IOCAS-IR  > 海洋环流与波动重点实验室
2018 年台风“山竹”和“玉兔”期间吕宋以东近惯性内波及其剪切的观测研究
曹迈
Subtype硕士
Thesis Advisor王庆业
2023-05-18
Degree Grantor中国科学院大学
Place of Conferral中国科学院海洋研究所
Degree Name理学硕士
Keyword近惯性内波,剪切,台风,菲律宾,吕宋岛,潜标
Abstract

近惯性内波(Near-inertial waves, NIWs)是频率接近局地惯性频率 f 的海洋内 波,由于其强大的剪切力,近惯性内波将在海洋内部破碎并引起湍流混合。这种 混合会影响生物、地球化学和气候方面等多种过程,它也是全球规模温盐环流的 驱动源泉,决定了海洋内的动量、质量和能量传输。热带西太平洋是世界上热带 气旋发生频率最高的地区,这些频繁的台风为近惯性内波生成提供了能源;同时 特殊且复杂的地形情况导致多样的海洋动力过程的出现,也为近惯性内波生成过 程和消散机制提供了能量。因此,热带西太平洋是研究近惯性内波的理想海区, 但正因其地理位置独特,导致现场观测的难度大、成本高,近年来相关研究大多 集中在南海 400 米水深以上,有关热带西太平洋的近惯性内波的现场观测较少。 本文基于吕宋岛以东的潜标观测资料,结合 WOA 温盐数据、卫星高度计数据、 ECMWF 风场数据以及台风数据,重点研究了台风“山竹”和“玉兔”过境潜标期间 生成的两次近惯性事件,分析了近惯性内波的基本特征,阐明了中尺度涡与近惯 性能量传播的关系,揭示了近惯性剪切对海洋剪切混合的贡献。 通过对 2018 年 8 月至 12 月三个潜标原始流速数据和全深度功率谱分析,发 现台风过境期间,近惯性能量远超内潮能量,并使用 Lanczos 滤波器提取了近惯 性流速,进一步确认了潜标能完整的观测到台风所激发的近惯性内波。对 WKB(wentzel-krams-brillouin) 近似后的流速做波数频率谱分析,结果显示频谱 密度峰值主要出现在负的近惯性频率域(−f),表明北半球的近惯性内波以顺时针 旋转分量为主;同时在正、负垂直波数域(m)都表现出峰值且负区域频率峰值更 大,表明近惯性能量同时存在向上和向下的传播但主要是向下传播。此外,将近 惯性流分解为相位上传分量和下传分量,发现上传分量与总的近惯性流几乎具有 相同的分布规律,且远大于下传分量,说明台风激发生成的近惯性内波主要向下 传播到深海。根据近惯性流速剖面图及功率谱可知,相速度和垂向波长分别为 4.9 ~ 9.4 m/h 和 155 ~ 376 m。在台风“山竹”期间,近惯性内波在水深 200/300 m 以上 发生红移 (fe < f0),深水区发生蓝移 (fe > f0);在台风“玉兔”期间,400 m 水深范 围内发生红移,400 m 水深以下发生蓝移。推测是潜标站点受反气旋涡的影响, 因而上层出现红移现象,而在深海影响较小则为通常的蓝移现象。 通过提取的近惯性流速计算了近惯性动能 (Near-inertial kinetic energy, NIKE),从近惯性能量的时空分布中发现近惯性动能的两个特征。第一个特征是, 虽然台风“玉兔”与台风“山竹”相比强度较弱,距离潜标站点较远,移动速度较慢, 但台风“山竹”(29 km/h)和“玉兔”(24 km/h)最接近潜标时移动速度都超过了 该纬度的临界值(14.4 km/h),此时近惯性内波强度随台风平移速度的增加而降低,所以较弱的台风“玉兔”因较小的移动速度产生了更大的近惯性动能。第二个 特征为台风“山竹”期间近惯性动能的高值区域出现在相对较深的位置,即能量传 播的位置更深。结合卫星高度计数据,发现在台风“山竹”期间,潜标站点主要受 到强反气旋涡的影响,有利于近惯性动能通过“烟囱效应”来垂直传播。而台风“玉 兔”期间,潜标站点受到较弱的反气旋涡的影响,相比下不利于近惯性动能的垂 直传播。因此前者高值近惯性动能区域出现在相对更深的位置。对近惯性动能进 行垂直模态分解,简单分析了吕宋以东近惯性内波模态结构的空间变化特征。结 果发现近惯性动能是 400 米以上的较高模态(第 3-5 模态)和 400 米以下的较低模 态(第 1-3 模态)为主。 使用带通滤波提取了 SICs(sub-inertial currents)、NIWs、D1 ITs(diurnal internal tides)和 D2 ITs (semidiurnal internal tides),计算四个频带的流速剪切和方差。从 时间上来看,在两次近惯性事件中,NIWs 诱导的剪切增强,且明显强于其他类 型的剪切。剪切的空间分布表明,SICs 诱导剪切随深度变化不大,其他频带的剪 切与总剪切趋势一致。表层强化特征在 200 m 以浅出现,然后整体随深度的增加 而减小。量化结果表明,NIWs 诱导的剪切占 50%以上,其他频带剪切约占 20%。 特别是 M2 系泊处 NIWs 诱导剪切超过 70%。流速方差则验证了之前的分析结果 即台风过境后,产生了明显的近惯性内波,且两次峰值之间的衰弱可以理解为近 惯性内波的间歇性。结合三个系泊点的流速剪切和方差,可知台风引起的近惯性 剪切贡献了相当大一部分 (超过 50%) 的海洋剪切。由于强的剪切力,近惯性内 波可以在海洋内部破裂,并在海洋内部驱动湍流混合。 

MOST Discipline Catalogue理学::海洋科学
Language中文
Document Type学位论文
Identifierhttp://ir.qdio.ac.cn/handle/337002/181246
Collection海洋环流与波动重点实验室
Recommended Citation
GB/T 7714
曹迈. 2018 年台风“山竹”和“玉兔”期间吕宋以东近惯性内波及其剪切的观测研究[D]. 中国科学院海洋研究所. 中国科学院大学,2023.
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