海洋內(nèi)波的生成研究

耿新 李海濤

摘 要：海洋內(nèi)波生成及演變是內(nèi)波研究的關(guān)鍵問(wèn)題之一，人們對(duì)于海洋內(nèi)波的生成機(jī)制的研究由來(lái)已久，無(wú)論是國(guó)內(nèi)還是國(guó)外的研究人員都進(jìn)行了大量的努力研究和探討并取得了豐碩的成果。從海洋內(nèi)波的生成機(jī)制來(lái)看，一般可以將其分為高頻隨機(jī)內(nèi)波和低頻的內(nèi)潮波、內(nèi)孤立波、慣性內(nèi)波以及近慣性內(nèi)波等。可以激發(fā)內(nèi)波的生成源可能存在于在海面、海洋內(nèi)部或者海底，對(duì)不同生成源，對(duì)應(yīng)內(nèi)波的生成機(jī)制也不同，該文介紹了不同位置的內(nèi)波生成源及其生成機(jī)制。

關(guān)鍵詞：海洋內(nèi)波 生成源 生成機(jī)制

中圖分類號(hào)：P73 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2015）12（b）-0186-02

Abstract：Generation and evolution of ocean internal wave is one of the key problems in the studies of internal waves.The generation mechanism of internal waves in the ocean have been studied for a long time， both domestic and foreign researchers have been a large number of research efforts and explore and achieved fruitful results. From the point of view of the formation mechanism of internal waves in the ocean， generally can be divided for high frequency random internal waves and low frequency in the tidal wave， internal solitary waves， inertial waves and near inertial internal waves and so on. The source which can inspire the source for the generation of the internal waves may exist in the sea， the interior of the ocean or the bottom of the sea.As for different source， corresponding internal wave generation mechanism is also different. This paper introduces the source of internal waves generated at different positions and its formation mechanism.

Key Words：The ocean waves；Generating source；Formation mechanism

海洋內(nèi)波的生成是內(nèi)波研究領(lǐng)域的關(guān)鍵問(wèn)題之一，人們對(duì)于海洋內(nèi)波的產(chǎn)生原因的研究由來(lái)已久，國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者都在關(guān)注這一課題，對(duì)此進(jìn)行了大量的研究并且積累了大量的資料和成果。從海洋內(nèi)波的生成機(jī)制來(lái)看，通常可以將內(nèi)波分為高頻隨機(jī)內(nèi)波和低頻的內(nèi)孤立波、內(nèi)潮波、慣性內(nèi)波以及近慣性內(nèi)波等[1]，目前人們對(duì)于高頻隨機(jī)內(nèi)波、低頻內(nèi)潮波以及內(nèi)孤立波的生成源進(jìn)行了大量深入的研究并且取得了廣泛的一致。

1 不同位置生成源及其生成機(jī)制

內(nèi)波的生成機(jī)制作為內(nèi)波動(dòng)力學(xué)的一個(gè)基本問(wèn)題，至今仍是一個(gè)備受關(guān)注的課題。海洋內(nèi)波的生成源可能在海洋表層、海洋內(nèi)部或者海洋底部出現(xiàn)，對(duì)不同生成源，對(duì)應(yīng)內(nèi)波的生成機(jī)制也不盡相同，大多數(shù)學(xué)者公認(rèn)的是激發(fā)高頻隨機(jī)內(nèi)波的位置比較隨機(jī)，海洋表面、內(nèi)部和底部都有可能[2]。

1.1 海洋表層

大氣中的風(fēng)在海洋表層產(chǎn)生的移動(dòng)的壓力場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)、變化的浮力通量等都有可能成為激發(fā)內(nèi)波的誘因。K¨ase在1972年就曾研究過(guò)這三種壓力場(chǎng)激發(fā)的內(nèi)波，發(fā)現(xiàn)由動(dòng)壓力場(chǎng)激發(fā)的內(nèi)波波幅增加最迅速[2]。Gould等人（1974）的MODE-0海上實(shí)驗(yàn)及Pollar（1969，1970）的海上觀測(cè)指出[3]，在大氣的臨界水層處風(fēng)的強(qiáng)迫與內(nèi)波的生成有著非常緊密的關(guān)系?？臻g非均勻風(fēng)場(chǎng)的條件下，海洋表面等在該風(fēng)場(chǎng)作用下，將引起下部分海水的垂向流，該流將導(dǎo)致內(nèi)波的產(chǎn)生，具有一定波數(shù)向量和頻率的大氣擾動(dòng)將會(huì)產(chǎn)生同樣水平波數(shù)向量和頻率的內(nèi)波。焦春萌、熊谷道夫同樣發(fā)現(xiàn)了大氣風(fēng)應(yīng)力這一內(nèi)波生成機(jī)制[4]。在表面波場(chǎng)中，如果兩列波數(shù)、頻率相近波的疊加剛好滿足內(nèi)波的頻散關(guān)系，就可以產(chǎn)生內(nèi)波[5]。綜上分析可得，波的疊加產(chǎn)生共振以及海水的垂向流動(dòng)都有可能是激發(fā)內(nèi)波的一個(gè)誘因[2]。

