎo)致水下強(qiáng)烈波動，這種波動會嚴(yán)重影響到水中武器的發(fā)射等等[6]。因此，對內(nèi)波進(jìn)行研究不僅僅具有重要學(xué)術(shù)價值，而且還具有很強(qiáng)的研究意義。

2 內(nèi)波的觀測

海洋內(nèi)波的觀測比表面波的觀測困難的多。這是由于海洋內(nèi)波發(fā)生海洋的內(nèi)層，采用直接測量的方式是不可行的，為了獲得其變化特征需要對海水的密度、溫度、鹽度等進(jìn)行間接測量。

內(nèi)波的觀測手段的不斷更新在很大程度上促進(jìn)著其理論的不斷發(fā)展內(nèi)波現(xiàn)場觀測以定點(diǎn)觀測為主，早期的觀測儀器主要有Nanson瓶、溫深儀，到了20世紀(jì)70年代出現(xiàn)了熱敏電阻溫度計、海流計，80年代出現(xiàn)了XBT（拋棄式溫探儀）、CTD（溫鹽深儀）和Aanderaa海流計，而現(xiàn)在常用的主要有海流計、溫度鏈和ADCP等。遙感觀測方面，SAR（合成孔徑雷達(dá)）憑借其對海面粗糙度的敏感反應(yīng)、不受云層和氣候影響等優(yōu)點(diǎn)，已成為觀測內(nèi)波的主要傳感器。伴隨著觀察手段的發(fā)展，內(nèi)波理論也在不斷進(jìn)步和完善。Garrett和Mtlnk提出了普遍適用的譜形式，稱之為CM72、CM75、CM79（Garerct&Munk，1979），為內(nèi)波的研究工作奠定了基礎(chǔ)。Muler等指出CM譜的缺點(diǎn)以及不足，提出大洋內(nèi)波場的IWEX譜，從而使得CM譜進(jìn)一步得到發(fā)展。

3 內(nèi)波研究的發(fā)展

3.1 理論研究

內(nèi)波的理論研究在國外有著悠久的歷史，1847年斯托克斯進(jìn)行了兩層流體之間的界面波的研究，這標(biāo)志著人們開始對內(nèi)波進(jìn)行理論研究。Lamb[7]假定波振幅與波長的比值為小量，將問題線性化，接著Defant[8]討論了界面長內(nèi)波以及內(nèi)孤立波。對于深海，Benjamin[9]和Ono[10]各自進(jìn)行了獨(dú)立不同的研究，他們通過一定的推導(dǎo)得到界面內(nèi)波的方程，稱為Benjamin-Ono方程；此后，Kubota等導(dǎo)出ILW方程，淺水時退化為KdV方程，無限水深時又退化為BO方程。

3.2 數(shù)值研究

與理論解相比，數(shù)值解具有其不可替代的優(yōu)越性，且在內(nèi)波研究中起著越來越重要的作用。目前關(guān)于大多數(shù)國內(nèi)外學(xué)者在海洋內(nèi)波方面所做的數(shù)值模擬主要將海洋內(nèi)波的簡化為二維情況進(jìn)行模擬。例如蔡樹群[11]等利用（RLW）模擬了該孤立子內(nèi)波的傳播及其演變過程。Paisley[12]等利用針對不可壓縮流體的納維斯托克斯方程的多重網(wǎng)格技術(shù)，在中性穩(wěn)定以及密度穩(wěn)定分層的條件下，進(jìn)行了有界區(qū)域內(nèi)粘性流體通過二維障礙物的計算。

相對于二維數(shù)值模型，三維模型的適用范圍更加廣泛，三維數(shù)值模型由于考慮了運(yùn)動要素在3個空間坐標(biāo)方向上的變化，能夠進(jìn)行更加復(fù)雜情況的計算，尤其三維數(shù)值模型中的地形可以設(shè)置成不同的形狀。方國洪[13]等建立了一種可以模擬內(nèi)波傳播的一種分層三維數(shù)值模式，這種模式的建立經(jīng)過了復(fù)雜的推導(dǎo)過程，該數(shù)值模式在建立時包含了非線性平流項(xiàng)；S. B. VOSPER[14]等在坐標(biāo)下建立了非粘性、非靜力公式的有限差分模型，進(jìn)行了強(qiáng)烈的分層流穿過圓錐地形的三維數(shù)值模擬，并將一系列模擬結(jié)果同來自分層拖曳水池的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了比較。

參考文獻(xiàn)

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