海洋剪切流下失稳内波流场及传播的理论分析.pdf

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1、第33卷第3期2016年6月海洋预报MARINEFORECASTSV01．33，No．3Jun．2016DOI：10．11737／jissn．1003—0239．201603．001海洋剪切流下失稳内波流场及传播的理论分析邓冰1，张宇飞2，朱娟3，张铭4(1．北京应用气象研究所，北京100029；2．中国海洋大学海洋环境学院，山东青岛266003；3．解放军61139部队，北京100081；4．解放军理工大学气象海洋学院，江苏南京211101)摘要：采用求解特征值的方法，探讨了剪切背景流所导致的短波长海洋内波的失稳问题，并给出了其流场结构和传播情况。按

2、照失稳内波波阵面的法向与背景流流向夹角的不同，海洋内波不稳定可分为横波不稳定(夹角为00)，对称不稳定(夹角为90。)和斜交不稳定(任意夹角)3种情况，此时不稳定内波的流场呈现多种形态。对最不稳定流场而言，对称不稳定的流场形态呈现单圈环流的倾斜对流形态，而横波不稳定和斜交不稳定的流场形态则有猫眼结构出现。对于横波不稳定和斜交不稳定内波，最不稳定内波与次不稳定内波两者的流场分布几乎互为镜像。相应于本文的短波长内波，横波不稳定和斜交不稳定的内波均为高频内波，对称不稳定内波不传播，而仅在原地增长。相同参数下垂直方向结构最简单的对称不稳定内波其增长率最大。关键

3、词：剪切流；失稳海洋内波；流场结构；传播中图分类号：P731．21文献标识码：A文章编号：1003—0239(2016)03．0001—081引言海洋内波以约化重力为恢复力，本质是内重力惯性波，并属海洋的中、小尺度系统。海洋内波目前受到了学者的广泛重视”‘21，它的存在使得海水运动以及水文要素的分布与变化更加复杂，在物理海洋学中必须要考虑其作用p，。海洋内波动的发生、发展和演变一直是物理海洋学研究的重点和热点p‘6】。从动力学角度分析海洋内波的失稳不仅可以丰富和深化内波理论，而且具有实际的应用价值。研究表明，海洋剪切背景流会造成海洋内波的失稳盯{，。在

4、实际海洋中也发现了这样的事实。范植松等p1发现在渤海南部存在很强的周期约为6min的次重力波，该次重力波具有内波的某些特性，推测其主要是由潮流的剪切不稳定所导致。Yuan等”川分析了黑潮的不稳定性，提出了其可激发内波的机制，指出对于向西传播的扰动，黑潮西翼流场是不稳定的，此时所导致的失稳内波的传播方向向西；他们还解释了卫星SAR图像观测到的内波与黑潮西边界共存的现象，从而进一步验证了以上机制。Rainville等”u分析了中国海东部的黑潮海洋调查资料，发现黑潮中有较强剪切流；他们还分析了日本九州黑潮附近连续30h的观测资料，发现在黑潮中心的剪切流处，存

5、在着向上、下传播的高频内波，并认为黑潮较强的剪切流是生成海洋内重力惯性波的重要因素。对剪切背景流导致内波失稳进行研究，可以了解内波产生和发展的条件，是内波研究的一个重要方面。利用标准模方法，将波动稳定性问题化为本征值的边值问题，是解决流体稳定性问题的有效方法n2‘131。然而由于数值求解的困难，只有很少的几种特殊情况可以解析求解该特征值问题。1990年，曾庆存等首次对正压非地转大气中水平切变基本流下的大气稳定性问题成功进行了数值求解“4。51，之后张立凤和张铭又将该数值求解方法引入具有垂收稿日期：2015—08—28基金项目：国家重点研究发展计划(“9

6、73”计划，2013CB956203)。作者简介：Xls7．k(1963一)，女，高级工程师，博士，主要从事物理海洋学研究。E-mail：dbin9039@163．corn2海洋预报33卷直切变基本流的斜压非地转、非静力大气，讨论了该大气的稳定性问题以及其波谱问题116-17]。大气和海洋均属地球流体，虽然其控制方程组和物理参数略有不同，但用该数值求解方法讨论海洋内波的稳定性问题并无原则上的困难f18，。在有关海洋内波失稳的研究中，大多讨论海洋内波的传播方向与剪切背景流方向一致的情况，然而这两者的方向也可以不同，如上文Yuan等[L01分析的情况；对于

7、波动传播方向与背景流流向不同的情况，虽在大气中已有较多的讨论u6。71，但对海洋内波目前尚不多见。当前因海洋内波观测资料的匮乏以及观测精度的限制，很难精细观测到内波流场的特征，这给考察失稳内波的流场结构带来困难。为此在理论上求取失稳内波的流场结构也为解决以上困难提供了一条可行的途径。我们在文献【18]中提出了一个研究剪切背景流导致内波失稳的理论模型，并给出了内波的谱点分布及谱函数的垂直结构，但未给出失稳内波的流场结构。文献[191中，我们利用以上模型得到的特征值问题，给出了沿剪切背景流方向传播的失稳长波长内波有关该问题的数值解，得到了其流场结构。然而失

8、稳内波相对剪切背景流的传播可以存在多个方向，并非只有沿着该背景流方向传播，而且短波长内波是内波