海洋内波的遥感与数值模拟研究

现场与遥感观测都表明,海洋内波广泛分布于世界各个海区,它是潮汐能耗散和海洋内部混合的主要机制之一。深入开展对内波的研究,了解内波的传播演变及消衰过程对于促进海洋声学、海洋沉积学、军事海洋学等相关学科的发展以及海洋生产、海底开采、海上交通等有具有十分重要的意义。

遥感技术的发展为海洋内波的研究提供了丰富的观测资料,打破了过去研究内波只能依赖于现场调查资料的限制。但是,海洋内波遥感资料与常规资料不同,无法直接获得内波的波形等动力学参数,因此,研究如何从卫星遥感资料中提取海洋内波信息成为内波遥感需要解决的关键问题。

过去的研究中,内波参数的提取大多是基于内波的水平一维传播模型,在覆盖范围为数万平方公里的卫星遥感图像上,仅能提取非常有限的海洋内波信息,无法实现海洋内波水平二维信息的提取,造成内波遥感资料的极大浪费。要改善这种状况,需要建立描述内波传播的水平二维传播模型,这也是本文最大的挑战之一。

本文从这一问题入手,开展了对内波传播模型的研究,推导了包含地球旋转和海水粘性效应的内波水平二维传播模型。讨论了地球旋转、海水粘性、海底摩擦对内波传播的影响。

首次研究了科氏力水平分量对内波传播的影响。研究发现,科氏力垂直分量的存在使得内波波面发生倾斜,但对内波速度没有明显影响;科氏力水平分量抑制内波的非线性效应,使得内波变缓,振幅减小。

海水粘性与海底摩擦都有抑制内波非线性的作用,使得内波非线性裂变减少,振幅降低,耗散内波的能量;在内波的传播过程中,湍粘性的作用不可忽略。海底

地形和海洋水深的变化影响内波的传播,地形的变化使得内波的传播方向发生折射;水深越浅,地形效应越明显;内波在传播到陆架海区后,水深的变浅使得波峰线有向平行于等深线方向传播的趋势。

本文建立的内波水平二维传播模型能够成功的模拟海洋内波的水平二维传播特征。以本文建立的内波动力学传播模型为基础,结合内波遥感成像机理,建立了水平二维内波场的合成孔径雷达成像仿真流程;根据实测卫星遥感图像分析了南海西北部海域内波的空间分布特征,反演了该海域的混合层厚度,并提出了应用。