內(nèi)孤立波生成的數(shù)值實驗

王瑋++夏文慧++端和陽++邵展超

摘 要：文章研究的是利用MITgcm模式，采用數(shù)值模擬技術(shù)，綜合分析南海東北部呂宋海峽東西兩側(cè)的海水層結(jié)。設(shè)計數(shù)值模擬實驗，研究正壓潮在邊界強(qiáng)迫，經(jīng)過高斯地形海脊后形成內(nèi)孤立波的動力過程。探討了流場、正壓能與斜壓能相互轉(zhuǎn)化的過程。

一、引言

當(dāng)水下存在陡變的地形（陸坡、海脊等），在邊界正壓潮流的擾動下，密度躍層附近往往發(fā)生大振幅的波動，然后離開產(chǎn)生源地向遠(yuǎn)處傳播。內(nèi)孤立波對海底物質(zhì)輸運(yùn)、聲通信、海軍潛艇、海洋油氣工程平臺等載荷具有重要影響。南海東北部是內(nèi)孤立波的多發(fā)海域，而且受氣候變暖影響，在21世紀(jì)里該海域的內(nèi)孤立波活動將會增加。本文利用理想的潮-地相互作用模型，分析了內(nèi)孤立波生成過程中，特定層結(jié)構(gòu)對能量傳播方向和強(qiáng)度的影響。

二、模式介紹

MITgcm由美國麻省理工學(xué)院研發(fā)，用來研究大氣和海洋的現(xiàn)象，它的計算內(nèi)核可以用于推動大氣和海洋測算模型，能夠模擬非靜力近似的能力，所以其可以被用于內(nèi)孤立波的模擬。

MITgcm模式的海水運(yùn)動基本方程可以概括為：

方程（1）至（5）分別表示連續(xù)方程、動量方程、海水狀態(tài)方程、熱擴(kuò)散方程、鹽量擴(kuò)散方程，其中V表示三維空間速度（u，v，w），ρ表示海水密度，T表示海水溫度，S表示海水鹽度，P表示海水壓強(qiáng)。

三、實驗設(shè)計

正壓潮流統(tǒng)一規(guī)定為0.3m/s，模式采用水平均勻垂向連續(xù)分層。高斯地形表達(dá)式H（x）=hoexp[-x-S*L）2/W2]，實驗設(shè)置Ho=500m是水深，ho=270m是海中海脊部的高度，W為脊的寬度并且長度為3公里，L為中心區(qū)域的長度，S=0.3。

四、討論

下圖顯示在水平均勻?qū)咏Y(jié)下的潮汐平均斜壓能量密度，從上到下依次為有效位能、斜壓動能和總的斜壓能量。可以發(fā)現(xiàn)，三者在海脊附近集中，離海脊?jié)u遠(yuǎn)，能量逐漸減弱。

五、結(jié)論

采用MITgcm模式數(shù)值模擬，分析正壓潮流流過水下高斯海脊地形的情況，研究正壓潮在邊界強(qiáng)迫，經(jīng)過高斯地形海脊后形成內(nèi)孤立波的動力過程，結(jié)果得出：有效位能、斜壓動能和總的斜壓能量在海脊附近集中，離海脊?jié)u遠(yuǎn)，能量逐漸減弱。

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