南海陸坡區(qū)約束流核型內(nèi)孤立波觀測(cè)研究*

于　博， 黃曉冬， 董濟(jì)海， 趙　瑋

(中國(guó)海洋大學(xué)物理海洋實(shí)驗(yàn)室， 山東 青島 266100)

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南海陸坡區(qū)約束流核型內(nèi)孤立波觀測(cè)研究*

于博， 黃曉冬**， 董濟(jì)海， 趙瑋

(中國(guó)海洋大學(xué)物理海洋實(shí)驗(yàn)室， 山東 青島 266100)

摘要：本文基于南海陸坡區(qū)內(nèi)孤立波的觀測(cè)，對(duì)內(nèi)孤立波的基本特征進(jìn)行了研究，經(jīng)分析得到其振幅為45m，最大水平流速可達(dá)1.6m·s(-1)，最大垂向流速為0.39m·s(-1)，傳播速度為1.46m·s(-1)。將內(nèi)孤立波經(jīng)過時(shí)的流速、溫鹽特征進(jìn)行了對(duì)比分析，結(jié)果表明,該內(nèi)孤立波引起水質(zhì)點(diǎn)的最大水平流速大于其傳播速度，即u(max)>c，形成了約束流核; 在內(nèi)孤立波核心處水體密度近乎一致，N2接近于0，理查德森數(shù)Ri<0.25，發(fā)生了剪切不穩(wěn)定?；趦?nèi)孤立波的振幅并結(jié)合背景場(chǎng)溫鹽剖面，對(duì)內(nèi)孤立波引起的溫鹽場(chǎng)起伏進(jìn)行反演，并對(duì)其動(dòng)能、勢(shì)能進(jìn)行了估算。

關(guān)鍵詞：內(nèi)孤立波； 約束流核； 剪切不穩(wěn)定； 破碎

YU Bo, HUANG Xiao-Dong, DONG Ji-Hai, et al. Observation of a trapped core internal solitary wave in South China Sea[J]. Periodical of Ocean University of China, 2016, 46(3)： 1-7.

在世界諸多海域內(nèi)，大振幅內(nèi)孤立波經(jīng)常被觀測(cè)到，其中南海是大振幅內(nèi)孤立波頻發(fā)的海域。南海內(nèi)孤立波一般認(rèn)為是由呂宋海峽較強(qiáng)潮流與復(fù)雜的山脊地形相互作用產(chǎn)生，其在向西傳播過程中波形逐漸變陡、強(qiáng)度逐漸增大，衛(wèi)星圖像顯示在120.5°E以東沒有內(nèi)孤立波出現(xiàn)，而在東沙島附近有較多內(nèi)孤立波出現(xiàn)[1]。在深水區(qū)，內(nèi)孤立波的傳播速度在3m·s-1左右[2-3]，最大水平流速可以超過2m·s-1[4]，其相速度大于最大水平流速，并且在深水區(qū)傳播過程中相速度、水平流速變化較小。內(nèi)孤立波向西傳播經(jīng)過陸坡區(qū)域時(shí)，由于水深變淺，其相速度迅速減小，但其水平流速保持相對(duì)穩(wěn)定，使得一部分水質(zhì)點(diǎn)的水平流速大于內(nèi)孤立波相速度，達(dá)到了內(nèi)孤立波破碎的條件，內(nèi)孤立波會(huì)攜帶這部分水體隨之運(yùn)動(dòng)，即在內(nèi)孤立波內(nèi)部形成了trapped core，即約束流核[5]。Lien等[6]在東沙島附近觀測(cè)到了具有這一特征的內(nèi)孤立波，其相速度從2m·s-1減小到1.3m·s-1，而水質(zhì)點(diǎn)的速度超過2m·s-1。

