基于變系數(shù)KdV-type理論模型的南海北部內(nèi)孤立波傳播演變過程研究.pdf

1、海洋內(nèi)孤立波的研究在軍事和海洋工程中具有重要的實際應用價值。近二十年來,由于海洋石油開采設施頻繁遭受內(nèi)孤立波破壞等事件的報導,研究人員開始將海洋內(nèi)孤立波的研究重點集中到了南中國海。大量的遙感觀測和現(xiàn)場調(diào)查表明南海北部是世界上海洋內(nèi)孤立波活動最為活躍的海區(qū)之一。近十年來,關于南海北部內(nèi)孤立波的生成、傳播和演化過程的研究一直是熱點問題。
　　密度層化流體中,基于弱非線性假設的Korteweg-de Vries(KdV)理論模型是描述海

2、洋內(nèi)孤立波傳播和演化的一個簡化模型。該模型表征了海洋內(nèi)孤立波的非線性效應和頻散效應之間的動力平衡。本文首次系統(tǒng)地將以往僅在理論意義上研究的變系數(shù)KdV類型(KdV-type)理論模型應用于南海北部實際海洋底地形、連續(xù)層結(jié)和存在背景流的情形,并且討論了高階非線性和地轉(zhuǎn)等多種機制對內(nèi)孤立波傳播和演變過程的不同作用。同時,利用現(xiàn)場觀測的溫度振蕩和流速資料,驗證了理論模型在海洋內(nèi)孤立波傳播研究中的可行性。內(nèi)孤立波環(huán)境參數(shù)的變化一定程度上反映了該

3、海域可能存在的內(nèi)孤立波的基本特征,以往關于這方面的研究相當稀少。本文利用氣候態(tài)逐月平均的溫鹽資料和環(huán)流模式輸出的流速數(shù)據(jù)作為背景場,研究了南海北部內(nèi)孤立波長內(nèi)波相速度 c、非線性系數(shù)?、高階非線性系數(shù)?1和頻散系數(shù)??等內(nèi)波環(huán)境參數(shù)的空間分布和季節(jié)變化,探討了背景流對內(nèi)波模態(tài)結(jié)構(gòu)以及內(nèi)孤立波環(huán)境參數(shù)的影響。
　　研究表明,南海北部內(nèi)波環(huán)境參數(shù)的空間分布和季節(jié)變化特征主要取決于水深大小以及層結(jié)和背景流場等因素的強弱變化:(1)c和?

4、?的大小主要取決于水深,且隨著水深的變淺,兩者均逐漸減小。深水區(qū)層結(jié)的季節(jié)變化較小,c和??的變化也很小。而在淺水區(qū),層結(jié)的季節(jié)變化較為明顯,c和?變化較顯著,且夏季的量值均明顯大于冬季的量值。(2)深水區(qū),??基本上為負值,到淺水區(qū)轉(zhuǎn)換為正值,負值向正值轉(zhuǎn)換分界線具有明顯的季節(jié)變化,其生成和消衰與層結(jié)的強弱變化有密切的關系。秋冬季層結(jié)較弱,該分界線明顯,且與200m等深線基本一致。春季,隨著層結(jié)的增強,該分界線開始逐漸消失,到夏季則基

5、本不復存在。深水區(qū),?1多為正值,存在明顯的正值向負值的轉(zhuǎn)換分界線,該分界線常年存在。該分界線較?的零值分界線所在位置更深,且伴隨季節(jié)變化產(chǎn)生移動,夏季位于較淺海域,冬季位于較深海域。(3)背景流對高模態(tài)內(nèi)波的模態(tài)結(jié)構(gòu)影響較大,在流速較大的陸架海域這種影響尤為顯著。漲落潮流主要影響?1的大小。在流速較大的海域,?1在漲潮或落潮時,量值可相差一個量級。
　　對KdV-type理論模型進行的數(shù)值模擬研究發(fā)現(xiàn):(1)非線性和頻散的變化是

6、控制內(nèi)孤立波傳播和演變的主要機制。非線性增強時,波動振幅增大,頻散作用則使波動振幅減小。根據(jù)非線性和頻散作用之間的強弱,可將內(nèi)孤立波的傳播區(qū)域分為兩者相互平衡的平衡區(qū)和非線性作用占主導的變陡區(qū)。這種分區(qū)方法可用來解釋合成孔徑雷達(SAR)觀測到的南海東北部內(nèi)孤立波的分布特征。(2)高階非線性的作用主要影響大振幅內(nèi)孤立波的變形和非線性裂變。理論模型中考慮高階非線性項時,非線性效應的增強打破了KdV模型中非線性和頻散的平衡,從而造成內(nèi)孤立波

7、振幅的增大,波形變窄。相應地,內(nèi)孤立波波致流速顯著增大。相比之下,高階非線性對于振幅較小的內(nèi)潮的傳播和裂變過程的影響是非常微弱的。(3)KdV-type理論模型能夠模擬地轉(zhuǎn)影響下內(nèi)孤立波長距離傳播時,波形的衰減和重現(xiàn)過程,這一發(fā)現(xiàn)與Helfrich(2007)在完全非線性理論框架下得到的結(jié)論一致。同時,高階非線性的作用將使內(nèi)孤立波的衰減過程將變慢。(4)地轉(zhuǎn)對單個內(nèi)孤立波沿著模擬斷面?zhèn)鞑r的影響不大,但明顯抑制了內(nèi)潮的非線性裂變。這種區(qū)