海洋内波破碎问题的研究.pdf

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1、第29卷第6期2012年12月海洋预报MARINEFORECASTS、，01．29．No．6Dec．2012海洋内波破碎问题的研究梁建军，杜涛(中国海洋大学物理海洋研究所，山东青岛266003)摘要：从理论、观测、数值实验和实验室实验四个方面对国内外近20年来关于海洋内波破碎问题的研究成果进行了分析总结。数值实验和实验室实验表明：中高频内波破碎时，初始的不稳定是二维的，当最终有横向对流卷团形成时，能量开始大量耗散，这时不稳定发展成为三维的；从初始的二维不稳定到对流卷团的产生这一过程，到底是一个剪切不稳定过程，还是一个对流不稳定过程，或者是对流

2、不稳定和剪切不稳定共同存在的一个过程，取决于海水的层化、地形、背景剪切流和内波的自身性质。现场曾观测到内孤立波破碎时存在的剪切不稳定过程，数值研究模拟出了内孤立波破碎时存在的对流不稳定过程。现有的海洋内波破碎判据主要是关于中高频海洋内波的。理论分析侧重于确定线性或弱非线性内波的破碎机制和破碎条件。关键词：内波；破碎；数值实验；实验室实验中图分类号：P731文献标志码：A文章编号：1003．0239(2012)06—0022—081引言海洋内波是发生在密度稳定层化的海水内部的一种波动，其最大振幅出现在海洋内部；波动频率介于质性频率和浮力频率之间

3、。海洋中的内波通过共振相互作用、在倾斜地形上的反射、与背景剪切流场或自身诱导流场的相互作用等使密度面变陡甚至发生翻转，当有湍流和不可逆能量耗散发生时，即视为发生内波破碎。海洋内波的破碎有局部破碎和完全破碎两种情况。局部破碎是指内波传播过程中波形整体上保持不变，但波面上个别地方发生微尺度的碎裂。完全破碎一般是指内波传播到某些地方(如陆架陆坡、海脊或临界层)时所发生的波面的全部碎裂。在海洋内波破碎的文献中涉及到的内波有：内重力波、内惯性重力波、内潮波、内孤立波(intemals01it哪wave，ISw)、内驻波、界面内波和近陨性内波等。引起内波

4、破碎的不稳定有两种类型：对流不稳定(又称运动型不稳定或浮力不稳定)和剪切不稳定(Kelvin—Helmhohz不稳定)。通常对于具有较大波陡的内波，若流场某处的微团速度超过相速度，微团将被平流输送出波面，形成局部的密度逆反区(等密度面呈倒“s”型)，从而导致对流不稳定的出现。初始的对流不稳定属于静力不稳定。如果瑞利数和雷诺数足够大，对流不稳定持续的时间足够长，流体就会由静力不稳定转变为动力不稳定和湍动的闭，这时内波发生破碎。当内波在有背景剪切流的环境中传播时，若遇到背景流场中足够急剧的垂向密度转变，就会有剪切不稳定出现同时引发内波破碎”，。内

5、波破碎是一种重要的内波能量耗散过程，在研究海洋中的能量收支问题时它是不容忽略的。观测表明，内波破碎对深海混合具有显著作用H。在近岸，内波破碎引起水层强烈的混合，对近岸环流中的扩散和生物初级生产力产生显著的影响，而且内波破碎时的水质点速度非常大，频率非常高，可以对海上结构物产生很大的破坏力雌，。所以，对海洋内波破碎问题的研究具有重要收稿日期：2012—02一04作者简介：梁建军(1986一)，男，在读硕士研究生，主要从事海洋内波和混合研究。E—mail：aisim”en@126．com6期梁建军，等：海洋内波破碎问题的研究的学术和应用价值。2研

6、究现状对海洋内波破碎问题的研究一般是从理论分析、现场观测、数值模拟和实验室实验4个方面进行。由于本文测重于介绍内波的破碎机制、破碎判据和破碎过程，理论分析和现场观测取得的成果相对较少，因此重点介绍对内波破碎在数值模拟和实验室实验方面的研究成果。2．1数值研究从Orlanski和Ross嘲用数值模拟的方法研究内驻波的破碎问题开始，对内波破碎的数值模拟研究工作得到了迅速发展，所涉及的内波破碎问题包括：内驻波的破碎眄。7，，大振幅内重力波在自由传播时的破碎隅，，大振幅内重力波在临界层处的破碎p，，内重力波在加速剪切流中传播时的破碎u01，大振幅内波

7、包与自身诱导流发生相互作用而发生的破碎u1。12，，界面内波的破碎u31，单频内波在随机噪声场传播时的破碎n41，表面风直接或间接产生的向下传播的单频二维内行进波的破碎”51，两层流体中内孤立波的破碎u“，存在多时空尺度过程时界面内孤立波的破碎”71，以及内潮传到凹陆坡、凸陆坡、亚临界陆坡、近临界陆坡和超临界陆坡上由于反射产生的破碎”81。对内波破碎问题的数值模拟研究基本都是从数值求解Navier_stokcs(N—S)方程人手，所用到的求解方法可分为两类：差分法和谱方法。在求解N—s方程来研究内波破碎的中，多数是在求解二维N—S方程的基础上

8、进行的，少量的研究工作是通过求解三维N—s方程进行的。求解N．S方程的方法可进一步分为：(1)直接求解N．S方程；(2)求解雷诺平均的N．S方程。(3)求解空间滤波