理論和模式結(jié)果表明內(nèi)孤立波的破碎是由剪切不穩(wěn)定或?qū)α鞑环€(wěn)定引起的[7]。在理查德森數(shù)Ri<0.25的區(qū)域內(nèi)孤立波會(huì)發(fā)生剪切不穩(wěn)定。Moum等[8]表明，剪切不穩(wěn)定發(fā)生在上層水體內(nèi)部和上下層水體的界面處。模式結(jié)果表明由于水深變淺，當(dāng)內(nèi)孤立波水質(zhì)點(diǎn)的流速超過其相速度時(shí)會(huì)發(fā)生對(duì)流不穩(wěn)定[9-10]。

對(duì)處于破碎過程中的內(nèi)孤立波的直接觀測(cè)很少，一方面是因?yàn)閮?nèi)孤立波破碎過程的具有間歇性，另一方面是因?yàn)樾枰邥r(shí)空分辨率的全深度流速、密度場(chǎng)才能捕捉到引起內(nèi)孤立波破碎的不穩(wěn)定過程[11]。

鑒于處于破碎過程中的內(nèi)孤立波現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)較少，本文利用全深度流速和溫鹽剖面觀測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)南海陸坡區(qū)的內(nèi)孤立波進(jìn)行了研究，對(duì)內(nèi)孤立波流速、溫鹽場(chǎng)的特征進(jìn)行了詳細(xì)的分析。

1觀測(cè)介紹

東方紅2號(hào)科考船于2014年6月5日對(duì)同一個(gè)內(nèi)孤立波進(jìn)行了追蹤觀測(cè)。 內(nèi)孤立波于14：25第一次傳播經(jīng)過科考船(見圖1 (a)，117.43°E，21.27°N)，隨后科考船對(duì)其進(jìn)行追蹤，于15:17經(jīng)過內(nèi)孤立波(見圖1 (b)，117.40°E，21.34°N)，而后繼續(xù)前進(jìn)，在117.36°E，21.46°N停船等待內(nèi)孤立波到達(dá)，內(nèi)孤立波于16:53到達(dá)科考船所在位置(見圖1 (c))，本文稱之為觀測(cè)點(diǎn)(即科考船與內(nèi)孤立波第三次相遇的位置)，觀測(cè)點(diǎn)水深為340m。在追蹤過程中，利用船載75kHz ADCP觀測(cè)內(nèi)孤立波經(jīng)過時(shí)的流速場(chǎng)，船載ADCP設(shè)置如下：采樣間隔為1min，垂向共50個(gè)bin，每個(gè)bin的范圍為16m，第一個(gè)bin與儀器的垂直間距為24.72m，因此可以觀測(cè)到表層24.72m到海底的流速、后向散射強(qiáng)度數(shù)據(jù)；在停船對(duì)內(nèi)孤立波進(jìn)行觀測(cè)的過程中同時(shí)下放SBE911plus CTD，獲得海水溫度、鹽度等剖面，共進(jìn)行7次下放，獲得14個(gè)剖面數(shù)據(jù)，第1次下放深度為335m，后6次下放深度為200m。

(圖中西南是東沙島。其中方塊(a)、(b)、(c)表示前后3次與內(nèi)孤立波相遇的位置，黑色實(shí)線表示科考船運(yùn)動(dòng)軌跡，紅色箭頭代表內(nèi)孤立波的傳播方向。South China Sea Southwest of the figure is Dongsha Island. The blue，green and red square is the first, second and third encountered point. The white curve labels the ship track.)

圖1南海西北部地形圖

Fig.1Topography of the north west

2內(nèi)孤立波傳播速度

根據(jù)上式得到前2個(gè)相遇點(diǎn)間的傳播速度c1=1.34m·s-1，傳播方向θ1=281°；后2個(gè)相遇點(diǎn)間的傳播速度c2=1.46m·s-1，傳播方向θ2=293°。表明內(nèi)孤立波主要向西傳播。

根據(jù)KDV方程可以得到內(nèi)孤立波的傳播速度[12]：

(1)

其中：η代表內(nèi)孤立波的振幅；c0為線性相速度；α表示非線性系數(shù)；β是頻散系數(shù)。結(jié)合SBE911plus CTD觀測(cè)到的背景場(chǎng)溫鹽剖面的數(shù)據(jù)，通過(1)式可以得到內(nèi)孤立波傳播速度的理論值:

