海洋內波的生成研究

耿新 李海濤

摘 要：海洋內波生成及演變是內波研究的關鍵問題之一，人們對于海洋內波的生成機制的研究由來已久，無論是國內還是國外的研究人員都進行了大量的努力研究和探討并取得了豐碩的成果。從海洋內波的生成機制來看，一般可以將其分為高頻隨機內波和低頻的內潮波、內孤立波、慣性內波以及近慣性內波等。可以激發內波的生成源可能存在于在海面、海洋內部或者海底，對不同生成源，對應內波的生成機制也不同，該文介紹了不同位置的內波生成源及其生成機制。

關鍵詞：海洋內波 生成源 生成機制

中圖分類號：P73 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）12（b）-0186-02

Abstract：Generation and evolution of ocean internal wave is one of the key problems in the studies of internal waves.The generation mechanism of internal waves in the ocean have been studied for a long time， both domestic and foreign researchers have been a large number of research efforts and explore and achieved fruitful results. From the point of view of the formation mechanism of internal waves in the ocean， generally can be divided for high frequency random internal waves and low frequency in the tidal wave， internal solitary waves， inertial waves and near inertial internal waves and so on. The source which can inspire the source for the generation of the internal waves may exist in the sea， the interior of the ocean or the bottom of the sea.As for different source， corresponding internal wave generation mechanism is also different. This paper introduces the source of internal waves generated at different positions and its formation mechanism.

Key Words：The ocean waves；Generating source；Formation mechanism

海洋內波的生成是內波研究領域的關鍵問題之一，人們對于海洋內波的產生原因的研究由來已久，國內外眾多學者都在關注這一課題，對此進行了大量的研究并且積累了大量的資料和成果。從海洋內波的生成機制來看，通常可以將內波分為高頻隨機內波和低頻的內孤立波、內潮波、慣性內波以及近慣性內波等[1]，目前人們對于高頻隨機內波、低頻內潮波以及內孤立波的生成源進行了大量深入的研究并且取得了廣泛的一致。

1 不同位置生成源及其生成機制

內波的生成機制作為內波動力學的一個基本問題，至今仍是一個備受關注的課題。海洋內波的生成源可能在海洋表層、海洋內部或者海洋底部出現，對不同生成源，對應內波的生成機制也不盡相同，大多數學者公認的是激發高頻隨機內波的位置比較隨機，海洋表面、內部和底部都有可能[2]。

1.1 海洋表層

大氣中的風在海洋表層產生的移動的壓力場和應力場、變化的浮力通量等都有可能成為激發內波的誘因。K¨ase在1972年就曾研究過這三種壓力場激發的內波，發現由動壓力場激發的內波波幅增加最迅速[2]。Gould等人（1974）的MODE-0海上實驗及Pollar（1969，1970）的海上觀測指出[3]，在大氣的臨界水層處風的強迫與內波的生成有著非常緊密的關系。空間非均勻風場的條件下，海洋表面等在該風場作用下，將引起下部分海水的垂向流，該流將導致內波的產生，具有一定波數向量和頻率的大氣擾動將會產生同樣水平波數向量和頻率的內波。焦春萌、熊谷道夫同樣發現了大氣風應力這一內波生成機制[4]。在表面波場中，如果兩列波數、頻率相近波的疊加剛好滿足內波的頻散關系，就可以產生內波[5]。綜上分析可得，波的疊加產生共振以及海水的垂向流動都有可能是激發內波的一個誘因[2]。

1.2 海洋內部

海洋內部也有許多激發產生內波的誘因。如某些大尺度環流的破碎、中尺度渦由于壓力不穩定而破壞都有可能產生內波，在某些特定的條件下，海洋內部的水下航行物所產生的振動也會在密度層結的海洋中產生對應的高頻隨機內波[5-7]。Hsu等[7]通過研究北海的內波得到，這個海域內波的產生受潮流以及上升流的影響，上升流邊緣經常發現內波，這是因為密度層結面受到了上升流的擾動。穆勒（Muller）在1976年提出了海洋剪切流中內波波包的一種運動，從而證明海洋剪切流也是內波的一個生成源。Dohan[8]通過數值模擬與實驗研究，證實了渦漩（eddy）導致的海洋混合同樣是內波產生的機制之一。

1.3 海洋底部

可以激發內波的還有海底地形的大幅度變化對海水的擾動。如果密度層結的海洋中有一個橢圓形的障礙物，則定常流流過后會產生山后波，海底的地殼運動如火山、地震等產生激烈的振動也是內波的一個生成源[2]。麥克斯沃（Maxworthy）[9]首先提出了一種內波生成理論，即正壓潮流流經突起山脊時，會激發海洋內波。后來，麥克斯沃斯設計了一個實驗驗證了他提出的內波生成機制。他還用海洋底部突起障礙物的往復移動來模擬正壓潮流的往復運動，這種條件下會產生海洋內波，其運動方向和突起障礙物的方向相反。Rattray用具有階梯狀地形的兩層模式，首先提出了潮流作用生成內波的理論模型[10]。建立了二維正壓潮模型來解釋Omen灣內波的生成，與合成孔徑雷達圖像進行了驗證，并對模型數值解與實際所出現的偏差給予了分析說明。

Vlasenko等學者[11-12]發現實際海洋中存在另外一種內波激發機制。該種激發機制與Lee波機制不同，它不是通過正壓潮流在突起物的背后產生Lee波從而激發內波，而是正壓潮流在經過陡變的海底地形后，流體性質由正壓變為斜壓，當流體內Froude數達到某一臨界值時，潮流下游水體堆積，造成躍層界面的下陷，當正壓潮流轉向后，該躍層下凹信號越過陡變的海底地形形成波動向外傳播，形成內波。

除了正壓潮與海底陡變地形的相互作用激發內波外，斜壓內潮的變形同樣可激發內波，這種斜壓潮的存在是正壓潮與海底地形相互作用引起的[13]。斜壓潮在隨后的傳播過程中受非線性效應的作用將激發高頻海洋內波。其激發過程為：首先，正壓潮與地形相互作用激發為斜壓潮；隨后，在斜壓潮的波谷中逐漸產生內波波包。研究表明，這種內波的裂變并非發生在地形突變的海區，而是距離該地具有相當距離的海區。這種激發機制已被澳大利亞西北陸架[14]、葡萄牙陸架觀測所證實。

2 結語

總之，內波生成機制的研究已取得一定的成果，但是各個具體問題，例如：各種生成機制的更深層次的認識，新型內波生成機制的發現與研究等尚需進一步的理論研究、實驗探討和觀測驗證。

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