两层及三层流体间内波理论研究进展

内波作为一种发生在层化海洋内部的波动,在世界海洋范围内普遍存在。深入研究内波生成、演化等特性,对我国的海洋开发有着重要意义。针对两层及三层流体间内波理论,选取目前国内外广泛应用的KdV (Korteweg-de Vries)内波理论、MCC (Miyata-Choi-Camassa)内波理论、层析内波理论以及DJL (Dubreil-Jacotin-Long)内波理论综述其研究进展。从数学模型、理论研究以及数值模拟等方面,讨论了不同内波理论的优势以及局限性。从数学推导的角度,证明了MCC内波理论与第一级别层析内波理论是一致的。

基于简化内波方程的光学隐蔽深度模型建立与分析

非均匀海水条件下,光学隐蔽深度模型(OCD_LAYER)建立在海水按照垂直线上分割成光学特性近似的相似层的基础之上,为了研究海洋内波条件下OCD_LAYER模型的适用性,根据对比度和两层流体内孤立波KDV方程,通过构造内波垂向结构,计算出位移均方根最大层为内波简化两层界面,并依此建立内波简化模型条件下光学隐蔽深度模型(OCD_KDV)。计算并分析了水下航行体表面反射比、海水衰减系数、观察天顶角、空气消光系数变化对内波简化模型条件下光学隐蔽深度模型的影响。结果表明,在最高探测概率下,特征尺度为36m的水下航行体光学隐蔽深度在深远海海水中数值为36.79m;在近海海水中数值为22.08m;在沿岸海水中数值为11.04m。实验结果为水下航行体光学隐蔽性提供了重要理论参考。

内波、内潮汐沉积及其沉积矿产意义研究综述

深水环境中内波、内潮汐沉积研究至今已有30多年的研究历史,且在地层记录中发现了较多的研究实例,较系统地总结了该类型沉积的鉴别标志,为其在沉积矿产方面的应用奠定了基础。笔者在已有的内波、内潮汐沉积研究成果的基础上,从沉积流体演化的角度对已总结的沉积鉴别标志进行了梳理,对特征性的沉积构造和垂向序列的应用范围进行了限定,强调特征性鉴别标志与内波、内潮汐沉积一般特征的结合使用。依据内波、内潮汐在沉积过程中的作用,将内波、内潮汐在海底的作用区域划分为改造海底已有沉积物的改造作用带、与深水其它流体发生交互作用的交互作用带和静水效应带,分别探讨了三个作用带与常规油气和页岩气勘探的关系。同时认为:①内波、内潮汐作用在沉积型磷矿成因中可能成为联系“上升洋流”学说和“生物成磷”学说之间的纽带,并有可能形成再沉积型磷矿;②目前已发现的地层记录中的内波、内潮汐沉积基本上发育在改造作用带内;③内波、内潮汐不直接作用于海底的交互作用带和静水效应带的研究非常薄弱,可能成为今后急需加强的研究方向,其重点在于探讨和总结内波、内潮汐沉积的微观和地球化学鉴别标志。

基于SVM的海洋内波图像预选方法

针对海量海洋卫星SAR数据处理和海洋内波应用急需,研究SAR海洋图像内波预选方法。根据SAR图像内波明暗条纹的周期性、延展性、独立性等特点,提取内波特征向量,通过支持向量机对这些特征向量进行训练,根据训练集开展SAR海洋图像自动内波预选。通过对典型含内波SAR图像的测试可知,本文提出的SVM与内波多特征结合的方法可有效预选含内波的海洋SAR图像区域,预选结果与人工目视结果高度一致,可极大减轻人工处理工作量,为后续内波深入处理和应用奠定基础。

饱和湿大气中惯性重力内波不稳定判据的探讨

为分析饱和湿斜压大气中任意频率的惯性重力内波的稳定性,利用非静力平衡Boussinesq近似的方程组,在饱和湿斜压大气中考虑湿绝热过程,着重分析讨论任意频率的惯性重力内波不稳定的充分条件(即判据),主要得出:当饱和湿斜压大气的位温经向梯度与饱和相当位温经向梯度之和大于零时,波动不稳定的必要条件是波动向北倾斜;反之,波动不稳定的必要条件是波动向南倾斜。在基流、基本温度场分布不同的饱和湿斜压环境大气中,任意频率惯性重力内波的不稳定判据呈多种不同的表达式,变化复杂。一般情况下,波动不稳定的充分条件即不稳定判据是饱和湿斜压环境大气不仅满足动热力参数Δ大于零,且波动等位相面的倾斜度必须位于与Δ有关的两个参数值A_(1)、A_(2)之间。当位温经向梯度与饱和假相当位温经向梯度的方向相反,波动相对更稳定。如果惯性重力内波发生不稳定,饱和湿斜压环境大气的等饱和相当位温面的倾斜度可能超过等绝对动量面的倾斜度,也可能小于等绝对动量面的倾斜度。