(2)

根據(jù)(2)式得到在觀測(cè)點(diǎn)處內(nèi)孤立波傳播速度為1.50m·s-1。

傳播速度的理論值和實(shí)測(cè)值相差不大，因此在觀測(cè)點(diǎn)處該內(nèi)孤立波的傳播速度為c=1.46m·s-1，傳播方向θ=293°。

3內(nèi)孤立波特征

3.1 船載ADCP觀測(cè)

內(nèi)孤立波第3次經(jīng)過時(shí)，船載ADCP觀測(cè)到的后向散射強(qiáng)度、流速如圖2所示，可以看出其為典型的第一模態(tài)下凹型內(nèi)孤立波且表現(xiàn)為孤立波波包的形式，包含4個(gè)子波，其中頭波振幅最大，流速最強(qiáng)，另外3個(gè)子波相對(duì)較弱。頭波周期為16min，波長(zhǎng)L=cT，為1.4km。

圖2(a)為船載ADCP觀測(cè)得到的后向散射強(qiáng)度數(shù)據(jù),其中紅色實(shí)線為內(nèi)孤立波引起的后向散射強(qiáng)度最大起伏，其初始深度為104m。內(nèi)孤立波的經(jīng)過會(huì)引起等密度面的起伏，后向散射強(qiáng)度可以很好的反映等密度面的起伏狀況，因此這里將后向散射強(qiáng)度的最大起伏定義為內(nèi)孤立波振幅，則該內(nèi)孤立波振幅為45m。

圖2(b)是沿內(nèi)孤立波傳播方向(近似為東西方向，下文中稱之為東西向)的水平流速，上層為較強(qiáng)的西向流動(dòng)，下層為相對(duì)較弱的東向流動(dòng)，但均比背景流大得多，為典型的第一模態(tài)下凹型內(nèi)孤立波流速特征，最大西向流速為1.6m·s-1，出現(xiàn)在57m水深處。水平最大流速出現(xiàn)在海洋表面以下，而不是越接近表面流速越大，與理論結(jié)果不同，并且水平最大流速大于內(nèi)孤立波傳播速度，即umax>c(見圖2(b)中白色曲線內(nèi)的水體)，表示發(fā)生了對(duì)流不穩(wěn)定，白色曲線內(nèi)的水體會(huì)隨著內(nèi)孤立波一起傳播，即約束流核[13]。

圖2(c)為內(nèi)孤立波垂向流速，波前為下降流會(huì)引起海面水體的幅聚，波后是上升流，會(huì)引起海面水體的幅散，衛(wèi)星圖像正是根據(jù)水體幅聚幅散對(duì)光線反射率的不同進(jìn)而在海面上呈現(xiàn)出亮暗相間的條紋來(lái)觀測(cè)內(nèi)孤立波的。內(nèi)孤立波引起的最大下降流速為0.39m·s-1，在122m深度處，最大上升流速也是0.39m·s-1，但位于106m水深處?？梢钥闯鰞?nèi)孤立波垂向流速在波前波后具有不對(duì)稱的特征，正是由于這種特征使得內(nèi)孤立波能夠引起較強(qiáng)的垂向水體、物質(zhì)輸運(yùn)。Dong等[14]研究了內(nèi)孤立波垂向流速結(jié)構(gòu)的不對(duì)稱性，內(nèi)孤立波經(jīng)過之后使得水體升溫達(dá)2.3℃，無(wú)機(jī)鹽濃度升高了12.04μmol/L，葉綠素的含量升高了0.12μg/L，表明內(nèi)孤立波對(duì)垂向水體、物質(zhì)輸運(yùn)有著重要影響。

