水体层化及中尺度涡旋对南海北部内孤立波生成演化的影响

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南海北部是全球海洋内孤立波频发区域之一,在其复杂的生成、跨越深海海盆的传播及向岸演化等过程中都会受到各种海洋背景环境变化的影响,因此,南海北部海域是研究海洋内孤立波动力行为的天然试验场。本论文将重点研究水体层化及中尺度涡旋的变化对内孤立波生成及演化的影响。  首先,结合弱非线性内孤立波三大理论,通过无量纲分析及特征方程求解,评估了浅水KdV理论及有限深水理论下南海月平均的内孤立波相关特征参数,结果表明,内孤立波非线性参数在南海陆架坡或海山等陡峭地形附近较大,并且其在夏季强于冬季;通过与ASIAEX期间的SAR及潜标观测数据及数值模式结果的比较表明,有限深水理论下获得的特征参数与观测及模式结果更加接近,表明有限深水理论是更适用于南海内孤立波的参数估算。  其次,通过自行建立的一个基于涡量流函数形式的内孤立波数值模式,研究了垂向水体层化结构变化对第一模态内孤立波的影响,并以南海北部季节变化的上层水体为背景,阐明了潮地相互作用下上层水体层化变化调制多模态内波生成的内在规律。结果表明,第一模态内孤立波最大等密面位移出现在丰密跃层的稍下某处,其浅于弱非线性理论所获得的最大等密面位移出现位置。当下层水体层化减弱时,内孤立波振幅及一个波包中的内孤立子个数增加,但内孤立波相速度、半宽、斜压能及斜压动能占比均减小;当上层水体层化弱化时,内孤立波半宽及斜压动能占比增加,但内孤立波振幅、内孤立子个数、相速度及斜压能等均减小。此外,结果还表明,即使在次临界地形下,上层海水层化的增强依然可以有效的的促进内波束中高模态斜压组分及高模态内孤立波的形成。基于Levitus数据的分析,论文提出采用层化参数R来度量季节变化的上层水体层化变化。结果表明,随着上层水体层化参数R的增加,内波束中高模态组分增加,内波束远离地形的传播距离变远,内波束中辐射出来的第一、二模态内孤立波交替出现;进一步指出某一模态内孤立形成的必要条件是相应模态的潮流弗劳德数Fr0n及所激发的内波束中相应模态斜压组分的构成均足够大。结合层化参数R,得到了次临界地形激发下产生第一、二模态内孤立波的交替变化规律。结果还表明,Ramp等(2012)于2010年夏季在南海东北部吕宋海峡海脊的源地处所观测到的较强背风型第二模态内孤立波则实际上有可能受制于夏季较强的上层水体层化变化。  最后,基于SAR及卫星高度计观测的联合分析方法,发现了南海东北部深海海盆区域一类受到中尺度涡旋影响的内孤立波波峰线扭曲现象。之后,通过三维非静力MITgcm数值模式的模拟,系统地阐明了此类扭曲现象形成的动力过程及在此动力演化期间内孤立波特征及能量变化规律。结果表明,可以根据内孤立波与涡旋之间相对位置将此扭曲现象形成的动力过程划分为三个阶段。阶段一:内孤立波仅受中尺度涡旋右半侧的影响,内孤立波波峰线产生了明显的扭曲现象;阶段二:内孤立波受中尺度涡旋左半侧的影响,在这个阶段扭曲的内孤立波波峰线进一步被加强,并且内孤立波特征及能量分布变得极不均匀;阶段三:内孤立波已跨越涡旋进入一个自行调整阶段,在此阶段,涡旋对内孤立波的直接影响已结束,先前阶段所聚集的内孤立波特征及能量在此阶段被逐渐的释放。内孤立波能量再分布规律表现为其在凹陷的内孤立波片段被聚集,而在凸起内孤立波片段则被散射。由于内孤立波能量的再分布现象,内孤立波振幅沿着波峰线出现了极大的变化。研究指出,考虑了中尺度涡旋效应的数值模式可以进一步改进南海北部内孤立波振幅的预报精度。此外,基于射线理论的分析结果表明扭曲的内孤立波波峰线主要是由于中尺度涡旋引起的背景流场变化所造成;敏感性分析表明,最大内孤立波振幅在能量聚集区可达到入射内孤立波振幅的两倍,在散射区可被减少为入射内孤立波振幅的一半。除扭曲现象外,发现在波峰线后方及两侧还有三类次级内波形成,并且,反气旋涡作用下形成的内重力波最终能够演化为一个波峰线较短的整齐列队式的次级内孤立波波包。定性的比较分析显示,数值模拟的内孤立波扭曲现象及次级内孤立波包现象均可以与遥感观测结果很好的吻合。
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