基于可见光遥感数据的海洋内波垂向重构

由于由遥感图像反演海洋内波参数往往仅限于海洋表面纹理信息,或由内波剖面推导内波振幅,难以对内波三维结构进行描述,限制了海洋内波的水下应用。本文提出一种由CCD可见光图像反演内波波长信息和水平面内波波动信息,结合当时当地海洋密度剖面反演内波振幅、并根据密度剖面计算内波垂向模态函数,对海洋内波垂向断面进行重构的方法。在充分考虑到可见光图像反映的内波海表流场与内波波动、内波垂向最大振幅(温跃层处)以及内波垂向模态函数三者物理意义及相互关系后对内波二维断面进行处理,能够实时地实现内波断面的重构,为水下环境应用提供了精确的内波水下分布结构。

水体内部的沉积作用——内波、内潮汐沉积研究综述

介绍了内波的概念、沉积实例、沉积特征、沉积模式等;还对内波沉积作用机理作了深入分析。大多数海洋和湖泊中都有内波存在,其波幅可以是表面波的20～30倍,是海水混合和海底沉积物二次搬运的重要营力。内波形成的沉积物规模可以很大,沉积物中的砂岩成分成熟度和结构成熟度高。内波沉积研究对于油气勘探具有重要意义,特别是在海相油气勘探领域。目前对内波沉积物的成岩特征和含油气性方面的研究还比较薄弱;应从沉积特征、地球物理响应、测井响应等方面入手,逐步形成一套全面、系统、完整的识别标志;还应该与海洋学、水动力学等研究紧密结合,深入探讨内波的形成机理和控制因素。

关于深水环境下内波、内潮汐沉积分类的探讨

深水环境下内波、内潮汐沉积从在地层记录中被发现已过去20年,在这20多年里虽然积累了不少资料,但至今未对内波、内潮汐沉积进行细分。本文以地层记录中已发现的内波、内潮汐沉积为基础,结合内波、内潮汐的破碎过程和海洋物理学中内波的研究现状,对深水内波、内潮汐沉积的分类进行了探索。将其分为3个层次下的9种类型,分别为:正压内潮汐沉积、斜压内潮汐沉积、正压短周期内波沉积、斜压短周期内波沉积、等深流叠加内波沉积、低密度浊流叠加内波沉积、长周期内波叠加沉积、驻波沉积和其他内波叠加沉积。地层记录中已发现的内波、内潮汐沉积分别归为:正压内潮汐沉积、正压短周期内波沉积和长周期内波叠加沉积3类,其余类型尚未被发现。这样的分类较合理地解释了为什么在现代海洋中内波、内潮汐无处不在,但地层记录中的内波、内潮汐沉积却少得可怜的现象,同时将内波、内潮汐沉积研究和海洋物理学中对内波的研究结合起来,并能将内波、内潮汐沉积研究置于更为广阔的研究背景之中,使之可以和大洋突发事件、天文旋回及大洋环流等联系起来。

南海夏季沿岸内波与定点声起伏特征分析

利用2020年6月海南岛沿岸试验数据,分析内波及声能量起伏特征。试验海域以全日潮内波为主,并伴随有高频内波活动。内波活动引起360 Hz单频信号20 km定点声起伏峰峰值超过30 dB,320~400 Hz线性调频信号起伏峰峰值超过15 dB。利用测量数据结合数值仿真,讨论了内波引起单频信号和线性调频信号呈现不同起伏特征的原因。结果表明:试验海域内波活动导致单频声场模态间干涉条纹出现移动,进而导致接收位置处特定频率的声能量出现大幅度的快速起伏;由于带宽内的平均作用,宽带信号的能量起伏远小于单频信号的能量起伏。当内波传播速度变化时,各内波成分在声传播路径上出现的时间和位置发生了变化,使得声场出现剧烈起伏的时间也随之变化。