((a)后向散射強(qiáng)度數(shù)據(jù)，圖中黑色虛線是80~140db等值線，間隔為10 db。(b)沿內(nèi)孤立波傳播方向的水平流速，黑色虛線為0.4m·s-1西向流速，白色實(shí)線表示內(nèi)孤立波傳播速度的大小。V字形顏色曲線為SBE911plus CTD下放回收的深度時(shí)間曲線。(c)垂向流速，圖中黑色虛線分別代表0.08m·s-1上升、下降流速。圖中紅色實(shí)線均為后向散射強(qiáng)度起伏。(a) Acoustic echo density, the black dashed lines denote acoustic echo density from 80db to 140db, the contour interval is 10db. (b) Along-wave velocity, the black dashed lines indicate the along-wave velocity is 0.4 m·s-1, the thick white solid line indicate the phase speed of ISW, and the thick color lines in V shape denote time and depth of deployed SBE911plus CTD. (3) Vertical velocity, the black dashed lines denote the value of vertical velocity is 0.08m·s-1. The thick red solid line denotes the maximum vertical displacement of acoustic echo.)

圖2船載ADCP觀測(cè)結(jié)果

Fig.2Observation from shipboard ADCP

3.2 SBE911plus CTD剖面觀測(cè)

SBE911plus CTD觀測(cè)到的14個(gè)剖面的深度時(shí)間曲線如圖2(b)所示。按時(shí)間依次將其命名為1~14號(hào)剖面。各個(gè)剖面的溫度、Brunt-V?is?l?頻率平方即N2隨深度的變化規(guī)律如圖3所示。

前兩個(gè)剖面的溫度數(shù)據(jù)可作為背景場(chǎng)溫度，表層海水最高溫度為30℃，隨深度增加逐漸降低，底層海水最低溫度為11℃，混合層厚度約為35m，N2最大值出現(xiàn)在45m深度附近。從圖2(b)第4個(gè)剖面接近內(nèi)孤立波的核心區(qū)域，該剖面在40~60m層之間經(jīng)過內(nèi)孤立波約束流核的邊緣，內(nèi)孤立波經(jīng)過時(shí)能夠引起水體強(qiáng)烈的垂向運(yùn)動(dòng)，波前最大下降流速為0.39m·s-1，將水體向下輸運(yùn)，從溫度曲線可以看出，混合層厚度由背景場(chǎng)的35m劇變到95m，加深了60m，溫躍層深度也隨之加深了60m。從N2曲線中可以看到N2最大值出現(xiàn)在105m處，在40~60m之間，即約束流核區(qū)域N2的數(shù)值接近0。第5個(gè)剖面的溫度和N2曲線可以看出頭波經(jīng)過之后海洋的溫度、層結(jié)特征迅速恢復(fù)到了背景場(chǎng)的情況。從后面幾個(gè)剖面曲線可知該內(nèi)孤立波較弱的3個(gè)子波對(duì)溫度、層結(jié)等的影響很小。

3.3 內(nèi)孤立波剖面特征

1號(hào)剖面數(shù)據(jù)采集時(shí)間點(diǎn)在內(nèi)孤立波到達(dá)之前，可作為背景場(chǎng)數(shù)據(jù)，4號(hào)剖面數(shù)據(jù)是在內(nèi)孤立波核心到達(dá)時(shí)采集的，將其作為內(nèi)孤立波核心處的數(shù)據(jù)。5號(hào)剖面數(shù)據(jù)在內(nèi)孤立波頭波經(jīng)過后采集，將其作為內(nèi)孤立波過境后的水體數(shù)據(jù)。選取1、4和5號(hào)CTD剖面數(shù)據(jù)，對(duì)應(yīng)時(shí)間內(nèi)沿內(nèi)孤立波傳播方向、垂直于傳播方向的水平流速時(shí)間平均值及內(nèi)孤立波核心處垂向流速時(shí)間平均值對(duì)內(nèi)孤立波特征進(jìn)行詳細(xì)分析。垂向剖面特征如下所示。

