海洋内重力惯性波不稳定模态分析.pdf

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1、第31卷第1期2014年02月海洋预报MARINEFORECASTSV01．31．NO．1Feb．2014DOI：10．11737／j．issn．1003-0239．2014．01．006海洋内重力惯性波不稳定模态分析邓冰1，张翔2，张铭3(1．北京应用气象研究所，北京100029；2．海军海洋水文气象中心，北京1000793．解放军理S-大学气象海洋学院，江苏南京211101)摘要：基于海洋动力方程的内重力惯性波数学模型给出其数值求解方法，并对沿垂直切变背景流传播的海洋内重力惯性波的不稳定做了探讨，得到的结论有：在不考虑海底地

2、形和采用刚盖近似的条件下，在稳定层化海水中，当背景流为常数时，海洋内重力惯性波均是稳定的。在较弱的稳定层结下，具有垂直切变的背景流会导致海洋内重力惯性波的不稳定。该不稳定内波的增长率对其波长具有选择性并可有短波截断。增长率最大处出现在波长为几十公里的范围内。对固定的内波波长，背景流垂直切变越强则其最大增长率越大；若此时有多个不稳定模态，则增长率最大的模态其垂直结构最简单。该不稳定内波流函数的结构在垂直方向大体呈单圈环流形态，环流中心可以是一个，也可以是2个，后者则呈“猫眼”结构。关键词：海洋内重力惯性波；垂直切变背景流；不稳定模

3、态中图分类号：P731文献标志码：A文章编号：1003—0239(2014)01—0036—06海洋中的内重力惯性波是普遍存在的一种海洋内波，其对海洋的质量、动量和热量输送起着重要的作用；该内波也是海水运动的重要形态，会引起海水的内部混合，是形成海水温、盐微结构的重要原因”I。本文对该海洋内波的不稳定模态进行分析；这不仅在海洋动力学研究中具有重要理论意义，而且对海洋资源开发和保护以及军事海洋保障中均有很大应用价值。对海洋内重力惯性波的发生演变研究一直是物理海洋学的重点和热点，然而由于海洋内波现场观测资料获取困难以及流体动力方程组

4、在数学上解析求解的限制，关于海洋内波生成机制至今尚在深入研究中。有很多因素都能激发海洋内波，它们可来自海面、海底和海水内部。例如海面风应力和海面气压场，上混合层中海水密度水平分布不均匀，潮流或海流流经凸凹不平的海底地形，海水内部背景流的水平切变和垂直切变等等。LUCRAIN—VILLE等12I对2000年4月中国海东部的黑潮海洋调查资料进行了分析，发现在黑潮中存在较强的连续切变层；另外又分析了日本九州黑潮附近2002年4月的ADCP和CTD连续30h现场观测资料，探测到在黑潮中心有一系列流的切变，并发现存在向上和向下传播的高频内

5、波，他认为黑潮较强的切变是生成海洋内重力惯性波的重要因素。此外，司宗尚，范植松等1w指出南黄海的内孤立波集中分布于南黄海的南部，而在其北部极少出现的主要原因是在南黄海的南部存在较强的背景斜压环流和很强的背景正压潮流，而在南黄海的北部这两种背景流都很弱。Xu等一。研究了南海的内潮波，发现了以高模态为主的半日内潮的存在，并对南海高模态主导的内波做了全面深人分析。张远凌ml利用澳大利亚西北陆架海域1992年2月至4月期间现场锚系实验观测获得的温度及海流计资料，分析了该地区内潮及内收稿日期：2013—02—17基金项目：国家973计划资

6、助项目(2007CB411800)作者简介：邓冰(1963一)，女，高级工程师，主要从事物理海洋应用研究。E-mail：dbin9039@163．eom1期邓冰等：海洋内重力惯性波不稳定模态分析37孤立波的主要特征，且得到该地区的流场随时间变化强烈，在垂直方向上具有较强的剪切。显然以上司宗尚等和张远凌所研究的海洋内波是非线性的(因其为孤立内波形态)，但其来源仍涉及到海洋线性重力惯性波的失稳(因失稳造成其振幅随时间增长，最终非线性效应将起重要作用)。由此可见，海洋背景流的水平切变和垂直切变在海洋内波的生成和演变中起着关键作用。由于

7、海洋中随机的无穷小扰动无处不在，这些无穷小扰动在海洋内重力惯性波不稳定的条件下，则会发展为小的线性海洋内重力惯性波，以后其振幅继续增大到一定阶段后，就必须考虑非线性的作用，此时会演变成孤立内波。这种由无穷小扰动发展到线性海洋内重力惯性波的过程，也即海洋内重力惯性波的不稳定，就是海洋内波生成机制的一种，当然这其中也包含演变。在大气中基本气流(背景风场)的垂直切变会造成内重力惯性波的失稳早已为人所熟知I”，而海洋与大气同属地球流体，有相似的控制方程组(但状态方程不同)，故而海洋中的基本流(背景流)的切变应该也会造成海洋内部重力惯性波

8、的失稳现象，而以上有的学者也指出，在海洋有的地方背景流剪切较强，是生成内波的重要因素-I。为研究切变背景流对海洋内波不稳定的影响，本文提出了一个基于海洋动力学的线性海洋内重力惯性波失稳的数学模型，给出了对其数值求解的方案，并用以探讨沿垂直切变背景流传播的线性海洋