浅海孤立子内波作用下的三维声场空间特性

针对浅海环境下孤立子内波对声场空间特性的影响,以三维抛物方程理论及高精度根式算子近似方法为基础,建立了适应孤立子内波环境的三维声场计算方法。充分考虑孤立子内波传播特点与浅海中点源柱扩散形式的声场结构特征,形成以直角坐标系−柱坐标系的联合环境处理的声场计算形式,通过改变环境参数输入形式,提升了计算效率,并研究了孤立子内波影响下的三维声场分布特性。结果表明,平坦海底情况下,内波影响下的三维声场垂直和水平分布结构均发生变化,且随频率增加而增大,尤其是声源深度在跃层附近时变化更为明显;非平坦海底环境下,三维声场受到非水平海底和内波的双重调制作用,导致孤立子内波影响下的声场水平分布变化进一步加剧,从而在一定程度上反映出海底地形这一大尺度非均匀性对声场产生的水平折射效应以及对声传播特性的影响。

水下滑坡运动诱导形成的内波特性及破坏分层特征

为改善湖库因季节性水温分层而导致的水质恶化现象,通过水下滑坡体扰动的方式人工诱导产生内波,探究了水下滑坡运动诱导形成的内波特性及其对水体温度分层结构的破坏特征,结果表明:水下滑坡破坏水体温度分层结构主要通过扰动引起上下层水体交换实现,在此过程中内波作用效果持久且较为平缓;滑坡倾角和滑坡体运动速度对分层水体破坏效果有重要影响;滑坡倾角为45°工况相较60°工况诱导的内波规模更大。

内波波-波相互作用的KP模拟

在内波多发海区,多个内孤立波可以发生波-波相互作用。在一定条件下,内孤立波相互作用可以产生振幅和波速都增大的孤立波并且有多种形态。二维KP方程适用于两列非线性内孤立波相互作用的理论研究。本文基于KP方程,并结合乔治亚海峡内孤立波的观测资料和航拍技术,对三种内孤立波相互作用后的波形进行了初步模拟。模拟结果较好的反映了内孤立波的多维特征,从而更直观地观察和了解两列波相互作用后的形态,并突出了KP方程在波-波相互作用的信息提取和模拟方面的巨大优势。

内波在岸坡地形上的传播特性研究

在稳定的分层流体系统中,外界轻微的扰动可能会在密度分层面(密度跃层)处引发内波现象。内波是周期短、波幅大、携带能量巨大的一类非线性波浪。海岸带为海陆之间相互作用的地带,是陆地和海洋的分界线。岸坡则是指海岸带的水下部分,一般可概化为斜坡。内波在岸坡上传播时,波形、传播特性、能量都与平坡环境差别极大。在此类近岸及河口复杂的水动力环境,内波更易对水下结构物造成巨大威胁。因此,研究内波在岸坡上的传播特性对维护水上建筑物安全稳定具有重要意义。文章对国内外学者的内波相关研究进行整理,具体对内波主要研究方法、内波在岸坡上传播特性这两大方面的研究成果进行总结。

内波观测浮标水动力性能分析与实验研究

内波观测浮标的横摇和纵摇是影响海流观测设备声学多普勒流速剖面仪(ADCP)观测有效性的重要参数。针对所设计的浮标,采用AQWA软件,分析比较了在不同外界载荷下,浮标的横摇和纵摇变化情况。结果表明:在1 m浪高的规律波浪下,周期为4~16 s时,浮标的横摇和纵摇角度均满足仪器有效观测的要求,周期为1~3 s时,浮标会产生较大的横摇和纵摇角度;在不规律波浪下,当波浪高度小于4 m时,浮标运动的有义值都满足要求,当波浪高度大于等于5 m时,浮标的横摇或纵摇角度会超过20°。在南海进行的内波观测实验表明,横摇和纵摇角度均满足有效观测的要求,证明模拟是准确的。

浅海负梯度环境下内波对声传播的影响研究

海洋内波作为密度稳定层化海水内部的一种波动,在海水的水平和垂直交换过程中引起温、盐等海水内部结构的剧烈变化,同时也会对于水下的声速梯度结构产生较大影响。基于某海域中捕获的内波现象,从不同声源探测深度、接收深度、频率及相位变化等方面对其在负梯度环境下的声传播特性展开研究。结果表明,内波的存在可以增大传播损失,减小声呐的探测距离,而且随着声源深度的增加,传播损失先减小后增大,当声源处于内波最大振幅一半处时,声传播损失最小。对于不同接收深度处的传播损失也有着类似的结论,且传播损失较大时,其相应的相位变化最小,反之亦然。

