海洋环流与波动重点实验室知识库

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。