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基于空间啁啾海洋内波传播机理的研究

孙美玲  
【摘要】:海洋内波是发生在密度稳定层化的海水内部的一种波动,其中最常见的是潮成内波。潮成内波经常出现在世界各大洋及其边缘海,属于中、小尺度海洋内波现象。海洋内波的研究对于海洋工程、海洋资源开发与利用、海洋生态等方面都有着重要的意义。中国南海由于地势环境的复杂性,成为海洋内波的多发区,一直备受学者关注。关于内波的研究主要从生成、传播和消亡等方面进行。其中针对内波的生成机制和传播过程中非线性效应和频散效应的作用机制研究都有不同结论。本文通过引入空间啁啾数值研究海洋内波生成和传播的物理机理。具体工作如下: 第一,建立描述大振幅内波传播的完全非线性薛定谔(NLS)方程。在两层海洋结构模型基础上,利用流体力学拉普拉斯方程和伯努利方程,引入多重尺度变量,通过摄动展开方法,得到描述大振幅内波传播的完全NLS方程。通过分析方程相关系数的变化求解方程的解析解。 第二,引入空间啁啾参量,研究内波传播过程中非线性效应和频散效应的作用机理。假设初始波形分别为高斯型和双曲正割型时,基于完全非线性薛定谔方程,推导频散效应所致啁啾和非线性效应所致啁啾的表达式,数值模拟在不同水深和不同层化下频散效应所致啁啾、非线性效应所致啁啾及总啁啾的演变,总结演变规律。最后,将其应用在中国南海实际海域处,并结合MODIS图像数值模拟内波传播,得到结论:内波从深水传到浅水时,频散效应先增大后减小,导致内波波形展宽,振幅减小;非线性效应则会随着传播时间累积增加,在传播过程中不会改变振幅,但是会产生新的频谱分量,从而使波形变窄。 第三,通过调制不稳定性的增益讨论吕宋海峡处内波生成机理。基于完全NLS方程推导得出内潮波调制不稳定性的条件,并讨论水深、层化和初始振幅对调制不稳定性峰值增益的影响。分析了吕宋海峡区域内潮的调制不稳定性,最后模拟了吕宋海峡内潮波演变成内孤立波的过程。


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