內(nèi)孤立波頭波經(jīng)過后，20~40m深度處的水體溫度下降，在35m處最大溫度差為1.26℃(見圖4(a)、(e))，但鹽度并沒有類似的現(xiàn)象(見圖4(b))，該低溫水團(tuán)有可能是內(nèi)孤立波攜帶輸運(yùn)過來(lái)的。與內(nèi)孤立波經(jīng)過前后水體密度層結(jié)相比，其核心處密度層結(jié)有很大不同，30~80m深度的水體密度近乎一致，N2接近于0(見圖4(c)、(d))。

沿內(nèi)孤立波傳播方向，內(nèi)孤立波前后水平流速比內(nèi)孤立波核心處的水平流速要小的多(見圖5(a))；對(duì)內(nèi)孤立波核心處的水平流速而言，其西向流最大值為1.46m·s-1(因同樣的原因其小于上文提到的最大西向流速)，而東向流速最大值為0.4m·s-1，前者是后者的3倍多，且西向流速在接近海洋表面的深度上有減小趨勢(shì)。文獻(xiàn)[11]表明這是由于在內(nèi)孤立波核心處，水體因?qū)α鞑环€(wěn)定而發(fā)生翻轉(zhuǎn)，這種翻轉(zhuǎn)的影響可以直達(dá)海面，使內(nèi)孤立波核心處的水平流速越接近海面越小。對(duì)垂直于內(nèi)孤立波傳播方向的水平流速而言(見圖5(b))，內(nèi)孤立波核心處的流速與其前后的流速相比相差不大，也說明了內(nèi)孤立波主要是向西傳播的。

垂向流速剖面是對(duì)內(nèi)孤立波流核處的上升流與下降流分別取時(shí)間平均值得到的，因此其最大值比上文提到的內(nèi)孤立波上升、下降流的最大值要小(見圖5(c))，上升流與下降流最大值分別出現(xiàn)在105與121m處，且兩者曲線并不對(duì)稱。

(其中藍(lán)線、藍(lán)色刻度值表示溫度數(shù)據(jù)，紅線、紅色刻度值表示N2數(shù)據(jù)，圖中右下角的數(shù)字表示剖面的序號(hào)。Blue lines denote temperature and red lines denoteN2.)

圖3SBE911plus CTD觀測(cè)的溫度、Brunt-V?is?l?頻率平方的剖面圖

Fig.3Temperature observed by SBE911plus CTD and calculated Brunt-V?is?l? frequency

((e)是(a)圖中20~50m結(jié)果的局部放大圖。圖中黑線表示1號(hào)剖面數(shù)據(jù)或1號(hào)剖面對(duì)應(yīng)時(shí)間內(nèi)的平均數(shù)據(jù)即背景場(chǎng)數(shù)據(jù)，紅線表示4號(hào)剖面數(shù)據(jù)或其對(duì)應(yīng)時(shí)間內(nèi)的平均數(shù)據(jù)即內(nèi)孤立波核心處的數(shù)據(jù)，藍(lán)線表示5號(hào)剖面數(shù)據(jù)或其對(duì)應(yīng)時(shí)間內(nèi)的平均數(shù)據(jù)即頭波過境后的數(shù)據(jù)。The inset (e) in (a) shows the temperature from upper 20~50m. The black lines denote the data from profile 1st, the red lines denote the data from profile 4th, and the blue lines denote the data from profile 5th.)

