水下波動—內波

賈海青　劉偉++黨瑋

摘 要：該文首先介紹了內波的發現以及作用，內波被稱為水下聲道的背景噪聲源，并且在其生成、傳播、衰減過程中將能量向深海區傳遞；然后介紹了內波的觀測，內波的觀測對于內波理論研究具有重要意義；最后從數值研究和理論研究兩個方面介紹了內波的發展。

關鍵詞：內波的發現及其作用 背景噪聲源 能量傳遞 內波觀測 數值研究 理論研究

中圖分類號：F038 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2014）07（b）-0232-02

1 內波的發現及其研究價值

內波是指發生在密度穩定層結流體中、最大振幅出現在流體內部的波動，是一種普遍存在的自然現象。但是，鑒于在水體內部才能產生內波，在水面上通常很難被觀測到。內波現象是由一個叫Nansen在北極探險過程中最早發現的，Nansen發覺船只在進入一片上層冰發生融化的淡水區域時行駛突然變的十分困難。1904年，Ekman用內波增阻效應解釋了這種現象，認為船只停滯不前是由于咸淡水面之間產生的內波做功[1]。

人們最早開始注意海洋內波的威力源自于石油公司的海上鉆井作業。19世紀70年代，經過長達4個月的觀測，在安得曼海域發現有些流速甚至達到了1.8 m/s，此后人們發現這是由于該海域有孤立子內波的通過。因此，人們決定不在輕視這隱藏在水下這“軒然大波”的威力[2]。

對海洋結構有影響的內波，波長可以是幾百米甚至百公里，溫躍層處，內波振幅可以達到百米量級，所誘導的內波流場的最大流速可以達到2 m/s甚至以上[3]。內波被稱為水下聲道的背景噪聲源，它對海洋中聲音的傳播具有重要影響，海洋中傳播的聲信號起伏現象都是由于內波所致。移動中的潛艇會產生內波使其蹤跡暴露，增大了能量損失，因而對船舶輻射噪聲識別影響巨大[4]。內波在其生成、傳播、衰減過程中將能量向深海區傳遞[5]。在深海區，內波破碎對海水混合有重要作用，是其主要方式。此外，內孤立波會導致水下強烈波動，這種波動會嚴重影響到水中武器的發射等等[6]。因此，對內波進行研究不僅僅具有重要學術價值，而且還具有很強的研究意義。

2 內波的觀測

海洋內波的觀測比表面波的觀測困難的多。這是由于海洋內波發生海洋的內層，采用直接測量的方式是不可行的，為了獲得其變化特征需要對海水的密度、溫度、鹽度等進行間接測量。

內波的觀測手段的不斷更新在很大程度上促進著其理論的不斷發展內波現場觀測以定點觀測為主，早期的觀測儀器主要有Nanson瓶、溫深儀，到了20世紀70年代出現了熱敏電阻溫度計、海流計，80年代出現了XBT（拋棄式溫探儀）、CTD（溫鹽深儀）和Aanderaa海流計，而現在常用的主要有海流計、溫度鏈和ADCP等。遙感觀測方面，SAR（合成孔徑雷達）憑借其對海面粗糙度的敏感反應、不受云層和氣候影響等優點，已成為觀測內波的主要傳感器。伴隨著觀察手段的發展，內波理論也在不斷進步和完善。Garrett和Mtlnk提出了普遍適用的譜形式，稱之為CM72、CM75、CM79（Garerct&Munk，1979），為內波的研究工作奠定了基礎。Muler等指出CM譜的缺點以及不足，提出大洋內波場的IWEX譜，從而使得CM譜進一步得到發展。

3 內波研究的發展

3.1 理論研究

內波的理論研究在國外有著悠久的歷史，1847年斯托克斯進行了兩層流體之間的界面波的研究，這標志著人們開始對內波進行理論研究。Lamb[7]假定波振幅與波長的比值為小量，將問題線性化，接著Defant[8]討論了界面長內波以及內孤立波。對于深海，Benjamin[9]和Ono[10]各自進行了獨立不同的研究，他們通過一定的推導得到界面內波的方程，稱為Benjamin-Ono方程；此后，Kubota等導出ILW方程，淺水時退化為KdV方程，無限水深時又退化為BO方程。

3.2 數值研究

與理論解相比，數值解具有其不可替代的優越性，且在內波研究中起著越來越重要的作用。目前關于大多數國內外學者在海洋內波方面所做的數值模擬主要將海洋內波的簡化為二維情況進行模擬。例如蔡樹群[11]等利用（RLW）模擬了該孤立子內波的傳播及其演變過程。Paisley[12]等利用針對不可壓縮流體的納維斯托克斯方程的多重網格技術，在中性穩定以及密度穩定分層的條件下，進行了有界區域內粘性流體通過二維障礙物的計算。

相對于二維數值模型，三維模型的適用范圍更加廣泛，三維數值模型由于考慮了運動要素在3個空間坐標方向上的變化，能夠進行更加復雜情況的計算，尤其三維數值模型中的地形可以設置成不同的形狀。方國洪[13]等建立了一種可以模擬內波傳播的一種分層三維數值模式，這種模式的建立經過了復雜的推導過程，該數值模式在建立時包含了非線性平流項；S. B. VOSPER[14]等在坐標下建立了非粘性、非靜力公式的有限差分模型，進行了強烈的分層流穿過圓錐地形的三維數值模擬，并將一系列模擬結果同來自分層拖曳水池的實驗結果進行了比較。

參考文獻

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