海洋內波

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更新時間: 2013-09-09

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內波是一種重要的海水運動,它將海洋上層的能量傳至深層,又把深層較冷的海水連同營養物帶到較暖的淺層,促進生物的生息繁衍。內波導致等密度面的波動,使聲速的大小和方向均發生改變,對聲吶的影響極大,有利於潛艇在水下的隱蔽;對海上設施也有破壞作用。

海洋內波 -海洋內波

 

海洋內波 -正文
  密度穩定層結的海水內部產生的波動。內波和表面波不同,最大振幅發生在海面以下,頻率局限於慣性頻率f(=2ωsinφ)(即科里奧利參量)與浮力頻率
   之間。ω為地轉角速率,φ為地理緯度,g為重力加速度,ρ為局地時間平均密度,cs為聲速;z為垂向坐標,向上為正。頻率較高的內波,其恢復力主要是重力與浮力之差,頻率較低時主要是地轉慣性力(或叫科里奧利力)。所以這種內波也是一種重力波或者叫做內慣性重力波。由於實際海水密度的層間變化很小(躍層上下的相對密度差也僅約0.1%),所以只要很小的擾動就會在內部產生軒然大波。這種波動很緩慢,相速僅為相應表面波的幾十分之一,即不足1米/秒。由於內波具有很強的隨機性,因而其振幅、波長和周期分佈在很寬的範圍內,一般分別為幾米至幾十米,近百米至幾十公里,幾分鐘至幾十小時。只要海水密度處於穩定層結狀態(即N2為正值,或通俗地說是上輕下重分佈著),就能觀測到脈動現象。雖然它們並非全是內波所致,但頻率介於fN之間的脈動,可能主要是內波的表現。
  內波是一種重要的海水運動,是轉移大中尺度運動能量的重要環節,也是引起海水混合、形成細微結構的重要原因。它將海洋上層能量傳至深層,也將深處較冷的海水連同其中的營養物質帶到較暖的淺層,從而促進生物的生長。內波導致的等密度面的波動,使聲速的方向和大小都發生脈動,因而極大地影響著聲吶的功能,故有利於潛艇的隱蔽而使監聽遇到困難。在海洋開發中發現內波對海上設施也有影響。
  研究簡史  在1893~1896年北極探險過程中,F.南森發現船隻莫名其妙地減速。經研究得知,船隻航行在很淺的密度躍層上方時,其動力造成在躍層處產生內波,船隻的動能被如此消耗,因此顯著減速。這種現象稱為「死水」。對密度躍層的波動的理論研究,可回溯到半個世紀以前。G.G.斯托克斯在1847年就研究過兩均勻流體層的界面處的界面波(內波的一種特殊情況),接著J.W.S.瑞利研究了連續層結的情況。至於實際的內波研究,由於觀測困難,在很長時期很少進展。自40年代起,溫深儀的發明及各種快速密集取樣調查儀器與方法的相繼出現,對內波的調查迅速開展起來。由於使用了資料的隨機處理方法,尤其是譜分析的技術,使內波的研究進入一個新階段。60年代後期至70年代前期,為大洋內波研究的迅猛發展時期,G.加勒特和W.蒙克(1972)提出了大洋內波譜模型(GM模型)。此模型與遠離邊界、表面和海底、且流速梯度不大的區域的實測資料非常符合。但它只是現象的統計描述,未能揭示出內波的物理機制。儘管如此,它仍是內波資料分析的準繩,也是進一步開展理論研究的出發點,因而被譽為內波研究的里程碑。
  現在研究的重點已從狀況較簡單的大洋主溫躍層上下的內波,向情況複雜的上層、底層及大陸坡等處的內波轉移,並從單純對現象的描述,轉入從海洋的整體運動過程的角度,來研究內波能量的產生、傳遞和耗散的機制,以及內波與其他海洋運動的相互關係。同時開展與生產和軍事緊密相關的應用研究。
  非隨機特性  內波的頻率和波數必須滿足一定的關係,即彌散關係。波數為一向量,其方向與相速度一致,量值等於沿此方向 2π間隔內所含的波的數目。由內波引起的質點運動的水平速度、垂向速度和垂向位移之間,也存在一定的關係。密度的垂向分佈對內波的特性有很大的影響。最簡單的內波為界面波,它沿界面傳播,群速與相速方向一致。最大振幅出現在界面處。在不同深度的內波的振幅,隨該處至界面的距離的增大而按指數律減小。界面上質點運動的水平速度和界面下者方向相反。在緊貼界面上下的質點,當其處于波峰或波谷時,有最大的水平速度。此處質點的水平速度隨深度的變化極快,即存在很強的速度剪切。界面處的質點恰好通過界面平衡位置時,具有最大的垂向速度,峰前向上,峰後向下。這樣,在淺躍層處的界面波可能在表面形成相間的輻聚帶和輻散帶,在海面呈現明暗清晰的條帶圖案。