南海东北部海洋内波的反射地震研究

已有的内波研究多来自单点的垂直剖面观测资料,但研究内波水平特征的实测资料却非常缺乏.利用反射地震方法研究海水温盐结构,具有高水平分辨率和短时间内对整个海水垂直剖面进行成像的优势,能够弥补传统物理海洋学观测方法的缺陷,为研究海洋内波提供有前景的新手段.本文通过对南海东北部地震剖面的重新处理、分析,认为地震叠加剖面上同相轴呈现的起伏变化反映了内波的总体形态.计算的水平波数能量密度谱与GM76模型谱基本一致,但在低波数段和高波数段中,两者的振幅及斜率存在着一定差异,经分析认为这种差异主要与内潮波和复杂海底地形的强烈非线性相互作用以及内波破碎等因素有关.

内波单独作用形成的深水沉积物波

深水沉积物波是在海底发育普遍、规模较大的一种波状沉积体 ,大多数学者将它们解释为等深流沉积或浊流沉积。作者结合内波理论的研究进展 ,考虑内波沉积作用的水动力学特征 ,探讨了深水沉积物波的内波成因机制 ,得出以下几点认识 :①海底流动单独作用无法满足沉积物波形成所需的流动层厚度及流动速度 ,较难解释沉积物波的迁移方向及规则的内部及外部形态。②内波可以引起海底流动 ,内波比表面波更容易形成更大规模的沉积床形。③内波可以形成大型沉积物波 ,用内波可以较合理地解释内波的对称波形单元、非对称波形单元及上攀波形单元的成因。波动面离海底距离较大的行进内波及内驻波可以形成对称波形的沉积物波 ,波动面离海底较近的行进内波及内孤立波可以形成非对称波形的沉积物波 ,内波引起的海底流动进一步增强时 ,可形成上攀波形沉积物波。④行进内波可以形成向内波传播相反方向迁移的沉积物波 ,向海盆内部传播的内波可以形成向上坡方向迁移的沉积物波。

利用SAR图像计算内波深度和振幅的可行性研究

根据星载合成孔径雷达(SAR)内波成像机理,建立了包括KdV方程、作用量谱平衡方程和Bragg散射模型在内的内波深度和振幅探测模型,更为严谨地推导出用SAR图像计算内波深度的方法,并首次推导出内波振幅的计算方法。利用该方法对台湾东北部海域的两幅ERS-1SAR内波图像进行了实例研究,结果表明,该方法是合理且可行的。

揭阳港波浪入射角对港内波高影响试验研究

针对有航道海港波浪入射角对港内波高有较大影响的问题,依托物理模型和波浪数值模型,系统分析不同波高、周期、航道尺寸下波浪入射角对港内波高的影响规律。结果表明,波浪入射角θ≤30°时,港内波高随周期的增大而减小,随航道内水深的减小而增大;30°<θ<40°时,港内波高基本不受周期影响;当θ> 40°时,港内波高随周期的增大而增大。此外,θ<40°时,航道宽度越小、边坡越陡,港内波高越大;θ≥40°时,航道宽度、边坡对港内波高影响较小。θ<30°时,航道内水深越小,港内波高越大;θ≥50°时,航道内水深越大,港内波高越大。揭阳港内波高对应的波浪入射角为30°~40°时港内波高最大,应采取相应的工程措施减小该波向对港内船舶泊稳的不利影响。

三峡水库香溪河库湾潮成内波数值模拟

针对三峡水库香溪河库湾水温分层所产生的水生态环境问题,建立了考虑水体表面风应力及热交换的水动力与水温相互耦合3维数学模型,根据实测定解条件,数值模拟证明了香溪河库湾水体具有季节性水温分层特征,水库调峰运行将使河口水体产生"潮汐式"往复运动,并在库湾引发潮成内波;数值模拟给出了潮成内波作用下库湾水温和流速垂向分布随时间的演化,成功捕捉到不同水深处水温波动以及水体上下层运动方向相反的交替流现象。研究成果表明内波对于水体水动力及水温分布具有显著影响,激发和利用内波,可望起到抑制水温层化、改善水体水生态环境的作用。