圖4內(nèi)孤立波經(jīng)過前后溫度(a)、鹽度(b)、

密度(c)及層結(jié)(e)的變化

Fig.4Vertical profiles of (a) temperature,

(b) salinity, (c) potential density and (4) N2

((a)沿內(nèi)孤立波傳播方向的水平流速。(b)垂直于內(nèi)孤立波傳播方向的水平流速。(c)內(nèi)孤立波核心處的垂向流速(時(shí)間平均)。(d)垂向本征函數(shù)。對(duì)于圖(a)、(b)來(lái)說為黑線表示1號(hào)剖面數(shù)據(jù)或1號(hào)剖面對(duì)應(yīng)時(shí)間內(nèi)的平均數(shù)據(jù)即背景場(chǎng)數(shù)據(jù)，紅線表示4號(hào)剖面數(shù)據(jù)或其對(duì)應(yīng)時(shí)間內(nèi)的平均數(shù)據(jù)即內(nèi)孤立波核心處的數(shù)據(jù)，藍(lán)線表示5號(hào)剖面數(shù)據(jù)或其對(duì)應(yīng)時(shí)間內(nèi)的平均數(shù)據(jù)即頭波過境后的數(shù)據(jù)。(c)中的黑線、紅線分別表示內(nèi)孤立波核心處下降流與上升流的時(shí)間平均值。Vertical profiles of (a) along-wave velocity, (b) cross-wave velocity, (c) vertical velocity,(d) linear eigen-modal. The black lines in (a)、(b) denote the data from profile 1st, the red lines denote the data from profile 4th, and the blue lines denote the data from profile 5th. The black and red line in (c) denote time averaged downwelling and upwelling, respectively.)

圖5內(nèi)孤立波經(jīng)過前后流速變化特征

Fig.5The variation of velocity when the ISW passed by

根據(jù)內(nèi)波垂向本征方程，結(jié)合1號(hào)剖面溫鹽數(shù)據(jù)可以得到其垂向本征函數(shù)(見圖5(d))，結(jié)果表明，內(nèi)孤立波最大振幅出現(xiàn)在105m處，而本文根據(jù)后向散射強(qiáng)度起伏得到的內(nèi)孤立波最大振幅在104m處，兩者一致，表明后向散射強(qiáng)度能很好地反應(yīng)等密度面的起伏。

((a)沿內(nèi)孤立波傳播方向水平流速的垂向剪切。(b)垂直于內(nèi)孤立波傳播方向水平流速的垂向剪切。(c)沿內(nèi)孤立波傳播方向的水平流速與垂直于內(nèi)孤立波傳播方向垂向剪切的平方和。(d)理查德森數(shù)。對(duì)于圖(a)~(d)來(lái)說黑線表示1號(hào)剖面數(shù)據(jù)或1號(hào)剖面對(duì)應(yīng)時(shí)間內(nèi)的平均數(shù)據(jù)即背景場(chǎng)數(shù)據(jù)，紅線表示4號(hào)剖面數(shù)據(jù)或其對(duì)應(yīng)時(shí)間內(nèi)的平均數(shù)據(jù)即內(nèi)孤立波核心處的數(shù)據(jù)，藍(lán)線表示5號(hào)剖面數(shù)據(jù)或其對(duì)應(yīng)時(shí)間內(nèi)的平均數(shù)據(jù)即頭波過境后的數(shù)據(jù)。(d)中的黑色虛線表示Ri=0.25。Vertical profiles of (a) vertical shear of along-wave velocity, (b) vertical shear of cross-wave velocity, (c) total vertical squared of horizontal velocity, (d) Richardson number. The black lines in (a)~(d) denote the data from profile 1st, the red lines denote the data from profile 4th, and the blue lines denote the data from profile 5th. The black dashed line in (d) denote the value of Ri which is 0.25.)

圖6流速垂向剪切及理查德森數(shù)

Fig.6The feature of vertical shear of velocity and

Richardson number

對(duì)沿內(nèi)孤立波傳播方向流速的垂向剪切來(lái)說(見圖6(a))，內(nèi)孤立波核心處的最大峰值出現(xiàn)在95m深度處，在175m深度上也有一個(gè)較小的峰值，而內(nèi)孤立波經(jīng)過前后水平流速的垂向剪切沒有明顯的峰值。對(duì)垂直于內(nèi)孤立波傳播方向的水平流速的垂向剪切而言(見圖4(b))，均沒有明顯峰值出現(xiàn)。

4內(nèi)孤立波的能量

4.1 溫度場(chǎng)的構(gòu)建

對(duì)內(nèi)孤立波能量進(jìn)行計(jì)算，首先要獲取內(nèi)孤立波經(jīng)過時(shí)的溫度場(chǎng)與鹽度場(chǎng)，進(jìn)而計(jì)算出內(nèi)孤立波的密度場(chǎng)。在觀測(cè)中只有14個(gè)溫度剖面，因而需要對(duì)溫度場(chǎng)進(jìn)行重新構(gòu)建。方法如下：