  密度連續層結的流體中的內波,比界面波複雜得多。水質點的運動速度與波的相速度垂直,傳輸波能的群速與相速垂直。頻率不同的內波,不但相速度的大小不同,而且方向各異。近似於慣性頻率的內波,相速的方向近於鉛直,質點運動軌跡近於水平圓周,群速的方向也近於水平。隨著頻率的增大,相速與水平之交角變小,質點運動軌跡的橢度增大;群速與軌跡橢圓的長軸方向一致,與水平方向的交角增大。接近穩定性頻率的內波,相速近於水平,群速近於鉛直,質點近於鉛直往複運動。由於群速與相速垂直,出現了費解的現象:波形向斜上方傳播時,波能向斜下方輸送;反之亦然。
  內波在穩定性頻率 (N)變化的介質中傳播時會發生折射。在表面和底面或在內波頻率ω=N的深度(轉折深度)處會發生反射。內波在運動介質中傳播時,會發生多普勒效應,從而改變其傳播速度。在介質運動速度等於相速(臨界層)處,內波可能消失。
  由於表面與底面(或轉折深度處)的反射,可能在鉛直方向形成駐波。這種駐波有幾個波腹,就稱此內波處於第幾模態,模態越高,運動就越複雜。
  觀測方法  由於海洋內波隨時間和空間而隨機地變化,並且頻率範圍很寬,故需要在較長的時間內快速密集地取樣。許多新近發展的通用海洋調查儀器,都能滿足這種要求。觀測中最常用的是能同時兼測溫度、電導率和深度等的錨系自容式海流計,或能同時兼測溫度、鹽度和深度的儀器。將多個錨系裝置和多架儀器布置成立體的儀器陣列。觀測的時間常連續多日甚至數月。它可得到各種錨系頻率譜,例如溫度頻率譜和水平流速分量的頻率譜。從平均溫深剖面和溫度頻率譜,可得等溫面垂向位移頻率譜。從各種頻率譜可分析得到方向譜(見海浪譜)。
  從船上或平台上連續收放溫度電導率深度儀 (CTD),投棄式和非棄式溫深儀(XBT和Ubt)及電磁速度剖面儀等,可得投拋譜,即垂向位移(或水平流速)垂向波數譜。利用走航觀測儀器,如稱為「拖魚 (towedfish)和「蝙蝠魚」(batfish)的溫度電導率深度儀,可得拖曳譜如垂向位移(或溫度)水平波數譜。若拖曳適當配置的測溫鏈等陣列,可得種類更多的頻率譜。
  選定在等密度面處作中性漂浮或上下運動的溫度電導率深度儀,是觀測內波的理想專用儀器,它能記錄下較純的內波運動。用聲學方法(如多普勒聲吶)也可以觀測內波,還可採用衛星或航空攝影來觀測淺層的內波。
  在上述觀測的同時,還應作海域環境調查,如水深、潮汐、平均溫鹽深剖面、平均流、氣壓、風等,以供綜合分析。
  隨機特性  由於內波的隨機性,很難從不同地點、不同時間、不同手段所得觀測資料,得出統一的結果。加勒特和蒙克應用隨機過程理論,並引入一些理想化的假設,如假設實際的海洋內波是由許多不同頻率、不同波數、具有隨機振幅和隨機相位的正弦波線性疊加而成,將大量調查資料統一於一個普遍適用的模型即GM模型。
  模型譜的特點是:在遠離邊界的大洋中,內波的能量波數頻率譜具有普適性,即除一些特殊地區外,不論何時何地所得到的調查資料,都與這模型的結果近乎一致。它在近似慣性頻率處有一峰值,近似穩定性頻率處有一小峰或平肩,在中間頻段有ω-2特性。對水平波數K的依從關係為(1+K/K*)-2.5,其中K*為適當選定的波數比尺。
  調查資料較普遍地反映出在半日潮的頻率處有一個大小不一的譜峰,但這種模型沒有表達出來。這種模型也未能包括在上層海洋、陸架和陸坡處及平均流強盛處的複雜情況。
  各種內波譜之間存在一定的關係,可用來檢驗觀測所得的脈動量是否為內波。
  動力學  上述特性主要是運動學的。內波動力學研究波能的獲得和耗散,以及在不同頻率、不同波數的內波之間的傳遞機制。這一研究方興未艾。氣壓變化、風應力、表面波、大中尺度平均流、表面混合層湍流、潮流經過變化的底地形等,都可能產生內波。雖然GM模型引入了線性假設,但實際的內波是非線性的。不同頻率、不同波數的內波之間通過非線性相互作用而進行能量交換,將具有低垂向波數的內波的能量傳給具有高垂向波數的內波。具有高垂向波數的內波容易破碎而發生混合,形成了細微結構。它引起的嚴重的速度不均勻性,容易產生湍流。因此,內波的能量又轉移給更小尺度的湍流和細微結構。另外,內波的波能在臨界層處會被較大尺度的平均流所吸收(臨界層吸收)。因此,內波是各種大中小尺度的海洋整體運動過程中的一個積極的環節。

 

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