IOCAS-IR
中尺度涡失稳生成惯性重力波的机制研究
赵波
Subtype博士
Thesis Advisor徐振华
2021-05-21
Degree Grantor中国科学院大学
Place of Conferral中国科学院海洋研究所
Degree Name博士学位
Keyword中尺度涡 惯性重力波 近惯性波 自发生成
Abstract

快变的惯性重力波与缓慢演变的平衡运动之间的时间尺度分离是中高纬度大气和海洋大中尺度动力学的重要特征。惯性重力波普遍存在于层结海洋中,而且是联结海洋内部大尺度气候强迫与小尺度湍流耗散的纽带。中尺度涡在多尺度海洋能量串级和湍流混合中扮演重要角色,因为其储存了海洋中绝大多数的动能。通过惯性重力波向更小尺度转移能量是中尺度涡耗散的一条有效路径。所以,研究中尺度涡生成惯性重力波的机制和特征能够加深对海洋多时空尺度系统和能量串级的理解。

本文通过理论与三维数值模式相结合的方式,研究了旋转层结流体中处于平衡状态的涡旋自发生成惯性重力波的机制和过程。由于瞬时发生的不稳定机制,初始时刻为精确地转平衡的涡旋不可避免地生成螺旋状的惯性重力波并向远场辐射。理论预测和模式结果都显示不论涡旋是气旋的还是反气旋的,其所生成的螺旋状惯性重力波都是顺时针旋转的。这种螺旋结构可以认为是由瞬时不稳定机制生成的惯性重力波的统一特征。这些惯性重力波在其生成和传播过程中一直保持垂向的第一模态结构。这样的垂向结构导致了其粘性耗散较弱,并使得长距离传播成为可能。正、斜压涡旋的对比表明,空间不均匀的应变和涡度对于这种不稳定机制的发生是必需的,而涡旋斜压性的存在增强了在此过程中生成的波动的强度。惯性重力波的振幅随着范围在0.040.1之间的Rossby数的增加而线性增强。此外,反气旋涡辐射的惯性重力波远强于气旋涡辐射的波动。在此生成过程中,气旋与反气旋涡分别有大约0.41 %0.54 %的动能转移到惯性重力波中。

通过以惯性重力波的形式向外辐射一部分能量,涡旋由初始时刻的精确地转平衡状态变为了近似平衡的准地转状态。由于时间尺度分离,准地转平衡的涡旋在缓慢演变的过程中伴随着高频的惯性震荡。惯性震荡与涡旋地转成分的耦合能够强迫生成惯性重力波。强迫生成的惯性重力波的能量集中在近惯性频带内,因此这种由涡旋的强迫机制可以被认为是一种近惯性波动的生成机制。特别是在考虑了涡旋的传播后,多普勒效应导致强迫源发生蓝移,使得其与近惯性波动产生共振,进而大大加强了波动的强度。对于强迫生成机制而言,涡旋的斜压性是其能生成近惯性波动的一个必要条件,因为强迫源为惯性震荡与涡旋地转成分非线性耦合的垂向剪切。在垂直方向上,近惯性波向上传播而强迫源则沿着涡旋的轴线从涡旋温度异常的最大值处向下运动到涡旋的底部。强迫源的移动速度与涡旋的特征无关,只与背景浮力频率和局地惯性频率相关。

理论和模式结果一致表明,中尺度涡与其强迫产生的近惯性波动有着相同的波数。与瞬时生成机制中产生的惯性重力波不同的是,强迫生成的近惯性波动不是向远场辐射而是向涡旋的中心传播。在涡旋传播的过程中,它所生成的近惯性波始终与它保持相对静止。强迫生成的近惯性波的强度与范围在0.040.1之间的Rossby数呈指数形式的正相关。除了Rossby数,涡旋生成近惯性波的强度与Froude数也是正相关的。与瞬时生成机制相同的是,气旋涡与反气旋涡在强迫生成近惯性波方面也具有不对称性。

 

Language中文
Document Type学位论文
Identifierhttp://ir.qdio.ac.cn/handle/337002/170732
Collection中国科学院海洋研究所
海洋环流与波动重点实验室
Recommended Citation
GB/T 7714
赵波. 中尺度涡失稳生成惯性重力波的机制研究[D]. 中国科学院海洋研究所. 中国科学院大学,2021.
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