(1)背景場(chǎng)：采用1、2號(hào)剖面的溫度平均值作為背景場(chǎng)溫度，記為T(z)。

(2)內(nèi)孤立波起伏：通過后向散射強(qiáng)度提取內(nèi)孤立波振幅及其所在深度，記為，結(jié)合垂向本征函數(shù)，計(jì)算出內(nèi)孤立波在各深度的起伏：

(3)

(3)溫度場(chǎng)模擬：內(nèi)孤立波經(jīng)過時(shí)，等溫度面將隨之起伏，即可得到各個(gè)深度的擾動(dòng)溫度：

T′(z,t)=T(z-η(z,t))。

(4)

模擬得到的溫度場(chǎng)如圖7(a)所示，選擇1、4、5號(hào)剖面的實(shí)測(cè)值與其對(duì)應(yīng)時(shí)間、深度位置上的模擬值作對(duì)比(見圖7(b)~(d))，從對(duì)比圖中可以看出內(nèi)孤立波

圖7　內(nèi)孤立波溫度場(chǎng)反演

到達(dá)之前模擬值與實(shí)測(cè)值基本一致(見圖7(b))，對(duì)于內(nèi)孤立波頭波經(jīng)過之后，模擬值與實(shí)測(cè)值吻合較好(見圖7(c))，只在100m以下出現(xiàn)較小的誤差，但對(duì)于內(nèi)孤立波核心處，在內(nèi)孤立波起伏較大的位置模擬值與實(shí)測(cè)值相差較大，這可能是 由于在內(nèi)孤立波核心處存在對(duì)流不穩(wěn)定。

通過同樣的方法可以得到鹽度場(chǎng)數(shù)據(jù)，從而計(jì)算出密度場(chǎng)。

4.2 能量的計(jì)算

對(duì)于二維非靜力近似下的內(nèi)孤立波，其動(dòng)能KE的表達(dá)式為[15]，

(5)

其中：ρ0=1024；u是沿內(nèi)孤立波傳播方向的水平流速；w是垂向流速。對(duì)于最上層缺測(cè)的流速數(shù)據(jù)，結(jié)合約束流核型內(nèi)孤立波的特點(diǎn)，本文認(rèn)為海表面流速是0，進(jìn)而利用ADCP觀測(cè)最上層的流速數(shù)據(jù)進(jìn)行線性插值得到缺測(cè)深度的流速。

Kang和Fringer[16]討論了內(nèi)孤立波有效勢(shì)能的表達(dá)式，認(rèn)為有效勢(shì)能APE最優(yōu)的表達(dá)式為：

(6)

其中:g為重力常數(shù);η是等密度面的起伏;ρr是背景場(chǎng)密度；ρ是現(xiàn)場(chǎng)密度。

內(nèi)孤立波的能量E=KE+APE。根據(jù)上面動(dòng)能和勢(shì)能的表達(dá)式計(jì)算得到該內(nèi)孤立波的動(dòng)能和勢(shì)能分別是94和53 MJ·m-1，動(dòng)能接近勢(shì)能的兩倍，這一方面是由于內(nèi)孤立波在破碎的過程中動(dòng)能與勢(shì)能之間存在著轉(zhuǎn)化關(guān)系；另一方面是由于在溫度場(chǎng)的構(gòu)建過程中，在內(nèi)孤立波起伏較大的位置溫度的模擬值與實(shí)測(cè)值相差較大，沒能充分反映內(nèi)孤立波的起伏對(duì)溫度的影響，使計(jì)算得到的勢(shì)能較小。

5結(jié)論與展望

本文基于船載ADCP和SBE911plus CTD剖面的觀測(cè)，對(duì)南海西北部陸坡區(qū)典型內(nèi)孤立波波包個(gè)例進(jìn)行了分析，研究了其流速場(chǎng)和溫鹽場(chǎng)的特征，結(jié)果如下：

