失稳背景流下对称型海洋内波的生成演变

本文采用无海底地形但考虑海洋跃层和剪切背景流的二维非静力准不可压缩方程组的数值模式,开展失稳垂向剪切背景流下线性和非线性对称型海洋内波生成演变的数值实验,并对结果进行分析、比较和讨论。研究结果表明,线性内波强度随积分时间始终呈指数增长,并有内波的对称不稳定;而非线性内波强度则在发展期呈准线性增长,最终进入稳定期。线性增长比非线性增长要快得多,非线性效应具有维稳作用。对该线性和非线性对称型内波,在跃层附近位密度扰动均有大值中心,即其为跃层所俘获,这与实际观测相一致;流函数与位密度扰动两者均有很好配合,位密度扰动的正、负中心分别相应于流函数的上升、下沉运动,表明有从海底向上的斜对流发生,且以跃层为顶盖。对线性内波来说,随积分时间增加,其波形大体不变,其正、负振幅也大体相同,并有符号相反原地增长的两个倾斜环流圈,而在它们之间则有较强倾斜上升流。非线性内波波形随积分时间改变,倾斜环流圈数目也在增加,最终形成负环流强于正环流的结果,并导致流函数、位密度扰动水平梯度剧增,其可视为间断。

海洋内波发展演变数值试验

利用二维非静力数值模式,对海洋跃层中剪切背景流下内波做了线性和非线性模式的数值试验,结果表明:在本文所取的初始场和环境参数下,海洋内波密度扰动大值中心始终出现在密度跃层附近,被跃层所俘获,这与实际观测相一致;线性情况下,流函数扰动中心与密度扰动中心有很好地配合,密度扰动正、负中心附近分别存在流函数扰动的正、负单圈环流中心,且单圈环流垂直贯穿整个水体。线性模式中内波扰动强度在调整适应期后一直呈指数增长发展,剪切背景流是不稳定的;而非线性情况则呈准线性增长发展,以后增长停止而进入稳定期,且后者的增长也比前者要慢;非线性效应抑制了内波增长而使之趋于稳定,具有维稳作用。随着积分时间增加,线性模型中内波波包波形基本不变。波包的负、正振幅大体相同,整个波包宽度也基本不变,仅振幅有所增长;内波波包传播速度与其振幅无关,且传播速度基本不变。非线性情况下内波波包的形状则发生改变,其负、正振幅之比越来越大,波峰前的陡降也越来越强;并且内波传播速度与其振幅和波形有关,通常非线性效应越强,内波传播越慢。从本文中海洋内波的波长、周期和传播速度来看,该内波属于高频内波(短周期内波),性质为内重力惯性波。

海洋剪切流下失稳内波流场及传播的理论分析

采用求解特征值的方法,探讨了剪切背景流所导致的短波长海洋内波的失稳问题,并给出了其流场结构和传播情况。按照失稳内波波阵面的法向与背景流流向夹角的不同,海洋内波不稳定可分为横波不稳定(夹角为0°),对称不稳定(夹角为90°)和斜交不稳定(任意夹角)3种情况,此时不稳定内波的流场呈现多种形态。对最不稳定流场而言,对称不稳定的流场形态呈现单圈环流的倾斜对流形态,而横波不稳定和斜交不稳定的流场形态则有猫眼结构出现。对于横波不稳定和斜交不稳定内波,最不稳定内波与次不稳定内波两者的流场分布几乎互为镜像。相应于本文的短波长内波,横波不稳定和斜交不稳定的内波均为高频内波,对称不稳定内波不传播,而仅在原地增长。相同参数下垂直方向结构最简单的对称不稳定内波其增长率最大。