东海西南陆坡海域近惯性内波研究

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	东海西南陆坡海域近惯性内波研究
	欧阳志灵
学位类型	博士
导师	侯一筠
	2023-05
学位授予单位	中国科学院大学
学位授予地点	中国科学院海洋研究所
学位名称	理学博士
学位专业	物理海洋学
关键词	近惯性内波东海西南陆坡背景场波-波非线性相互作用
摘要	近惯性内波（Near-inertial waves, NIWs）是海洋内波的重要组成部分，活跃在除赤道外的各个海域，其波动频率接近惯性频率f。近惯性内波在促进海洋湍流混合中起着重要作用，由于其导致的强剪切，进而影响污染物的扩散、海洋生产力的分布和全球气候变化，对维持海洋内部层结和全球能量收支具有重要贡献。现有较多关于近惯性内波的观测研究，然而对东海西南陆坡海域近惯性内波的特征和相关机制还缺乏系统性研究。本文基于长时间现场观测，结合卫星高度计和再分析数据等多种资料阐释了近惯性内波的时空变化规律、生消特征及影响因素，同时探究了平均流对近惯性内波频率和传播的影响，并详细讨论了近惯性内波与半日内潮之间的非线性相互作用及机制。观测表明东海西南陆坡海域的近惯性动能存在显著的季节变化特征，即秋冬季强，春夏季弱，这主要受东亚季风和热带气旋过境的影响，且前者为主导。尽管海表面风应力很强，上层弱背景层结的“缩小”作用导致了 2 月较弱的近惯性动能。较短时间尺度上，风场能量输入与跃层近惯性动能具有复杂的时间对应关系，并非成线性关系。受正背景涡度的影响，较少的风能输入到近惯性频带以及阻碍混合层近惯性动能进入跃层，致使在弱季风期（2020 年 5 月至 8 月），强风场能量输入对应弱跃层近惯性动能。近惯性动能呈现次表层增强的垂向结构，最大值出现在 100 m 水深附近，主要集中在 200 m 以浅；此深度的近惯性动能累积百分比达到 60%左右，且季节差异较小。此外，相对于冬季，夏季近惯性能量更难向深层传播。观测期间存在 6 次显著的近惯性内波（NW1 至 NW6）过程，通过对 6 次近惯性内波过程的分析，给出了研究区域近惯性内波的基本特征。时变风场的激发和半日内潮的参量次谐频不稳定（Parametric subharmonic instability, PSI）过程是东海西南陆坡海域近惯性内波的主要生成机制。典型的近惯性内波致流速约为 0.17~0.33 m/s；近惯性能量以向下传播为主，也存在向上传递的现象。NW1 至NW6 近惯性内波的频率均小于局地惯性频率 f₀，发生了(0.106~0.068)f₀的频率 “红移”。垂向模态分解表明，时变风场激发的近惯性内波呈现低模态的垂直结构，由第 2 斜压模态主导；而 PSI 机制产生的近惯性内波则表现高模态特征，由第 4 或第 5 斜压模态主导。此外，近惯性动能具有较快的衰减速度，其 e 折时间尺度为 2.4~3.5 天，仅为 2~3 个惯性周期。在时间变化方面，近惯性剪切强度基本与近惯性动能相吻合；在垂向分布方面，近惯性剪切在表层最强，并随深度增加而减弱，强剪切出现在 200 m 以浅，表明近惯性内波主要促进东海西南陆坡海域上层海洋的混合。此外，流速剪切谱显示研究区域高频剪切场由近惯性、全日（D1）、半日（D2）和 1/3（D3）内潮频带主导。本文定义了剪切效率（Shear efficiency, SE）以定量评估不同频带运动产生剪切的能力。由于近惯性、D1 和 D3 内潮频带运动具有更大的垂直波数，其剪切效率是 D2 内潮的 4 倍以上。因此，在研究海洋混合特征和制定湍流混合参数化方案时，应考虑具有大垂直波数的运动，即使其动能占比较小。近惯性内波的频率“红移”由背景平均流的多普勒频移效应引起，基于观测流速数据和波包分析方法，估计了 NW1 至 NW6 的水平传播方向和波长。低斜压模态主导的近惯性内波具有 200 m 左右的垂直波长，而以高斜压模态为主的近惯性内波的垂直波长为 150 m 左右；近惯性内波都具有较大尺度的水平波长，最小为 144 km，最大达到 337 km；近惯性内波水平传播方向主要由背景平均流向决定，多数朝赤道方向水平传播，但也存在极向传播的情况。潜标观测显示，台风“灿都”过境东海西南陆坡海域，并激发出整个观测时期最强的近惯性内波。有趣的是风生近惯性能量呈现明显的向上传播特征，基于对垂直群速的最大值估计和射线追踪模拟动力学分析表明，在台风过境后的层结减弱以及黑潮入侵陆架增强引起的强垂直剪切的背景环境下，近惯性内波发生反射，从而导致近惯性能量的向上传播。这进一步明确了黑潮在东海陆坡海域近惯性内波传播过程中的重要动力学角色。多种谱分析，如流速功率谱、小波谱以及双相干估计，证实了东海西南陆坡海域近惯性内波与 M₂半日内潮之间发生显著非线性相互作用，产生 M₂f （M₂f，即 M₂ 内潮频率与惯性频率 f 之差）次级波动。剪切谱表明，M₂f 次级波动具有高模态垂直结构，而且在深层也存在较强的剪切，有利于增强深水区海洋混合。近惯性内波在与 M₂ 内潮间的非线性相互作用过程中具有关键作用。在诊断 M₂f 次级波动产生机制中的非线性动量项时，尺度分析表明东海西南陆坡海域垂直非线性动量项比水平项高 2 个量级。垂直非线性项可以进一步分解为分量 1（近惯性垂直剪切与 M₂ 内潮垂直速度的乘积）和分量 2（M₂ 内潮的垂直剪切与近惯性垂直速度的乘积）。分析表明，分量 1 和分量 2 均有显著的贡献，但分量 1 作用更强，而且通过比较内潮和近惯性垂直剪切强度分别与次级波动动能在时空分布上的相关程度来估计分量 1 和分量 2 的相对重要性是可行且合理的。此外，由于研究区域强 M2 内潮背景，在讨论东海西南陆坡海域近惯性内波与 M₂ 内潮间的非线性相互作用的机制时，也需要考虑 M₂ 内潮向 M₂f 次级波动传递能量的转移率，这可能是影响较深层 M₂f 动能强度的重要机制。本文针对东海西南陆坡海域近惯性内波的系统研究有助于更全面认识东海的内波动力过程，为研究东海陆坡区域的海洋混合以及物质输运提供有价值的学术参考，将减小数值模式中局地海洋混合参数化方案开发的不确定性，也为近惯性内波在地转剪切流中传播的理论提供重要的观测支持，并有助于深入了解近惯性内波在强西边界流影响下的动力学特征。
学科门类	理学
语种	中文
文献类型	学位论文
条目标识符	http://ir.qdio.ac.cn/handle/337002/181217
专题	海洋环流与波动重点实验室
推荐引用方式 GB/T 7714	欧阳志灵. 东海西南陆坡海域近惯性内波研究[D]. 中国科学院海洋研究所. 中国科学院大学,2023.

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最终版_东海西南陆坡海域近惯性内波研究_（13234KB）	学位论文		暂不开放	CC BY-NC-SA	浏览