1.2 海洋內(nèi)部

海洋內(nèi)部也有許多激發(fā)產(chǎn)生內(nèi)波的誘因。如某些大尺度環(huán)流的破碎、中尺度渦由于壓力不穩(wěn)定而破壞都有可能產(chǎn)生內(nèi)波，在某些特定的條件下，海洋內(nèi)部的水下航行物所產(chǎn)生的振動(dòng)也會(huì)在密度層結(jié)的海洋中產(chǎn)生對(duì)應(yīng)的高頻隨機(jī)內(nèi)波[5-7]。Hsu等[7]通過(guò)研究北海的內(nèi)波得到，這個(gè)海域內(nèi)波的產(chǎn)生受潮流以及上升流的影響，上升流邊緣經(jīng)常發(fā)現(xiàn)內(nèi)波，這是因?yàn)槊芏葘咏Y(jié)面受到了上升流的擾動(dòng)。穆勒（Muller）在1976年提出了海洋剪切流中內(nèi)波波包的一種運(yùn)動(dòng)，從而證明海洋剪切流也是內(nèi)波的一個(gè)生成源。Dohan[8]通過(guò)數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)研究，證實(shí)了渦漩（eddy）導(dǎo)致的海洋混合同樣是內(nèi)波產(chǎn)生的機(jī)制之一。

1.3 海洋底部

可以激發(fā)內(nèi)波的還有海底地形的大幅度變化對(duì)海水的擾動(dòng)。如果密度層結(jié)的海洋中有一個(gè)橢圓形的障礙物，則定常流流過(guò)后會(huì)產(chǎn)生山后波，海底的地殼運(yùn)動(dòng)如火山、地震等產(chǎn)生激烈的振動(dòng)也是內(nèi)波的一個(gè)生成源[2]。麥克斯沃（Maxworthy）[9]首先提出了一種內(nèi)波生成理論，即正壓潮流流經(jīng)突起山脊時(shí)，會(huì)激發(fā)海洋內(nèi)波。后來(lái)，麥克斯沃斯設(shè)計(jì)了一個(gè)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了他提出的內(nèi)波生成機(jī)制。他還用海洋底部突起障礙物的往復(fù)移動(dòng)來(lái)模擬正壓潮流的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，這種條件下會(huì)產(chǎn)生海洋內(nèi)波，其運(yùn)動(dòng)方向和突起障礙物的方向相反。Rattray用具有階梯狀地形的兩層模式，首先提出了潮流作用生成內(nèi)波的理論模型[10]。建立了二維正壓潮模型來(lái)解釋Omen灣內(nèi)波的生成，與合成孔徑雷達(dá)圖像進(jìn)行了驗(yàn)證，并對(duì)模型數(shù)值解與實(shí)際所出現(xiàn)的偏差給予了分析說(shuō)明。

Vlasenko等學(xué)者[11-12]發(fā)現(xiàn)實(shí)際海洋中存在另外一種內(nèi)波激發(fā)機(jī)制。該種激發(fā)機(jī)制與Lee波機(jī)制不同，它不是通過(guò)正壓潮流在突起物的背后產(chǎn)生Lee波從而激發(fā)內(nèi)波，而是正壓潮流在經(jīng)過(guò)陡變的海底地形后，流體性質(zhì)由正壓變?yōu)樾眽海?dāng)流體內(nèi)Froude數(shù)達(dá)到某一臨界值時(shí)，潮流下游水體堆積，造成躍層界面的下陷，當(dāng)正壓潮流轉(zhuǎn)向后，該躍層下凹信號(hào)越過(guò)陡變的海底地形形成波動(dòng)向外傳播，形成內(nèi)波。

除了正壓潮與海底陡變地形的相互作用激發(fā)內(nèi)波外，斜壓內(nèi)潮的變形同樣可激發(fā)內(nèi)波，這種斜壓潮的存在是正壓潮與海底地形相互作用引起的[13]。斜壓潮在隨后的傳播過(guò)程中受非線性效應(yīng)的作用將激發(fā)高頻海洋內(nèi)波。其激發(fā)過(guò)程為：首先，正壓潮與地形相互作用激發(fā)為斜壓潮；隨后，在斜壓潮的波谷中逐漸產(chǎn)生內(nèi)波波包。研究表明，這種內(nèi)波的裂變并非發(fā)生在地形突變的海區(qū)，而是距離該地具有相當(dāng)距離的海區(qū)。這種激發(fā)機(jī)制已被澳大利亞西北陸架[14]、葡萄牙陸架觀測(cè)所證實(shí)。

2 結(jié)語(yǔ)

總之，內(nèi)波生成機(jī)制的研究已取得一定的成果，但是各個(gè)具體問(wèn)題，例如：各種生成機(jī)制的更深層次的認(rèn)識(shí)，新型內(nèi)波生成機(jī)制的發(fā)現(xiàn)與研究等尚需進(jìn)一步的理論研究、實(shí)驗(yàn)探討和觀測(cè)驗(yàn)證。

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