海洋中的内波及其演变、破碎和所致混合
本论文首先介绍了内波的基本概念：内波的观测、生成机制、分布、传播演变过程以及内波和混合等。关于内波破碎和海洋中的湍流混合，论文第二章作了较为详细的总结，包括有导致内波破碎的对流和剪切不稳定、非线性相互作用和PSI机制、内波在倾斜地形上的反射、边界层区域的强混合和大洋内区的交换、内波和剪切流场的作用、湍流动能耗散率ε的参数化方法、海洋湍流中的通量估计、混合效率、GM谱和内波破碎所致层化湍流的统计特征，而这些也是数值模拟结果分析、比较的基础。
论文工作的重点是利用高精度的拟谱方法，直接模拟层结海洋中小振幅内行进波的演变和破碎过程，为此作者进行了一系列二维垂直平面内和三维空间内的直接数值实验。通过结果的分析和比较，得到如下结论：1)对小振幅高频内波而言，导致其不稳定而破碎的为PSI机制，即基波的能量向低频、高波数的次级波传递，形成一次级波包，该波包频率约为基波频率的1／2，而逐渐增强的剪切作用则克服了层结的反向力矩作用，导致内波破碎并形成层化湍流；2)内波破碎出现的时间和基波振幅成反比关系，对于粘性系数，由于粘性系数的增大(减小)，使得耗散尺度亦增大(减小)，向小尺度运动级串的能量不易(更易)堆积，致使内波破碎出现的时间延后(提前)，并且破碎后层化湍流的强度相对减弱(加强)；3)内波演变和破碎过程中非线性作用的重要性不仅和Froude数Fr有关，而且还和基波频率有关。对高频内波而言，导致其破碎的为PSI机制，而对于较低频内波，演变过程中PSI机制并没有占据主导地位，虽然内波最终破碎，但等密度面的翻转却是发生在基波频率的运动上；4)跨等密度面扩散系数Kp、和Cox数Cx以及混合效率γ的变化规律较为相似，在内波破碎之前，kp、Cx和γ均维持在低值水平，内波破碎后，Kp、Cx和γ迅速增大，并在湍流维持在一定强度时，Kp、Cx和γ均维持在较高值水平，随后由于湍流的衰弱，Kp、Cx和γ较快的变小，但衰减速度逐步放缓；5)关于浮力通量谱，在初始阶段，浮力通量谱集中在低波数段，且谱值为负，量级较小；在PSI机制逐渐发展并占据主导地位的期间，浮力通量谱值量级变大，在低波数段为负值，在高波数段则有正值出现；而在内波破碎且层化湍流维持在一定强度时，浮力通量谱在低波数处为负，在高波数处为正，量值最大；在湍流衰减阶段，浮力通量谱在低波数处仍为负，在高波数处仍为正，但量值较小；6)关于势能PE谱和动能KE谱，内波破碎之前，势能和动能均已开始向小尺度运动传递能量，内波破碎且层化湍流维持在一定强度时，势能谱存在一稳定谱段满足K<'-3><,Z>律，即满足关系式：P(K<,Z>)=0.2N<'2>K<'-3><,Z>,而对应的动能KE谱则不存在明显满足K<'-3><,Z>律的谱段，它在高波数段的下降速率大于K<'-3><,Z>；7)和二维数值实验相比，三维数值模拟有一些不同点：三维实验中非线性机制可以充分发展并成长迅速，且由于湍涡可以横向(y方向)发展，使得剪切、对流不稳定更容易发生，这导致内波破碎的门槛降低，破碎出现的时间大大提前；此外，内波破碎所致层化湍流的衰减速度也有区别，三维情况下衰减更迅速一些；混合效率y的变化规律在最后的湍流衰减阶段不大相似，三维情况下γ保持在一个稳定的低值水平，而二维实验T1中γ则保持在一个稳定的较高值水平；对动能谱而言，比较于二维结果，三维情况下动能谱虽然在高波数部分同样不满足K<'-3><,Z>律，但其下降速率相对减小，更接近于K<'-3><,Z>。论文最后为工作和结论的总结，并指出了直接数值实验中存在的一些问题和弱点。此外，论文还讨论了内波与混合研究中几个值得注意的问题、赤道大洋的内波与混合、IWAM内波谱模型，这些都可能是今后内波与混合研究工作中的热点和难点。
拟谱方法;内波破碎;层化湍流;海洋混合
中国海洋大学
博士
物理海洋学
田纪伟
2006
中文
P731.24
109
2007-08-07（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）