(1)該內(nèi)孤立波波包共包含4個(gè)子波，其中頭波振幅最大、流速最強(qiáng)，其傳播速度c=1.46m·s-1，波長(zhǎng)和振幅分別為1.4km和45m，沿內(nèi)孤立波方向的最大水平流速為1.6m·s-1，最大垂向流速為0.39m·s-1，其余3個(gè)子波的流速、振幅逐漸減小。

(2)對(duì)內(nèi)孤立波流速場(chǎng)進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)在該內(nèi)孤立波核心處水質(zhì)點(diǎn)水平流速大于其傳播速度，即umax>c，表明在核心處存在對(duì)流不穩(wěn)定，滿足內(nèi)孤立波破碎的條件；在內(nèi)孤立波核心處尤其是約束流核區(qū)域上下層的密度趨于一致，N2接近于0。在內(nèi)孤立波核心處上100m層中，Ri<0.25，發(fā)生了剪切不穩(wěn)定。

(3) 根據(jù)CTD剖面數(shù)據(jù)以及內(nèi)孤立波垂向本征函數(shù)，結(jié)合其振幅特征，對(duì)內(nèi)孤立波引起的溫鹽場(chǎng)起伏進(jìn)行了模擬，重新構(gòu)建了內(nèi)孤立波到達(dá)時(shí)的溫度、鹽度場(chǎng)，并對(duì)內(nèi)孤立波的能量進(jìn)行了估算，該內(nèi)孤立波的動(dòng)能為94 MJ·m-1，勢(shì)能為53 MJ·m-1，動(dòng)能接近勢(shì)能的2倍，其總能量為147 MJ·m-1。

本文對(duì)南海陸坡區(qū)約束流核型內(nèi)孤立波的基本特征進(jìn)行了分析，下一步工作需要獲取全深度、高時(shí)空分辨率的潛標(biāo)觀測(cè)資料，并對(duì)其進(jìn)行進(jìn)一步的研究。

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責(zé)任編輯龐旻

Observation of A Trapped Core Internal Solitary Wave in South China Sea

YU Bo, HUANG Xiao-Dong, DONG Ji-Hai, ZHAO Wei

(The Lab of Physical Oceanography， Ocean University of China, Qingdao 266100, China)

Abstract:Based on the situ observation of internal solitary wave (ISW) in continental shelf of the northern south China Sea, the characteristic parameters of the ISW was calculated, the amplitude of ISW was 45m, the maximum along-wave velocity was 1.6m·s(-1), and the maximum vertical velocity was 0.39m·s(-1). The velocity and temperature profiles of the ISW were analyzed, it indicated that the maximum along-wave velocity exceeded the propagation speed of ISW, it reached the convective breaking limit and trapped core formed. In the core of ISW, the calculated Richardson number Ri<0.25, shear instability occurred. The kinetic energy and available potential energy were estimated based on the simulated temperature and salinity field.

Key words:internal solitary wave; trapped core; shear instability; wave breaking

DOI：10.16441/j.cnki.hdxb.20150108

中圖法分類號(hào)：P731.24

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1672-5174(2016)03-001-07

作者簡(jiǎn)介：于博(1991-)，男，碩士生。E-mail：yubo_ouc@163.com**通訊作者：E-mail： xhuang@ouc.edu.cn

收稿日期：2015-03-17；

修訂日期：2015-05-06

*基金項(xiàng)目：國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目(2014CB745003 );國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目(2013AA09A502);國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41176008，41176010) 資助

引用格式：于博， 黃曉冬， 董濟(jì)海， 等. 南海陸坡區(qū)約束流核型內(nèi)孤立波觀測(cè)研究[J]. 中國(guó)海洋大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)， 2016, 46(3): 1-7.

Supported by National Basic Research Program of China (2014CB745003); National Nigh Technology Research and Development Program of China (2013AA09A502); National Natural Science Foundation of China(41176008，41176010)